基于阻抗计算法的小区开放影响力度分析系统研究

引言

随着社会发展及交通情况的变化 , 以封闭式结构为规划小区的不足之处逐渐显露出来 。20l6年2月2l日 , 中央公布文件 ,要求不再建设封闭式住宅区 , 实现中心城区公交站500 m 内覆盖。处于焦点话题之一 的是:实行开放小区后能否达到国家期望中的优化路网 ,提高道路的容纳量以及通行能力的 目的。复杂网络理论为交通运输网络的研究提供了新思路 ,有大量专家学者进行了相关研究 。Gao和Shen提出基于交通流演化的网络模型 ,在交通流状态和网络拓扑结构之间建立桥梁 。赵晖针对一般输运网络动力学特性 ,建立了动力学模型 ,该模型很好地反映了复杂网络的演化机制过程 。马丹利用元胞传输模型和K短路算法研究了网络拓扑结构与城市交通流运行两者之间的关系。

本文结合复杂网络理论和动态交通流分配方法 ,对阻抗计算进行了重点研究 , 建立GS (Greenshields) -CTM (Cell Transmissionmodel)动态交通流仿真模型。首先用此模型对小区开放前后 ,小区周边道路网络的交通流特性进行仿真 ,得到网络平均车流密度、网络总延误、网络平均旅行速度。因这3个指标可以较直观地反映小区周边道路容纳量以及道路通行能力 ,所以将小区开放前后的这3个指标(6个数据)带入层次分析法和嫡权法的组合赋权评价模型 ,从而计算出小区开放对周边道路通行能力的影响。引入介数的定义 ,建立了网络拓扑节点介数模型 ,计算小区内部道路和交叉口在整个小区周边网络的重要程度 ,并用此筛选出该小区对外开放的道路和交叉口 。 由此得到了一个综合计算小区开放对周边道路通行能力的影响及制定该小区开放策略的系统 。为封闭式小区是否应该开放 ,开放后的开放规划提供参考意见。本文最后以已开放的上海梧桐小区为例 ,进行实例验证。

1GS-CTM动态交通流仿真模型的建立与求解

1. 1 模型构建

CTM模型能够根据仔细选择的中间点预测交通流行为 ,可以较精确地估计实际路段阻抗 ,但所需计算量巨大 。GS模型使用简单的速密关系 ,所需计算量小 ,但并不能准确描述路段上间断的交通流 。因此 ,本文结合两个模型的优点 ,将GS速密关系引入到CTM模型中 ,在保证仿真精度的条件下 , 降低计算的复杂程度 ,建立GS-CTM动态交通流分配仿真模型:

目标函数

约束条件

式中 ,za(1)表示时刻1进入路段a的实际阻抗::a(1)表示时刻1路段a的交通量::EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3((1+l)表示时刻(1+l)进入路段a将到终点b的交通量:sEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3((1)表示时刻1进入路段a将到终点b的驶入量:uEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3((1)表示时刻1路段ab的驶出量。

1.2 路段阻抗计算

将路段划分为多个等距的元胞 , 并将时间离散化成多个时间间隔 ,其中细胞的长度等于自由流在一个时间间隔内行走的距离 , 因此车辆在每个时间间隔内都不会离驶当前所在细胞 。利用路段起点的车辆流入量和路段终点的车辆流出量计算出路段的各个元胞内的车辆平均速度 , 从而计算出路段元胞的阻抗。

式中 ,ca(1)表示时刻1路段a的瞬时阻抗:pa(1)表示时刻1路段a 的车流密度:pa,j表示路段a的阻塞密度。

2 层次分析法和嫡值法的组合赋权评价模型

设小区开放前后对道路通行能力影响指数分别为d0和dl。基于层次分析法能对权重进行优化分配 ,嫡值法能反映信息嫡的有效价值 , 因此采用组合赋权进行求解 ,增加了可信度 。建立如下影响评价模型:

式中 ,cl和cEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(为小区开放后和开放前的网络平均车流密度:c2和 cEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(为网络总延误:c3和cEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(为平均旅行速度。

式中 ,x表示采用层次分析法得到的权重 ,y表示采用嫡值法得到的权重。

3 网络扑拓节点介数模型

为对小区内部所有道路和交叉口进行筛选 ,考虑将小区内部道路和交叉口对周边整个道路网络的重要程度作为筛选依据 , 由此引入了介数的定义。

介数的定义:介数为点或边对应的最短路径经过该点或该边的数量比例 ,反映点或边在整个网络中的重要程度。城市道路网络是由许多交叉口和路段所组成 ,将所研究小区的内部和其周边所在网络抽象成一个由点集V和边集E构成的网络G=(V ,E) 。

网络拓扑节点介数模型建立为:

式中, θ(亿)表示点亿或边亿的介数:Dij(亿)表示亿为点或边时 ,(Vi,Vj)之间的最短途径中经过亿的数量。

4 以上海梧桐小区为例进行验证

4. 1 仿真参数确定及仿真步骤

考虑到本文重点研究小区开放前后的不同道路网络对交通流运行的影响 , 因此可将其他参数设置成相同。

参数确定如下:每个仿真小时段芒 为 10 s : 阻塞密度pj为0 . 143 veh/m: 自由流速度⑦f 为0.9 km/min:每个路段的长度为 600 m:每个路段包含的元胞个数为4个 。仿真结果如图1、图2所示。

再将仿真得到的网络平均车流密度 、网络总延误以及网络平均旅行速度带入综合评价模型:

4.2 结果分析

由仿真模型得到开放前后道路拥堵情况 , 由仿真结果明显看出 ,开放后道路拥堵情况明显好转 ,并且计算出网络平均车流密度各为0.062 veh/m、0.043 veh/m:网络总延误各为157 h、125 h:网络平均旅行速度各为12.2 km/h、16.4 km/h 。模拟结果表明 ,上海梧桐小区开放后 ,周边道路网络平均车流密度和网络总延误有所下降 , 网络平均旅行速度有所提高 , 即小区开放提高了道路的容纳量以及通行能力 ,且效果较明显。根据高德地图官网报告数据 ,该小区开放后 ,小区周边道路拥堵情况确实有所缓解 , 由此证实了模型的可靠性。

同时因计算得到的小区开放对周边道路通行能力的影响指数结果为正 ,且为0.288 ,可知该小区适合开放 ,且开放价值较大。

5 结语

本文首先将Gs模型里的速密关系引入到CTM模型中 ,对路段阻抗问题进行了研究 ,并对小区开放前后 ,周边道路网络交通流运行特性进行了仿真 。接着建立了组合赋权评价模型量化小区开放对周边道路通行能力的影响 。然后运用节点介数模型筛选出该小区对外开放的道路和交叉口 。最后以上海梧桐城邦小区为例进行实例验证 ,得到如下结果:开放前后网络平均车流密度各为0.062 veh/m、0.043 veh/m:网络总延误各 为157 h、125 h:网络平均旅行速度各为12.2 km/h、16.4 km/h。小区开放对周边道路通行能力的影响为正(0.288),说明适合开放。