小区开放对道路通行影响的探究

陈学识，豆 亮，周俐俐

随着我国城镇化率的提高，城镇人口的增加，紧跟其后的汽车数量也随之增多，这给城市道路交通带来了巨大的压力.现代城市里的居住小区都以封闭式结构为主，随着社会发展和居民精神需求提高，封闭式结构居住小区的弊端逐步显现出来.2016年2月21日，国务院在《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，将通过开放封闭住宅小区，来对现有的路网结构进行优化.其中关于小区开放问题的论述表达了两层意思：一是新建小区不再封闭；二是已建小区要逐步打开.正确对封闭式小区开放带来的对道路周边的影响作出指标评价与相关分析能够为交通部门的路况分析管理提供理论依据.

对于开放小区对道路通行的影响方面已有相关成果，李向朋对小区周围的交通量进行了较为深入的研究［1］，采用了OD分析对小区周围交通量和道路网进行调查，使用brass悖论分析接口处的影响，并得到了开放小区的交通量变化.李健华将小区分为向心式、轴线式和围合式三种，认为不同类型小区开放后对道路通行的影响不同［2］.Kumar K所论述的马尔科夫链［3］，可以用于初始车辆的分配估计，在得到初始的分配结果后，其他一些工作应用排队论对开放小区以后的周边道路影响作预测.由于在实际交通情况下，红绿灯是一个不可忽略的因素，也有多位研究人员提出了使用休假排队模型对周边道路进行预测仿真.

1 模型的假设

为便于解决问题，本文提出如下假设：①假定某车道车速限制范围的中间值可以粗略代替实际通过车辆的平均车速；②假设交叉路口的指示灯周期为60 s；③假设两交叉路口之间的距离对道路通行能力计算的影响可以忽略；④问题三中假设不同类型小区周边的车流量是一样的；⑤在车流量对道路通行影响的研究中，假设车道的通行能力对研究结果的影响可以忽略不计；⑥小区开放后车辆的分流不考虑司机的个人意愿，仅以仿真模拟结果为准.

2 建立评价指标体系

2.1 道路通行状况分级

按照道路拥堵程度的不同分为五个等级，分别为非常通畅、通畅、缓慢、拥堵以及非常拥堵.

2.2 道路通行指标的选取

评价指标的选取与评价结果密不可分，为了评价结果的科学、客观以及尽可能完整，我们从静态和动态两个方面来考虑.静态指标为路段饱和度，它是反映道路服务水平的高低，即道路饱和度越大，服务水平越差，道路通行能力也就越差；动态指标为路网可靠度，它是用来反映车辆在给定的时间到达目的地的概率.

2.3 道路通行指标的评判标准

（1）道路饱和度的评判标准.根据《美国道路通行能力手册》［4］以及我国有关交通管理规定，将拥堵程度按照饱和度值分为五级，如表1所示.

表1 路段饱和度评判标准

（2）路网可靠度的评判标准.路网可靠性实际反映的是车辆在给定时间到达目的地的概率，因此它的取值是［0，1］，并且可靠性值越接近1，说明道路的通畅性越强，反之，道路越拥堵.在这里我们按照道路的拥堵状况给路网可靠性一定的阈值［5］，如表2所示.

表2 路网可靠度的评判标准

（3）综合评判标准.同一道路的路网可靠度和路网饱和度反映的道路通行状况可能会存在差异，为了使小区开放对道路通行影响的分析更加可靠，我们利用主成分分析法对两个指标评判标准进行了统一.

Ⅰ.数据标准化处理：将各指标值aij转换成标准化指标，有j=1,2，其中

Ⅲ.计算特征值和特征向量.计算相关系数矩阵R的特征值λ1≥λ2≥0，及对应的标准化特征向量μ1,μ2，其中，μj=[μ1j,μ2j]T由特征向量组成2个新的指标变量y1=u11x1+u21x2，y2=u12x1+u22x2.

