基于AHP－物元评价模型的交通通行状况评判

江 贤，彭思敏，杨婉茹，张 勇

基于AHP－物元评价模型的交通通行状况评判

江 贤b，彭思敏b，杨婉茹c，张 勇a

(电子科技大学 a.数学科学学院；b.机械电子工程学院；c.光电信息学院，四川 成都 611731)

该文通过分析评价交通通行状况的各个指标的特点，建立了小区开放对其周边交通通行影响的AHP-物元评价模型，分析了小区开放对周边道路通行的影响；在利用评价模型做出合理预判后，依据对具体3个不同类型小区的研究结果，确定了预判的准确性。实践表明，对于开放前周边道路一天内基本畅通的小区，大规模的小区不具有开放的必要性，小规模的小区不建议开放；对于开放前周边道路在高峰时段拥堵的小区，大规模的小区具有开放的必要性，小规模的小区建议开放。

小区开放；AHP-物元评价模型；路段行程时间；预判

在2016年出台的 《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中，明确指出 “新建住宅要推广街区制，原则上不再建设封闭住宅小区，已建成的住宅小区和单位大院要逐步开放”。而在开放小区能否改善交通状况及改善效果如何的问题上产生了分歧。

现在需要就小区开放对周边道路通行的影响进行研究，并解决以下4个问题。

1)请选取合适的评价指标体系，用以评价小区开放对周边道路通行的影响。

2)请建立关于车辆通行的数学模型，用以研究小区开放对周边道路通行的影响。

3)小区开放产生的效果，可能会与小区结构及周边道路结构、车流量有关。请选取或构建不同类型的小区，应用建立的模型，定量比较各类型小区开放前后对道路通行的影响。

4)根据研究结果，从交通通行的角度，向城市规划和交通管理部门提出关于小区开放的合理化建议。

1 问题分析

1.1 评价道路通行状况的影响分析。

首先引入道路通行能力等级的概念，对小区开放前后周边道路通行能力划分等级，再选取多个指标 (高峰小时路段饱和度、高峰小时交叉口饱和度、出入口连接值和出入口渠化值)对其进行综合评价；利用物元分析方法，建立通行能力影响程度多指标性能参数的等级评定模型。最后，以成都市武侯区金城丽舍小区为例[1]，对模型进行检验。

1.2 探究道路通行状况的影响分析。

首先考虑体现车辆通行状况的因素，通过查找资料得出，主要是车流量、车的行驶速度、交通密度和道路通行能力[2]。为了统筹上述的几个因素，我们找到了路段平均行程时间这个指标，建立了一个以它为目标函数的车辆通行模型，在此模型的基础上，探究小区开放前后车辆通行影响因素的变化，从而反映出小区开放对周边道路通行的影响[3]。这里仍以成都市武侯区金城丽舍小区为例，对模型进行检验，并基于车辆通行的模型，分析出该小区开放后对周边道路的影响。

1.3 不同类型小区对道路通行状况影响的预判与验证。

根据小区的位置、规模 (取占地面积)、内部结构、周边道路结构，将小区分为以下4类:规模较大开放前周边道路基本通畅、规模较大开放前周边道路较为拥堵、规模较小开放前周边道路基本通畅、规模较小开放前周边道路较为拥堵。对这4类小区做出预判:第一类不具有小区开放的必要性，第二类具有开放的必要性，第三类不建议开放小区，第四类建议开放小区。为了验证对评价模型的预判，我们有针对性地选择了两个新的不同类型的小区，代入之前的评价模型进行求解与分析，再与之前选取的成都市武侯区金城丽舍小区进行综合对比，从而定量比较各类型小区开放前后对道路通行的影响，验证预判的准确性。

2 基本假设

1)假设小区开放后一段时间内周边道路通行的总车辆数不变[4]。

2)假设在道路最大车流量 (通行能力)计算中忽略随机因素带来的影响。

3)假设在计算的各时刻内交通流是稳定流[5]。

3 建模前准备

因为要求分析与评价小区开放后对周边道路通行的影响，故在这一部分，主要分析、推导3个影响道路通行因素的公式。

3.1 道路通行能力C

道路上每小时的最大车辆数，即基本通行能力[6]为:

3.2 交通拥堵指数

交通拥堵指数是反映道路网畅通或拥堵的概念性指数值。在0～2之间令平均行驶速度为vmax，在2～4之间速度为0.8vmax， 4～6之间为0.4vmax， 6～8之间为0.2vmax，8～10之间平均行驶速度接近于0。

3.3 车流量的计算

通过参考文献[1]可得以下公式:

式中，vmax为道路的最大行驶速度，qmax即为道路的通行能力C，ρmax为最大车流密度[7]。

通过某时刻道路上的交通拥堵指数 (由地图实况可得出)即可得出该时刻该道路上的车流量q，平均行驶速度v及交通流密度ρ[8]。

4 模型的建立与求解

4.1 道路通行评价体系的建立

4.1.1 周边影响范围的划定

利用同类设施法通过在与相邻已有的小区之间划分边界来确定影响范围:

