基于暢通可靠性的開(kāi)放小區(qū)交通流分配及優(yōu)化決策

崔洪軍, 孫婉茹, 朱敏清, 李 霞

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院,天津 300401; 2.河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,天津 300401)

0 引言

近年來(lái)，城市交通擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)峻。通過(guò)對(duì)中外大城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)[1]進(jìn)行對(duì)比(如圖1)，可以看到國(guó)內(nèi)封閉小區(qū)的居住形式降低了城市道路網(wǎng)密度和可達(dá)性。為解決城市擁堵，眾學(xué)者對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究?？姌鉡2]把城市網(wǎng)絡(luò)中封閉交通小區(qū)的道路稱為“城市生活的癌癥”，并基于此提出封閉式小區(qū)的弊端及解決方案；吳曉林[3]提出將封閉小區(qū)轉(zhuǎn)型為街區(qū)制的形式。2016年2月國(guó)務(wù)院發(fā)文表示，建議由封閉住宅轉(zhuǎn)為街區(qū)制[4]。在此基礎(chǔ)上肖旭[5]分析了小區(qū)對(duì)周邊路段的影響，并探討了封閉小區(qū)開(kāi)放、半開(kāi)放對(duì)應(yīng)的小區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；裴玉潔等[6]采用MATLAB模擬仿真對(duì)小區(qū)開(kāi)放進(jìn)行了影響分析；屈帥[7]利用GIS、RS等技術(shù)對(duì)小區(qū)開(kāi)放影響進(jìn)行評(píng)價(jià)等。小區(qū)開(kāi)放后，出行者的路徑選擇會(huì)隨著路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與通行狀態(tài)進(jìn)行改變，直接影響周邊路網(wǎng)的交通流分布，現(xiàn)在對(duì)該方面的研究還較少。本文通過(guò)對(duì)出行者選擇行為進(jìn)行分析，結(jié)合分析結(jié)果建立適合小區(qū)開(kāi)放的交通流分配模型。

圖1 國(guó)內(nèi)外城市道路密度對(duì)比(比例尺1∶5000)

1 路徑選擇行為研究

隨著人們生活節(jié)奏的加快及對(duì)時(shí)間價(jià)值認(rèn)知的提高，出行者不僅期望最小行程時(shí)間，而且對(duì)行程時(shí)間的穩(wěn)定性提出了更高的要求[8]。封閉小區(qū)道路在開(kāi)放前，由于周?chē)煌ǖ牟淮_定因素影響較小，出行者通常以時(shí)間最短、花費(fèi)最小等進(jìn)行路徑選擇。小區(qū)開(kāi)放將吸引大量機(jī)動(dòng)車(chē)、行人等在小區(qū)內(nèi)部的狹窄道路通行，造成機(jī)非車(chē)流的沖突，增加了行程時(shí)間的不確定性，影響路段的實(shí)際通行能力與出行者在隨機(jī)路網(wǎng)上的路徑選擇[9]。

出行者在面對(duì)小區(qū)開(kāi)放后道路的不確定性，會(huì)相應(yīng)的作出路徑選擇的改變，綜合考量出行時(shí)間與出行時(shí)間的隨機(jī)變化程度，即時(shí)間波動(dòng)性。綜上，出行者擬選取行程時(shí)間與時(shí)間波動(dòng)綜合最小的路徑。結(jié)合小區(qū)開(kāi)放道路的特性，本文選取暢通可靠性這一指標(biāo)對(duì)時(shí)間波動(dòng)性進(jìn)行描述：路網(wǎng)道路交通在正常使用的條件下，其運(yùn)行狀態(tài)為暢通的概率[10]。暢通可靠性相對(duì)其他指標(biāo)更能表征道路情況的多變性，是衡量道路運(yùn)行狀況中擁堵標(biāo)度的動(dòng)態(tài)性概率指標(biāo)。通過(guò)對(duì)出行者在小區(qū)開(kāi)放后路徑選擇行為的簡(jiǎn)要分析，本文采用問(wèn)卷調(diào)查的方式對(duì)其進(jìn)行深入研究，并針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行問(wèn)卷設(shè)計(jì)。

