考虑慢行交通影响下的交通微循环路网优化设计_王建新.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：王建新，钱勇生，曾俊伟，等 考虑慢行交通影响下的交通微循环路网优化设计 科学技术与工程，（）：.，（）：.考虑慢行交通影响下的交通微循环路网优化设计王建新，钱勇生，曾俊伟，魏谞婷（兰州交通大学交通运输学院，兰州）摘 要 为减少实行交通微循环过程中日益增加的对区域内居民生活和出行交通的不良影响，以最小化道路连通性、最小化慢行交通的出行时间、最小化环境污染和最小化道路饱和度为优化目标，考虑干道路网饱和度约束、慢行交通平均限速值约束、慢行路网密度约束，建立了多目标区域交通路径优化的双层规划模型。利用遗传算法进行求解，采用轮盘赌选择算子和非均匀变异算子进行操作，得到了最优的微循环路网优化组织方式。通过算例分析，与实行微循环前的路网相比，实行微循环后的路网饱和度明显下降，减小了对街区内的居民影响和生态环境破坏，得到了一个合理的街区交通微循环网络。关键词 区域交通；交通微循环；慢行交通；多目标优化；双层规划模型；遗传算法中图法分类号；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金西部项目（）；甘肃省教育厅“双一流”科研重点项目（）；年度甘肃高等学校产业支撑计划（）；甘肃省重点研发计划工业类（）第一作者：王建新（），男，汉族，甘肃武威人，硕士研究生。研究方向：交通运输规划与管理。：。通信作者：钱勇生（），男，汉族，江苏常州人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向：交通运输规划，交通安全与控制等。：。，（，），；随着交通需求增长速度的不断加快，城市中主干道路拥堵不堪，而在开放封闭小区打通交通微循环疏通城市交通拥堵时，街区内增长的机动车出行与慢行交通之间的矛盾日渐突出。合理的交通微循环组织规划成为了解决开放封闭小区与慢行交通保护之间矛盾的有效途径，对缓解城市主干道拥挤和支路利用率不足具有重要意义。目前，国内外学者对于交通微循环的研究主要集中在微循环路网组织优化方面，如史峰等定义了微循环的基本概念，并在此基础上建立了支网微循环网络规划的双层规划模型，运用功效系数法对所构造的多目标规划进行了评价。王秋平等通过以平均行程车速为目标，历史遗存保护为约束，构建了历史街区下的计算模型，有效缓解了区域内部的交通拥堵状况。等尝试在饱和重建空间的限制下，以最小重建费用和最小土地利用为优投稿网址：化目标，提出了一种离散变量的方式将交通微循环中的离散变量和连续变量进行转化，为解决此类问题提供了一种新的有效途径。罗清玉等以大型街区为背景，对开放或半开放小区下的交通微循环展开了研究，并运用遗传算法对所建模型进行求解，使得局部交通堵塞状况得以缓解。廖婧仪等通过改进道路中机动车流的路阻函数，研究了非机动车流对开放街区路网优化的影响。邓吉浩等、赵腾菲等以公交微循环总线路长度最小为目标，建立了开放式的小区公交微循环站点设计模型，为解决城市交通的“最后一千米”问题提供了方案，并对计算结果进行了灵敏度分析，使决策达到了最优。但现有的研究对实行交通微循环后所造成的街区内部慢行交通的影响研究较少。在基于慢行交通的街区微循环网络设计中，需要解决以下两个关键问题：街区是否适合开放；确定如何对街区进行开放。对于第一个问题，陈伟哲等通过将城市道路网络与复杂网络类比分析，建立了一个判断封闭小区开放问题的复杂网络模型，并根据该模型的道路度数即可判断出小区是否适合开放。以往研究主要是针对交通微循环内街区路网饱和度、车辆通行效率的优化设计，而对优化街区内慢行交通和生态环境目标的研究较少。或者虽然考虑到了开放街区对慢行交通的影响，但都是处于定性层面的分析论证，未从初始建模上考虑。在此基础上，现考虑开放街区后对慢行交通的影响，以慢行交通影响最小和生态优先为优化目标，建立街区内部交通微循环网络双层规划设计模型，由此得到慢行交通和生态优先下的交通微循环方案。