基于VISSIM仿真的小区开放对道路通行影响研究

卢子谦+周德超+张泽宇+范兴奎+贾爱宾

【摘要】本文首先选取衡量道路通行能力的四个主要指标，利用熵值赋权法确定权重，构建评价体系.在这个基础上建立车辆的通行模型，定义通行时延作为量化标准来研究小区开放对周边道路通行能力的影响，利用元胞自动机算法模拟小区开放前后的车辆通过模型，进一步验证了模型的可行性.最后利用复杂网络的拓扑思想模拟小区内部的道路结构，确定衡量周边道路环境的主要参数指标，采用VISSIM软件分别进行车辆通行模拟.得到不同类型小区开放前后的道路通行能力指标的相应数据并以此进行定量分析，最终得出小区开放对道路通行能力影响的结果.

【关键词】熵值赋权法；车辆通行模型；元胞自动机；网络拓扑结构；VISSIM仿真

2016年“高教社杯”全国大学生数学建模竞赛B题要求研究小区开放对道路通行能力的影响，针对这个问题，本文结合小区开放与周围的道路复杂程度、小区的内部结构、小区周围主干道车流量等因素建立数学模型并模拟小区周围道路的车流量，来分析解决这一问题.

一、构建评价指标体系分析小区开放对周边道路的影响

小区开放影响周边交通通行量的主要因素为道路的路网特征，而路网的影响指标主要与延误时间、行程时间、车速、流量、VC、道路通行能力、交叉口的服务水平等相关[1].由道路通行能力与交叉口的服务水平基本特征可知居住小区开放对交通量的影响作用于周边路网，必然引起周边路网服务水平的下降，因此，可以从周边的路网情况来定义道路通行能力强弱[2].因此，本文选取了交叉口的饱和度，道路的饱和度，路口阻塞率和交叉口的平均时延这四个指标作为衡量道路通行能力的主要指标.

为了确定各指标对道路通行影响的程度，本文用熵值赋权法把文中前述四个指标构建为一个评价体系，并以杭州市四个不同地点交通评价指标的具体数据（见表1）为例计算评价体系中四个指标所占的权重.

熵值赋权法建立数学模型确定各指标权重，即如果选定的评价指标的信息熵越小，则该指标提供的信息量越大，在评价系统中所起作用越大，权重越高[3].

由此可见，小区开放对于周边道路通行能力影响的主要四个指标有中交叉口平均延误时间这个指标权重最高，且其他指标所占比重微小，因此，本文采用交叉口平均延误时间作为判断小区开放与否对道路通行能力影响的重要指标.

二、车辆通行模型的确立及可行性分析

（一）车辆通行模型的确立

根据2015年发布的数据，杭州在全球最拥堵的城市排名中排名第30位，因此，我们在这里选取杭州市建中小区区域（见下图1）为例来分析小区开放对周边道路通行的影响.

由图1可见原本一个封闭的小区在四个出入口开放后便成了如图所示的路网，其中从清江路到建国中路，从建国中路到解放路，从解放路到环城东路的靠右行驶的车辆以及从清江路要到解放路去的车辆可以从小区内部通过.考虑到小区各个出入口出的车辆进出率对主干道车流量存在着影响，由城市道路系统出入口匝道车流量公式得到主干道通行能力与出入口驶出率的关系：

根据以上指标及数据，把小区区域抽象为一个长方形区域，模拟在小区封闭时，一辆车从小区西南角开始向北行驶至十字路口左转到解放路并从解放路离开上图1区域的过程，以此过程中小车的通行时间为研究对象建立数学模型.

经过上述的分析可以看出，在小区封闭时一辆车的通过时间大概是226.5 s左右，而在小区开放时一辆车通过时间大概是150.5 s左右，经计算：一辆车的通行时间减少到了原来的66.4%，因此，如果以道路通行能力为衡量的话，通行能力提升至了原来的2.506倍.

（二）利用元胞自动机法验证模型可行性

在上面讨论的问题中，没有考虑到实际问题的复杂性，存在着漏洞和局限性，在实际的道路通行中，有很多的复杂情况，如，各个车辆在行驶过程中需要换道；各个车辆的行驶速度，加速机制不一样[6-7].基于上述原因，我们需要寻找一种能够对复杂的现实状况进行仿真的离散化的模型来对问题进行更细致更深入的探索.因此，本文选择元胞自动机来模拟交通流，在MATLAB上构建元胞自动机模型模拟交通流，从而体现出开放小区对道路交通能力的影响.[5]

在元胞自动机模型中，设置道路為一个90×5的矩阵，其中，90表示路段所包含的元胞个数，每个元胞的长代表实际的4米，路段总长360 m，故需要90个元胞；5表示路段宽所包含的元胞个数即三条车道+两条车道边界.矩阵中的每点就是一个元胞，每点的数值代表当前元胞的状态.在路段中有三种元胞：

被车辆占用的元胞用1表示；空元胞用0表示；不可进入的元胞用-1表示（不可进入的元胞包括道路边界）.

