小區(qū)開放對道路通行能力影響的研究

王朝陽，朱曉葉

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

1 評價(jià)體系的建立

1.1 評價(jià)指標(biāo)的選取

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，選取了具有代表性的四個(gè)指標(biāo)來評價(jià)小區(qū)開放對周邊道路的影響，分別是道路通行能力、車輛平均速度、車流密度和交叉口平均延誤和。

車輛平均速度是指在交通流內(nèi)部，車輛行駛速度的算術(shù)平均值，一般可以分為時(shí)間平均車速和區(qū)間平均車速，本文使用的是時(shí)間平均車速。計(jì)算公式為：

式中：n為交通流中車輛的數(shù)目；vi為第i輛車的瞬時(shí)速度。

車流密度是指在單位長度車道上，某一時(shí)刻分布的車輛數(shù)。計(jì)算公式為：

式中：N為長為L的道路在某一時(shí)刻存在的車輛數(shù)；L表示該路段的長度。

交叉口平均延誤時(shí)間是指車輛在交叉口處由于等待綠燈、堵車等原因而消耗的時(shí)間。計(jì)算公式為：

式中：T為信號(hào)燈的周期；tg為一周期內(nèi)車輛能以飽和流率通行的時(shí)間；x為飽和度。

道路通行能力是指道路的某一斷面在單位時(shí)間內(nèi)所能通過的最大車量數(shù)。計(jì)算公式為：

式中：N為基本通行能力；L為車頭間距；v為車速；Np為可行通過能力；γ、c、η、n分別為自行車影響修正系數(shù)、交叉口影響修正系數(shù)、車道寬度修正系數(shù)、車道數(shù)修正系數(shù)；N′為實(shí)際通行能力，α表示道路分類修正系數(shù)。

1.2 評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重分配——基于熵權(quán)法

考慮到指標(biāo)權(quán)重的合理性，本文采用熵權(quán)法來確定權(quán)重。熵權(quán)法是一種客觀的賦權(quán)方法，它是利用各指標(biāo)熵值所提供的信息量大小來決定指標(biāo)權(quán)重的方法。計(jì)算步驟如下：通過調(diào)查某小區(qū)不同時(shí)間段四個(gè)指標(biāo)的具體數(shù)值，得到原始數(shù)據(jù)矩陣X；對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理；計(jì)算第i個(gè)對象在第j個(gè)指標(biāo)下的特征比重和第j個(gè)指標(biāo)的熵值；計(jì)算差異系數(shù)，確定各指標(biāo)的熵權(quán)值。用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)上述過程，得到這4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如下：車輛平均速度系數(shù)W1=0.168；車流密度系數(shù)W2=0.213；交叉口平均延誤時(shí)間系數(shù)W3=0.220；道路通行能力系數(shù)W4=0.398。

2 小區(qū)道路通行能力模型的構(gòu)建

2.1 路段通行能力計(jì)算模型

如果采用交通流中的跟車?yán)碚搧斫④囶^間距與車輛行駛速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，要比直接用宏觀的車流模型更切合實(shí)際，因此本文用跟車?yán)碚摲治龅缆仿范蔚耐ㄐ心芰?。結(jié)合跟車?yán)碚?，在保證較高精度的前提下，得出小型車車頭間距與車速的關(guān)系為：

式中：v為車輛行駛速度；hs為車頭間距。由于hs=vht（ht為車頭時(shí)距），于是可以得出城市道路路段車輛的理論通行能力為：

對于普通的道路，可以認(rèn)為，車輛受到路旁的干擾逐漸增大時(shí)，車速下降的速度會(huì)隨之加快，從而導(dǎo)致通行能力的下降，因此路旁干擾系數(shù)可以通過計(jì)算車速下降得到。也就是說干擾系數(shù)ε=va/vb，其中va為受到干擾后的車速，vb為沒有受干擾的車速。本文研究不受機(jī)動(dòng)車和行人干擾的車道，這種情況下路旁干擾系數(shù)ε=1。

在設(shè)計(jì)道路時(shí)，有必要運(yùn)用服務(wù)水平的概念來設(shè)計(jì)通行能力，即設(shè)計(jì)通行能力應(yīng)該使道路達(dá)到某種服務(wù)水平，則設(shè)計(jì)通行能力為：

式中：Cap為相應(yīng)于設(shè)計(jì)車速下的理論通行能力；v/c為相應(yīng)于某一服務(wù)水平下的道路飽和度；ε為路旁干擾系數(shù)；ω為路寬修正系數(shù)；γ為側(cè)向凈寬修正系數(shù)。

2.2 信號(hào)交叉口通行能力計(jì)算模型

由文獻(xiàn)［3］可知，在已經(jīng)配定定時(shí)式紅綠燈燈色的前提下，車輛通過交叉口一個(gè)沖突點(diǎn)的通行能力為：

式中：αm為由于穿越空檔導(dǎo)致的損失時(shí)間；β為有、無專用左轉(zhuǎn)車道時(shí)的得失時(shí)間；m為進(jìn)口道中直行車道的條數(shù)。

3 小區(qū)開放對道路通行影響的實(shí)例計(jì)算

3.1 研究方法

本文選取小區(qū)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)作為主要因素，應(yīng)用第2部分建立的路段與交叉口通行能力的模型，定量比較內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異的小區(qū)開放前后對道路通行的影響。針對不同道路結(jié)構(gòu)的小區(qū)，共列出3類模型進(jìn)行定量計(jì)算與對比分析，各類小區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三種小區(qū)結(jié)構(gòu)簡圖

基于實(shí)際情況，采用將路段通行能力和交叉口通行能力線性加權(quán)的方法來計(jì)算小區(qū)的通行能力，即y=λ1Cd+λ2n。

其中，λ1為路段通行能力的權(quán)重系數(shù)；λ2為交叉口通行能力的權(quán)重系數(shù)。

3.2 仿真分析

基于上述思路，利用MATLAB軟件分別編寫路段通行能力和交叉口通行能力的函數(shù)，將車輛行駛速度、小區(qū)車道數(shù)目、道路修正系數(shù)以及道路飽和度作為輸入?yún)?shù)，并取不同的權(quán)重，對選取3個(gè)小區(qū)分別進(jìn)行仿真分析，得到的結(jié)果如下。小區(qū)1：開放前通行能力為240.55，開放后為480.87；小區(qū)2：開放前通行能力為360.59，開放后為841.39；小區(qū)3：開放前通行能力為600.97，開放后為480.79。

由此可知，盡管小區(qū)1和小區(qū)2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，但是開放后產(chǎn)生了較好的結(jié)果，因此適合開放。分析二者的道路結(jié)構(gòu)可知：小區(qū)1內(nèi)部道路是樹狀的，開放后出入口數(shù)量明顯增多，可以顯著提高路網(wǎng)的密度，由此產(chǎn)生積極的影響；小區(qū)2內(nèi)部道路比較寬，并且經(jīng)過一些道路可以直接到達(dá)外界，道路結(jié)構(gòu)簡單，開放后可以有效緩解交通壓力。而對于小區(qū)3，開放后通行能力明顯下降，觀察小區(qū)結(jié)構(gòu)可知：其內(nèi)部道路很窄，且道路多為環(huán)狀，有些道路在小區(qū)內(nèi)直接中斷，無法與外界道路連通，即使開放也不會(huì)產(chǎn)生很好的效果，因此不適合開放。