以期在缓解干道交通拥堵、提高道路通达性的同时，使得街区内部的慢行交通受到的影响最小。街区交通微循环与慢行交通.街区交通微循环的概念在城市街区中，交通微循环是指以街区内部道路作为支路，周围道路作为主干道，通过将支路改造并与干道连接成一个道路网系统，采用交通分流和汇流的策略，将部分干道车流引入街区内部支路，从而改善干道的交通状况，提高街区内部出行交通的通达性与道路服务水平。交通微循环既可以使得部分闲置道路得以利用，缓解周围的交通需求压力，增加居民在路径上的选择；又可以通过合理的规划组织方式，达到对主干道交通的适度分流。在实施街区交通微循环的过程中，不可避免地会对街区内部居民的日常生活和出行造成困扰，为了保证交通微循环的有效实施，就应该注重街区内的出行交通保护和生态环境保护的交通组织策略，降低对街区内部居民产生的影响。街区内主要的交通生成方式为步行和非机动车交通，故交通微循环内的慢行交通保护主要表现为消除对步行和非机动车交通方式的影响。环境保护则表现为减少车辆噪声污染、尾气污染等。.交通微循环优化目标（）只有在不损害街区内部居民正常生活，降低对街区内部原有交通方式影响的基础上，才能保证街区内交通微循环的有效实施，而街区内人们的出行方式主要以慢行交通为主，所以实施交通微循环的首要目标就是降低对内部慢行交通的影响。（）环境污染影响最小目标。实施交通微循环后，若对小区内部环境造成过大损害，势必会造成小区内部居民的不满，影响交通微循环的顺利实施，故应降低环境污染对小区内部的影响。（）缓解干道路网的拥堵。实施交通微循环的主要目的就是应使干道的交通堵塞状况得到明显缓解，在满足前两个目标的前提下，应尽可能降低干道交通流量。交通微循环优化模型定义模型所需参数：为干道路段集；为支路路段集；为街区内部某一路段。.建立模型将考虑慢行交通影响下的微循环实施目标作为上层优化目标。.降低对慢行交通的影响考虑降低街区内部机动车对慢行交通的影响这一目标，由于慢行交通由行人和非机动车构成，所以该目标可划分为行人部分与非机动车部分。行人部分目标可通过人们步行从出发地至目的地间的连通性来反映。保证街区内部道路连通性的目标函数为（）式（）中：为路网的连通度；为干扰慢行道路的长度；为路段长度。非机动车部分目标可通过尽可能地减少非机动车区域内出行的行驶时间，使其趋向于自由流来实现。因此可得降低街区内部慢行交通影响的目标函数为（），（）王建新，等：考虑慢行交通影响下的交通微循环路网优化设计投稿网址：式（）中：为非机动车行驶时间之和；为非机动车流量；为非机动车行驶速度。.降低街区内环境污染考虑街区内部生态优先目标，该优化目标可通过降低交通微循环中、的排放量来实现，而可能对沿街造成废气污染的主要是小汽车和摩托车，因此由街区路段废气排放量公式可得降低慢行交通微循环内环境污染的目标函数为 ，（）式（）中：为路段 上、的排放量；为当量小汽车；为路段 上 型车比例；为当量小汽车换算系数，规定二轮摩托、小汽车的换算系数为.、.；为车型分类数；为路段长度；为污染物排放因子。.降低干道路网饱和度考虑缓解干道交通拥堵目标，该优化目标可通过降低干道饱和度来实现，而道路饱和度是道路最大交通量与最大通行能力的比值。可得到降低干道路网饱和度的目标函数为，（）式（）中：为饱和度；为最大交通量；为最大通行能力。.约束条件对于上层模型，需要满足以下 个约束条件。（）街区内道路饱和度约束。在开放街区内部道路对干路交通进行分流时，应保证支路路网饱和度在最大饱和度 之内，且应大于规划前的道路饱和度。，（）（）保护街区内慢行交通。街区内慢行交通的保护，主要体现在对街区内部机动车实行限速，使得车辆速度小于街区内规划道路的平均限速值，从而降低车流对慢行交通的影响。，（）（）慢行路网密度约束。为保证街区内慢行交通通达性不受影响，应使得规划后的慢行路网密度不小于规划前路网密度。，（）.下层模型下层模型主要是将交通起止点（，）交通量分配到路网中，采用 提出的用户均衡分配法。