一般在城市的道路上主要有小汽车和公交车两种类型的车，公交车的长度一般为小汽车的2倍，在这里我们取公交车为2个元胞，也就是2个小格.

由道路的通行能力数据表2，可得到杭州市建国中路的各个观测时间段的平均交通能力为2 200 pch/h.

利用上表中的车流量，运用仿真程序得到小区开放时的交通状况如图4所示.

由可视化图4-1可以看出图中有8辆小汽车，1辆公交车，总的汽车数占总的网格数的110，由此可以看出道路的饱和度低，通行能力强.

现在假设小区不开放，所有的车辆只能通过主干道来行驶，由观测的车流量数据仿真出封闭小区的交通状况如图4-2.图中有17辆小汽车，1辆公交车，总的汽车数占总的网格数的15，是开放式小区的2倍，因此，可以得出结论，开放小区能提高道路的通行能力.

三、基于VISSIM仿真软件分析不同类型小区开放前后对通行能力的影响

（加上一两句话说明为什么考虑后面这些因素）考虑小区的周边道路结构、小区的内部道路结构、车流量等因素，用VISSIM软件仿真整个过程来分析不同类型的小区开放前后对通行能力的影响.endprint

（一）小区结构对小区开放前后道路通行能力的影响

对于小区结构，我们主要研究的是小区内部的道路结构，主要组成部分包括道路结构即小区道路是否与外部主干道平行，小区道路是网格平行于外部主干道分布或者斜向交叉分布，我们在这里采用复杂网络拓扑结构的思想来构建小区模型.首先，分析小区内部道路形状不一样时的影响状况[8].

1.当小区内部车道为双行道时的情形

（加上小区内部道路形状的几种情况简要介绍怎么由复杂网络拓扑而来两三句话即可）构建一个小区内部道路星形分布的小区，面积约为0.77 km×2.44 km，即1.8 km2，我们采用VISSIM仿真软件先设定出小区未开放之前的道路通行情况如图5所示.

图中的灰色线条模拟现实道路，灰色线条中的各种颜色的小点模拟车辆，其中箭头的部分为小区的内部结构.

根据实际情况设定信号灯的周期，并设定输入车量数足够大，且采用控制变量的方法，先把小区外部的道路饱和度、坡度、交叉口饱和度等参数设为默认值进行初始化过程然后开始模拟.

同时在图5设置数据监测点，监测每10 s内通过此点的车辆的数量，以此来判断此处的车辆通行能力.仿真完成后得到0～500 s内有132辆车通过此点，那么得到此条路段的道路通行能力为

小区开放后的内部道路如图6所示，再次仿真得到此时0～500 s内通过道路监测点的车辆总数为84辆，通过小区内部监测点的车辆通过数为75辆，共计159辆，同理得到此情况下的路段通行能力为车P2=1 144.8 pcu/h，开放后与封闭时通行能力的比值为1 144.8950.4=1.20，即开放后小区的通行能力是开放前的1.20倍.

同理，分析了其余几种小区内部结构得到当小区内部为总线型结构时开放后为封闭时的1.32倍；当小区内部为环形结构时开放后为封闭时的1.15倍，当小区内部为树形结构时开放后为封闭时的1.35倍.

2.当小区内部车道是单行道时的情形

当小区内是单行道的时候仿真会出现冲突状况，图6中的箭头所示为冲突点.

从仿真过程中可以清晰地看出在两辆车相向行驶相遇时会在此处产生拥堵，严重地影响了通行状况，从监测点的数据来看通行能力降为了802 pcu/h，仅为原来不开放小区时通行能力的0.84倍.

（二）小区周边道路结构对小区开放前后道路通行的影响

对小区周边道路结构本文主要考虑两个因素来定量分析它们对小区开放的影响[9]，一是周围的结构比较复杂，例如，学校、医院等人流量大的功能区域，这种情况下会在一定程度上对小区周边的通行能力造成影响；二是小区与路口的距离因素，因为当小区远离路口时一般情况下车主不会选择从小区穿过，因为这样做并不会带来太多的时间节省，且还可能因此，降低了行驶速度.

