小区开放对道路通行的影响

小区开放对道路通行的影响

一、摘要

随着我国国民经济的快速发展，城镇化趋势日益凸现，私家车在城市中逐步普化，封闭型的小区也越来越受到政府、开放商、居民等的关注。目前道路网稀而宽的格局，使城市交通拥堵问题日益突出。因此本文通过对“开放型小区对道路通行的影响”进行分析,主要解决的问题是开放小区能否达到优化路网结构，提高道路通行能力，改善交通状况的目的，以及改善效果如何。鉴于此，模型一：本文通过对城市道路网络不稳定性分析选取评价指标，分别从开放小区开放程度、小区位置、小区规模三个方面对城市道路网络不稳定性影响进行研究，建立开放小区与城市道路网络的连接模型，提出将网络节点度方差作为城市道路网络不稳定性评价指标，通过MATLAB软件建立开放小区路网接入城市道路网络连接模型。在不同连接策略下进行仿真实验，实验结果显示：小区路网接入节点越多、接入节点度越小、小区路网结构越复杂，城市道路网络节点度方差越小。模型二：本文通过对居住区车辆交通运行进行分析， 分别从小区结构(及人口结构)、周边道路结构（及出入口结构和道路横截断面图结构）、车流量进行分析，建立车辆通行模型。然后利用通过将层次分析法，通过计算可知:

关键词：开放小区,MATLAB，节点度方差,仿真模拟,层次分析法,模糊性判断

二、问题重述

问题一：

小区开放涉及方面很多，不能对所有小区一概而论，从开放小区对城市道路网络脆弱性影响的角度进行研究，根据不同小区自身的特点确定合适的开放策略，对小区开放规划建设有积极意义。本文通过对城市道路网络不稳定性分析选取评价标，分别从开放小区开放程度、小区位置、小区规模三个方面对城市道路网络不稳定性影响进行研究，建立开放小区与城市道路网络的连接模型，根据实验结果为不同小区制定合适的开放策略，为小区开放及交通规划提供参考意见。 问题二：

交通拥堵不仅给整个城市带来时间上的损失，而且还附带着噪声、环境污染和资源的浪费，交通开放是一种解决此问题的技术手段，为在城市居住、办公、教育、休憩、娱乐等的人群，提供一个便捷、安静、安全、环保的环境，封闭型小区交通开放提高了出行速度，降低了出行时间，即减少了噪声和环境的汚染，节约了社会资源，固并没有损害其内部的利益。本文通过建立车辆通行模型，分别对小区结构(及人口结构)、周边道路结构（及出入口结构和道路横截断面图结构）、车流量进行分析，利用层次分析法和模糊综合评判方法相结合，可以对定性指标和定量指标进行有效的综合权衡分析

问题三:

封闭型小区存在有其合理性，但封闭型小区规划体系破坏了城市可持续发展,而我国镇正处于发展中,开放小区通行可见是必要的.小区内部结构更多的是Ｗ封闭性和自我完善性存在，使其与城市的开放性要求产生冲撞；小区边界规划模式使其自身独立，从而导致其与城市之间、小区之间的内外联系缺失；封历型小区内部道路系统呈现出内向型树状结构，多为断头路。这种道路系统的交通组织増加了城市交通的压力，还延长了出行者的出行时间，但也并未消除小区内部行车对行人安全隐患；封闭型小区破坏了城市道路网么间的联系，降低支路网的密度，使道路之间的可达性下降。与国外大城市相化，我国私家车拥有量低于国外，城市交通却很拥挤，这主要是由国内道路网密度偏低引起.但小区开放还有多方面影响因素,本文就小区结构,周边道路结构,以及车流量进行讨论.

