第7卷第3期交通运输工程学报
v01.7No.3
2007年6月
JournalofTramcandTransportationEngineering
Jun.2007
文章编号:1671—1637(2007)03一0095一05
城市路网可靠性计算方法
刘
勇1,项莉1,谢军2,严宝杰2
(1.长安大学理学院,陕西西安710064;2.长安大学公路学院,陕西西安710064)
摘
要:为客观反映城市路网可靠性,在分析城市路网结构和功能的基础上,运用层次分析法,
将OD路网划分为主通路和连接路段,分析了主通路可靠性影响因素及计算方法,引入OD对连通度对主通路可靠性进行修正,推导了整个路网可靠性计算公式。而且研究了主通路上节点个数对路网可靠性的影响,讨论了在不同交通状况下改善路网可靠性的方法。分析结果表明:主道路间未取得有效连通时,OD路网的可靠度为o.62,在保证主道路持续性不受影响的前提下,对主道路进行有效连通,路网可靠度提高为o.70。这反映了路网可靠度不仅依赖于主通路持续性和有效性,还取决于主道路间的连通性,将路网划分为主通路和连接路段对OD路网进行可靠性分析是合理的。
关键词:交通规划;城市路网;主通路;连接路;连通度;可靠性中图分类号:U491.1
文献标识码:A
Reliabilitycomputationmethodofurbanroadnetwork
LiuYon91,XiangLil,XieJun2,YanBao-jie2
(1.SchoolofScience,Chang’anUniversity,Xi’an710064,Shaanxi,China;
2.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an
710064,Shaanxi,China)
Abstract:Inordertoobjectivelyreflectthereliabilityofurbanroadnetwork,thestructureandfunctionofurbanroadnetworkwereanalyzed,ODroadnetworkwasdividedintomainroadsandconnection
roads,
the
influence
factors
and
the
computation
methodofthe
reliabilitv
were
studied,themainroadreliabiIitywasamendedbyusingODconnectivity,andthereliabilityofwholeroadnetworkwasconcluded.Theinfluenceofnumberofthenodes
on
ODroadnetwork
reIiability
was
studied,
andthe
improvementmethodsofODroadnetworkrehabmtywere
discussedfurther.AnaIysisresult
showsthat
thereliab订ityofODroadnetworkis
O.62when
mainroads
are
not
connectedeffectively,thereliabilityisO.70throughtheconnectionofmain
roadswhenthecontinuanceofmainroadisnotaffected.Itisindicatedthatthereliab订itvofODroadnetworkdepends
on
not
onlythecontinuanceand
thevalidity
ofmainroad,
but
alsothe
connectivityofoDroadnetwork,sothemethodisfeasibleandeffective.8figs,11refs.
Keywords:traffic
planning;
urbanroadnetwork;
mainroad;
connection
road;
connectivity;
reliability
Authorresumes:LiuYong(1960一),male,associateprofessor,doctoral
student
ofengineering,
+86—29—82071952,roy_y_liu@126.com;YanBa州ie(1939一),male,professor,+86—29—82334834,
y.baojie39@126.com.
