基于多元化熵权算法的小区开放对交通影响研究

左学武，李红菊

(安徽新华学院公共课教学部,安徽 合肥 230088)

基于多元化熵权算法的小区开放对交通影响研究

左学武，李红菊

(安徽新华学院公共课教学部,安徽 合肥 230088)

目的研究小区开放对周围道路通行的影响，确定小区开放对周围道路通行影响的具体评价指标，为城市规划和交通部门制定决策提供理论依据。方法通过文献、网络资料等调研分析小区开放对道路交通的影响因素，构建多元化层次评价体系。运用多种影响因素的层次评价体系得到小区开放对于道路通行的影响大小和利弊，并运用多元化子因素赋值法和熵权法求得模型并对其进行分析。结果定义交通服务通行能力的变化程度来说明小区开放对交通的影响，并以此作为评价体系的约束层。然后对交通服务通行能力变化有影响的因素按层次划分为目标层、准则层和指标层。结论针对小区的地理位置、小区面积、人口密度、车辆状况、道路类型等特征，将小区不同路段不同车型的车流量变化率确定为小区开放对周围道路通行影响的具体评价指标。

小区开放；道路交通影响；熵权法

0 引 言

国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，其中第十六条“关于推广街区制，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”等意见，引起了广泛的关注和讨论。现建立数学模型，就小区开放对周边道路通行的影响进行研究，为科学决策提供定量依据，给出下面两个问题的解决方案。

问题1：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。

问题2：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。

1 问题分析

小区开放主要目的是为了改善当前的交通状况，对于小区开放的研究主要在于小区开放对于交通影响的作用大不大，影响是有利还是有弊。对于各种不同的小区进行综合考虑和分析。

问题1中，要求选取合适的评价体系，用以评价小区开放对于周围道路的影响。首先需要将这个影响定义成具体的标准，用服务通行能力来表示这个影响。而后从这一层开始逐步往下一层次推进，得到地理位置、小区面积、车辆状况、道路类型等因素对通行能力均有影响。再继续往下层推进，建立有约束层、目标层、准则层、指标层的多元化层次评价体系。

问题2中，根据问题1的多元化层次评价体系，从指标层开始往上层求得模型，指标层到准则层采用赋值加权法求取，根据参考文献和修正系数分析得出各个指标层指标的权重；准则层到目标层利用熵权法求取权重，得出交通通行量的变化量；而后通过问题1中所给的公式求出通行能力的变化。

2 模型的建立与求解

2.1 问题1：多元化层次评价体系

针对小区开放对于周边道路交通的影响问题，从道路影响的最顶层开始考虑。同时定义道路路段交通量的变化为对于该路段交通状况的影响。然后再往下一层次考虑影响交通量变化的因素并修正分析。最后得出合理的多元化层次评价体系。

2.1.1 通行能力定义交通影响

小区开放与不开放，主要是观察交通是否更加便利，是否能提高小区及其周边街道的通行能力。查阅资料可以知道，小区及其周边街道的通行量变化就可以代表小区对于道路通行的影响。该地区的通行能力计算可以通过下述公式得到[1]。

(1)车行道最大服务通行能力(饱和量)：

式中：

Mi—在理想条件下第i级服务水平的车道双向最大服务交通量(辆/h)

ν—行车速度(km/h)

t0—车头最小时距(s)

l0—车头到后一辆车车头之间的距离(m)

(2)车行道的设计通行能力：

计算通行能力Nk是以最大通行能力为基础考虑到实际的道路和交通状况,确定其修正系数,再利用修正系数得到实际道路、交通与一定环境条件下的设计通行能力[2]。

道路条件影响通行能力的因素很多,一般考虑影响大的因素,其修正系数有:车道宽度修正系数fs；侧向净空的修正系数fd；纵坡度修正系数fw；视距不足修正系数ft；沿途条件修正系数fl。

车行道的设计通行能力为：CD=Mi×fs×fd×fw×ft×fl

2.1.2 通行能力影响因素

对于小区车辆的通行能力来说，影响因素是来自多方面的。要得到小区开放后对于周边道路的影响就要得知小区开放前后小区内通行量的变化，尤其是在高峰期时的通行量变化[3]。由此需要建立小区路网的通行量与其不同的影响因素之间的函数关系，其中利用层次分析方法可得到其影响因素之间的关系。第一层的关系，如图1所示。

图1 第一层次因素图

对于一个小区而言，在正常情况下，小区周围街道的汽车通行总量是不会变化的。因此小区和周围街道的通行量之和CD也是固定的：

ΔCD=Δn0+Δn1-f(n2)