问题四:

国务院提出以后不再建立封闭小区，并且已建成小区要逐步打开，实现道路公共化。本文试对已建成小区逐步打开对结构如小区道路，地基等结构的影响，并在此基础上提出相关措施包括对

三、模型的基本假设

1. 假设小区已开放交通通行

2. 假设小区通行情况不考虑其他突发事件的影响

3. 假设小区开放后各阶层没有太大的利益冲突

四、符号说明

五、问题的分析

模型一

1.1 城市道路网络不稳定性

不稳定性是指复杂系统在受到外界干扰情况下，系统部分或整体受到损害从而使整个系统丧失功能的可能性大小。城市道路网络的不稳定性主要体现在道路网络受到外界扰动和影响而使整个网络服务水平下降的程度，城市道路网络是一个复杂网络系统，不可避免具有不稳定性，研究发现城市道路网络不稳定性与城市道路网络本身的拓扑结构有关。本文主要研究开放小区开放程度、小区位置、小区规模三个方面对城市道路网络拓扑结构的影响，通过城市道路网络拓扑结构的变化分析其不稳定性。

1．2 城市道路网络不稳定性评价指标

城市道路网络不稳定性常用的评价指标有节点度、介数中心性等。节点度是表示与该节点相连接边的数量，在网络中节点vi的邻边数目ki称为节点vi 的度。

对网络中所有节点的度取平均值得到网络的平均度。

1kNk

i1Ni （1）

介数分为节点介数和边的介数，反映节点或边在网络中的重要程度。节点（边）的介数为网络中所有的最短路径中经过该节点（边）的数量与整个网络最短路径的数量的比例。计算公式如下：

Bi

i,j,ku(jk)njk(i)njk （2）

节点vi的介数中心性就是节点归一化的介数。节点vi 的介数中心性CB(vi)计算公式如下：

CB(vi)2Bi （3） [(N2)(N1)]

度和介数都是反映结构单元在网络中重要程度的指标，研究表明重要结构单元越少，城市道路网络不稳定性越低，基于以上思路本文提出以网络节点度方差作为城市道路网络不稳定性评价指标。方差是反映事物偏离平均水平的程度，在城市道路网络中节点度方差越小，则路网的均匀性越好，节点重要程度差别越小，路网抵抗破坏的能力越强，即城市道路网络不稳定性越小；因此用节点度方差作为城市道路网络不稳定性评价指标是合理的。城市道路网络节点度方差D(k)计算公式如下：

D(k)1k(kik) （4） Ni12

1.3 小区开放连接策略分析

相同开放小区以不同的方式接入原有网络和不同的小区以相同的方式接入原有网络，对路网结构的影响程度都不同；路网结构相似的小区由于在城市中所处位置不同，接入后对路网结构的影响程度也不相同。根据上述分析确定以下接入策略对小区接入后网络的脆弱性进行分析。

（1）接入不同数量节点策略。该策略考虑的是开放后的小区与原有路网连接的密切程度，两个网络连接越密切则接入节点数量越多；记两个网络相互连接的节点对为v0−v1 ，新连接的节点对数量记作V 。（2）接入不同度节点策略。由于实际中小区在城市中的位置不同，有城市中心位置和偏远位置的差别，城市中心路网节点度比城市偏远地区路网节点度大，该策略用于分析小区位置对城市道路网络脆弱性的影响；记两个网络互相连接的节点对度为k(k1,k2) 。

（3）Gi 网络复杂度策略。内部道路网络结构不同的小区接入城市道路网络对整体网络的脆弱性影响可用该种策略进行研究；分别从节点个数和网路节点平

均度两个方面对小区路网规模进行区分，接入的小区网络规模记作G1(J,K) ，其中J 为网络的节点数，k 为小区网络节点的平均度。

模型二

2.1 人口结构分析

对于确定规模的居住区而言，一般来说，居住区内人口越多其交通流量和停车位需求量就越大，但是不同人口结构组成的居住区，由于居民收入水平、职业 类型、年龄组成和家庭结构等因素的影响，机动车出行率不同。这种影响具有一 定的规律

70 60

50

40 3020

10 0

30

20

10

在职失业离退休职业状态学生

其他

小汽车出行率与居民收入水平基本呈现增长关系，随着居民家庭月收入的增加，居民的小汽车出行率也随之增长；职业状态为在职的居民，其小汽车出行率远高于其他职业状态的居民。

不同的机动车出行率使得居住区内交通流量和停车需求不同。根据调查，居住区机动车出行率与居住区交通设施改造意愿成正比关系。因此，要根据居住区具体情况确定小区内交通设施布设方案，包括不同的道路系统、道路等级结构、停车位数量和停车位位置。

