(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 天津 300000)

小區(qū)開放對道路通行的影響

王博宇蘇曉飛王啟銘

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院天津300000)

2016年2月21日，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，其中第十六條關(guān)于推廣街區(qū)制，原則上不再建設(shè)封閉住宅小區(qū)，已建成的住宅小區(qū)和單位大院要逐步開放等意見，引起了廣泛的關(guān)注和討論。

除了開放小區(qū)可能引發(fā)的安保等問題外，議論的焦點(diǎn)之一是：開放小區(qū)能否達(dá)到優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高道路通行能力，改善交通狀況的目的，以及改善效果如何。一種觀點(diǎn)認(rèn)為封閉式小區(qū)破壞了城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，堵塞了城市“毛細(xì)血管”，容易造成交通阻塞。小區(qū)開放后，路網(wǎng)密度提高，道路面積增加，通行能力自然會有提升。也有人認(rèn)為這與小區(qū)面積、位置、外部及內(nèi)部道路狀況等諸多因素有關(guān)，不能一概而論。還有人認(rèn)為小區(qū)開放后，雖然可通行道路增多了，相應(yīng)地，小區(qū)周邊主路上進(jìn)出小區(qū)的交叉路口的車輛也會增多，也可能會影響主路的通行速度。

問題

1.請選取合適的評價指標(biāo)體系，用以評價小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

2.請建立關(guān)于車輛通行的數(shù)學(xué)模型，用以研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

3.小區(qū)開放產(chǎn)生的效果，可能會與小區(qū)結(jié)構(gòu)及周邊道路結(jié)構(gòu)、車流量有關(guān)。請選取或構(gòu)建不同類型的小區(qū)，應(yīng)用建立的模型，定量比較各類型小區(qū)開放前后對道路通行的影響。

4.根據(jù)研究結(jié)果，從交通通行的角度，向城市規(guī)劃和交通管理部門提出關(guān)于小區(qū)開放的合理化建議。

針對問題1，我們建立了一套完整的評價指標(biāo)體系去對在不同開放條件下的道路通行能力進(jìn)行逐一分析，并搜集了不同地區(qū)和同一地區(qū)不同時間的小區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過主成分分析得出小區(qū)周邊道路的同行能力、小區(qū)所在位置等因素是影響開放與否的重要指標(biāo)。

針對問題2，收集了在該領(lǐng)域其他學(xué)者的研究成果，針對其要求，運(yùn)用層次分析法設(shè)計了一套完整的數(shù)學(xué)模型，通過對比開放前后的車流量等因素，進(jìn)而解決車輛通行能力問題。

針對問題3，我們給出了新的方案，并采用新的方法討論了其合理性，得到了較為符合實(shí)際的結(jié)論。

針對問題4，我們在前三問解決的基礎(chǔ)上，提出了較為穩(wěn)妥的建議以供參考。

評價指標(biāo)體系；道路通行能力；層次分析法

一、問題重述

(一)背景

2016年2月21日，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》，其中第十六條關(guān)于推廣街區(qū)制，原則上不再建設(shè)封閉住宅小區(qū)，已建成的住宅小區(qū)和單位大院要逐步開放等意見，引起了廣泛的關(guān)注和討論。

除了開放小區(qū)可能引發(fā)的安保等問題外，議論的焦點(diǎn)之一是：開放小區(qū)能否達(dá)到優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高道路通行能力，改善交通狀況的目的，以及改善效果如何。一種觀點(diǎn)認(rèn)為封閉式小區(qū)破壞了城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，堵塞了城市“毛細(xì)血管”，容易造成交通阻塞。小區(qū)開放后，路網(wǎng)密度提高，道路面積增加，通行能力自然會有提升。也有人認(rèn)為這與小區(qū)面積、位置、外部及內(nèi)部道路狀況等諸多因素有關(guān)，不能一概而論。還有人認(rèn)為小區(qū)開放后，雖然可通行道路增多了，相應(yīng)地，小區(qū)周邊主路上進(jìn)出小區(qū)的交叉路口的車輛也會增多，也可能會影響主路的通行速度。