4.1.2 周边道路通行影响的评价模型

1)评价指标处理。

选取路段饱和度、交叉口饱和度、出入口连接值与出入口渠化4个指标并对其进行定量化处理来刻画小区出入口对周围道路的影响[9]。

小区出入口连接P3:出入口与支路相连值为1、出入口与次干道相连值为2、出入口与主干道相连值为3、出入口与城市快速路相连值为4；小区出入口渠化P4:设置了行人过街且采取了机非分离时值为1，设置了行人过街且未采取机非分离时值为2，未设置行人过街但采取了机非分离时值为3，未设置行人过街和机非分离时值为4[10]。

其中i＝0表示小区开放前，i＝1表示小区开放后；当p01/p11＞1，表示小区开放对周边道路通行能力为正面影响。当p02/p12＞1，表现为正面影响。若小区开放后P3、P4值减小，则认为小区周边道路通行情况得到改善[11]。

2)评价模型的建立。

利用物元分析方法建立通行能力影响程度多指标性能参数的评定模型。将小区开放后各指标的计算值代入各等级的集合中进行多指标评定。评定结果按它与某等级集合的关联度大小进行比较，关联度越大，它与某等级集合的符合程度就愈佳。从而得到小区周边道路交通能力的评定等级[3]。

具体的建模思路如图1所示。

图1 AHP-物元评价模型

评价指标权重由层次分析法 (AHP)来确定，可得:

通过计算得出w1＝0.40、w2＝0.40、w3＝0.10、w4＝0.10；一致性检验良好。

3)物元评价模型

指标关联度为:

待评事物关于等级j的关联度

定义:Kj0( Q)＝max Kj( Q)， j∈ {1， 2， …， 5}，表明评价事物Q属于等级j0。

分别评定出小区开放前后周边道路交通情况等级，将两者进行对比，即可得出小区开放对周边道路通行的影响。

4.1.3 模型的检验

这里以成都市武侯区金城丽舍小区为例，对所建立的模型进行检验。

根据物元评价模型可求出小区开放前后的交通情况都与等级II的关联度最大，即交通基本畅通。但在小区开放后，交通状况与Ⅰ级的关联度明显上升，上升幅度为68.8，与Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级的关联度都有所下降，下降幅度分别为76.0、108.1和26.9；小区开放前后，Ⅰ级与Ⅱ级关联度之差下降了72.7。综上所述，可以得出小区开放后周边道路的交通状况得到了改善。

4.2 基于车辆通行的小区开放影响探究

4.2.1 路段行程时间τ的计算

根据BPR道路阻抗函数改进后的模型[12]，在某一道路上的路段行程时间为:

式中，τ0为道路自由行使时间，h，α、β为模型参数，

本文推荐模型参数α＝0.15，β＝4.0，则有:

式中，q为车流量，C为最大可承载车流量。

4.2.2 小区周边道路平均行程时间

若小区开放后，τ′减小 (h/km)，则说明小区开放改善了周边道路通行情况。

4.2.3 模型检验

仍以成都市武侯区金城丽舍小区为例，对所建立的模型进行如下检验。小区周边地图如图2所示。

图2 小区周边地图

小区占地面积约为8 000 m2，所以将小区的影响范围定义为小区周边的金凤街、双楠路和草金路南段。

将该小区进行开放，增设支路通往金凤街、金履路和草金路南段，令新增的支路与小区内部道路同为双向双车道支路，增加两个小区出入口，出入口设置人行渠道、地下通道等行人过街设施，且采取机动车和非机动车的分离措施。具体如图3所示。

图3 小区开放后周边地图

经过模型计算后，小区开放前后道路与交叉口高峰时段饱和度对比如图4所示。

图4 开放前后高峰时段饱和度对比图

由直方图可以直观得出，小区开放后，金凤街与草金路南段高峰时段饱和度有大幅度降低，都下降了39.6，而金履路高峰时段饱和度同比增长了16.7，平均路段饱和度同比下降了20.0；而在两个原交叉口，高峰时段的饱和度增长了43.3，平均交叉口饱和度增长了21.3。

可得，小区开放后，道路的通行更为畅通，而交叉口的通行更加拥堵。

小区开放前后交通状况与各等级的关联度如图5所示。

图5 开放前后等级关联度对比图

由图5可以看出，虽然开放前后交通状况都为Ⅱ级，但在小区开放后，交通状况与Ⅰ级的关联度明显上升，上升幅度为68.8，与Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级的关联度都有所下降，下降幅度分别为76.0、108.1和26.9；小区开放前后，Ⅰ级与Ⅱ级关联度之差下降了72.7。