当小区内的通行量n0增加的时候，周围街道的通行量n相对减少，此时可以看作街道的交通环境有所改善。而当周围街道的通行量n增加的时候，街道的交通环境就受到影响。

由上可知，在此只需分析n的变化就可以得出小区开放对于周边是否有影响。经过查阅资料，针对对外开放和未开放的小区进行对比。根据文献[3]可以得出层次分析的第二层，如图2所示：

图2 第二层次因素图

根据图2可以知道，小区在城市中的位置Pt1、小区面积Pt2、人口密度Pt3、车辆状况Pt4、道路类型Pt5，这5个因素直接影响着小区内的通行量n。可以得出各个影响因素和n之间的函数关系式:

n0=f(Pt1,Pt2,Pt3,Pt4,Pt5)

因为这5个因素对于小区通行量均有影响，因此可以根据上述5个因素构成层次评价体系，可以用路网的通行量来对周边道路通行的影响进行描述，这5个影响因素又可以再一次往下一层次分析。

(1)地理位置分为两项，分别是城市中心、城市边缘。城市中心地区车流量较大，城市道路较多，小区居住人口密度也相对较大，因此道路堵塞情况比较严重。城市边缘地区道路交通状况较好，而且小区人口较少，一般普通道路的交通量不会达到饱和，因此小区开放的影响较小。

(2)小区面积分为三类，分别是居住区、居住小区、居住组团。其中居住区规模较大，一般人口在5～6万(不少于3万人)，用地50～100 hm2左右。居住小区一般称为小区，规模中等，居住人口规模7 000～15 000人。居住组团一般面积小于10万m2，居住人口大概300～800户，规模在1 000～3 000人。根据文献资料可以得到表1。

表1 居住区内占地指标(单位：%)

(3)人口密度是反映居住区(小区)卫生条件的另一项重要指标。人口密度不再做进一步分类。根据以下公式对人口密度Pt3进行计算：

Pt3=居民人数/居民建筑用地面积(ha)

(4)通过查阅文献[4]，将车辆状况分为5类，分别是微型汽车、小型汽车、中型汽车、大型汽车、铰接车。在城市中运行的车可以根据车辆的大小分为这5类。其中每一类车在道路上所占的空间和时间都不相同，因此可以得到表2。

表2 各类车型分类与换算

道路类型将之分为四类，分别是快速路、主干路、次干路、支路[5]。这4种道路类型是在速度限制的基础上进行的，在小区内和周围往往都是限速较慢的次干路和支路，这样既是为了安全考虑，也是为了通行的便利。可以根据资料得到各种不同道路的速度限制(表3)。

表3 城市道路分级修正表

2.1.3 小区道路与周围道路接口处影响分析

道路系统之中，交叉路口对于道路的影响是不可以忽略不计的，论文中对增设道路开口处,主要利用车头时距和行人过街时间来判断人与车、车与车之间的影响,对于丁字类型开口处只对左转与一个车流方向的直行方向进行讨论。

黄文忠、杨佩昆利用在人行横道处实测得的平均每批行人的人数与流量[6],然后用回归分析法分析了二者之间的关系,如下式：

N=0.0017p+0.8580

式中：N——当行人流量为p时，平均每次到达行人的数量。

支路上的车流进入主要道路时有两种情况,一种是支路上的左转和右转,另一种是支路穿越主要道路时对其干扰。论文中所研究的范围为城市车流量大和城市各种设施建设基本完善的区域,一般不会允许十字交叉口无信号控制,文中对无信号控制的丁字交叉类型左转进行分析。假设道路上车头时距服从负指数分布,计算公式如下:

P(H≥t)=e-t/R

本文采用交叉口平均延误计算方法。得到如下平均延误计算表达式(Mi表示在理想条件下第2级服务水平的车道双向最大服务交通量(辆/h))。

式中：d1——平均延误时间(min)

根据以上公式，可以得到总的延误时间：d=n2·d1。

此时，交叉口的运行能力为：f(n2)=CD(1-n2)

n2个叉路口的运行能力为f(n2)·n2。

其中n2表示需要转向的车辆所占百分比。

2.1.4 多元化层次评价体系图

可以得到多元层次评价体系图(图3)。将整个体系分为约束层、目标层、准则层、指标层。

图3 多元化层次评价体系图

因此，可以从下往上进行多元多因素对小区开放对周边道路交通状况的影响进行分析和评价，通过计算出目标层的变化度便可以得出影响因素。

2.2 问题2：基于熵权赋值法的小区开放影响模型

根据问题1得到的多元化层次评价体系，可以根据这个评价体系求得需要的小区开放交通影响模型。从评价体系的最下层的指标层开始，利用主观权重赋值、主成分分析和层次分析等方法求得最终的小区开放交通影响模型并对1个小区进行研究。