1.1 調(diào)查問(wèn)卷設(shè)計(jì)

為了探尋出行者在小區(qū)開(kāi)放后的路徑選擇特性，本文采用問(wèn)卷調(diào)查的方式收集相關(guān)資料。考慮到開(kāi)放小區(qū)內(nèi)部道路的特性，問(wèn)卷調(diào)查的主要因素包括：基本信息、出行特性、路徑影響因素等，圖2為問(wèn)卷設(shè)計(jì)的主要信息示意圖?？紤]到出行群體的異質(zhì)性，通過(guò)選擇簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣的方式開(kāi)展線上調(diào)查，以提高問(wèn)卷調(diào)查所獲數(shù)據(jù)的隨機(jī)性與多樣性。

圖2 調(diào)查問(wèn)卷設(shè)計(jì)

1.2 路徑選擇行為分析

經(jīng)過(guò)對(duì)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果的處理與分析，共整理得到1650份有效問(wèn)卷。其中性別、年齡等屬性比例與總體組成大致相符，且被調(diào)查者在地域上覆蓋16個(gè)省市，具有一定的代表性。為分析小區(qū)開(kāi)放后出行者路徑選擇行為，根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，利用IBM SPSS Statistics數(shù)據(jù)編輯器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與分析(如圖3)，討論路徑選擇影響因素及道路熟悉程度對(duì)路徑選擇的影響。

(a)道路熟悉程度對(duì)路徑選擇影響(單位：?jiǎn)柧矸輸?shù))

(b)不同因素對(duì)路徑選擇影響

由圖3(a)可知，在出行距離相同的前提下，選擇路徑a、路徑d的比例明顯高于其他路徑，這與城市主干道承擔(dān)更多流量的情況相符。圖3(b)中可發(fā)現(xiàn)所列幾種因素中，暢通可靠性與出行時(shí)間對(duì)路徑選擇影響較大，即出行者在進(jìn)行路徑選擇時(shí)，會(huì)綜合考慮行程時(shí)間與路徑暢通的可靠性。圖3(a)顯示，隨著對(duì)道路熟悉程度的增加，選擇路徑中包含小區(qū)內(nèi)部道路的比例也越高，結(jié)合圖(b)的信息，可以得出以下結(jié)論：現(xiàn)階段生活節(jié)奏加快，出行者對(duì)時(shí)間與時(shí)間波動(dòng)性的要求更高，在路徑長(zhǎng)度相近的情況下，對(duì)該環(huán)境更熟悉的出行者，更趨向于選擇小區(qū)內(nèi)部道路，其主要原因?yàn)檫x擇流量較低的小區(qū)道路比選擇流量趨于飽和的城市主干道更節(jié)約時(shí)間。

然而，小區(qū)內(nèi)部道路存在兩側(cè)商業(yè)活動(dòng)頻繁、私有車(chē)輛停放不規(guī)范等現(xiàn)象，諸多不確定因素嚴(yán)重影響了路段的通行能力，導(dǎo)致暢通可靠性較差。因此，若對(duì)小區(qū)內(nèi)部道路進(jìn)行合理規(guī)劃，完善標(biāo)志標(biāo)線信息，有效減少通過(guò)小區(qū)的行程時(shí)間，增加路徑暢通的可靠性，則小區(qū)內(nèi)部道路將會(huì)分擔(dān)干路交通流壓力，與城市道路組合形成高服務(wù)質(zhì)量和高穩(wěn)定性的城市道路交通系統(tǒng)，從而緩解整個(gè)路網(wǎng)的擁堵情況。

2 基于暢通可靠性的廣義費(fèi)用函數(shù)

