城市路网畅通可靠性分析_梁颖

第22卷　第12期

2005年12月

公　路　交　通　科　技

Journal of Highway and T ransportation Research and Development

V ol 122　N o 112

Dec 12005

文章编号:1002Ο0268(2005)12Ο0105Ο04

收稿日期:2004Ο09Ο02

基金项目:北京市科技新星资助项目(H013680080112);北京市自然科学基金重点资助项目(8031002)作者简介:梁颖(1975-),女,山东青州人,工学博士,主要研究方向为交通规划1(lying15@hotmail 1com )

城市路网畅通可靠性分析

梁　颖1

,陈艳艳2

,任福田

2

(11天津市公路工程设计研究院,天津　300170;21北京工业大学交通研究中心,北京　100022)

摘要:借鉴网络可靠性分析方法,基于交通供需随机性分析,建立了适合城市交通系统的概率型评价指标———畅通可靠度;在此基础上,提出了道路单元及路网畅通可靠性分析方法。并以北京市二环内路网为例,对其交通状况进行了分析,结果表明利用畅通可靠性分析方法可以合理的评价分析路网的运行状态,从而使交通管理规划部门充分认识城市交通供需矛盾,实现有限资源的合理利用和路网潜力的充分发挥,最终从根本上解决城市交通问题。关键词:畅通可靠度;供需随机性;运行状态;路网分析中图分类号:U49111 文献标识码:A

Reliability Analysis of Urban Road Network Mobility

LIANG Ying 1

,CHEN Yan Οyan 2

,REN Fu Οtian

2

(11T iangjin Highway Engineering Design Research Institute ,T ianjin 300170,China ;21T ransportation Research Center ,Beijing University of T echnology ,Beijing 100022,China )

Abstract :Based on the randomness analysis of traffic demand and supply ,and the reliability analysis of the netw ork ,the paper presents the concept of m obility reliability and the reliability analysis methods for road section and netw ork m obility 1In the end of the paper ,tak 2ing the Beijing urban netw ork as exam ple ,the traffic operation status is analyzed and evaluated by the method with reas onable results 1K ey words :M obility reliability ;Randomness analysis of demand and supply ;Per formance evaluation ;R oad netw ork analysis

0　引言

随着城市经济的不断发展,城市交通得到了迅速发展。但城市车辆保有量的增长速度远远超过城市道路建设速度的增长,车速低下、路口延误已成为制约城市发展的恶疾,交通阻塞时有发生,并常常引起交通瘫痪,导致社会经济损失巨大。城市交通问题现已成为影响城市功能正常发挥和城市可持续发展的一个全局性问题。

交通系统阻塞的发生根本在于道路供给和交通实际需求之间的不平衡,而供需的变化具有很强的随机性,因此,阻塞的发生也具有很大的随机性。对于随机事件通常可用概率测度来描述其发生规律。而目前

国内外对交通系统运行状态的研究多限于常态,其涉

及的指标多限于饱和度、区间运行速度、延误等非概率测度参数。这些非概率测度参数难以描述和评价未来整个路网运行的期望状态及预测阻塞发生的可能性,不利于交通系统的规划和管理。

本文在交通流随机性研究的基础上,借鉴网络可靠性分析方法,提出了概率型评价指标———畅通可靠度,并进行城市道路单元(道路或交叉口)系统的畅通可靠性分析,以便于宏观把握整个路网的运行状态,为交通管理规划提供决策支持。1　畅通可靠度定义

保证路网畅通可靠是进行路网管理和规划的主要

目标。所谓畅通,广义来讲,其涵义为车辆能在畅通

的服务水平下行驶。由于交通流状态具有很强的随机性,绝对畅通可靠的路网是没有的。借鉴可靠度理论[1]

,本文以畅通状态作为交通系统中路段、路口及路网的预定功能,将畅通可靠度定义为:在规定时段内,路网在正常使用条件下,道路交通运行状态能满足畅通状态的概率。

通常用道路服务水平[2]