由仿真评价报告得出小区开放前延误时间的平均延误t1=52.3 s.

小区开放后的平均延误为t2=27.6 s即开放后的时延相对于之前缩短为了原来的53%，大大减少了延误时间，提升了通行效率，由此可见，学校等人流量大的周边区域对小区的开放有很大的影响.

2.小区位置对开放前后的影响

（1）当小区距离路口较远的时候，仿真发现排队距离和小区是否开放关系不大，因为排队距离很难到达这么远的一个距离，同时得到排队长度的评价.小区开放和不开放的排队最大长度都是32 m，可见几乎没有影响（如图8-1）.

（2）当小区距离路口很近时（如图8-2）小区开放，车主就可以选择从小区内部通过而不是从外部排队通过，这样就可以使排队的长度大大降低.

在不开放时模拟的排队长度是32 m，而开放后的排队长变为了20 m，由此分析排队长度变为原来的62.5%，通行能力大大提升.

综上所述，车道为双车道小区内部为星形、总线形、环形或树形时小区开放较封闭时通行能力均有所提升.而小区开放后若小区内部的道路为单行道反而会使道路通行能力降为原来的0.84倍.当在复杂区域开放小区时可将交叉口平均时延缩减为原来的53%，近距离小区的开放可以将排队长度缩减为原来的62.5%，当车流量为标准车流量的2倍时，小区开放后道路通行能力比原来提高到1.24倍.

四、模型总结分析

本文从实际问题出发，为研究小区开放对道路通行能力的影响，先从交叉口的饱和度、道路的饱和度、路口阻塞率和交叉口的平均时延这四个指标中找出对通行能力影响最大的指标，并以这个指标为基础建立车辆通行模型，利用元胞自动机的思想从宏观上进一步分析出小区开放对道路通能力有显著的提高，最后利用VISSIM仿真模拟车辆通行的过程，更进一步确定上面的结论.

车辆通行模型建立过程中有如下的优点：

（1）在建立小区开放对周边道路通行能力评价体系的时候，采用了熵权赋值法给定了各指标的权重，使其影响程度量化.

（2）在建立车辆通行模型的时候单独拿出一个小车的行驶过程分析，简明直接地展示了整个过程，分析了“开放”带来的影响.

（3）利用元胞自动机对模型进行宏观的模拟，更加清晰明了的展示模型.

（4）利用VISSIM仿真使得模型更加接近真实情况.

在建立模型的過程中，发现模型也存在着如下的缺点：

（1）建立车辆通过模型时，只考虑了实例中的理想化模型，没考虑到小区内部的一些情况.

（2）仿真中过多的依赖于VISSIM仿真，对于实际情况的考虑不够充分.

此外针对安全性考虑，中国建筑历来看重安全性，从早些时候的亲族式的居住方式到近现代的四合院再到如今的封闭小区，一直都是以一个集中的密闭空间为载体的存在，而西方国家则不同于中国，大多以街区的形式存在，因此，就安全性来说开放的小区安全系数肯定不如封闭的小区，但是考虑到小区的年龄结构，一般新建的小区的住户年龄都比较年轻，出行方式也都倾向于私家车，所以建议在新建的小区内实行开放的政策，而在一些老城区或者老的小区里实行原有封闭的政策.

【参考文献】

[1]秦春艳.城市交通运输系统效率及其评价问题研究[D].西安：长安大学，2009.

[2]秦进，史峰，侯桂荣.交通拥挤网络效率衡量方法研究[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2009（1）：29-32.

[3]姜启源，谢金星，叶俊.数学模型[M].北京：高等教育出版社，2010.

[4]卓金武.MATLAB在数学建模中的应用[M].第2版.北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[5]姚祖康，顾保南.交通运输工程导论[M].北京：人民交通出版社，2003.

[6]李向朋.城市交通拥堵对策——封闭型小区交通开放研究[D].长沙：长沙理工大学，2014.

[7]商仲华.居住小区开发交通影响分析研究[D].西安：长安大学，2006.

[8]郝晨羽.基于VISSIM仿真技术的城市道路交通运行状态分析研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2014.

[9]曹静.基于TransCAD的住宅建设项目交通影响评价研究——以赤峰市华睿园小区建设项目为例[D].长春：吉林大学，2013.endprint