2.1 CONTRAM廣義費(fèi)用函數(shù)

開(kāi)放小區(qū)使其內(nèi)支路與周邊主干道路進(jìn)行連通，可形成高密度、高可達(dá)性、高運(yùn)行效率的局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)；但由于小區(qū)交通受隨機(jī)因素(包括無(wú)管制穿行、頻繁活動(dòng)、違規(guī)停車(chē)等)影響，出行者在該區(qū)域的路徑選擇通常受多種因素的影響。在此引用CONTRAM費(fèi)用函數(shù)[11]，該函數(shù)先根據(jù)不同選擇因素賦予不同權(quán)重系數(shù)，通過(guò)線性、非線性組成的廣義費(fèi)用函數(shù)見(jiàn)下式：

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

(1)

式中：F為進(jìn)行路徑選擇時(shí)需考慮的廣義費(fèi)用，L為出行距離，T為行程時(shí)間，V為行駛速度，LV2為耗油量的描述，G為停車(chē)次數(shù)，Y為停車(chē)延誤，I為價(jià)格，W為危險(xiǎn)度，K為邊際費(fèi)用，a、b、c、d、e、f、g、h為各影響因素權(quán)重系數(shù)。

該方程考慮了多種因素，但并未考慮路徑通暢可靠性及小區(qū)內(nèi)部其他因素，而這往往是選擇小區(qū)內(nèi)部路徑出行的重要依據(jù)。故在原有定義的基礎(chǔ)上對(duì)出行時(shí)間進(jìn)行修正，得到新的廣義費(fèi)用函數(shù):

(2)

2.2 基于路徑暢通可靠性的廣義費(fèi)用函數(shù)

結(jié)合出行者在小區(qū)開(kāi)放后周邊路網(wǎng)的路徑選擇特性[12]，引入暢通可靠度對(duì)城市日常廣義出行費(fèi)用進(jìn)行改進(jìn)，得到適合小區(qū)開(kāi)放周邊路網(wǎng)的出行費(fèi)用函數(shù)。但由于小區(qū)內(nèi)部道路對(duì)外開(kāi)放后，車(chē)速與普通支路相比相對(duì)較慢，則以北京市確定的道路暢通標(biāo)準(zhǔn)[13]來(lái)規(guī)劃，與實(shí)際不太相符，故考慮擁擠對(duì)出行時(shí)間產(chǎn)生的影響，對(duì)出行時(shí)間進(jìn)行修正[14]，如式(3)。

(3)

式中：Tij表示自由流通過(guò)路段ij的行駛時(shí)間；β表示比例系數(shù)，依據(jù)小區(qū)開(kāi)放區(qū)域的交通情況確定；Lij表示通過(guò)路段ij的車(chē)輛數(shù)；lij表示路段ij的長(zhǎng)度;Vij和vij分別表示在ij路段上的自由流速度與實(shí)際速度。式(3)考慮了通暢可靠性對(duì)出行時(shí)間的影響，這與小區(qū)開(kāi)放后，出行者將出行時(shí)間與暢通可靠性作為雙重標(biāo)準(zhǔn)的原則相一致，使用T1作為出行時(shí)間進(jìn)行交通分配更為合理。

3 基于廣義費(fèi)用函數(shù)的隨機(jī)平衡分配模型

3.1 模型的建立

小區(qū)開(kāi)放后，該局域路網(wǎng)交通狀態(tài)隨機(jī)性較大，故交通出行信息不能被所有出行者完全地感知；此外，是否能得到路網(wǎng)可供選擇路徑的全部信息取決于對(duì)小區(qū)內(nèi)部道路的了解情況，因此，開(kāi)放小區(qū)的出行選擇準(zhǔn)則不滿足Wardrop原理?？紤]到出行者會(huì)參考個(gè)人感知的廣義出行費(fèi)用進(jìn)行路徑選擇，選取隨機(jī)用戶最優(yōu)(SUE)模型描述小區(qū)開(kāi)放后的路徑選擇行為，結(jié)合考慮了暢通可靠性的廣義出行費(fèi)用，建立交通流分配模型如下:

(4)