2.2.1 多元化子因素赋值法求权重

从指标层因素的权重开始，分别计算地理位置、小区面积、车辆状况、道路类型4个因素的具体数值。将数据进行整理并且查阅《城市路网规范》，可以得到表4：

表4 《城市路网规范》中的城市路网指标

依靠上述路网指标，再利用公式:

k表示准则层共有多少个指标层因素，求得每一个指标层因素的权重赋值wi。

2.2.1.1 地理位置

由上文可以知道，在城市中心和城市边缘的小区周边街道的车流量和人流量都大不相同。在地理位置的选择方面，每一个小区都有唯一一个解，要么在城市中心，要么在城市边缘。因此将城市中心和城市边缘分别赋值，可以得到地理位置的值。

根据《城市路网规范》规定：市中心路网密度：3～4 km·km-2,城市边缘地区：2～2.5 km·km-2。

此处取其平均值代表路网密度。市中心路网密度为3.5，城市边缘地区的路网密度为2.25。将其转化为权重，可以得到市中心的权重为0.609，城市边缘地区的权重为0.391。

由此可以得出小区在城市中的位置Pt1的权重公式：

由于小区位置是确定的，所以权重公式等于计算公式。

2.2.1.2 小区面积

本文将小区分为3个类型，其中居住区、居住小区、居住组团分别代表着不同面积不同规模的居住小区[7]。同之前的地理位置一样，小区一旦确定，面积也同样是固定不变的。因此每一个小区在类型固定后将有一个固定的小区面积赋值[8]。

通过第一问中的数据可以得知，居住区道路用地的比率为10%～18%，居住小区的道路用地为9%～17%，居住组团的道路用地为7%～15%。

取均值可以得到3类居住区的平均道路用地，因此可以根据道路用地求出其权重，其中居住区所占权重为0.368，居住小区所占权重为0.342，居住组团所占权重为0.290。

由此可以得出小区面积的权重公式：

同小区位置一样，确定的小区面积是确定的，所以权重公式等于计算公式[9]。

2.2.1.3 车辆状况

根据问题1中的数据，从表3中得出各类车型的车辆换算系数，其中微型汽车的换算系数为0.7，小型汽车的换算系数为1，中型汽车的换算系数为2，大型汽车的换算系数为2.5，铰接车的换算系数为3.5。

因此可以得出四类汽车的权重分别是，微型汽车0.072，小型汽车0.103，中型汽车0.206，大型汽车0.258，铰链车0.361。

由此可以求得车辆状况的Pt4权重公式：

假设微型汽车所占比例为k1，小型汽车所占比例为k2，中型汽车的比例为k3，大型汽车所占比例为k4，铰链车所占比例为k5。

得出车辆状况Pt4的计算公式：

Pt4=0.072k1+0.103k2+0.206k3+0.258k4+0.361k5

2.2.1.4 道路类型

同上一小问，将问题1中所得到的修正系数直接引用到此处，求得不同道路类型的通车流量[10]。根据表4可以得到修正系数，其中快速路0.75，主干路0.8，次干路0.85，支路0.9。

由此可以计算出权重，快速路为0.227，主干路为0.242，次干路为0.258，支路为0.273。

得出道路类型Pt5的权重公式：

得出道路类型Pt5的计算公式：

2.2.2 熵权法求权模型

在目标层和准则层的求解过程中，采用熵权法对于准则层的五项因素进行求权处理。

选取n个小区，5个因素，则xij为第i个小区的第j个指标的数值(i=1,2…,n;j=1,2,…,5)； 因为在本文当中5个因素都是正向指标，因此不需要进行同质化处理。对于高低指标用不同的算法进行数据标准化处理[11]。其具体方法如下:

为了方便起见，标准化后的数据仍记为xij；

接下来计算第j项指标下第i个小区占该指标的比重：

而后计算出第j项指标的熵值：

其中k=1/ln(n)gt;0。满足ej≥0；

计算信息熵冗余度：

dj=1-ej

计算各项指标的权值：

计算各小区的交通量：

通过MATLAB进行熵权法求解，可以求得5个因素的权重，由此可得小区位置所占权重为w1，小区面积所占权重为w2，人口密度所占权重为w3，车辆状况所占权重为w4，街道状况所占权重为w5。