收稿日期:2006—12—27
基金项目:国家“973”计划项目(2006CB705505)
作者简介:刘勇(1960一),男,安徽太和人,长安大学副教授,工学博士研究生,从事交通运输规划与管理研究。导师简介:严宝杰(1939一),男,上海人,长安大学教授。
万
方数据
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交通运输工程学报
2007年
0
引言
城市路网可靠性是指在外界因素于扰下路网在限定时间和规定条件下所能满足交通需求的能力。对城市路网可靠性的研究一般从网络的持续性、有效性和稳健性进行分析,其中持续性描述的是路网在随机因素干扰下的可靠性,研究内容侧重在一定服务水平下路网OD对可达性,可用连通概率来表示;有效性是指当路网出现阻塞时所能满足最低可接受服务水平的程度,可用加权的连通概率来表示;稳健性是指当网络受到破坏作用后的可靠性,一般采用网络连通度来表示。以上三方面是相互关联相互作用的,必须综合考虑路网各种因素的作用及相互影响,才能全面反映路网的可靠性。
目前国内外关于路网可靠性的研究多是基于路网连通度的不同计算方法,大致分为布尔代数法、连通概率法、割集法、近似法与等效串并联法。文献[1]提出的等效串并联法不仅将路网的持续性和有效性结合在一起,而且综合考虑了路段和节点的可靠性。等效串并联法可省去许多迂回路径的计算,计算公式简洁。然而,此法在处理方法上仍有不足,致使计算结果与实际情况出现偏差。针对此问题,本文深入分析了造成偏差的原因,在分析城市路网结构和功能的基础上,依据可靠性工程原理,建立了基于主通路和连接路共同决定的OD路网可靠性公式,并对节点个数对路网可靠性的影响进行了综合分析,实例计算结果与实际情况相符。1
问题的提出
图1是路网中的一个OD对,其由路段P,、e:、e。
和节点咒,构成。设路段P,的可靠性为o.10,路段e:、如和节点n,为完全可靠。按文献[1]方法,此OD对路网可视为由Pl、,z1、P2和P1、721、83分别组成的2条等效通路并联而成,计算所得可靠度为o.19。等效并联系统见图2。
。Jo。。
D
图1oD对路网
图2等效路网
Fig.1
0Droadnetwork
Fig.2
Equivalentroadnetwork
图1中OD对路网是e。和e。并联再与e,串联构成,按串并联系统计算方法,应先计算P:与e。并联的可靠性,再求其与P,串联后的可靠性,所得结果为O.10。可见,两种方法计算结果出入较大,原
万
方数据因是等效串并联系统增加了新的路段和节点,合理做法是把相交路径化为不相交,然后按系统求其工作概率[2],这一过程称为不交化过程。城市路网是一个复杂网路,一个OD对路网所包含的通路和相交路段较多,对所有OD通路逐一进行不交化,计算量较大。为此本文通过对路网功能分析,提出修正的OD路网可靠性计算公式。
2城市路网结构及功能
城市路网可看作是由多个0D对局域路网构成,每个OD对路网又由主通路和主通路间的连接路段构成,一个OD对间的主通路可能又是另一OD对间的连接路段。理论上讲,一个OD对的主通路是指那些由若干路段和节点构成的连接OD的通路,各主通路的边和节点互不相交且主通路数目达到最多,图3主通路有4条。从功能上看,。7主通路是OD连通的。I主干,承担着OD对间—L≥”
的主要交通量,其可靠
性可借助于串并联系图3主通路与连接路构成的oD路网
统进行分析,先按串联Fi蚰OD:”。:毗”“con5i时i:8“
系统计算一条主通路
可靠性,再计算多条主通路构成的并联系统的可靠性。主通路间的连接路段将各主通路相互连通,不仅增强了OD的连通程度(通路增多),而且还分担了oD对间的交通量。当主通路某路段或节点发生阻塞,车流可通过连接路绕过阻塞段继续通行,而不使主通路全线失效,可见连接路段有增强系统稳健性的功能。但是,随着连接路段的增多,主通路上的节点也会增多,主通路的可靠性将会受到影响。因此,就一个OD路网而言,存在着主通路与连接路段最佳匹配关系,连接路段设置合理,节点数适度,OD对路网可靠性将得到增强。oD对路网主通路可靠性
主通路的可靠性是指各主通路在一定时间及服
务水平前提下的连通概率。OD对主通路可靠性计算思路是,先分别计算各主通路的可靠性,然后将所有主通路视为一个并联系统,再计算该系统的可靠性。根据并联系统可靠性计算公式和网络OD矩阵,第i个OD对主通路可靠性R;的近似表达式为
R—U|~
3
第3期刘勇,等:城市路网可靠性计算方法
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式中∽,为第i个OD中第歹条主通路的可靠性;m数K。。考虑到有信号交叉口较无信号交叉口有序为第i个OD中的主通路总数。度高,而无信号交叉口车辆在主路优先原则下根据3.1路段可靠性
