第4章道路交通网络分析

第四章道路交通网络分析概述大量工程实践表明，不仅象道路建设这样的基础设施建设会引起整个城市道路交通流的重新分布，新的交通组织与交通控制措施所产生的影响往往也涉及到整个城市的道路交通系统。这就要求我们在研究交通系统的规划、建设与管理方案时，不能只注意方案在空间上所涉及的范围，更应重视由于方案实施所带来的道路交通流的重新分布结果，即从整个城市交通网络的角度分析交通规划、建设与管理方案的效果。这种交通网络分析的核心内容，是分析在特定的外部环境（道路基础设施、交通管理措施、交通控制方案等）下，道路交通流的分布情况，这是进行道路交通基础设施的规划、建设与管理方案制订的前提和基础。道路交通流分布是出行者对出行路径选择的结果，出行者对出行路径选择的分析主要是通过网络交通流交通分配来实现的。网络交通流交通分配是交通规划的一个重要环节。所谓交通分配就是把各种出行方式的空间OD量分配到具体的交通网络上，模拟出行者对出行路径的选择，通过交通分配所得的路段、交叉口交通量资料是制订交通规划、建设与管理方案以及检验道路规划网络、管理方案是否合理的主要依据之一。交通网络的计算机表示方法实际交通网络分析中的计算量很大，一般通过计算机实现。在处理交通网络时，首先必须把交通网络抽象化，即把交通网络抽象为点（交叉口）与边（路段）的集合，使计算机能够识别、存储与处理。交通网络的计算机表示方法很多，常采用的有邻接矩阵、权矩阵、邻接目录表等方法。其中，采用邻接目录表最为有效。道路网络信息化处理n①道路路段可以抽象为七个等级：nnnnnnn城市高架道路城市快速路城市主干道城市次干道城市支路郊区一般公路郊区高速公路nnnnnnn②交叉口可以抽象为六种类型：信号控制交叉口无控制交叉口环形交叉口立体交叉口交通渠化交叉口优先权交叉口在处理交通网络时，首先必须把交通网络抽象化，即把交通网络抽象为点（交叉口）与边（路段）的集合体。147369258抽象的网络图第一节交通网络表示方法ji123456789123456789010100000101010000010010000100010100010101010001010001000100010000010101000001010邻接矩阵邻接矩阵表示点与点之间的一般邻接关系，它的元素l(i,j)0两点之间无边连接或i=jl(i,j)=1两点之间有边连接147369258抽象的网络图邻接矩阵节点iR（i）V（i，j）1234567892323432322，41，3，52，61，5，72，4，6，83，5，94，85，7，96，8iij邻接目录法该方法采用两组数组表示网络的邻接关系，一组为一维数组R(i)，表示与节点相连接的边的条数，另一组为二维数组V(i,j)，表示与节点相邻接的第个节点的节点号。147369258抽象的网络图邻接目录表ji12345678912345678902∞2∞∞∞∞∞202∞2∞∞∞∞∞20∞∞2∞∞∞2∞∞01∞2∞∞∞2∞101∞2∞∞∞2∞10∞∞2∞∞∞2∞∞01∞∞∞∞∞2∞202∞∞∞∞∞2∞20权矩阵点与点之间的数量关系通过权矩阵（D）来反应。权矩阵的元素d（i,j）的确定：0i=jdij=∞i,j不相邻ωiji,j之间的实际阻抗（i与j相邻）147258369抽象的网络图距离权矩阵第三节交通阻抗分析方法n道路交通阻抗函数（简称路阻函数）是指路段行驶时间（交叉口延误）与路段（交叉口）交通负荷之间的函数关系，它是交通网络分析的基础。t=t0[1+a(V/C)b]（4-3）式中：t——两交叉口之间的路段行驶时间（min）；t0——交通量为0时，两交叉口之间的路段行驶时间（min）；V——路段机动车交通量（辆/h）；C——路段实用通行能力（辆/h）；a、b——参数，建议取a=0.15,b=4。