道路通行效率模型的計算機仿真問題研究

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摘要:2016年的《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》中提到了未來幾年要推廣街區(qū)制的想法，這一想法引起了全國人民的廣泛關注和熱烈討論。本文運用道路通行能力和通行效率等概念，建立了道路通行效率的量化模型，然后對通行效率模型進行模型建立的方法分析、前提條件設定、效率模型分析和量化分析，得到開放小區(qū)道路的最大通行效率，以此來研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。接著，對小區(qū)結構進行定義和分類，然后通過Pathfinder和MATLAB進行仿真模擬和數據分析，設定4種路網結構，通過對路網結構、車流量、總通過時間之間的關系進行分析，得出開放小區(qū)可以增加道路流量、減少車輛總通過時間的結論，并且通過對比研究得到的圖像與數據，發(fā)現(xiàn)了車輛總通過時間不會一直隨著小區(qū)開放程度的增大而不斷增大的規(guī)律。

關鍵詞:道路通行效率；小區(qū)開放化；Pathfinder仿真模擬

1問題研究背景

所謂開放式小區(qū)，就是拆掉重重疊疊的高墻，將居民樓從“籠子”中解放出來，與之前封閉式小區(qū)相比，它的本質沒有改變，只是管理服務的方式有所變化。如果把國家形容成一個完整的人，那么每一個城市便都是構成人類的一部分，這樣城市的主干道便成了有重大意義的主血管，城市中的小通路就成了毛細血管。眾所周知，毛細血管雖小而多，但卻不可缺少，所以有的人認為，將路堵起來的封閉式小區(qū)破壞了城市的路網結構，堵塞了城市“毛細血管”，很容易就會造成交通阻塞，如果將小區(qū)開放，那么城市的路網密度就會提高，這樣就可以使城市交通更暢通。然而另一種觀點認為，小區(qū)開放后雖然增多了可通行道，但是小區(qū)周邊主路上進出小區(qū)的交叉路口的車輛也會增多，這種現(xiàn)象也可能會影響主路的通行速度。為了幫助城市規(guī)劃和交通管理部門更好的建設城市，本文將建立數學模型，用科學的方法研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響，為基層建設貢獻力量。

2道路通行效率的量化模型

鑒于小區(qū)的開放化城市交通的影響不能由某個單項評價來反映，所以本文在此引用《居住小區(qū)開發(fā)交通影響分析研究》中提出的“交通影響度”的概念來衡量小區(qū)開放化對其周圍道路交通設施可能產生的影響的程度，進而運用由其生成的“居住小區(qū)交通影響度評價指標體系”來全面反映小區(qū)開放后對局部路網運行狀況的影響。為了研究小區(qū)開放對周邊路段通行的影響，本文在道路通行能力和通行效率的概念的基礎之上運用了道路通行效率的量化模型來研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。在對開放小區(qū)路段通行效率進行分析時，建立車頭間距與車速之間的模型，用以反映車流量，通過測算車頭間距來推算出汽車車輛在單車道的通行能力，接著，分析對通行能力產生影響的各種因素，從而得出機動車道路的實際通行能力。最后，通過對結果的分析來說明小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

2.1模型建立的前提條件

近年來，隨著我國經濟的快速增長和城市化進程的加快，城市人口和車輛不斷增加，我國城市交通面臨著越來越嚴峻的考驗。城市交通系統(tǒng)是現(xiàn)代國民經濟中的一個重要組成部分，在這個形勢下，“小區(qū)開放化”成為了城市發(fā)展的必然選擇。本文對通行效率理論模型的建立基于以下假設條件：1）假設機動車是處于一輛緊接一輛的連續(xù)跟車行駛狀態(tài)中；2）假設行車速度不受天氣因素干擾；3）假設需要被開放的小區(qū)都可以被順利開放；4）假設車輛均為勻速行駛；5）假設道路為單向車道；6）假設道路有良好的平面線形以及路面狀況。根據資料研究，機動車車頭間距與其行駛速度的關系計算公式為，由于sth=vh，故而：()9814thvv=−所以可得開放小區(qū)道單車道機動車的理論通行能力為：036003600(14)maxmax98tvvCh−==通過以上公示的計算，本文得到隨車速變化的車頭間距與車道理論通行能力假設機動車車道的平均寬度為1m，則單向n車車道該上每米寬度的理論通行效率計算公式為：00nCNPnl=⋅