可插间隙理论通过路口,由于在相互穿行中有相当一条主通路由若干条路段连接而成,每条路段的时间损失,造成一定的系统损失率K。。综合考虑的可靠性是指在一定时间段内所分担的车辆小于道上述因素,交叉口实际通行能力为
路通行能力的概率,考虑到交通流随机性,此概率可U=[C:(1一夕。)+CJp。]K。K
o
采用非齐次泊松过程来求解,即
式中:Cz、CJ分别为主路和支路的理论最大通行能力;
r鼬一P触{N≤S。一N:)
A为生支路通车时间分配比。一般主支路车流比近
s0
广
、1。
似为o.6:o.4或0.7:o.3,则A为o.6或O.7‘3|。
%一∑丛等鲨e一“"’
(1)
若主路支路无差别,且车流比为o.5:o.5,则
S。一KC,
V。一CK。Ko
式中:r枷、P稚分别为第i个OD对第J条主通路路式中:C为单一方向理论通行能力。引入实际通行
径中第尼条路段的可靠性及概率;N为在时间段能力,并且U≥Q7。时,交叉口的可靠性为
[£,£+r]内到达的车辆数;N。为在£时刻以前该路¨’
段上已有的车辆数;S。为最低可接受服务水平;Kk一—r
V。一Q7。
,亡、
3.3路网主通路可靠性
为比例系数;C,为第歹条路径的通行能力。
综合考虑路段和节点可靠性,第i个0D对第歹式(1)表明,路段的可靠性与该路段上的车辆数条主通路的可靠性r。可表示为
成反比,与该路段的通行能力成正比,当N≤S。时,^
d
r融为1;而当N>S。时,r触为o。路段可靠性的计~一ⅡⅡr靴r。
(6)
口一l^一1
算取决于期望到达数肛(£,r)
式中:d为第J条主通路包含的路段总数;九为第歹
p(z,r)一‘r_-(“)d“
(2)
条主通路包含的交叉口总数。根据并联系统的可靠性计算公式,第i个oD对主通路的可靠性为
式中:A(“)为强度函数,其构造方法有许多。文献
Ⅲ
^
d
[1]给出了肛(£,r)的一个简洁关系式为
R:=1一Ⅱ(1一ⅡⅡ%以)
(7)
“(£,r)一N。(1一e乩)
(3)
J一1
口一l^一1
式中:6为时刻£有车到达的概率。4修正的路网可靠性
3.2节点可靠性
上述OD路网主通路的可靠性是从路网持续性节点(交叉口)是产生交通阻塞的主要原因之和有效性上加以描述的,尚未考虑路网稳健性。根一,路网可靠性与交叉口可靠性有着直接关系。交据分析,应进一步考虑连接路段对路网可靠性影响,叉口可靠性是由交叉口通行能力和实际交通量相互为此引入OD对相对连通系数对式(7)进行修正。作用决定的,通行能力大而实际交通量小,则可靠性定义第i个OD对相对连通系数为
高;反之可靠性低。交叉口n的可靠性r。定义为
k一号导
r口2——7-一
㈤
L4,
晟一学(o≤屈<1)(8)
式中:N:为有效路径个数。晟意义为由连接段带来式中:e为交叉口n的通行能力;Q7。为交叉口n在的有效路径个数占总路径个数的百分比。岛大则路时刻£的实际交通量。交叉口实际通行能力涉及因网连通度高,路网的稳健性、调节性和应变能力越素很多,如交叉口的控制方式、车流的组成比例、行强,故修正的路网可靠性为
人和非机动车的干扰等,在计算交叉口可靠性时,应
m
d
^
根据实际情况对式(4)进行修正。
R”i一1一e1Ⅱ(1一ⅡⅡr毋r。)
(9)
J—l
女一1
n一1
交叉口通行能力和诸多影响因素决定着交叉口式中:e一只为第i个OD对路网可靠性的修正因子。
车辆运行的有序程度口11|,有序的交叉口运行状态城市路网可靠性为
稳定且通行能力大。根据文献[3],选取高峰小时交1
M
通量作为接近实际通行能力的量值,并将其与理论R一击善彤z
(10)
通行能力相比,可得出不同类型交叉口的有序度系
式中:M为城市OD对总数。
万
方数据
98
交通运输工程
学报
2007年
式(9)表明,路网可靠性是由主通路可靠性和路
网连通度共同决定的,其反映了路网持续性、有效性和稳健性。主通路可靠性高,路网连通度强,则路网可靠性就高。
5节点数对路网可靠性影响的定性分析
OD对路网的连通度取决于主通路和连接路段的个数。假定连接路与主通路的连接方式均为平交,则连接路段越多,主通路上的节点也就越多,因此,OD对的连通度函数可表示为
/t一^(咒:,%)
式中:以:为主通路个数;咒;为主通路上的节点数。由图4可知,连通度函数.厂,随ni的增多而增大,随着扎:增多,曲线上移、变陡,图中%<n。:<%。
根据式(7),主通路可靠性除与实际交通量有关,还与主通路及节点数有关,OD对主通路的可靠性函数可表示为
,2一^(C,他,确)
式中:C为主通路上各路段饱和度的平均值。由图4可知,.厂2随,zj增多而减小,并随平均饱和度的减小曲线上移、变缓,图中C,>C:>C。。
厂。和厂2两曲线交点P。是平衡点,对结构及交通量一定的OD路网,平衡点对应的是路网较为稳妥的状态,离开平衡点路网可靠性可能增大也可能减小,但这时可靠性的增大是以牺牲主通路可靠性或连通度为代价的。讨论具体问题时,应先确定平衡点,然后以平衡点为参考,根据实际情况适当调整节点以改善路网可靠性。
