基于畅通可靠性的开放小区交通流分配及优化决策

崔洪军, 孙婉茹, 朱敏清, 李 霞

(1.河北工业大学 土木与交通学院,天津 300401; 2.河北工业大学 建筑与艺术设计学院,天津 300401)

0 引言

近年来，城市交通拥堵问题日益严峻。通过对中外大城市路网结构[1]进行对比(如图1)，可以看到国内封闭小区的居住形式降低了城市道路网密度和可达性。为解决城市拥堵，众学者对该问题进行了研究。缪朴[2]把城市网络中封闭交通小区的道路称为“城市生活的癌症”，并基于此提出封闭式小区的弊端及解决方案；吴晓林[3]提出将封闭小区转型为街区制的形式。2016年2月国务院发文表示，建议由封闭住宅转为街区制[4]。在此基础上肖旭[5]分析了小区对周边路段的影响，并探讨了封闭小区开放、半开放对应的小区结构设计；裴玉洁等[6]采用MATLAB模拟仿真对小区开放进行了影响分析；屈帅[7]利用GIS、RS等技术对小区开放影响进行评价等。小区开放后，出行者的路径选择会随着路网结构与通行状态进行改变，直接影响周边路网的交通流分布，现在对该方面的研究还较少。本文通过对出行者选择行为进行分析，结合分析结果建立适合小区开放的交通流分配模型。

图1 国内外城市道路密度对比(比例尺1∶5000)

1 路径选择行为研究

随着人们生活节奏的加快及对时间价值认知的提高，出行者不仅期望最小行程时间，而且对行程时间的稳定性提出了更高的要求[8]。封闭小区道路在开放前，由于周围交通的不确定因素影响较小，出行者通常以时间最短、花费最小等进行路径选择。小区开放将吸引大量机动车、行人等在小区内部的狭窄道路通行，造成机非车流的冲突，增加了行程时间的不确定性，影响路段的实际通行能力与出行者在随机路网上的路径选择[9]。

出行者在面对小区开放后道路的不确定性，会相应的作出路径选择的改变，综合考量出行时间与出行时间的随机变化程度，即时间波动性。综上，出行者拟选取行程时间与时间波动综合最小的路径。结合小区开放道路的特性，本文选取畅通可靠性这一指标对时间波动性进行描述：路网道路交通在正常使用的条件下，其运行状态为畅通的概率[10]。畅通可靠性相对其他指标更能表征道路情况的多变性，是衡量道路运行状况中拥堵标度的动态性概率指标。通过对出行者在小区开放后路径选择行为的简要分析，本文采用问卷调查的方式对其进行深入研究，并针对上述问题进行问卷设计。

1.1 调查问卷设计

为了探寻出行者在小区开放后的路径选择特性，本文采用问卷调查的方式收集相关资料。考虑到开放小区内部道路的特性，问卷调查的主要因素包括：基本信息、出行特性、路径影响因素等，图2为问卷设计的主要信息示意图。考虑到出行群体的异质性，通过选择简单随机抽样的方式开展线上调查，以提高问卷调查所获数据的随机性与多样性。

图2 调查问卷设计

1.2 路径选择行为分析

经过对问卷调查结果的处理与分析，共整理得到1650份有效问卷。其中性别、年龄等属性比例与总体组成大致相符，且被调查者在地域上覆盖16个省市，具有一定的代表性。为分析小区开放后出行者路径选择行为，根据问卷调查结果，利用IBM SPSS Statistics数据编辑器对数据进行整合与分析(如图3)，讨论路径选择影响因素及道路熟悉程度对路径选择的影响。

(a)道路熟悉程度对路径选择影响(单位：问卷份数)

(b)不同因素对路径选择影响

由图3(a)可知，在出行距离相同的前提下，选择路径a、路径d的比例明显高于其他路径，这与城市主干道承担更多流量的情况相符。图3(b)中可发现所列几种因素中，畅通可靠性与出行时间对路径选择影响较大，即出行者在进行路径选择时，会综合考虑行程时间与路径畅通的可靠性。图3(a)显示，随着对道路熟悉程度的增加，选择路径中包含小区内部道路的比例也越高，结合图(b)的信息，可以得出以下结论：现阶段生活节奏加快，出行者对时间与时间波动性的要求更高，在路径长度相近的情况下，对该环境更熟悉的出行者，更趋向于选择小区内部道路，其主要原因为选择流量较低的小区道路比选择流量趋于饱和的城市主干道更节约时间。

然而，小区内部道路存在两侧商业活动频繁、私有车辆停放不规范等现象，诸多不确定因素严重影响了路段的通行能力，导致畅通可靠性较差。因此，若对小区内部道路进行合理规划，完善标志标线信息，有效减少通过小区的行程时间，增加路径畅通的可靠性，则小区内部道路将会分担干路交通流压力，与城市道路组合形成高服务质量和高稳定性的城市道路交通系统，从而缓解整个路网的拥堵情况。

