基于阻抗計(jì)算法的小區(qū)開放影響力度分析系統(tǒng)研究

引言

隨著社會(huì)發(fā)展及交通情況的變化 , 以封閉式結(jié)構(gòu)為規(guī)劃小區(qū)的不足之處逐漸顯露出來 。20l6年2月2l日 , 中央公布文件 ,要求不再建設(shè)封閉式住宅區(qū) , 實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)公交站500 m 內(nèi)覆蓋。處于焦點(diǎn)話題之一 的是:實(shí)行開放小區(qū)后能否達(dá)到國(guó)家期望中的優(yōu)化路網(wǎng) ,提高道路的容納量以及通行能力的 目的。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的研究提供了新思路 ,有大量專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究 。Gao和Shen提出基于交通流演化的網(wǎng)絡(luò)模型 ,在交通流狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間建立橋梁 。趙暉針對(duì)一般輸運(yùn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)特性 ,建立了動(dòng)力學(xué)模型 ,該模型很好地反映了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的演化機(jī)制過程 。馬丹利用元胞傳輸模型和K短路算法研究了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與城市交通流運(yùn)行兩者之間的關(guān)系。

本文結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和動(dòng)態(tài)交通流分配方法 ,對(duì)阻抗計(jì)算進(jìn)行了重點(diǎn)研究 , 建立GS (Greenshields) -CTM (Cell Transmissionmodel)動(dòng)態(tài)交通流仿真模型。首先用此模型對(duì)小區(qū)開放前后 ,小區(qū)周邊道路網(wǎng)絡(luò)的交通流特性進(jìn)行仿真 ,得到網(wǎng)絡(luò)平均車流密度、網(wǎng)絡(luò)總延誤、網(wǎng)絡(luò)平均旅行速度。因這3個(gè)指標(biāo)可以較直觀地反映小區(qū)周邊道路容納量以及道路通行能力 ,所以將小區(qū)開放前后的這3個(gè)指標(biāo)(6個(gè)數(shù)據(jù))帶入層次分析法和嫡權(quán)法的組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型 ,從而計(jì)算出小區(qū)開放對(duì)周邊道路通行能力的影響。引入介數(shù)的定義 ,建立了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)介數(shù)模型 ,計(jì)算小區(qū)內(nèi)部道路和交叉口在整個(gè)小區(qū)周邊網(wǎng)絡(luò)的重要程度 ,并用此篩選出該小區(qū)對(duì)外開放的道路和交叉口 。 由此得到了一個(gè)綜合計(jì)算小區(qū)開放對(duì)周邊道路通行能力的影響及制定該小區(qū)開放策略的系統(tǒng) 。為封閉式小區(qū)是否應(yīng)該開放 ,開放后的開放規(guī)劃提供參考意見。本文最后以已開放的上海梧桐小區(qū)為例 ,進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

1GS-CTM動(dòng)態(tài)交通流仿真模型的建立與求解

1. 1 模型構(gòu)建

CTM模型能夠根據(jù)仔細(xì)選擇的中間點(diǎn)預(yù)測(cè)交通流行為 ,可以較精確地估計(jì)實(shí)際路段阻抗 ,但所需計(jì)算量巨大 。GS模型使用簡(jiǎn)單的速密關(guān)系 ,所需計(jì)算量小 ,但并不能準(zhǔn)確描述路段上間斷的交通流 。因此 ,本文結(jié)合兩個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn) ,將GS速密關(guān)系引入到CTM模型中 ,在保證仿真精度的條件下 , 降低計(jì)算的復(fù)雜程度 ,建立GS-CTM動(dòng)態(tài)交通流分配仿真模型:

目標(biāo)函數(shù)

約束條件

式中 ,za(1)表示時(shí)刻1進(jìn)入路段a的實(shí)際阻抗::a(1)表示時(shí)刻1路段a的交通量::EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3((1+l)表示時(shí)刻(1+l)進(jìn)入路段a將到終點(diǎn)b的交通量:sEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3((1)表示時(shí)刻1進(jìn)入路段a將到終點(diǎn)b的駛?cè)肓?uEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3((1)表示時(shí)刻1路段ab的駛出量。

1.2 路段阻抗計(jì)算

將路段劃分為多個(gè)等距的元胞 , 并將時(shí)間離散化成多個(gè)時(shí)間間隔 ,其中細(xì)胞的長(zhǎng)度等于自由流在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)行走的距離 , 因此車輛在每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)都不會(huì)離駛當(dāng)前所在細(xì)胞 。利用路段起點(diǎn)的車輛流入量和路段終點(diǎn)的車輛流出量計(jì)算出路段的各個(gè)元胞內(nèi)的車輛平均速度 , 從而計(jì)算出路段元胞的阻抗。