对结构一定的实际路网,节点个数对路网可靠性的影响见图5,为讨论方便,以直线替代曲线,此时该OD对的可靠性为
R—R:(.厂1,^)
相对于平衡点p。,R大于或小于R妒.与两曲线
图4,l和,2与
图5节点个数对路网
碣关系
可靠性的影响
Fig.4
Relationsbetween
Fig.5
Effectofnodes
on
^,,2and确
reliabilityofroadnetwork
万
方数据的斜率‰和l忌7。l有关,当是。一l是7。l时,无论实际路网节点数%,>,zi。或捣l<咒jo,R。均小于R咖。;当‰>J是7。j时,咒;1>强,R>R‰,而鸦1<咒j0,则R<R饥;当是o<l愚7。l时,鸭,>咒”R<R咖。,而玛l<咒jo,则尺。>R咖。。当走。<|是7
o
l,
%l>7zio,R:<R咖。时,该OD路网连通度相对较高,而主通路可靠性较低,此时可适当减少节点数来增大主通路可靠性,见图6(a);若路网可靠性未见改善,应考虑减小主通路的饱和度(拓宽道路或组织分流),此时主通路可靠性衄线上移且斜率图6路网可靠性改善
i志7。}将变小,若愚。和Fig.6
ReIiabiIityimprovementl志7。1相等并达到平衡
ofroadnetwork
点p。,路网可靠性将得到较大的改善,见图6(b);为进一步增大路网可靠性,在条件允许情况下增加主通路个数,此时曲线^、^均上移,路网可靠性得到显著改善,见图6(c)。6
实例分析
目前中国大城市道路网络经常出现的交通问题
是当某一条道路发生交通阻塞时,而邻近的与之平行的另外道路往往处于畅行状态。从局域路网来考虑,除该道路中各路段及交叉口自身通行能力不足外,各通路缺乏有机的连通也是此现象产生的原因。本文以西安市南郊小寨到中心城区(视为OD对)为例,进行路网可靠性分析,见图7。考虑到禁左等交通限制,图7路网实际上只有两条主通路(长安路和朱雀路),而这两条主通路唯一有效连接是通过二环路。由于长安路直接与长安区连接,加之小寨什字禁左及长安路交通环境复杂(公交站点、单位、商业
网点多),大量从O点流入该路网的车辆只能进入长安路,造成此路交通量过大而无法分流,致使交通拥挤和阻塞现象经常发生。相比之下,与之平行的朱雀路和文艺路交通状况则相对有序。通过分析认
第3期刘勇,等:城市路网可靠性计算方法
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为,该0D对路网可靠性较低的原因是主通路少且缺乏有效连通。
将图7抽象为图8的网络,图中数字为各交叉口和路段某时段的可靠度。按式(9)计算,该OD对相应路网的可靠度为o.62。若保持路段及交叉口可靠度不变,增加一条连接路段(通过友谊路将朱雀路与长安路连通),再按式(9)计算,可靠度则为o.70,显然连通后该路网可靠度有所增大。需要指出的是:增加连接路段提高路网可靠性其关键问题是解决好交叉口问题,否则不但路网可靠性无法提高,而且还影响主通路的持续性,因此在实际操作中要慎重对待。以上分析是针对oD对局域网,在实际问题中应将其置于整个城市路网中进行综合分析。
中心城区
\】)
/。
.75
0・60友谊
.70
O.75,
、
连通
.80O.65
二环
.75
蒿喜
q
80O.60
/,一一
小寨
、
图7实际路网
图8简化路网
Fig.7
Realroadnetwork
Fig.8
Simplifiedroadnetwork
7
结语
本文在分析城市路网结构和功能的基础上,将OD路网划分为主通路和连接路。在主通路可靠性基础上,通过引入连通度修正因子对其修正,得到了OD路网可靠性公式。研究表明连通度的提高具有双重效应,在增强路网稳健性的同时也会影响主通路的可靠性。实例分析表明,为提高路网可靠性,有时需牺牲连通度以获取主通路的可靠性;有时则需进一步提高连通度以保证系统的稳健性;在条件允许的情况下,可通过增加主通路和连接路或改善主通路与连接路的连接方式来增强整个路网可靠性。参考文献:
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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
刘勇, 项莉, 谢军, 严宝杰, Liu Yong, Xiang Li, Xie Jun, Yan Bao-jie
刘勇,项莉,Liu Yong,Xiang Li(长安大学,理学院,陕西,西安,710064), 谢军,严宝杰,XieJun,Yan Bao-jie(长安大学,公路学院,陕西,西安,710064)交通运输工程学报