2 基于畅通可靠性的广义费用函数

2.1 CONTRAM广义费用函数

开放小区使其内支路与周边主干道路进行连通，可形成高密度、高可达性、高运行效率的局部区域网络；但由于小区交通受随机因素(包括无管制穿行、频繁活动、违规停车等)影响，出行者在该区域的路径选择通常受多种因素的影响。在此引用CONTRAM费用函数[11]，该函数先根据不同选择因素赋予不同权重系数，通过线性、非线性组成的广义费用函数见下式：

F=aL+bT+cLV2+dG+eY+fI+gW+hK

(1)

式中：F为进行路径选择时需考虑的广义费用，L为出行距离，T为行程时间，V为行驶速度，LV2为耗油量的描述，G为停车次数，Y为停车延误，I为价格，W为危险度，K为边际费用，a、b、c、d、e、f、g、h为各影响因素权重系数。

该方程考虑了多种因素，但并未考虑路径通畅可靠性及小区内部其他因素，而这往往是选择小区内部路径出行的重要依据。故在原有定义的基础上对出行时间进行修正，得到新的广义费用函数:

(2)

2.2 基于路径畅通可靠性的广义费用函数

结合出行者在小区开放后周边路网的路径选择特性[12]，引入畅通可靠度对城市日常广义出行费用进行改进，得到适合小区开放周边路网的出行费用函数。但由于小区内部道路对外开放后，车速与普通支路相比相对较慢，则以北京市确定的道路畅通标准[13]来规划，与实际不太相符，故考虑拥挤对出行时间产生的影响，对出行时间进行修正[14]，如式(3)。

(3)

式中：Tij表示自由流通过路段ij的行驶时间；β表示比例系数，依据小区开放区域的交通情况确定；Lij表示通过路段ij的车辆数；lij表示路段ij的长度;Vij和vij分别表示在ij路段上的自由流速度与实际速度。式(3)考虑了通畅可靠性对出行时间的影响，这与小区开放后，出行者将出行时间与畅通可靠性作为双重标准的原则相一致，使用T1作为出行时间进行交通分配更为合理。

3 基于广义费用函数的随机平衡分配模型

3.1 模型的建立

小区开放后，该局域路网交通状态随机性较大，故交通出行信息不能被所有出行者完全地感知；此外，是否能得到路网可供选择路径的全部信息取决于对小区内部道路的了解情况，因此，开放小区的出行选择准则不满足Wardrop原理。考虑到出行者会参考个人感知的广义出行费用进行路径选择，选取随机用户最优(SUE)模型描述小区开放后的路径选择行为，结合考虑了畅通可靠性的广义出行费用，建立交通流分配模型如下:

(4)

(7)

3.2 MSA求解算法

根据模型特性采用逐次平均法(MSA)[15]求解SUE模型，该方法通过逐次加载对路段流量进行分配，从而使结果逐渐趋于均衡。首先进行初始阻抗的计算，并进行一次流量加载；根据前一次分配结果对路段阻抗进行更新，并基于更新阻抗进行本次流量分配；将各路段的分配流量和随机加载流量的加权平均计算结果作为下一个循环的流量；当相邻两次循环周期的流量分配差值小于允许误差时，停止迭代，将最后一个循环周期的流量值作为最终的分配结果。具体计算方法如下：

4 算例分析

4.1 小区概况与实地调查

选取天津市的某小区作为案例分析。该路网主要由丁字沽一号路、丁字沽三号路、勤俭道、光荣道四条城市干路与丁字沽二号路、五爱道两条小区内部支路围成，如图4所示。丁字沽二号路与五爱道为受诸多不确定因素(包括无管制穿行、违规停车、频繁商业活动等)影响下交通运行效率低下的小区内部支路，为大型封闭式区域。通过实地调查，得到小区内部道路的相关指标，并总结如表1所示。

图4 小区路网结构示意图

表1 道路相关技术指标

为获得小区内各路段的运行交通量，综合了高清录像拍摄与人工记录的方式完成数据采集，并将采集到的路段双向截面流量整理、绘制如图5。

为了分析出行者在该小区的路径选择特征，并辅助验证网络调查的结果，2018年6月组织调查小组在天津市该小区附近开展了调查；共发出800份调研问卷，收回了760份，对调查问卷整理后得到720份有效数据。本次调查与网络调查的结果差异较小，则证明网络调查结果可靠且前文结论成立。

图5 小区实测道路双向断面流量(单位：辆)

4.2 基于广义费用的交通流分配

基于考虑了路径畅通可靠性的广义费用函数，并通过前文中建立的随机平衡分配模型对现有路网流量进行重新分配，得到各路段的流量如图6所示。

通过与图5对比可以发现，重新分配的部分路段流量由干路向小区内部道路转移。由于干路流量较大，出行时间不可靠，时间波动性较大，部分出行者基于对路径畅通可靠性的考量，选择了小区内部较为畅通的路段。为了进行直观的对比，根据广义费用函数计算车流经过各路段所耗费的时间，如表2所示。

图6 基于模型计算的分配流量(单位：辆)

表2 车流经过研究范围所需的时间(单位：小时)

