不同类型小区开放后对道路交通能力的影响

吴桥宇，吴宇佳，阮 宁

不同类型小区开放后对道路交通能力的影响

吴桥宇，吴宇佳，阮 宁

不同类型的小区开放后对周边道路可能有不同的影响。开放小区所带来的交通影响主要体现在主干道上，因此根据小区四周所邻主干道数量进行了分类，并通过AHP建立综合评价指标，建立改变了换路规则的STCA模型，分别讨论各类小区对周围道路通行的不同影响。之后选取了南京市红庙小区，大石桥小区，仁恒翠竹园这三个具有代表性的小区进行定量研究，使用了小区道路网密度和入口在公路上的所处位置，对各项参数进行优化。最后使用元胞自动机中进行仿真，得到我们评价体系中的各项指标，从而确定了综合评价指数。与开放前所模拟的数据对比后，发现开放相邻两条主干道的小区效果最好。

元胞自动机；小区分类；STCA模型；综合评价指数

一、问题陈述

2016年，《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中提出了在我国开放现有封闭小区，推广街区制的建议，一度引起了火热的讨论。与国外不同，中国由于人口众多等原因，目前全面开放小区的条件尚未成熟。开放小区能否达到优化路网结构，优化情况具体如何，也要根据小区种类讨论。本文便选取不同类别的小区，根据其周边结构，车流量等相关数据，利用建立的数学模型定量计算了开放后对道路通行的影响。

由于本文对小区周围主干道路使用了排队论进行建模，因此我们对小区的分类也与小区四周主干道的分布有关。我们默认小区有多个出入口并且小区内道路为正常的两车道，能满足正常的通行需要。

分类情况如下：

（一）小区的一侧为主干道，如图1。

（二）小区不相邻的两侧为主干道，或者相邻的两侧为主干道，如图2，3。

（三）小区有三侧都为主干道，如图4。

（四）小区的四周都为主干道，此种情况较少，在本题不作为主要情况讨论。

图1 小区周围只有一条主干道

图2 小区四周有两条主干道（1）

图3 小区四周有两条主干道（2）

图4小区周围有三条主干道

二、建立综合评价体系

由CJ137-2012《道路工程设计规范》等文献可规定如下评价指数：区域路段综合车速，路段道路饱和度和交叉口延误时间。具体解释如下：

（一）首先，小区开放之后直接影响的便是道路的畅通即车速，为了体现这一因素，我们依据所调查路段车速和路长、交通流量加权平均计算得到的值记为区域路段综合的车速V。

（二）其次，小区开放会对周围道路的车流量进行再分配，即影响该区域路段的道路饱和度，所以我们采用研究区域内所有道路饱和度带权平均的方法处理，各路段的权重为路段的通行能力与所有路段通行能力之和的比值，得到区域路段饱和度C。

（三）最后，由《美国通行能力手册》（HCM）给出的信号交叉口延误控制公式可以推得区域交叉口延误时间D。

由APH对上述三项评价指数加权处理，估算出3X3的判断矩阵A，解判断矩阵A的特征方程|A-λI|=0，I为单位方阵，得到的特征值为λi(i=1,2,3)，记最大特征值为λmax，对应于λmax的标准化特征向量为Y=(y1,y2,y3)T，则yi(i=1,2,3)为因素ai对目标的权重，也即对应于判断矩阵最大特征值的特征向量表示因素间的相对重要程度（权重）。

则最终加权求和有

可得量化的综合评价指标Y。

三、基于元胞自动机的新换路规则STCA模型

（一）新分流规则

STCA模型作为一种经典微观换道模型，可通过换路规则对元胞自动机进行相关的模拟。

在这里，我们设xin为1代表换路，为0则保持。设第i辆车的位置为Xnow，小区距离该路段最近的门的位置为Xdoor。当Xnow＜Xdoor＜Xnow+vn时，车辆尚未到达小区入口且经过一个单元时间就可以进入小区，此时车辆可以选择换路进入小区。

在这里我们定义新的换路规则：

设在如下两种情况下，可能发生换路：

1.穿过小区抵达目的地的距离/时间小于不穿过小区抵达目的地的距离/时间，即L小区至目的地＜L主干道至目的地。该情况下转入小区的概率设为β1，容易得知β1也受到小区服务队长影响。

2.类似院STCA模型，当沿原道路行驶受阻，且V小区＞V主干道，即距离前车车距不满足以当前速度继续行驶时，若车辆转入小区后队长允许车速加快，就认为发生换路，否则该车辆减速减速。该情况下转入小区的概率设为β2。

