基于车道的城市交通网络模型★

张 水 舰

(湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000)

基于车道的城市交通网络模型★

张 水 舰

(湖州职业技术学院，浙江 湖州 313000)

分析了交通网络的几何和交通流特征，建立了以车道为基本建模单元的交通网络模型，并探讨了交通网络模型中拓扑关系的表达方法，建立的城市交通网络模型为交通网络的优化提供了基础。

城市交通网络，网络建模，拓扑关系

0 引言

现今随着交通技术的快速发展，给人们出行带来了便利，提高了出行效率，增进了人们之间的交流，但同时也随之出现了一些不容忽视的问题，交通事故和交通堵塞在交通网络上时而发生[1]，不仅影响了普通市民的出行，城市经济的发展在一定程度上也受到了影响。为了改善交通网络拥堵的状况，减少交通事故的发生[2]，有必要优化交通网络，在交通网络上合理分配交通流量[3]。现有许多学者对交通优化做了相关研究，并取得了大量的成果。交通优化的基础是建立交通网络模型，而现有交通网络模型对交通网络特征考虑不足，对交通网络的实际特征描述不到位，从而导致优化算法不够有效。而且在现有的交通网络模型中，自由车交通网络和公共交通网络是分开的。在同一个优化系统里，两个网络分开可以使系统实现起来比较简单，但这会增加整个系统的数据，反而降低系统的优化效率。本文将利用线性参照系统和动态分段技术把自由车交通网络和公共交通网络组成一个统一的交通网络。

1 交通网络特征分析

事物的特征是复杂的，是客观存在的，是由状态、关系、功能等构成的基本实体单元，对事物特征的描述可以从事物的几何分布、组成要素和时态三个方面来进行[4]。交通网络的几何特征主要包括两个：弧和节点，由交通线路抽象而成的弧；由线路相交点抽象而成的节点。交通网络除具有空间分布的几何特征外，交通网络上还分布了交通流，而且交通流的特征是动态的，在同一时刻交通网络上不同空间位置的交通流状态是不同的，对交通网络建模还应充分考虑到交通流的这一特征，否则将影响到交通优化的有效性。一般情况下，交通网络特征可以总结为以下四个主要特征：1)线性和网络分布特征，城市交通网络是由线性空间分布的交通线路构成，众多的交通线路构成一个复杂的连通网络，可以看出图论和拓扑论是交通网络建模的理论基础；2)具有分段分布的特征，交通线路都是由不同的路段组成的，在同一时间段内相同的线路中不同路段也有可能具有不同的交通状况；3)交通网络的动态性，交通网络上的交通状态是时间的函数，会随着时间的变化而变化；4)组成交通流的车辆具有自主性，驾驶车辆的出行者在遵守交通规则的前提下能自由选择出行的道路。

如果只用于信息数据系统的数据显示，传统的点—弧交通网络模型具有很高的效率，但如果用在交通优化系统中，传统的交通网络模型由于对交通网络特征考虑不足，往往会降低交通优化的有效性。交通流是按车道分布的，在一条多车道的道路上，方向相反的车道上往往会有不同的交通流特征，如每天的上下班高峰期，进出中心城区的车道上的交通流分布往往相差很大，往往会出现一个方向的车道拥堵，而另一方向的车道通畅。在同一道路不同方向上的车道的拓扑关系也往往不同。交通线路上的潮汐车道、限行、左右转向限制等交通规则也往往是针对车道制定的。从上分析可知交通网络的特征是与车道密切相关的。

2 交通网络几何模型

2.1 交叉口和道路模型及拓扑关系的表达

交通网络建模的理论基础是图论，但在实际的建模过程中，要充分考虑到交通网络的特征。交通网络的实际情况是比较复杂的，传统的交通网络模型采用道路中心线来表示道路，并不区分车道，这无法描述道路上的具体情况。从以上分析我们知道：一条道路上不同车道上有不同的交通属性，因此不能把一条道路简单地抽象成交通网络的一条边，必须分车道进行建模。在交通流分配等网络分析中，往往要考虑到这些车道上的信息，要不分析结果肯定会不准确。因此把车道作为交通网络建模中的基本单元更为合理，以下为多车道的道路建模方法。