式中 ,ca(1)表示時(shí)刻1路段a的瞬時(shí)阻抗:pa(1)表示時(shí)刻1路段a 的車流密度:pa,j表示路段a的阻塞密度。

2 層次分析法和嫡值法的組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型

設(shè)小區(qū)開放前后對(duì)道路通行能力影響指數(shù)分別為d0和dl?；趯哟畏治龇軐?duì)權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化分配 ,嫡值法能反映信息嫡的有效價(jià)值 , 因此采用組合賦權(quán)進(jìn)行求解 ,增加了可信度 。建立如下影響評(píng)價(jià)模型:

式中 ,cl和cEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(為小區(qū)開放后和開放前的網(wǎng)絡(luò)平均車流密度:c2和 cEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(為網(wǎng)絡(luò)總延誤:c3和cEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(為平均旅行速度。

式中 ,x表示采用層次分析法得到的權(quán)重 ,y表示采用嫡值法得到的權(quán)重。

3 網(wǎng)絡(luò)撲拓節(jié)點(diǎn)介數(shù)模型

為對(duì)小區(qū)內(nèi)部所有道路和交叉口進(jìn)行篩選 ,考慮將小區(qū)內(nèi)部道路和交叉口對(duì)周邊整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)的重要程度作為篩選依據(jù) , 由此引入了介數(shù)的定義。

介數(shù)的定義:介數(shù)為點(diǎn)或邊對(duì)應(yīng)的最短路徑經(jīng)過該點(diǎn)或該邊的數(shù)量比例 ,反映點(diǎn)或邊在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的重要程度。城市道路網(wǎng)絡(luò)是由許多交叉口和路段所組成 ,將所研究小區(qū)的內(nèi)部和其周邊所在網(wǎng)絡(luò)抽象成一個(gè)由點(diǎn)集V和邊集E構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)G=(V ,E) 。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)介數(shù)模型建立為:

式中, θ(億)表示點(diǎn)億或邊億的介數(shù):Dij(億)表示億為點(diǎn)或邊時(shí) ,(Vi,Vj)之間的最短途徑中經(jīng)過億的數(shù)量。

4 以上海梧桐小區(qū)為例進(jìn)行驗(yàn)證

4. 1 仿真參數(shù)確定及仿真步驟

考慮到本文重點(diǎn)研究小區(qū)開放前后的不同道路網(wǎng)絡(luò)對(duì)交通流運(yùn)行的影響 , 因此可將其他參數(shù)設(shè)置成相同。

參數(shù)確定如下:每個(gè)仿真小時(shí)段芒 為 10 s : 阻塞密度pj為0 . 143 veh/m: 自由流速度⑦f 為0.9 km/min:每個(gè)路段的長(zhǎng)度為 600 m:每個(gè)路段包含的元胞個(gè)數(shù)為4個(gè) 。仿真結(jié)果如圖1、圖2所示。

再將仿真得到的網(wǎng)絡(luò)平均車流密度 、網(wǎng)絡(luò)總延誤以及網(wǎng)絡(luò)平均旅行速度帶入綜合評(píng)價(jià)模型:

4.2 結(jié)果分析

由仿真模型得到開放前后道路擁堵情況 , 由仿真結(jié)果明顯看出 ,開放后道路擁堵情況明顯好轉(zhuǎn) ,并且計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)平均車流密度各為0.062 veh/m、0.043 veh/m:網(wǎng)絡(luò)總延誤各為157 h、125 h:網(wǎng)絡(luò)平均旅行速度各為12.2 km/h、16.4 km/h 。模擬結(jié)果表明 ,上海梧桐小區(qū)開放后 ,周邊道路網(wǎng)絡(luò)平均車流密度和網(wǎng)絡(luò)總延誤有所下降 , 網(wǎng)絡(luò)平均旅行速度有所提高 , 即小區(qū)開放提高了道路的容納量以及通行能力 ,且效果較明顯。根據(jù)高德地圖官網(wǎng)報(bào)告數(shù)據(jù) ,該小區(qū)開放后 ,小區(qū)周邊道路擁堵情況確實(shí)有所緩解 , 由此證實(shí)了模型的可靠性。

同時(shí)因計(jì)算得到的小區(qū)開放對(duì)周邊道路通行能力的影響指數(shù)結(jié)果為正 ,且為0.288 ,可知該小區(qū)適合開放 ,且開放價(jià)值較大。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先將Gs模型里的速密關(guān)系引入到CTM模型中 ,對(duì)路段阻抗問題進(jìn)行了研究 ,并對(duì)小區(qū)開放前后 ,周邊道路網(wǎng)絡(luò)交通流運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真 。接著建立了組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型量化小區(qū)開放對(duì)周邊道路通行能力的影響 。然后運(yùn)用節(jié)點(diǎn)介數(shù)模型篩選出該小區(qū)對(duì)外開放的道路和交叉口 。最后以上海梧桐城邦小區(qū)為例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證 ,得到如下結(jié)果:開放前后網(wǎng)絡(luò)平均車流密度各為0.062 veh/m、0.043 veh/m:網(wǎng)絡(luò)總延誤各 為157 h、125 h:網(wǎng)絡(luò)平均旅行速度各為12.2 km/h、16.4 km/h。小區(qū)開放對(duì)周邊道路通行能力的影響為正(0.288),說明適合開放。