通过对比可以发现，城市主干道的流量减小后，其疏散流量所需时间有较大幅度下降。小区内部道路分配流量较实测流量更大，所消耗的时间也更多，但其涨幅较小。为进行直观的对比，将实测流量与分配流量两种方案所消耗时间的总和Tm、Ta进行比较，结果发现：Tm(30.41h)>Ta(28.47h)，则证明了考虑路径畅通可靠性的分配模型对路网流量的分配较合理，使小区内部道路分担了部分导致主干路拥堵的溢出流量，从而提高了整个路网的运行效率。若对小区道路进行合理规划，使其通行能力得到提高，城市路网密度将大幅增加，从而对降低城市拥堵频率起到一定作用。

5 小区开放后内部道路规划的改进意见

小区开放后，周边部分行人、非机动车及机动车会选择其内部道路进行出行，若其内部道路未经规划，会导致快慢交通混合、行人随意穿行、交叉口冲突等现象，具有很大的安全风险。而小区开放道路的规划与其他城市支路情况不尽相同，故本文结合问卷调查及实例分析结果，从横断面、出入口及交通组织等方面对小区开放道路进行了初步设计，从而达到保障慢行交通出行安全、提高城市运行效率的目的。

5.1 小区开放道路横断面设计

小区内慢行交通的比例相对较高，为保障其安全，在满足驾驶要求的前提下，路幅宽度应尽量窄，并应严格限制运行车速。但是，小区的开放的主要目的为提高运行效率，所以开放道路不宜过窄，速度不宜过低。综合考量上述两个方面，小区道路起到支路的作用更为合理，在尽量不影响居民生活的前提下，分担主干道的部分流量。因此，按照城市支路的标准来设计开放后的道路较为合适。小区道路设计中与机动车相关的指标应尽量取到标准的下限，而与行人和非机动车相关的指标应尽量保证高标准。

根据《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)[16]对城市道路交通相应指标的规定，若不设置绿化隔离带，可设置道路横断面的宽度为14.5m，低于15m的宽度要求限值。

5.2 建筑物面向道路的横断面设计

在小区开放后人非共板车道的设计中，为了保证建筑物周边留有较大的空间，其面向道路的单侧宽度设计为7.5m(含绿化带)，双侧车道宽度为5.5m。建筑疏散出入口一侧与道路边缘的距离取下限值5.0m，无疏散出入口一侧与道路边缘的距离取下限值3.0m。若不考虑设置停车位，建筑与道路边缘只有0.5m的间隔，与规范要求冲突，以路侧停车位2.5m的宽度为参考，路侧车位的设计尺寸为2.5m×6.0m。

若小区内建筑物之间的距离大于设置的最小宽度，应将富余的空间用于拓宽人非共板车道，为慢行交通提供更安全人性的行车环境，并按照不同小区内部道路状况选择绿化隔离带设计。

5.3 建筑物山墙面向道路的横断面设计

建筑山墙一侧的道路双向均有行人、非机动车通行，因此机动车道两侧均设置人非共板车道，宽度为3.0m。建筑山墙与道路边缘之间的距离应符合《城市居住区规划设计标准》(GB50180-2018)的规定。参考规范中“多层建筑之间的横向间距不宜小于6米，横向间距有高层建筑不宜小于13米”的规定，建筑物侧向间距一般不满足设置路侧停车位的需求；若侧向间距足够，则考虑设置绿化隔离带，为出行者创造机非分离、安全舒适的出行环境。

5.4 小区出入口半径及展宽设计

小区开放后，其出入口与城市干道交接形成的交叉口是机非混合形成的多冲突区域，为了满足非机动车安全便捷与机动车高效运行的两方面需求，交叉口设计为最小转弯半径5m，设计车速为15km/h[17]；小区内的交叉口设置也可参考上述指标。

出入口车道的加宽段主要由渐变段和展宽段构成，其长度可参考早晚高峰期间车辆排队状况。若相关数据无法获取，也可根据《城市道路交叉口规划规范》(GB50647-2011)的相关规定进行设置：渐变段长度不应小于20m；展宽段长度不应小于30～60m，宽度不应小于路段车道宽度3.25m。对于交通量大的主干道，可取上限值，对于其他干道，应采取下限值。

5.5 小区出入口交通组织

除了小区出入口半径与展宽设计，交叉口的交通组织也很重要。小区道路与城市道路相交大多采用有信号控制的T型交叉、十字型交叉等，其形式选择取决于小区道路的功能定位、流量、交通构成等。交通组织形式、交通管理方案等应根据实际出行条件、交通量、封闭式小区结构特点、周围交通状况等选择[18]。在实际应用中，小区出入口的交通组织将直接影响到选择小区内道路的比例，这对于增加路网的实际密度，提高城市运营效率起着关键作用，从而实现小区开放内部道路的现实意义。

6 结论

本文通过问卷调查，对出行者路径选择行为与影响因素、道路熟悉程度的联系进行了分析，在前人广义出行费用定义的基础上，结合调查分析结果，定义了包含畅通可靠性的广义出行费用，建立了考虑畅通可靠性的随机平衡模型，并采用逐次平均法进行求解，从而得到更为精确的路段交通流量。综合居民出行安全及城市运行效率两方面因素，结合相关规范对小区开放道路的设计提出了几点意见。