居住区机非混行系统的参与主体包括机动车和非机动车，居住区中的非机动车主要指自行车。机非混行交通主要出现在居住区交通集散型和交通到达性道路上。居住区道路的交通结构是以慢行交通为主，机动车通行时应充分考虑行人与自行车驾驶员的安全问题，尤其是在空间较为狭窄的居住区道路，可以适当对机 动车进行限速管理，增加限速标志或者在路面设置减速带。

2.2 周边道路结构分析

2.2.1居住区出入口分析

居住区出入口是连通居住区与外部交通的节点，出入口的设计既要考虑居住区内部交通特性又要考虑外部交通状况。根据居住区交通运行特性中潮汝现象明显的特征，要解决出入口的问题，主要是解决避免早晚高峰时段出入口成为交通瓶颈的问题。

图2居住区出入口现状问题

居住区出入口宽度与居住区内机动车道宽度相同，导致出入口处行人出入轨迹与机动车出入轨迹重合交叉，对机动车行车效率产生影响，并且威胁行人安全；居住区出入口与外部连接道路为双向两车道，车辆左转交叉冲突造成排队问题严重。

2.2.1居住区道路横断面分析

道路宽度等设计要求是居住区道路横断面设计的基础，结合居住区交通运行特性，根据道路不同宽度和功能，细化道路横断面形式，可以提高居住区道路利用效率，改善机动车、非机动车和行人在各自行驶道路上的通行环境。

车道宽度的确定是设计居住区道路横断面的基础，包括机动车、非机动车（主要是自行车）和人行道宽度的确定。

机动车道机动车车道宽度包括车身宽度和横向安全距离两部分。由于居住区道路中通行的通常为小汽车，所以采用小汽车的宽度作为车身宽度取值，偶然通过的大型车辆，作为计算依据。

①年身宽度：车身宽度应采用居住区道路最常通行车辆的车身宽度。由于居住区道路中通行的通常为小汽车，所以采用小汽车的宽度作为车身宽度取值，考虑偶然通行的大型车辆。

②横向安全距离：车辆在行驶过程中摆动、偏移的宽度决定横向安全距离的大小，以及车身与相邻车道或路边必要的安全间隙，它同车速、路面质量、驾驶技术、交通秩序等因素有关。

2.3 对附近街区车流量分析

交叉口是城市交通路网中的基本的组成单元。单交叉口交通信号控制是最基本的交通控制形式,也是城市交通网络信号协调控制的基础,点控是目前解决城市交通控制问题的主要手段, 交通流具有很强的复杂性,随机性和不确定性,不易用精确有序的数学模型来描述,因此,采取不用建立数学模型的方法来进行城市道路交通智能优化控制更加合理。模糊控制是智能控制的一种,无需建立被控对象的精确数学模型,它结合人的思维和经验,易于实现对非线性和不确定对象的控制,而且对被控对象特性参数具有较强的的鲁棒性和抗干扰能力。

居住区出行有明显的潮汐枚特征，由节图可知，居住区出行率最高的为通勤通学两类，居住区拥堵、人车冲突等问题主要反映在早晚高峰时段。根据实地调查，某居住区交通流量时间分布如下表3和表4所示。

图3某居住区早高峰小汽车出行时间特征调查

图4某居住区晚高峰小汽车出行时间特征调查

通过调查统计数据可以看出，居住区小汽车出行主要集中在通勤高

峰时段，高峰小时为早7:30-8:30和晚18:30-19:30。

六、模型的建立

模型一

1 城市道路网络仿真建模

城市道路网络与小区连接模型大量研究表明城市道路网络是一个处于规则网路和随机网络之间状态的一种网络，在研究其脆性时可采用BA无标度网络进行模拟；小区道路网络复杂程度可根据某小区的实际路网结构得出；小区开放通过将小区网络中部门节点与城市道路网络节点进行连接形成接入开放小区后的城市道路网络。

该模型主要包括城市道路网络模块、小区路网模块、连接策略模块及指标分析模块。城市道路网络模块主要是用来模拟城市道路网路，小区路网模块则是代表小区路网结构，连接策略模块是确定两个路网的连接方式，作为仿真输入，指标分析模块主要是对不同连接策略下形成的新网络进行指标计算和分析，作为仿真输出部分。主要建模步骤如下：