根据调查得到5个小区的典型数据，经过指标层的处理之后，得到标准层的数据(表5)。

表5 5个典型小区标准层数据表

根据MATLAB程序可以得出，小区位置所占权重w1=0.2155，小区面积所占权重w2=0.1249，人口密度所占权重w3=0.0753，车辆状况所占权重w4=0.2746，街道状况所占权重w5=0.3097。

可以得出求解小区交通通行变化度Δn0的计算公式：Δn0=0.2155Pt1+0.1249Pt2+0.0753Pt3+0.2746Pt4+0.3097Pt5

2.2.3 比较通行量的影响

表6 交通通行能力变化评价准则

经过上述2.2.1和2.2.2可以求出任意一个小区的交通通行量n0。问题一中定义的条件成立时，要求小区开放对周边地区的影响可以通过交通通行量的变化ΔCD的大小来确定小区开放对于周边道路通行的影响。

又因为小区及其周边地区总的交通通行量不变。每小时的通行能力却会改变，因此需要根据ΔCD=Δn0+Δn1-CD(1-nz)·n2公式求出小区开放前后通行能力的变化值，从而判断小区开放对于周边道路交通的影响大小和利弊。求得的ΔCD可以由表6来判断状态。

3 结 论

本文的模型简洁明了，同时建立了相应的理论体系和新的多元预测指标。这些预测方法对于中国的交通工程和道路工程等一些重大学科具有重要的参考意义。研究通道的通行能力理论、路段与交叉口通行能力的统一计算方法不仅在实践中有重要的经济意义，而且在基础理论研究方面具有非常重要的学术意义。

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

[2] 李建华.住宅小区的交通影响分析[J].华南理工大学学报,2005,24(01):23-26.

[3] 贾晓敏.城市道路通行能力影响因素研究[D].西安：长安大学,2009.

[4] 李冬梅，李文权.道路通行能力的计算方法[J].河南大学学报(自然科学版),2002,2(02):07-13.

[5] 全永乐，孙正明，李先.优先发展公共交通历程中的若干问题反思[J].世界建筑,2006,4(01):02-06.

[6] 李强.从邻里单位到新城市主义社区：美国社区规划模式变迁探究[J].山东交通学院学报,2004,12(01):50-54.

[7] 田晶,杨玉珍,陈阳舟.短时交通流量两种预测方法的研究[J].公路交通科技,2006,23(04):103-106.

[8] 姚智胜，邵春福.城市建设项目交通影响分析方法探讨[J].交通运输系统工程与信息,2004,8(05):218-221.

[9] 郭显光.一种新的综合评价办法：组合评价法[J].统计研究,1995,8(05):56-59.

[10] 王凡，张耀良.关于权及确定权重分配方法的探讨[J].系统工程,1993,11(05):11-14.

[11] 李德顺，许开立，李春晨.基于集值迭代的多专家主观权重确定方法的研究[J].金属矿山,2009,9(02):42-50.

[责任编辑：刘守义英文编辑：刘彦哲]

InfluenceofHousingEstateOpeningonTrafficBasedonDiversificationEntropyWeightAlgorithm

ZUOXue-wu，LIHong-ju

(Department of Public Education,Anhui Xinhua University,Hefei,Anhui 230088,China)

ObjectiveTo study the influence of housing estate opening on the surrounding traffic and determine the specific evaluation indicators and to provide theoretical basis for urban planning and transportation departments to make decisions.MethodsThe literature,network and other materials were used to analyze the factors influencing the road traffic and a multi-level evaluation system was build.The level evaluation system of the various influence factors was used to obtain the influence degrees and pros and cons,and diverse factors assignment method and entropy method were used to gain the model and its analysis.ResultsThe degree change of traffic service capacity was defined in this paper to illustrate the effect of housing estate opening to traffic and it was used as a constraint layer of evaluation system;then according to the different levels the factors influencing changes of the traffic capacity were divided into the target layer,criterion layer and index layer.ConclusionIn view of the geographic location,residential area,population density,the vehicle condition and road type of the housing estate,the change rate of traffic flow in different sections of the different models were identified as the specific evaluation indicators of influence of housing estate opening on surrounding traffic.

housing estate opening;road traffic influence;entropy weight method

来稿日期：2016-12-12

安徽省自然科学基金项目：“常循环码在最优码和量子码构造中的应用研究”(KJ2016A307)；安徽新华学院校级科研项目：“可靠通讯网络的设计”(2014zr012)。

左学武(1984-)，男，安徽合肥人，安徽新华学院公共课教学部讲师。

TB 472

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2017.11.007