Ⅳ.计算特征值的信息贡献率和累计贡献率.

Ⅵ.取表1、表2中区间范围的中值，利用Matlab软件求得相关系数矩阵的特征根及贡献率，如表3所示.

表3 特征根表

根据表3中的贡献率，构建主成分综合评价模型为将表1、表2中的数据分别代入（1）式，得到道路通行状况不同等级的综合评判表如表4所示.

表4 道路通行状况综合评判表

综上所述，给出小区开放对道路通行影响的评价指标体系，如图1所示.

图1 评价指标体系

3 建立路段饱和度评价模型

3.1 模型的准备

小区开放主要增加了小区周边的分叉路口，并且在一定程度上降低了某一路段的负荷，另外道路的允许车速范围以及道路的形状会对司机的选择产生一定的影响，从而影响到小区周边道路的通行状况，因此我们对城市道路进行了分类，并结合我国道路交通的有关规定给出了每种道路的最高车速，如表5所示.

表5 城市道路分类表

3.2 模型的建立

1）单个车道通行能力计算

其中，C0为单条道路的理论通行能力，α条为车道折减系数，自中心线起第一个车道的折减系数是1.00，第二个车道的折减系数是0.80～0.89，第三个车道的折减系数为0.65～0.80，第四个车道的折减系数是0.50～0.65，第五个以上的折减系数是0.40～0.50；α交为交叉口折减系数，根据不同的道路设计速度取对应的建议值，如表6所示.

表6 车道理论通行能力表

根据道路设计速度以及两个交叉口之间的距离确定交叉口折减系数，计算公式为α交=，其中，l为两交叉口之间的距离（m），a为车辆起动时的平均加速度，b为车辆制动时的平均加速度，Δ为车辆在交叉口处平均停车时间，取红灯时间的一半.α车道为车道宽度折减系数，根据车道宽度确定折减系数，如表7所示.

表7 车道折减系数表

2）单向（由东向西、由南向北等）车道通行能力计算

其中，C单为单向通车能力，n为单向车道的个数.

3）路中段饱和度的计算公式如（4）式.

其中，B路为路中段饱和度，V为实际交通流量.

4）交叉路口的饱和度计算：直行车道的通行能力计算公式如（5）式.

其中，Cs为条直行车道的设计通行能力（pcu·h-1），T为信号灯周期，tg为信号每周期内的绿灯时间，t0为绿灯亮后第一辆车启动、通过停车线的时间，如无本地实例数据，可采用2.5 s.ti为直行或右行车辆通过停车线的平均时间（s·pcu-1）.φ为折减系数，可用0.95.

直右车道的通行能力CSR=CS，直左车道的通行能力CSL=CS×(1-/2)，右转车道的通行能力CR=CSR×βR，左转车道的通行能力CL=CSL×βL，丁字路口总通行能力C丁=CR×2+CL（虚线所示），或C丁=CSR+CS+CSL（实线所示）.丁字路口绿灯时车辆行驶示意图如图2所示.

图2 丁字路口绿灯时车辆行驶示意图

十字路口总通行能力C+=4×CS+CSL×2.十字路口绿灯时车辆行驶示意图如图3所示.

图3 十字路口绿灯时车辆行驶示意图

其中，βR为右转车的比例，βL为左转车的比例，β′L为直行车道上左转车的比例.

交叉路口饱和度B交=进口实际流量/总通行能力.

5）利用路段饱和度模型分析小区开放对周边道路通行的影响.城市道路由路中段和交叉口两部分构成，而交叉口大致分为丁字路口和十字口路两类，这是我们建立此模型的基础.根据路段饱和度模型分别计算出小区开放前后各中路段以及交叉口的道路饱和度.其次比较小区开放前后共有的路中段的饱和度，若小区开放后的该路中段的饱和度低于小区开放前的饱和度，则说明小区开放可以缓解交通压力.