来反映道路运行状态;为简单起见,在进行路网畅通可靠度评价时,本文假设单元运营状态只有畅通与不畅通两个状态。一般情况下,当路段达到C 级或C 级以上服务水平以上时可假定为该路段畅通;对于交叉口,当达到D 级以上服务水平时,即认为该路口畅通。反之则可认为阻塞。当然,针对不同城市、不同的道路等级,畅通标准可有所不同。

2　道路单元畅通可靠性分析

在交通网络中,阻塞的发生主要是因道路通行能力与实际交通需求之间的不平衡造成的。由于出行需求的变化、出行时间不确定性、出行路径选择的不一致性等导致交通系统的实际流量具有强烈的随机性;而道路实际通行能力因受天气、事故等随机性因素的影响,也同样不是一确定值。因此,阻塞的发生实际上也是一随机事件。交通需求及通行能力的随机性是造成路网服务水平不确定的主要原因。图1　城市道路供需分布曲线图经过出行调查及道路流量分析,结果表明:城市道路上若干天内同一高峰时段的交通需求流量及实

际通行能力为随机变量,并可近似认为符

合正态分布

[3]

(见图1)。由交通供需关系可以得到道路单元的功能函数为

Z =g (C ,V )kC -V =C ′-V

(1)式中,C ′=kC 为畅通通行能力(C 为道路实际通行能力),是指道路满足畅通的服务水平(或畅通运行速度)的最大服务交通量;k 为保证道路畅通的通行能力折减系数,0

在道路正常使用条件下,若已知畅通通行能力

C ′和流量需求V 的概率分布密度函数分别为f C ′(C ′)及f V (V ),并在C ′和V 相互独立的假设下,道路单元i 阻塞概率P B \-i (图1中阴影区域面积)可按下式求

解

PB i =P {Z <0}=P {kC -V <0}=

∫∫

k C

-V <0

f

kC

(kC )・f V (V )d C d V (2)

P B i 可由概率论知识得出,对应的由

PR +P B =1

(3)

即可求出道路单元的畅通可靠度PR i 。

当道路的通行能力变化范围很小时,也可将正常

道路使用条件下的道路实际通行能力看作定值,计算方法同上。

在实际的操作中,由于道路通行能力和交通需求的分布函数需要大量的交通流数据统计回归得到,这无疑加大了利用上述解析方法求解道路单元畅通可靠度的难度。经数据统计发现,畅通可靠度PR 与道路饱和度(V ΠC )成反比关系(图2),即道路单元的饱和度V ΠC 越小该单元越畅通可靠,反之不可靠。因此,为便于畅通可靠度的应用,对于现有路网,可利用路网实际流量与相应的道路实际通行能力,求得道路单元的饱和度;而对于未来规划路网,建议通过四阶段法对未来规划路网进行交通分配,得到各道路单元的饱和度。继而,各道路单元畅通可靠度可根据畅通可靠度与饱和度之间的关系(见公式4)进行简化求解

。

图2　城市道路单元饱和度与畅通可靠度的关系曲线

PR i =α(V i ΠC i )3+β(V i ΠC i )2

+γ(V i ΠC i )+c (4)

式中,PR i 为道路单元i 的畅通可靠度;V i ΠC i 为道路单元i 的饱和度,V i 为通过道路单元i 的流量,C i 为单元i 的通行能力;α,β,γ为待定系数;c 为常数项。

对于不同的城市,可以根据相应的交通流数据统计得到其道路单元饱和度和畅通可靠度之间的关系表达式。

3　城市路网畅通可靠性分析

对于出行者来说,他们更关心的是出行起讫点间的运行状态。为此,本文在道路单元畅通可靠性分析的基础上,提供了高峰时段路径、OD 对及路网的畅通可靠性分析方法,以便于交通管理者和决策者宏观

601 公　路　交　通　科　技 第22卷