(7)

3.2 MSA求解算法

根據(jù)模型特性采用逐次平均法(MSA)[15]求解SUE模型，該方法通過(guò)逐次加載對(duì)路段流量進(jìn)行分配，從而使結(jié)果逐漸趨于均衡。首先進(jìn)行初始阻抗的計(jì)算，并進(jìn)行一次流量加載；根據(jù)前一次分配結(jié)果對(duì)路段阻抗進(jìn)行更新，并基于更新阻抗進(jìn)行本次流量分配；將各路段的分配流量和隨機(jī)加載流量的加權(quán)平均計(jì)算結(jié)果作為下一個(gè)循環(huán)的流量；當(dāng)相鄰兩次循環(huán)周期的流量分配差值小于允許誤差時(shí)，停止迭代，將最后一個(gè)循環(huán)周期的流量值作為最終的分配結(jié)果。具體計(jì)算方法如下：

4 算例分析

4.1 小區(qū)概況與實(shí)地調(diào)查

選取天津市的某小區(qū)作為案例分析。該路網(wǎng)主要由丁字沽一號(hào)路、丁字沽三號(hào)路、勤儉道、光榮道四條城市干路與丁字沽二號(hào)路、五愛(ài)道兩條小區(qū)內(nèi)部支路圍成，如圖4所示。丁字沽二號(hào)路與五愛(ài)道為受諸多不確定因素(包括無(wú)管制穿行、違規(guī)停車(chē)、頻繁商業(yè)活動(dòng)等)影響下交通運(yùn)行效率低下的小區(qū)內(nèi)部支路，為大型封閉式區(qū)域。通過(guò)實(shí)地調(diào)查，得到小區(qū)內(nèi)部道路的相關(guān)指標(biāo)，并總結(jié)如表1所示。

圖4 小區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 道路相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

為獲得小區(qū)內(nèi)各路段的運(yùn)行交通量，綜合了高清錄像拍攝與人工記錄的方式完成數(shù)據(jù)采集，并將采集到的路段雙向截面流量整理、繪制如圖5。

為了分析出行者在該小區(qū)的路徑選擇特征，并輔助驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)調(diào)查的結(jié)果，2018年6月組織調(diào)查小組在天津市該小區(qū)附近開(kāi)展了調(diào)查；共發(fā)出800份調(diào)研問(wèn)卷，收回了760份，對(duì)調(diào)查問(wèn)卷整理后得到720份有效數(shù)據(jù)。本次調(diào)查與網(wǎng)絡(luò)調(diào)查的結(jié)果差異較小，則證明網(wǎng)絡(luò)調(diào)查結(jié)果可靠且前文結(jié)論成立。

圖5 小區(qū)實(shí)測(cè)道路雙向斷面流量(單位：輛)

4.2 基于廣義費(fèi)用的交通流分配

基于考慮了路徑暢通可靠性的廣義費(fèi)用函數(shù)，并通過(guò)前文中建立的隨機(jī)平衡分配模型對(duì)現(xiàn)有路網(wǎng)流量進(jìn)行重新分配，得到各路段的流量如圖6所示。

通過(guò)與圖5對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，重新分配的部分路段流量由干路向小區(qū)內(nèi)部道路轉(zhuǎn)移。由于干路流量較大，出行時(shí)間不可靠，時(shí)間波動(dòng)性較大，部分出行者基于對(duì)路徑暢通可靠性的考量，選擇了小區(qū)內(nèi)部較為暢通的路段。為了進(jìn)行直觀的對(duì)比，根據(jù)廣義費(fèi)用函數(shù)計(jì)算車(chē)流經(jīng)過(guò)各路段所耗費(fèi)的時(shí)間，如表2所示。

圖6 基于模型計(jì)算的分配流量(單位：輛)

表2 車(chē)流經(jīng)過(guò)研究范圍所需的時(shí)間(單位：小時(shí))