4 建立路网可靠度评价模型

4.1 模型的准备

为了准确描述道路通行能力和交通流的不断变化，将路段可靠度的阈值定义在［0，1］区间.小区开放后，路网密度提高，道路面积增加，从而交叉口也随之增加.因此交叉口可靠度的分析对研究小区开放对周边道路通行的影响有重要意义.

4.2 模型的建立

小区开放使得城市道路的交叉口增多，而交叉口是城市道路的瓶颈，交叉口的通畅程度影响着相关路段的连通可靠度.交叉口的信号灯周期时长、交叉口的形状及饱和流率等都会影响交叉口的通畅程度.为了简化模型，我们主要将交叉口的通行能力和交通量作为研究路网交叉口可靠度的主要参数来定义连通可靠度.即

其中，kij表示第i个交叉口不同方向的可靠度修正系数，如当j=1,2,3时，kij分别表示左转、直行和右转的可靠度修正系数，v表示路口的机动车交通量，c表示路口的实际通行能力.

设路网交叉口从节点ai到aj有s条通路，分别记为l1,l2,…,li,…,ls，则根据上述连通可靠度的定义，通路li的连通可靠度为r(li).当通路r(li)由路段ei1,ei2,…,eik,…,eit连通组成一个串联系统时，假设某一路段eik的可靠度为r(eik),k=1,2,…,t，则通路li的连通可靠度为r(li)，可用串联构造函数如（7）式.

5 模型在实际中的应用

假设不同类型的小区周围的总车流量是一样的，并且为了便于讨论只考虑单个车道的通行状况，根据我国交通网查到的数据以及城市交通的管理规定我们确定了有关数据，如表8所示.

表8 小区周边道路通行表（两小时内）

以内环式小区为例，计算小区开放前后的路段饱和度，内环式小区道路通行示意图如图4所示.

图4 内环式小区道路示意图

假设从A点到E点1小时内的车流量为415，中型车65，小型车350，在小区未开放前从A点到E点只能通过路段AC和路段CE，但是在小区开放后从A点到E点可以有两种路径：AB-BD-DE以及AC-CE.因此，在小区开放前路段AC的车流量=路段CE的车流量=415，小区开放后小区内的道路属于支路会比较窄，不适合大中型车的行驶，所以，路段BD的车流量是来自小型轿车的分流，经过模拟实验得出路段BD可能的车流量（1小时），利用Vissim软件做模拟实验如图5、图6所示.

图5 小区开放前行车图

图6 小区开放后行车图

根据Vissim软件的模拟结果汇总如表9所示.

表9 仿真模拟结果汇总表

结合模型I中的（2）式～（4）式和模型II中的（5）式、（6）式以及表9中的数据计算出小区开放前后的路段通行能力、路段饱和度以及可靠度如表10所示.

表10 内环式小区道路通行程度表

将以上小区开放前后路段以及交叉口的饱和度和可靠度利用问题1中的综合评判模型，分别计算出各路段以及交叉路口的综合评判标准，如表11所示.

表11 内环式小区道路通行综合评判表

从表11可以看出，内环式小区开放前的路段BC饱和度是0.340，而小区开放后的路段BC饱和度是0.318，路段BC的交通压力缓解了0.022，但是小区开放后新增加的路段BD饱和度仅0.119，道路是比较通畅的，从侧面可以反映出小区开放后小区内部的道路没有得到充分的利用；新增加的交叉口B的饱和度为0.821，是相当拥堵的.

6 结论

内部构造相对整齐，道路相对较宽的小区开放后对于周边道路通行状况的改善程度较大；内部路径多且构成多样的小区开放后对于小区周边道路通行的改善程度较大.同时还可以发现小区开放后对周边道路通行的改善较小，主要体现在交叉路口拥堵，因此，在考虑小区开放时需在交叉口设置规范的交通规定，做好治安工作.