(二)問題

1.請選取合適的評價指標(biāo)體系，用以評價小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

2.請建立關(guān)于車輛通行的數(shù)學(xué)模型，用以研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

3.小區(qū)開放產(chǎn)生的效果，可能會與小區(qū)結(jié)構(gòu)及周邊道路結(jié)構(gòu)、車流量有關(guān)。請選取或構(gòu)建不同類型的小區(qū)，應(yīng)用建立的模型，定量比較各類型小區(qū)開放前后對道路通行的影響。

4.根據(jù)研究結(jié)果，從交通通行的角度，向城市規(guī)劃和交通管理部門提出關(guān)于小區(qū)開放的合理化建議。

二、問題分析

小區(qū)開放對周邊道路的影響程度受很多因素影響，例如小區(qū)的所在位置，道路的通行能力，道路的行駛時間，延誤時間等。因此研究某一地區(qū)小區(qū)開放對周邊道路的影響問題需要綜合考慮諸多因素，為了能更好的研究各因素的重要程度，就需要提煉出一個綜合指標(biāo)，并且其能夠綜合的反應(yīng)小區(qū)開放前后對道路通行能力的影響程度。

三、模型假設(shè)

1、假定原有路程行駛時間和原有道路寬度等剛性指標(biāo)相對不變。

2、假定原有小區(qū)內(nèi)部的通行能力在一定時間內(nèi)，不發(fā)生改變。

3、假定市區(qū)的交通都正常運(yùn)行，沒有突發(fā)事件影響整體城市交通的運(yùn)行。

四、問題1

請選取合適的評價指標(biāo)體系，用以評價小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

查閱相關(guān)資料，某市10條城市主要道路在固定時間內(nèi)的車流量相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

某市道路交通車流量統(tǒng)計表

(一)模型的建立

在用統(tǒng)計分析方法研究多變量的課題時，變量個數(shù)太多就會增加課題的復(fù)雜性。人們自然希望變量個數(shù)較少而得到的信息較多。在很多情形，變量之間是有一定的相關(guān)關(guān)系的，當(dāng)兩個變量之間有一定相關(guān)關(guān)系時，可以解釋為這兩個變量反映此課題的信息有一定的重疊。主成分分析是對于原先提出的所有變量，將重復(fù)的變量刪去多余，建立盡可能少的新變量，使得這些新變量是兩兩不相關(guān)的，而且這些新變量在反映課題的信息方面盡可能保持原有的信息。

通過對數(shù)據(jù)的分析可知，影響“小區(qū)開放前后道路通行能力”的因素有很多，我們希望找出影響平衡的一個綜合指標(biāo)。如果考察加權(quán)平均，則主觀性太大。而利用主成分分析法，可以根據(jù)每個指標(biāo)的重要程度給出一個綜合指標(biāo)，進(jìn)而全面的研究開放前后的通行能力。一般地，我們把信息完全明確的系統(tǒng)稱為白色系統(tǒng)，信息完全不明確的系統(tǒng)稱為黑色系統(tǒng)，信息部分明確、部分不明確的系統(tǒng)稱為灰色系統(tǒng)。當(dāng)事物之間、因素之間、相互關(guān)系比較復(fù)雜，特別是表面現(xiàn)象，變化的隨機(jī)性更容易混肴人們的直覺，掩蓋事物的本質(zhì)，使人們在認(rèn)識、分析、預(yù)測、決策時，得不到全面的、足夠的信息，不容易形成明確的概念。這些都是灰色因素，灰色的關(guān)聯(lián)性在起作用.