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，城市主干道的流量減小后，其疏散流量所需時(shí)間有較大幅度下降。小區(qū)內(nèi)部道路分配流量較實(shí)測(cè)流量更大，所消耗的時(shí)間也更多，但其漲幅較小。為進(jìn)行直觀的對(duì)比，將實(shí)測(cè)流量與分配流量?jī)煞N方案所消耗時(shí)間的總和Tm、Ta進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：Tm(30.41h)>Ta(28.47h)，則證明了考慮路徑暢通可靠性的分配模型對(duì)路網(wǎng)流量的分配較合理，使小區(qū)內(nèi)部道路分擔(dān)了部分導(dǎo)致主干路擁堵的溢出流量，從而提高了整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)行效率。若對(duì)小區(qū)道路進(jìn)行合理規(guī)劃，使其通行能力得到提高，城市路網(wǎng)密度將大幅增加，從而對(duì)降低城市擁堵頻率起到一定作用。

5 小區(qū)開(kāi)放后內(nèi)部道路規(guī)劃的改進(jìn)意見(jiàn)

小區(qū)開(kāi)放后，周邊部分行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)及機(jī)動(dòng)車(chē)會(huì)選擇其內(nèi)部道路進(jìn)行出行，若其內(nèi)部道路未經(jīng)規(guī)劃，會(huì)導(dǎo)致快慢交通混合、行人隨意穿行、交叉口沖突等現(xiàn)象，具有很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。而小區(qū)開(kāi)放道路的規(guī)劃與其他城市支路情況不盡相同，故本文結(jié)合問(wèn)卷調(diào)查及實(shí)例分析結(jié)果，從橫斷面、出入口及交通組織等方面對(duì)小區(qū)開(kāi)放道路進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，從而達(dá)到保障慢行交通出行安全、提高城市運(yùn)行效率的目的。

5.1 小區(qū)開(kāi)放道路橫斷面設(shè)計(jì)

小區(qū)內(nèi)慢行交通的比例相對(duì)較高，為保障其安全，在滿足駕駛要求的前提下，路幅寬度應(yīng)盡量窄，并應(yīng)嚴(yán)格限制運(yùn)行車(chē)速。但是，小區(qū)的開(kāi)放的主要目的為提高運(yùn)行效率，所以開(kāi)放道路不宜過(guò)窄，速度不宜過(guò)低。綜合考量上述兩個(gè)方面，小區(qū)道路起到支路的作用更為合理，在盡量不影響居民生活的前提下，分擔(dān)主干道的部分流量。因此，按照城市支路的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)放后的道路較為合適。小區(qū)道路設(shè)計(jì)中與機(jī)動(dòng)車(chē)相關(guān)的指標(biāo)應(yīng)盡量取到標(biāo)準(zhǔn)的下限，而與行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)相關(guān)的指標(biāo)應(yīng)盡量保證高標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-2012)[16]對(duì)城市道路交通相應(yīng)指標(biāo)的規(guī)定，若不設(shè)置綠化隔離帶，可設(shè)置道路橫斷面的寬度為14.5m，低于15m的寬度要求限值。

5.2 建筑物面向道路的橫斷面設(shè)計(jì)

在小區(qū)開(kāi)放后人非共板車(chē)道的設(shè)計(jì)中，為了保證建筑物周邊留有較大的空間，其面向道路的單側(cè)寬度設(shè)計(jì)為7.5m(含綠化帶)，雙側(cè)車(chē)道寬度為5.5m。建筑疏散出入口一側(cè)與道路邊緣的距離取下限值5.0m，無(wú)疏散出入口一側(cè)與道路邊緣的距離取下限值3.0m。若不考慮設(shè)置停車(chē)位，建筑與道路邊緣只有0.5m的間隔，與規(guī)范要求沖突，以路側(cè)停車(chē)位2.5m的寬度為參考，路側(cè)車(chē)位的設(shè)計(jì)尺寸為2.5m×6.0m。