故下层模型为（）（）（，），（）（，），（）（）式中：（）为路阻函数，采用美国联邦公路局函数（，）；（，）为 点间的路径数；为路径流量；为 变量，表示路段 是否在第 条路径上。模型求解对各支线道路，其现状通行能力为（），将参与交通微循环的支路通行能力提高值离散化（如，）。当支路不被选择在该方向通行时，（）；当支路被选择在该方向通行时，（），其支路通行能力随如下变化。当（）的值确定以后，改造后的支路通行能力（）和（）的值也随之确定，有如下 种情况。情况（），支路不被选择，（），通行能力为（）（）。情况（），支路被选择，（），通行能力为（）（）。情况（），支路被选择，（），通行能力为（）（）。情况（），支路被选择，（），通行能力为（）（）。依次类推即可得到所有被选择支路的通行能力。引入当量因子、和，将上述的多目标规划问题统一为一个单目标函数，表达式为（）（）考虑慢行交通影响下的街区微循环路网优化是一个有约束的双层规划问题，此类问题可利用遗传算法解决，求解过程如图 所示。假设备选支路总数为，则染色体长度为，由此可得到路网改造方案。.适应度函数为求目标函数最小值问题，适应度函数可按式（）进行指数转化。（）（）（）式（）中：（）为适应度函数；（）为染色体的目标函数值。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 遗传算法流程图.遗传算子遗传算法中包含选择、交叉、变异 种遗传算子。（）选择算子。选择算子采用轮盘赌选择算子和最优保存策略。通过保留适应度最大的个体进行选择复制，从而增大遗传算法的运行效率和收敛速度。（）交叉算子。交叉算子采用启发式交叉策略，按父代和母代的适应度大小进行交叉变换。（）变异算子。变异算子采用非均匀变异算子，按式（）进行操作。（）（），（）（），（）式（）中：为随机数；为常数；为总迭代次数。.计算步骤运用遗传算法求解上述模型的具体计算步骤如下。步骤 输入路网的交通需求、初始通行能力、最大迭代次数 等基本参数。步骤 随机产生初始种群（），大小为，代入下层模型，通过用户平衡配流模型求解路段流量。步骤 对每个个体计算适应度值。步骤 对（）进行选择、交叉、变异操作，构造下一代。步骤 根据遗传代数判断是否终止算法，若没有，则转至步骤；否则，输出结果。算例分析假定某小区已开放，实行区域交通微循环，路网结构如图 所示。粗线部分为干道，细线部分为备选支路，数字为道路节点编号，图 中各横向路段长为 ，各纵向路段长为 ，道路通行能力为（），区域内道路双向均可通行，高峰时段交通需求 分布如表 所示。各道路的基本参数如表 所示。干道双向通行能力为 ，设计时速 ，支路通行能力 ，车速为 ，支路改造后最大通行能力为 。干道中节点 之间的路段自由流车辆行驶时间为 ，其余各横向路段自由流车辆行驶时间为 ，支路各横向路段自由流车辆行驶时间为 ；干道中节点 之间的路段自由流车辆行驶时间为 ，其余各纵向路段自由流车辆行驶时间为 ，支路各纵向路段自由流车辆行驶时间为 。区域内部非机动车交通需求 ，非机动车速为 。在小区未开放实行区域交通微循环前，仅将交通需求 分配到干道中，计算路段流量和饱和度如表 所示。图 路网结构.表 交通需求 节点 ，（）王建新，等：考虑慢行交通影响下的交通微循环路网优化设计投稿网址：表 道路基本信息 道路编号道路等级通行能力（）通行时间设计速度（）主干道 支路支路支路支路主干道 主干道 支路支路支路支路主干道 注：表示每小时可以通过的车辆数量最大值。表 路段流量和饱和度分布 道路编号流量（）饱和度.由表 可知，不实行交通微循环而只利用干道进行配流时，干道交通量饱和度大于，会引发较为严重的交通堵塞，故以下将利用街区内部道路实行交通微循环以缓解干道交通拥堵现象。基于上述数据求解模型，对、试取值，取定 .、.、.、.。现内部街区开放，通过交通微循环对干道交通进行分流。设定干道容许最大饱和度为.，小区内支路容许最大饱和度为.，街区内车辆的平均限速为 。种群数量 ，交叉概率 .，变异概率 .，最大迭代次数 。利用 编码得到实行微循环后的路网如图 所示，优化过程如图 所示，目标函数迭代到 代时趋于稳定