假設(shè)X0=(x10,x20,…,xn0)T為母序列，X1=(x11,x21,…,xn1)T，…，Xm=

(x1m,x2m,…,xnm)T為子序列(比較序列)，則定義Xi與X0在第k點(diǎn)的關(guān)

灰色關(guān)聯(lián)度分析應(yīng)用非常廣泛.例如當(dāng)需要對n個方案進(jìn)行評價時，有m個指標(biāo)可以從不同的側(cè)面反映出被評價的n個方案效益的情況.于是，可采取如下步驟：

1.選定母指標(biāo)：可選取對方案效益影響最重要的指標(biāo)作為母指標(biāo)，如選Xj為母指標(biāo).

2.對原始數(shù)據(jù)(指標(biāo)值)進(jìn)行處理：由于各指標(biāo)的量綱不同，指標(biāo)值的數(shù)量級也差別很大，為了用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價.首先必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱、無數(shù)量級的處理.處理的方法通常有兩種：其一是均值化處理，即分別求出各個指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)的平均值，再用均值去除對應(yīng)指標(biāo)的每個數(shù)據(jù)，便得到新的數(shù)據(jù)；其二是初值化處理，即分別用原始數(shù)據(jù)每個指標(biāo)的第一個數(shù)據(jù)去除對應(yīng)指標(biāo)的每一個數(shù)據(jù)，得到新的數(shù)據(jù).

小區(qū)車輛保有數(shù)2997899122567185874332527內(nèi)部通行能力182754811211107837731471所在位置5774173248674404220209094安全290672661889168659002478其他61817316595383817258796路段通行能力54011998561524267238931218交叉口通行能力2569822020631927867047682總能力266274482016．159846252357高峰期1402364510242771522367155

7.排序：將各方案的指標(biāo)值帶入得到該方案效益綜合得分Zk,k=1,2,…,n.依據(jù)綜合得分從大到小排序，也就得到個方案的綜合效益的排序.

類別數(shù)字代號相對權(quán)重(%)重要程度排序小區(qū)車輛保有率12．868小區(qū)內(nèi)部通行能力21．697小區(qū)所在位置因素影響36．474安全因素影響42．586其他因素影響50．679路段通行能力614．422交叉口通行能力710．653道路總通行能力855．．371小區(qū)周邊道路高峰期的交通影響93．065

(二)模型的求解

選取道路通行能力、道路總行駛時間、小區(qū)所在位置、路段行駛時間、交叉口延誤時間(分)、安全系數(shù)等指標(biāo)作為“小區(qū)開放與否對周圍道路通行能力程度”的影響指標(biāo)。得到如下圖所示的關(guān)聯(lián)法：

(三)結(jié)果分析

由最終數(shù)據(jù)可知，在眾多影響因素中，起決定性作用的是道路通行能力與行程時間，其中道路通行能力有眾多剛性指標(biāo)約束，而行程時間則由車輛通行的實(shí)際情況決定，因此，為了定量的分析車輛通行能力，我們建立了一套新的數(shù)學(xué)模型用以分析小區(qū)開放對車輛通行的實(shí)際影響。

五、問題2

請建立關(guān)于車輛通行的數(shù)學(xué)模型，用以研究小區(qū)開放對周邊道路通行的影響。

搜集該領(lǐng)域其他學(xué)者的研究成果可以發(fā)現(xiàn)，道路交通的通行能力指標(biāo)與道路的類型，道路的截面寬度，車輛的速度，車輛的類型，路段行駛時間，交叉口行駛時間，總行駛時間，車流量等眾多因素有關(guān)，我們根據(jù)已有的研究成果，建立了新的數(shù)學(xué)模型，用以定量的研究車輛通行能力。

1、路段行駛時間；路段行駛時間定義為將一段有路段有交叉口的實(shí)際道路抽象為一段完整的，無交叉口的模型路段，從而簡化數(shù)學(xué)運(yùn)算過程。