若小區(qū)內(nèi)建筑物之間的距離大于設(shè)置的最小寬度，應(yīng)將富余的空間用于拓寬人非共板車(chē)道，為慢行交通提供更安全人性的行車(chē)環(huán)境，并按照不同小區(qū)內(nèi)部道路狀況選擇綠化隔離帶設(shè)計(jì)。

5.3 建筑物山墻面向道路的橫斷面設(shè)計(jì)

建筑山墻一側(cè)的道路雙向均有行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)通行，因此機(jī)動(dòng)車(chē)道兩側(cè)均設(shè)置人非共板車(chē)道，寬度為3.0m。建筑山墻與道路邊緣之間的距離應(yīng)符合《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50180-2018)的規(guī)定。參考規(guī)范中“多層建筑之間的橫向間距不宜小于6米，橫向間距有高層建筑不宜小于13米”的規(guī)定，建筑物側(cè)向間距一般不滿足設(shè)置路側(cè)停車(chē)位的需求；若側(cè)向間距足夠，則考慮設(shè)置綠化隔離帶，為出行者創(chuàng)造機(jī)非分離、安全舒適的出行環(huán)境。

5.4 小區(qū)出入口半徑及展寬設(shè)計(jì)

小區(qū)開(kāi)放后，其出入口與城市干道交接形成的交叉口是機(jī)非混合形成的多沖突區(qū)域，為了滿足非機(jī)動(dòng)車(chē)安全便捷與機(jī)動(dòng)車(chē)高效運(yùn)行的兩方面需求，交叉口設(shè)計(jì)為最小轉(zhuǎn)彎半徑5m，設(shè)計(jì)車(chē)速為15km/h[17]；小區(qū)內(nèi)的交叉口設(shè)置也可參考上述指標(biāo)。

出入口車(chē)道的加寬段主要由漸變段和展寬段構(gòu)成，其長(zhǎng)度可參考早晚高峰期間車(chē)輛排隊(duì)狀況。若相關(guān)數(shù)據(jù)無(wú)法獲取，也可根據(jù)《城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范》(GB50647-2011)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)置：漸變段長(zhǎng)度不應(yīng)小于20m；展寬段長(zhǎng)度不應(yīng)小于30～60m，寬度不應(yīng)小于路段車(chē)道寬度3.25m。對(duì)于交通量大的主干道，可取上限值，對(duì)于其他干道，應(yīng)采取下限值。

5.5 小區(qū)出入口交通組織

除了小區(qū)出入口半徑與展寬設(shè)計(jì)，交叉口的交通組織也很重要。小區(qū)道路與城市道路相交大多采用有信號(hào)控制的T型交叉、十字型交叉等，其形式選擇取決于小區(qū)道路的功能定位、流量、交通構(gòu)成等。交通組織形式、交通管理方案等應(yīng)根據(jù)實(shí)際出行條件、交通量、封閉式小區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、周?chē)煌顩r等選擇[18]。在實(shí)際應(yīng)用中，小區(qū)出入口的交通組織將直接影響到選擇小區(qū)內(nèi)道路的比例，這對(duì)于增加路網(wǎng)的實(shí)際密度，提高城市運(yùn)營(yíng)效率起著關(guān)鍵作用，從而實(shí)現(xiàn)小區(qū)開(kāi)放內(nèi)部道路的現(xiàn)實(shí)意義。

6 結(jié)論

本文通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)出行者路徑選擇行為與影響因素、道路熟悉程度的聯(lián)系進(jìn)行了分析，在前人廣義出行費(fèi)用定義的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)查分析結(jié)果，定義了包含暢通可靠性的廣義出行費(fèi)用，建立了考慮暢通可靠性的隨機(jī)平衡模型，并采用逐次平均法進(jìn)行求解，從而得到更為精確的路段交通流量。綜合居民出行安全及城市運(yùn)行效率兩方面因素，結(jié)合相關(guān)規(guī)范對(duì)小區(qū)開(kāi)放道路的設(shè)計(jì)提出了幾點(diǎn)意見(jiàn)。