1)在交通干线上的道路往往是四车道以上，同一方向的车道有两条车道以上，此时同一方向的车道的属性大致相同，可以合并为一条同向的车道，交通流信息可以为同向各车道的和，见图1。

2)道路交叉口是交通网络的重要组成部分，道路交叉口在交通网络模型中可以用节点表示，由于在交通网络中道路相交的情况比较复杂，又有以下两种情形：

a.两条或多条道路简单相交所形成的交叉口的情况比较简单，如图2所示。

b.当两条道路并不是完全交叉，而是与单向的车道交叉，此时要对不同的车道分开建模，如图3所示。

拓扑关系是交通网络的重要特征[5]。交通网络模型是由节点和弧段构成，因此包含的拓扑关系主要是点线和线线拓扑关系，传统的交通网络拓扑关系表述方式是用节点—弧段的拓扑属性表来描述的。然而，如上所述在交通网络中有一些针对车道的交通规则，如限行、转向限制等会影响交通线路之间的拓扑关系，传统的模型不能表达这种拓扑关系，而在基于车道的交通网络模型中，车道间的拓扑关系被记录在转向表中，此种方式能表达车道之间不同的拓扑关系。以图2所示的道路交叉口模型为例，模型中各车道之间的拓扑可表示为线线拓扑关系，可用表1来描述。

2.2 立交桥模型及其拓扑关系的描述

立交桥在城市交通网络中起着重要的作用，立交桥的建设可以使道路交叉口的通行能力大大提高。立交桥是多条道路在同一点汇集，但桥上的车道与桥下的车道又不是在同一平面内，并不交叉，为此把立交桥当作一个节点就不能很好地描述实际的情况，把车道作为基本建模单元比较合理，如图4所示。

表1 车道与车道之间的拓扑关系描述表

在图4的立交桥模型中，在立交桥各车道的交汇处增加了4个节点，这能比较有效地描述各车道相连接的真实情况，见表2。

表2 立交桥各车道拓扑关系

3 结语

城市交通网络具有空间分布等不同于其他网络的交通特征，在基于图论对交通网络进行优化时，首要是建立一个合理的交通网络模型，建立的交通网络模型要能反映交通网络有别于其他网络的属性特征。本文对交通网络特征进行了分析，提出了基于车道的交通网络模型。本文建立的交通网络模型，能比较合理地描述交通路网特征，运用在交通网络优化中可以提高优化算法的有效性。

[1] 王子豪,王修山.公交优先治理城市交通拥堵问题研究[J].山西建筑,2014,40(2):1-2.

[2] 董旭明.公路交通安全设施技术状况评定体系研究[J].山西建筑,2014,40(11):139-141.

[3] 刘 岩，赵 顗，张卫华.城市道路五路交叉口交通流组织优化设计[J].公路交通科技(应用技术版)，2014(3):285-289.

[4] 陆 锋，周成虎，万 庆.基于特征的城市交通网络非平面数据模型[J].测绘学报，2000，29(4):334-341.

[5] 陆 忠，钱翔东，张登荣.基于最短路径查询的城市公交网络拓扑建模研究[J].遥感信息，2002(1):11-14.

Research on modeling urban traffic network based on lane★

Zhang Shuijian

(HuzhouVocationalandTechnicalCollege,Huzhou313000,China)

The article analyzes geometric and traffic flow characteristics of traffic network, establishes traffic network model with lane as basic modeling unit, explores topological relation expression methods in traffic network model, and finally establishes urban traffic network model, which has laid a foundation for optimizing traffic network.

urban traffic network, network modeling, topological relation

2015-08-28

张水舰(1972- )，男，讲师

1009-6825(2015)31-0004-02

U491.13

A

★：浙江省教育厅自然科学研究计划项目(项目编号：Y201432450)；湖州市科技局项目(项目编号：2014YZ09)