该模型只考虑了机动车交通负荷的影响，使用比较方便，在国内广泛使用于公路交通网络分析，但由于国内城市道路上，除了机动车的交通负荷外还有非机动车的交通负荷，因此不适用于城市交通网络分析。一、路段路阻函数（1）美国联邦公路局路阻函数模型[t=t01+k1(V1C1)+k2(V2C2)2、回归路阻模型针对我国的交通实际情况，建立以下回归关系模型作为城市道路的路阻函数。nnV1、V2分别为机动车、非机动车路段交通量。C1、C2分别为机动车、非机动车路段实用通行能力。]K3k4或t=t0[1+k1(V1C1)+k2(V2C2)]车速U当交通负荷很小时，车流以道路允许的最大速度行驶，此时车速与交通负荷无关；交通负荷在超过某个值后，车速基本上与交通负荷（V/C）呈线性相关关系，车速随着交通负荷的增加而线性下降；当交通负荷基本上接近饱和时，车速已经降至很低，车速与交通负荷（V/C）呈以横轴为渐进线的非线性关系。0.90Umax自由车流正常车流饱和车流Umin图4-4交通负荷V/C车流速度—交通负荷关系模型—0—1—2—nnnnn0—03、基本参数的确定零流路段行驶时间t0的确定：t0=LuL——路段长度u0——交通量为零时的行驶车速u0=r1×r2×r3×v0r——自行车影响折减系数r——车道宽度影响系数，r3——交叉口影响修正系数v——路段设计车速1）路段设计车速v0的确定可根据《城市道路交通规划设计规范》确定2）自行车影响折减系数r1的确定（11）机非有分隔带（墩），r1=1（22）机非无分隔带（墩），但自行车道负荷不饱和，r1=0.8（33）机非无分隔带（墩），但自行车道负荷超饱和—22—11—Qbic——自行车交通量，[Qbic]每米宽自行车道的实用通行能力，W——非机动车道宽，W——机动车道r1=0.8-(Qbic[Qbic]+0.5-W2)W1（-54+188W0/3-16W20/3）×10-2W03.5m车道宽度影响系数r2的确定r2=50×(W0-1.5)W03.5mW0：机动车道宽度当车道宽度为标准宽度3.5m时，r2=100%，车道宽度与影响系数之间的变化关系表4-5所示。交叉口影响修正系数的确定：γ3交叉口影响修正系数，主要取决于交叉口控制方式及交叉口间距。根据已有的研究成果，交叉口间距从200m增大到800m时，车速及通行能力可以提高80%左右，并基本上呈线性关系。交叉口对路段车速及通行能力的影响修正系数可采用下式计算：S0（l≤200m）γ3=S0(0.0013l+0.73)(l＞200m)l:交叉口间距S0：交叉口有效通行时间比，视路段起点交叉口控制方式而定，在信号交叉口即为绿信比。若计算得出γ3＞1，则取γ3=1。二、交叉口延误分析1、信号交叉口延误计算最佳周期的确定最佳周期即为延误最小时的信号周期长度。————进口道通行能力S的确定一个进口车道的理论通行能力为：S0=3600bβ——饱和车流车头时距进口车道实用通行能力：S=S0×n×r1×r2n——进口车道数，r1——自行车影响折减系数r2——车道宽度影响系数1.5L+51-YT0=2(1-lx)2Q(1-x)进口道延误d(i,j)的确定当进口饱和度较小时，各进口上每辆车的平均延误可根据修正的韦伯斯特公式计算：22、其它交叉口延误计算无控、环交、立交三类交叉口的延误，应根据交通量的大小与信号交叉口延误对比分析，以增加各类交叉口延误的可比性。+x2T(1-l)2d(i,j)=0.9交通阻抗分析-2交叉口延误预测延误交通负荷三、出行路权的分析城市道路网规划：出行路权为所有路段的行驶时间及所有交叉口的延误之和。公路网规划：可不考虑交叉口延误的影响，出行路权为路段行驶时间。交通分配分类标准：Wardrop第一原理指出：网络上的交通以这样一种方式分布，就是所有使用的路线都比没有使用的路线的费用小。Wardrop第二原理认为：车辆在网络上的分布使网络上所有车辆的总出行时间最少。