2.2道路通行效率量化分析

由機動車車頭時距th可推算出機動車單車道通行能力0C，再通過分析影響通行能力的各種因素，進而得出車道的實際通行能力的計算方法。假設機動車車道的平均寬度為1米，則單向n車車道該上每米寬度的實際通行效率計算公式為：00pnnCCNPPnllαβγ=⋅=⋅為方便得到路段的可能最大通行效率，假設該道路行駛車流均由小型汽車構成，此時用小客車的最大載客量來表示nP，這樣，開放小區(qū)道路路段每米寬度上的車輛通行效率maxpN可以通過以下公式求得：max0pnCNPlαβγ=⋅即為最大通行效率。

3小區(qū)開放問題研究

為了研究小區(qū)開放產生的效果，本文首先研究小區(qū)結構的定義和分類，然后通過Pathfinder和MATLAB進行仿真模擬和數據分析，設定4種路網結構，其中封閉小區(qū)結構1種，開放式小區(qū)結構3種，通過對路網結構、車流量、總通過時間之間的關系進行分析，最終得到結論。

3.1小區(qū)結構

通過查閱大量文獻，發(fā)現(xiàn)對于小區(qū)結構尚未有明確的定義和分類，對此，本文借鑒百度百科相關詞條，將小區(qū)結構分為3類：封閉式小區(qū)：有明確的邊界，即圍墻和大門的小區(qū)，小區(qū)內主路和輔路均不對外開放，車輛只能從周邊道路通過；半封閉式小區(qū)：有部分邊界的小區(qū)，小區(qū)內主路對外開放，但輔路不對外開放，車輛可以從周邊道路和小區(qū)內主路通過；開放式小區(qū)沒有邊界或邊界不清晰的小區(qū)，小區(qū)內主路和輔路均對外開放，車輛可以從周邊道路和小區(qū)內道路通過。

3.2Pathfinder仿真模擬及結果分析

根據之前建立的模型，本文利用Pathfinder軟件進行仿真模擬，對所得數據進行分析。設定封閉式小區(qū)周邊為橫豎各1km的矩形公路，當小區(qū)開放時，本文設定三種小區(qū)的樣式分別為：半封閉式小區(qū)、單通路開放式小區(qū)和多通路開放式小區(qū)。設定車輛起點為小區(qū)左下角路段，終點為右上角路段，且車輛均為普通小轎車，總數分別為100輛、200輛和300輛，車速20km/h～30km/h，并進行仿真模擬。將得到的仿真模擬數據導入MATLAB軟件進行分析，通過分析可知，在一定范圍內，車輛總數與總通過時間成正比。在車輛總數一定的情況下，單通路開放式小區(qū)和多通路開放式小區(qū)平均總通過時間最短且相近，但多通路開放式小區(qū)開放程度比單通路開放式小區(qū)更大，因此可以得到以下結論：開放小區(qū)可以增加道路流量，減少車輛總通過時間，但是車輛總通過時間不會一直隨著小區(qū)開放程度的增大而減少，實驗數據證明，車輛總通過時間在減少到特定值之后會趨于平穩(wěn)。綜上所述，對開放后可以加強城市路網的封閉式小區(qū)施行一定程度的開放，可以達到疏通城市交通的目的，并且對于各類開放程度不同的小區(qū)，其開放程度在特定值之下時，與之前未開放時對比，可以有效地舒緩交通；而對于開放程度在特定值之上的小區(qū)，其舒緩交通的作用雖然比未開放時要好，但卻不會再隨著小區(qū)開放程度的增大而有過大的變化。

4結論

漢代的趙曄曾提出“因地制宜”的想法，在進行小區(qū)開放的問題上，本文認為也應該采用這種思想。開放小區(qū)并不是要開放全部的封閉小區(qū)，而是根據各街道的道路組成的不同，有選擇性地進行開放。如果某小區(qū)的開放導致城市斷頭路增多，反而加大了交通運輸的難度，則該小區(qū)便不符合小區(qū)開放的原則，將其從計劃中篩除。當然，不論是封閉式小區(qū)還是開放式小區(qū)，都是市民居住的地方，所以都要保證住戶最基本的安全。開放式小區(qū)原則上只開放小區(qū)主干道作為交通樞紐，小區(qū)之中錯綜復雜的小路不作為開放成通車道路的首選，盡量避免居民一出樓道門既是馬路的狀況，防止居民在毫無準備的情況下進入川流不息的車群，從而發(fā)生交通事故。開放式小區(qū)的通路原則上只用于加速城市交通流動，不承擔城市交通主要樞紐的任務。小區(qū)通路并不像大馬路，有寬闊的四至六車道供車輛通行，它在一定程度上很可能只是一條單向通行的道路，只為了完善城市的交通聯(lián)通，不適合承擔大量車輛停車與掉頭的任務。

參考文獻

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作者:費熹 單位:西北民族大學數學與計算機科學學院