路段行駛時間是在不考慮交叉口通行能力的影響下的路段行駛能力，其計算方法如下：

其中，不受到路交叉口的通行能力影響的計算公式如下：

νe=Nm*ac

這其中ac表示機(jī)動車道通行能力分類系數(shù)，如下表所示

計算行車速度(KM/H)50403020可能通行能力(PCU/H)1690164015501380

道路分類快速路主干路次干路支路ac0．750．800．850．90

根據(jù)上述計算方法，我們使用MATLAB進(jìn)行了模型計算，得到了如下所示的結(jié)果：

可以看到，在理想狀態(tài)下，路段的通行能力基本保持不變，大多數(shù)時間均保持一定的通行能力不變。

2、交叉口延誤時間：交叉口延誤時間定義為在等延誤原則條件下，(即各個車道延誤時間均相等)；可用某一車道的延誤時間代替交叉口延誤時間。

其中，對于一般的城市道路，在路段中車輛不僅受到行人和非機(jī)動車的干擾,而且還會受到對向車輛行駛的影響。因此,必須研究這些因素對機(jī)動車道的綜合影響程度,即路旁干擾系數(shù)。毫無疑問,由于路旁非機(jī)動車及行人等的突然出現(xiàn),正在機(jī)動車道上的駕駛員會意識到必須采取防范措施,以免發(fā)生意外事故,從而導(dǎo)致車速下降?？梢哉J(rèn)為,路旁干擾越大,車速下降越大,使道路通行能力越小。因此,我們用車速下降率作為路旁干擾系數(shù),即路旁干擾系數(shù)。其中為受干擾后的車速為未受干擾的車速。為了研究方便,我們把受干擾道路的情況劃分成以下七類:

(1)不受非機(jī)動車干擾,不受對向車流干擾,不受行人干擾的車道即四塊板道路及有行人隔離的兩塊板機(jī)動車專用道

(2)不受非機(jī)動車干擾,不受對向車流干擾,受行人干擾的車道即無行人隔離的兩塊板機(jī)動車專用道

(3)受非機(jī)動車干擾,不受對向車流干擾,不受行人干擾的車道即兩塊板有行人隔離的機(jī)非混行車道

(4)不受非機(jī)動車干擾,受對向車流干擾,不受行人干擾的車道即一塊板有行人隔離的機(jī)動車專用道及三塊板道路

(5)不受非扣動車干擾,受對向車流干擾,受行人干擾的車道即一塊板機(jī)動車專用道

(6)受非機(jī)動車干擾,不受對向車流干擾,受行人干擾的車道即兩塊板機(jī)非混行道路

(7)受非機(jī)動車干擾,受對向車流干擾,受行人干擾的車道即一塊板機(jī)非混行道路。

在一系列觀測基礎(chǔ)上，分析各個道路的車速下降情況，得出干擾系數(shù)為：

第一種：a1=1；

第二種：a2=1-0.00054p

第三種：a3=1-0.00201x

第四種：a4=1-0.0027q

第五種：a5=(1-0.00054p)*(1-0.0027q)

第六種：a6=(1-0.00201x)*(1-0.00054p)

第七種：a7=(1-0.00201x)*(1-0.00054p)*(1-0.0027q)

式中：p為行人流量/5MIN

q為對向機(jī)動車流量/5MIN

x為非機(jī)動車流量/5MIN

通常情況下，路寬及側(cè)向凈空修正有國際標(biāo)準(zhǔn)做參考如下表所示：

車道寬度(M)修正系數(shù)ωgt;3．251．003．000．942．750．882．500．82

側(cè)向凈空修正系數(shù)如下表所示：

測向凈寬修正系數(shù)γ單側(cè)不足兩側(cè)不足gt;0．751．001．000．500．980．950．250．950．910．000．930．86

在實(shí)際道路設(shè)計中，為使道路在后期使用中有良好的改造能力，在規(guī)劃之初即設(shè)計了“規(guī)劃通行能力”如下所示：Cd=C*(V/C)*α*ω*γ

其中C表示理論通行能力

(V/C)表示某一服務(wù)水平下的飽和度

α路旁干擾修正系數(shù)

ω路寬修正系數(shù)

γ側(cè)向凈寬修正系數(shù)