为了区分小区种类的影响，更准确地确定β1和β2，我们引入了两个修正：

1.小区内部路网密集程度，密集程度越大，车辆转入小区行驶的概率越高。

2.小区入口与相邻主干道的相对位置（由实际情况决定）。

（二）元胞自动机算法

基于如上规则，我们可以构筑元胞自动机交通流模型。车速取值为[0，Vmax]，道路分成等距的基元，即元胞。每个时刻任意的元胞辆可能被车辆占据，也可能是空的。在时刻t到t+1的过程中，元胞自动机的状态遵循如下的过程而自我演化：

第一步：加速，vn→min(vn+1,vmax)。

第二步：通过式（2）进行换路，车辆进入小区或者保持原位。

第三步:如（一）情况（2），车速减慢。vn→min(vn,dn)

由此可模拟出小区开放前后综合评价指标Y以及其他各参数的变化情况。

四、各类小区影响的计算

通过上文对小区的分类，我们对前三类各选取了具有代表性的小区进行分析，用交通流的排队论模型在元胞自动机中进行模拟从而求解出相应的各项评价指标，从而定量地比较各类型小区开放前后对道路通行的影响。

（一）小区实例

1.四周只有一条主干道，如红庙小区，大石桥小区，如图5。红庙小区只有左侧有一条主干道。

2.四周有两条主干道，如大石桥小区，如图7。大石桥小区左右两侧各有一条主干道。

3.四周有三条主干道，如仁恒翠竹园，如图6。仁恒翠竹园右侧为高架桥，其余几侧为主干道。

图5 红庙小区平面图

图6 仁恒翠竹园

图7 大石桥周边地图

（二）修正指数的求解

上文已经提及，为了更好地确定车辆在小区入口转入小区的概率，引入了小区内部路网密集程度m和小区入口与相邻主干道的相对位置X，此处m和X可以由以上三个小区的具体情况确定，见表1。

表1 小区路情况对比图

（三）评价体系指标的确定

在确定完各小区的两个修正系数后，我们又采取了各小区周边相应主干道的各项参数，见表2。

表2 小区周边道路情况对比图

接着根据我们所建立的车辆在小区入口处的排队论模型在元胞自动机中进行仿真模拟，分别得到各小区开放前后我们评价体系中的各项指标，按照权重得到综合指数并进行对比。得到如表3～5的结果。

表3 各小区区域交叉口延误时间对比表

表4 各小区区域路段车速对比表（m/s）

表5 区域路段饱和度对比表

最后得到的综合评价指标的变化如表6。大石桥小区的改进情况最好，仁恒翠竹园改进情况较差。

表6 区域综合评价指标对比表

五、结果分析

通过表中综合指数的对比，我们可以发现，红庙小区和大石桥小区在小区开放之后，附近交通得到明显的改善，尤其是大石桥小区，有60%以上的改善程度，我们认为可能的原因有两点：一是大石桥街的相邻主干道有2条。相较1条的情况可带来的分流影响更大，也不会像临近3条的小区由于引流过多而带来堵塞情况。且大石桥小区较高的小区路网密集程度为大石桥路较大的车流量提供了很好的帮助。二是小区的入口距离路口较近，车辆从一开始就得到了较大程度的分流，减少了主干道的拥堵情况。

相比之下，仁恒翠竹园的改善则不够明显，由于相邻3条主干道，周边道路上进出小区交叉口的车辆也相应增多，同时我们可以发现，仁恒翠竹园小区内部的道路较少，所以其内部路网密集程度较低，小区内部易产生堵塞，加上三条主干道大量的车流量进入，所以此小区开放之后得到的改善非常有限。

综合来看，四周有两条主干道的小区开放后效果最佳。这是由于此时的车流量适中，小区开放后能较好地分担主干道的交通压力。而其他几种道路结构中，一条主干道的车流量较少，开放小区对周围影响相对较小。而临近三条主干道的小区，由于总体车流量较大，且小区内道路较为稀疏，开放小区只能承担较小比例的车流，同时可能因为小区周边主路上进出的车辆增多而导致堵塞，从整体上来看效果不佳。因此根据上述分析，应优先选取周围有两条主干道的车流量适中的小区实行开放。

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F292

A

1008-4428（2017）08-41-03

吴桥宇，男，安徽芜湖人，南京邮电大学光电工程学院学生，研究方向：光通信；

吴宇佳，男，浙江无锡人，南京邮电大学光电工程学院学生，研究方向：光通信；

阮宁，女，江苏高邮人，南京邮电大学理学院学生，研究方向：应用数学。