第一原理（用户最优或平衡）准则在道路网的利用者都知道网络的状态，并试图选择最短路径时，网络会达到平衡状态，在考虑拥挤对行走时间影响的网络中，当网络达到平衡时，每组OD的各条被利用的路径具有相等且最小的出行时间，没有被利用的路径的出行时间大于或等于最小出行时间前提：准确完备的信息，理智的选择行为交通分配第二原理（系统最优）目标在考虑拥挤对出行时间时空影响的网络中，网络中的交通量应该按某种方式分配以使网络交通量的总出行时间最小。如果假定出行者并不了解网络状态，只是凭借经验选择路径，则形成了随机交通分配模型。它是为交通管理人员提供了一种决策方法。如果交通分配模型满足Wardrop第一、第二原理，则该模型为平衡模型，并且，满足第一原理的称为用户优化平衡模型（User-OptimizedEquilibrium），满足第二原理的称为系统优化平衡模型（System-OptimizedEquilibrium）。如果分配模型不使用Wardrop原理，而是采用模拟方法，则称此模型为非平衡模型。平衡模型的发展已有几十年的历史，尽管平衡型交通分配方法种类繁多，但绝大部分平衡分配模型都可归结为一个维数很大的凸规划问题或非线性规划问题。在理论上，这类模型结构严谨、思路明确，比较适合于宏观研究。但由于维数大、约束条件多，这类模型的求解比较困难。尽管人们提出了一些近似方法，但计算仍很复杂，在实际工程中难以应用。相比之下，非平衡模型具有结构简单、概念明确、计算简便等特点，因而在工程实践中得到了广泛应用，效果良好。非平衡模型根据其分配手段可分为无迭代（静态）与有迭代（动态）两类；根据其分配形态可分为单路径与多路径两类。表4-6为非平衡模型的具体分类形式。4-6分配形态分配方式固定路阻变化路阻单路径全有全无容量限制多路径静态多路径容量限制多路径第五节非平衡交通流分配一、全有全无分配方法All-or-NothingAssignmentMethod，简称0-1分配法最简单，不考虑路网的拥挤效果。在芝加哥城交通规划中，首次获得应用。算法思想：将OD交通量q加载到路网的最短径路上，从而得到路网中各路段流量的过程。计算步骤：步骤0初始化，使路网中所有路段的流量为0，并求出各路段自由流状态时的阻抗。步骤1计算路网中每个出发地O到每个目的地D的最短径路。步骤2将O、D间的OD交通量全部分配到相应的最短径路上。二、增量分配法IncrementalAssignmentMethod，简称IA分配法近似平衡分配方法首先需先将OD表分解成N个分表(N个分层)，然后分N次使用全有全无分配法，每次分配一个OD分表，并且每分配一次，路阻就根据路阻函数修正一次，直到把N个OD分表全部分配到路网上。1、容量限制—增量分配算法思想：将OD交通量分成若干份（等分或不等分）；依次将每一份OD交通量分配到网络中；每次分配一份OD交通量到相应的最短径路上；每次均计算、更新各路段的行驶时间，然后按更新后的行驶时间重新计算最短径路；下一循环中按更新后的最短径路分配下一份OD交通量。计算步骤：步骤0初始化。以适当的形式分割OD交通量，即令n=1。步骤1计算、更新路段费用(行驶时间)。步骤2用全有全无分配法将第n个分割OD交通量分配到最短径路上。步骤3如果n=N，则结束计算。反之，令n=n+1返回步骤1。这里，N为分割次数；n为循环次数。分配次数K与每次的OD量分配率（%）K分配次序1211006023467891040345040303020201051030202520201510151055555交通质量服务水平n交通负荷度：V/CnnnA级：V/C小于0.4，畅行车流nB级：V/C=0.4~0.6，稳定车流（延误小）nC级：V/C=0.6~0.75，稳定车流（延误大）nD级：V/C=0.75~0.9，接近不稳定车流nE级：V/C=0.9~1.0，nF级：V/C大于1.0，不稳定车流强制车流.交通拥挤度：L(V服务水平：LC10)