其中服務(wù)水平飽和度參考如下：

服務(wù)水平飽和度(V/C)交通狀態(tài)一0．25城市道路自由流二≤0．50道路穩(wěn)定流三≤0．70交叉口溢流周期低于3%四≤0．85穩(wěn)定溢流五≤0．95交通堵塞

由上述分析可以看到，交叉口通行能力的影響因素有很多，合理的研究方法很重要，結(jié)合眾多學(xué)者的研究成果，我們選擇了美國HCM2000評價體系作為分析的依據(jù)，如下所示：

分類因素道路車道數(shù)交叉口間距車流量密度交通轉(zhuǎn)向密度信號信號控制

最終選用了美國HCM2000中的延誤計算公式：

d=d1(PF)+d2+d3

其中

d1為均勻到達(dá)車均延誤

PF為均勻到達(dá)修正系數(shù)

d2無初始排隊(duì)情況考慮車輛到達(dá)隨機(jī)性的附加延誤

d3為初始排隊(duì)延誤。

由此我們使用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計算得到如下結(jié)果：

可以看到，在X軸的中間點(diǎn)，即時間段在中午12：00到下午3：00之間，交叉口的延誤時間達(dá)到最大，其次是上午6：00到9：00之間，有一第二高峰，其余時間段延誤時間均不高。

即：

由此模型我們得到了如下圖所示的分析結(jié)果，該分析結(jié)果是針對小區(qū)未開放時的車輛通行能力研究，圖中：

粉線代表通行能力；

亮綠線代表車流量；

藍(lán)線代表延誤時間；

紅線代表總行程時間；

深綠線代表交叉口時間；

可以看到，未開放時小區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)均改變不大，外部交通對小區(qū)的影響有限。與此同時，我們繼續(xù)研究了小區(qū)開放后的車輛通行能力，并得出了如下結(jié)論：

可以看到，開放后，小區(qū)的道路通行能力均發(fā)生了較大改變，其中，在下午4：00到6：00期間的車流量有較大增加，延誤時間有所增加，通行能力下降。

六、問題三：小區(qū)開放產(chǎn)生的效果，可能會與小區(qū)結(jié)構(gòu)及周邊道路結(jié)構(gòu)、車流量有關(guān)。請選取或構(gòu)建不同類型的小區(qū)，應(yīng)用建立的模型，定量比較各類型小區(qū)開放前后對道路通行的影響。

問題3中針對不同類型的小區(qū)開放后進(jìn)行分析，我們應(yīng)用上述結(jié)論，建立了如下模型

先做如下假設(shè)：(1)假設(shè)小區(qū)的人數(shù)保持穩(wěn)定；

(2)車輛保有率在短時間內(nèi)不會發(fā)生重大變化；

(3)假設(shè)交通秩序正常，沒有影響出行的突發(fā)事件。

我們將層次分析法應(yīng)用到本問題中，首先介紹層次分析法的基本理論。

1、模型的建立

層次分析法是決策者通過將復(fù)雜問題分解為若干層次和若干因素(如圖3-1)，在各因素之間進(jìn)行簡單的比較和計算，就可以得出不同方案的權(quán)重，為最佳方案的選擇提供依據(jù)。

首先，要對不同的準(zhǔn)則做好分層：

2、模型的求解

不同層的因素間都有影響，不同類的因素間也有影響，起相互影響的各個主要因素的分析結(jié)果如下

(1)小區(qū)的位置影響

圖中：藍(lán)線表示市中心開放前車流量；

綠線表示市區(qū)開放后車流量；

紅線表示郊區(qū)開放后車流量；

該圖表示市中心，市區(qū)，郊區(qū)開放后的車流量變化，可以看到，對于市中心與市區(qū)的小區(qū)來說，開放后，特別是在午間高峰時期，車流量居高不下。