可得小区开放前τ′＝0.026 0 h/km，小区开放后τ′＝0.023 7 h/km，同比下降了2.4，即总体改善了周边道路的通行状况，验证了模型的正确性。

4.3 不同类型小区开放的评价与分析

首先选取了规模较大开放前周边道路较为拥堵的成都市武侯区富临·美丽天城及其周边区域，得出开放前交通状况为Ⅲ级，但在小区开放后，交通状况为Ⅱ级，得到了明显的改善，且与Ⅰ级关联度上升，幅度为50.6；与Ⅳ、Ⅴ级的关联度有所下降，下降幅度分别为60.5和56.4，可以得出该小区开放后周边道路的交通状况得到了明显的改善，即此小区具有开放的必要性，与预判相符。

再选取规模较小开放前周边道路基本通畅的成都市青羊区牧电路22号院及其周边区域，得出开放前后交通状况都为Ⅱ级，但在小区开放后，交通状况与Ⅰ、Ⅲ级的关联度下降，与Ⅱ级的关联度大幅度上升，上升幅度为281.2ffffe8；小区开放前后，Ⅰ级与Ⅱ级关联度之差增加了4.48倍，Ⅲ级与Ⅱ级关联度之差增加3.69倍。即小区开放后周边道路的交通状况并没有得到明显改善，即该小区不具有开放的必要性，与预判相符。

4.4 对小区开放的建议

根据小区开放后的交通通行状况预判，以最大程度改善道路通行状况为目的，提出以下2点意见。

1)建议优先开放占地面积较大，内部网路较为简单的小区。

2)建议优先开放周边道路较为拥堵，靠近城市等级较高道路的小区。

再进一步从安全、效率等方面对小区开放的措施提出以下2点建议。

1)建议在小区出入口设立人机分离和机动分离。

2)建议在小区开放过程中新增支路较多的连接在周边道路等级较低的道路中，以保证外围主干道交通顺畅。

5 结束语

在对小区开放前后对周边道路带来的影响进行评价时，本文充分考虑了正面影响和负面影响，使模型更具说服力。同时在研究不同类型的小区开放给周边道路通行能力带来的影响区别时，将3个不同类型且具有代表性的小区开放后对周边道路通行能力的影响计算出来，进行了定量的分析对比，使结果更为直观可信。

[1]戴姆.数学构模原理[M].北京:海洋出版社，1985.

[2]倪丹.城市公建项目交通影响评价理论及应用研究[D].南京:南京林业大学，2009.

[3]吴殿廷，李东方.层次分析法的不足及其改进的途径[J].北京师范大学学报(自然科学版)，2004，40(2):264-268.

[4]李昂，李硕，李玲.城市道路路段行程时间计算模型研究[J].公路工程，2016，41(3):193-197.

[5]何南，刘宁，赵胜川.基于BPR函数的道路阻抗研究[J].南京工程学院学报(自然科学版)，2013，11(1):6-11.

[6]高海龙，王炜，项乔君，等.无信号交叉口通行能力折减系数计算法[J].公路交通科技，2000，17(5):1-4.

[7]郭钰愫.城市道路信号交叉口通行能力研究及软件开发[D].北京:北京交通大学，2007.

[8]张起森，张亚平.道路通行能力分析[M].北京:人民交通出版社，2002.

[9]白力岗.城市道路交叉口的交通流仿真研究[D].西安:长安大学，2004.

[10]周红媚.基于GIS的路网分析系统的研究与构建[D].成都:西南交通大学，2006.

[11]孟祥海，李士莲.大城市快速路及主干路路阻函数的研究[J].交通运输系统工程与信息，2005，5(4):31-34.

[12]王素欣，王雷震.BPR路阻函数的改进研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2009，33(3):446-449.

The Judgment of Traffic Quality Based on AHP-Matter Element Evaluation Model

JIANG Xianb， PENG Siminb， YANG Wanruc， ZHANG Yonga
(a.School of Mathematical Science； b.School of Mechatronics Engineering；c.School of Optoelectronic Information， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China)

This paper analyzes the characteristics of several indicators to evaluate the traffic conditions.On this basis，the AHP-matter-element evaluation model of the influence of the open area on its surrounding traffic is established，and the influence of the open area on the surrounding road traffic is analyzed.After making reasonable judgment by using the evaluation model，the accuracy of the pre-judgment is determined according to the research results of three different types of cells.For large-scale residential areas that are basically open during the day before the opening of the surrounding roads，large-scale communities do not open.The need for smallscale community does not recommended open； for the open of the surrounding roads in the peak hours of the district， large-scale community has the necessity to open，small-scale community recommended open.

community opening； AHP-matter element evaluation model； section travel time； prognosis

O29，U116.2

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.002

2017-04-27；修改日期:2017-06-23

国家自然科学基金(11271001)；电子科技大学中央高校基本科研业务项目(ZYGX2014Z012)；电子科技大学中央高校基本科研项目(A03012099901013)。

江贤(1996-)，男，本科，电气工程及其自动化。

张勇(1974-)，男，博士，副教授，主要从事机器学习、模拟识别及固相处理方面的研究，mathzy＠163.com