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(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)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(guān)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(shè)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(jié)構(gòu)進行定義和分類，然后通過Pathfinder和MATLAB進行仿真模擬和數(shù)據(jù)分析，設(shè)定4種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，通過對路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、車流量、總通過時間之間的關(guān)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(jié)論，并且通過對比研究得到的圖像與數(shù)據(jù)，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(guān)鍵詞:道路通行效率；小區(qū)開放化；Pathfinder仿真模擬
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(zhì)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(gòu)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(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(wǎng)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(shè)城市，本文將建立數(shù)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(shè)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(shè)施可能產(chǎn)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(wǎng)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(chǔ)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(chǎn)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(jié)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(jīng)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(jīng)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(shè)條件：1）假設(shè)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(shè)行車速度不受天氣因素干擾；3）假設(shè)需要被開放的小區(qū)都可以被順利開放；4）假設(shè)車輛均為勻速行駛；5）假設(shè)道路為單向車道；6）假設(shè)道路有良好的平面線形以及路面狀況。根據(jù)資料研究，機動車車頭間距與其行駛速度的關(guān)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(shè)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(shè)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(shè)該道路行駛車流均由小型汽車構(gòu)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(chǎn)生的效果，本文首先研究小區(qū)結(jié)構(gòu)的定義和分類，然后通過Pathfinder和MATLAB進行仿真模擬和數(shù)據(jù)分析，設(shè)定4種路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中封閉小區(qū)結(jié)構(gòu)1種，開放式小區(qū)結(jié)構(gòu)3種，通過對路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、車流量、總通過時間之間的關(guān)系進行分析，最終得到結(jié)論。
3.1小區(qū)結(jié)構(gòu)
通過查閱大量文獻，發(fā)現(xiàn)對于小區(qū)結(jié)構(gòu)尚未有明確的定義和分類，對此，本文借鑒百度百科相關(guān)詞條，將小區(qū)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)主路和輔路均對外開放，車輛可以從周邊道路和小區(qū)內(nèi)道路通過。
3.2Pathfinder仿真模擬及結(jié)果分析
根據(jù)之前建立的模型，本文利用Pathfinder軟件進行仿真模擬，對所得數(shù)據(jù)進行分析。設(shè)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(shè)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(shè)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(shù)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(shù)據(jù)導入MATLAB軟件進行分析，通過分析可知，在一定范圍內(nèi)，車輛總數(shù)與總通過時間成正比。在車輛總數(shù)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(jié)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(jié)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(jù)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?shù)碾y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(shù)學與計算機科學學院