而在郊區(qū)，車流量變化較為平穩(wěn)，值得注意的是，郊區(qū)的車流量在晚間4：00到6：00之間達(dá)到最大。

此外，其他因素的影響也不能忽略，我們針對上述不同類型，定量的分析了其他因素的影響

(2)小區(qū)上下班高峰期對通行的影響

可以看出，伴隨著12:00高峰期的到來，車流量也有較大增加。

(3)小區(qū)內(nèi)部道路建設(shè)的影響

可以看出，隨著小區(qū)內(nèi)部道路的優(yōu)化，通行能力也在增強(qiáng)。

(4)小區(qū)私家車保有量的影響

可以看出，隨著小區(qū)業(yè)主私家車保有量的增加，開放后車流量增加的更快，更多。

模型的分析

綜合上述結(jié)果，我們得到了最終分析模型如下所示：

圖中，Z軸代表車流量密度，Y軸代表距市中心的距離(以Y軸中點(diǎn)為市中心)，X軸代表時間，可以發(fā)現(xiàn)，時間在下午3：00到6：00，距市中心1到2公里處，車流量達(dá)到最大。

綜上所述，我們可以得到以下結(jié)論：

(1)在眾多影響小區(qū)開放后道路通行能力的因素中，影響最大的是小區(qū)自身所處的位置，這是因?yàn)椋捎诘缆繁旧淼耐ㄐ心芰σ欢?，因而開放后小區(qū)內(nèi)部的道路所能承載的通行能力也是一定的，因此在其他因素不改變的情況下，開放可以視為只是單純的增加了道路以及交叉口的數(shù)目，而又由第二問可以看出，位于市中心和市區(qū)的道路在路段與交叉口的數(shù)目增多后，反而會更加擁堵。因此，小區(qū)自身所在位置便成為決定性的因素。

(2)第二大影響因素則是時間，由上述計算結(jié)果可以看出，無論是在市中心還是市區(qū)，無論道路通行能力有多大提升，如果不能錯開行車高峰時段，只是單純的開放小區(qū)路段，無法從根本上解決道路擁堵問題。

(3)分析小區(qū)開放對城市道路交通的利弊，必須具體情況具體分析，綜合各類影響因素得出最優(yōu)方案，不能以偏概全，照搬照抄，同時充分尊重小區(qū)業(yè)主的意見。

問題四：根據(jù)研究結(jié)果，從交通通行的角度，向城市規(guī)劃和交通管理部門提出關(guān)于小區(qū)開放的合理化建議。

建議1：

小區(qū)開放與否與城市發(fā)展，小區(qū)內(nèi)部道路密集程度，小區(qū)人口的居住數(shù)量，小區(qū)所在的地段以及小區(qū)所在路段的高峰期時間段等眾多因素有關(guān)。應(yīng)以：

小區(qū)所在地段gt;高峰期時間段gt;小區(qū)內(nèi)部道路通行能力gt;私家車保有量為準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)先考慮。

建議2：

若該小區(qū)由于某種特殊原因，例如臨近學(xué)校，火車站等，可依據(jù)情況分時間段開放。對于人口稀少，小區(qū)地段遠(yuǎn)離城市中心地帶，為了減少安全隱患，建議不進(jìn)行小區(qū)開放。

建議3：

充分征求業(yè)主意見，具體情況具體分析，綜合各類影響因素得出最優(yōu)方案，不能以偏概全，照搬照抄，同時慎重考慮安全因素的影響。

指導(dǎo)教師：李旭東

[1]李揚(yáng).基于可持續(xù)發(fā)展理論的我國公路交通發(fā)展模式研究[D].大連海事大學(xué)，2013.5

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[3]詹斌,蔡芮東,胡遠(yuǎn)程,曹夢鑫.基于城市道路網(wǎng)絡(luò)脆弱性的小區(qū)開放策略研[J].武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，2016.4

[4]商仲華.居住小區(qū)開發(fā)交通影響分析研究[D].長安大學(xué)，2006.6

[5]呂斌.城市居住區(qū)“開放性”模式研究[D].大連理工大學(xué)，2006.6

[6]鄺先驗(yàn).城市混合交通流微觀仿真建模研究[D].華南理工大學(xué)，2014.9