（1）初始城市道路网络G0 由m0=3，m =3（具有m0=个节点的初始网络，每次引入一个新节点与m个已存在的节点相连，m ≤m0= ）生成一个节点N0 =300 个节点，mt =891条边的无标度网络（生成所需的无标度网络需要经过t 步）；

（2）收集某小区路网结构资料，确定小区道路网络G1 、节点N1 ；

（3）选取原始城市路网中可与小区连接的节点，定义点集v0作为原始网络中已选节点的点集，选取小区路网中可与原始网络连接的节点，定义点集V1 作为小区路网中已选节点的点集，根据小区的连接策略将v0与v1中的点连接形成新的网络G ，新连接的节点对数量记作v 。

（4）仿真实验结果分析评估，根据输入的策略对建立的城市道路网络模型进行不稳定性指标计算，对实验结果采用图表形式输出。

模型二：层次分析法确定指标权重

本文采用层次分析法来确定各指标的权重，层次分析法确定确定指标权重的具体方法如下：

5.1 构造判断矩阵

AHP法中1~9标度的定义及其描述，见表5-2

判断矩阵表示层次结构模型中，对上一层因素来说，本层次所有因素之间的相对重要成都，采用两两比较的方法来确定，构造判断矩阵的方法如下所示。 aij是判断矩阵A的元素，它表示ai相对于aj的重要程度

5.2 权重值的确定及一致性检验

I为单位方阵， 最大特征值及特征向量解判断矩阵A的特征方程AI0，得到的特征值为i(i1,2,...,n),记最大特征值max,对应于max的标准化特征向量为 Y(y1,y2,...,yn)T，则yi(i1,2,...,)n为因素ci 对目标的权重。也即对应于判断矩阵最大特征值的特征向量表示因素间的相对重要程度（权重）。

判断矩阵的最大特征值及特征向量的近似解法——方根法：

1、 计算判断矩阵A每行元素乘积的n次方根:

（i=1,2,...,n） Wi(aij)

j1n1n

2、 对向量做正规化、归一化处理：

WiWiW

i1n i

则 W(W1,W2,...,Wn)T 为所求的对应最大特征值的特征向量

3、按下列式求出最大特征值: maxi1n(AW)i nWi

5.3 一致性检验

一般来说，判断矩阵中的元素不一定具有传递性，即不出现，如果此式成立，则该判断矩阵是完全一致的。但事实上，由于客观事实的复杂性和人们认识上的多样性和片面性，不可能准确判断出 的值，只能对它进行估计，该估计误差会使特征向量出现偏差。AHP中并不要求判断矩阵完全一致，允许在存在一定的偏差，但要求判断的趋势大体具有一致性。

为防止一致性偏差太大而影响评价结果，必须检验判断矩阵的一致性。检验方法如下：

一致性指标CI n CImax n1

当 n即 CI0时，矩阵满足一致性条件，当不满足一致性条件时，maxn 即 CI0 。

5.4.平均随机一致性指标RI

单层次判断矩阵的RI值随矩阵的维数而变化，其值如表3-5所示

5.5求出相对一致性指标CR

CICR RI

若 CR0.10时，认为判断矩阵具有良好的一致性，可以接受；否则不能接受，需要重新设计判断矩阵。

七、模型的求解

模型一：

1．实验参数设置

本次实验按照不同的仿真策略输入不同的参数建立模型，从而得出不同策略下的仿真结果。各种策略的参数设置及取值情况见表1，前两种策略小区接入城市道路网络节点对数分别取3、4、5、6、7、8，小区接入城市道路网络节点度分

别取最小、最大及随机三种情况，小区网络取G1=（30,5.6）；每次实验选取每种策略下参数的一个取值，即共进行3×6×1=18 次实验。第三种策略小区接入城市道路网络节点对数取值与前两种策略相同，接入节点度的取值采用度最小原则，小区网络分别取G（1 30,5.6）、G（2 40,5.7）、G（3 40,4.7）、G（4 40,6.7）；在接入节点数量、接入节点度一定的情况下改变接入的小区网络，为了验证结论的一般性，分别在不同接入节点数量的取值下进行研究，共进行4×6×1=24 次实验。

表1 不同策略下仿真模型参数设置表

八、结果及其分析

上述参数设置条件下实验结果如图1、图2 所示，评价指标结果矩阵如下

33.409