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引用本文格式:刘勇. 项莉. 谢军. 严宝杰. Liu Yong. Xiang Li. Xie Jun. Yan Bao-jie 城市路网可靠性计算方法[期刊论文]-交通运输工程学报 2007(3)
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文章编号:1671—1637(2007)03一0095一05
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刘
勇1,项莉1,谢军2,严宝杰2
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摘
要:为客观反映城市路网可靠性,在分析城市路网结构和功能的基础上,运用层次分析法,
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关键词:交通规划;城市路网;主通路;连接路;连通度;可靠性中图分类号:U491.1
文献标识码:A
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the
influence
factors
and
the
computation
methodofthe
reliabilitv
were
studied,themainroadreliabiIitywasamendedbyusingODconnectivity,andthereliabilityofwholeroadnetworkwasconcluded.Theinfluenceofnumberofthenodes
on
ODroadnetwork
reIiability
was
studied,
andthe
improvementmethodsofODroadnetworkrehabmtywere
discussedfurther.AnaIysisresult
showsthat
thereliab订ityofODroadnetworkis
O.62when
mainroads
are
not
connectedeffectively,thereliabilityisO.70throughtheconnectionofmain
roadswhenthecontinuanceofmainroadisnotaffected.Itisindicatedthatthereliab订itvofODroadnetworkdepends
on
not
onlythecontinuanceand
thevalidity
ofmainroad,
but
alsothe
connectivityofoDroadnetwork,sothemethodisfeasibleandeffective.8figs,11refs.
Keywords:traffic
planning;
urbanroadnetwork;
mainroad;
connection
road;
connectivity;
reliability
Authorresumes:LiuYong(1960一),male,associateprofessor,doctoral
student
ofengineering,
+86—29—82071952,roy_y_liu@126.com;YanBa州ie(1939一),male,professor,+86—29—82334834,
y.baojie39@126.com.
收稿日期:2006—12—27
基金项目:国家“973”计划项目(2006CB705505)
作者简介:刘勇(1960一),男,安徽太和人,长安大学副教授,工学博士研究生,从事交通运输规划与管理研究。导师简介:严宝杰(1939一),男,上海人,长安大学教授。
万
方数据
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交通运输工程学报
2007年
0
引言
城市路网可靠性是指在外界因素于扰下路网在限定时间和规定条件下所能满足交通需求的能力。对城市路网可靠性的研究一般从网络的持续性、有效性和稳健性进行分析,其中持续性描述的是路网在随机因素干扰下的可靠性,研究内容侧重在一定服务水平下路网OD对可达性,可用连通概率来表示;有效性是指当路网出现阻塞时所能满足最低可接受服务水平的程度,可用加权的连通概率来表示;稳健性是指当网络受到破坏作用后的可靠性,一般采用网络连通度来表示。以上三方面是相互关联相互作用的,必须综合考虑路网各种因素的作用及相互影响,才能全面反映路网的可靠性。
目前国内外关于路网可靠性的研究多是基于路网连通度的不同计算方法,大致分为布尔代数法、连通概率法、割集法、近似法与等效串并联法。文献[1]提出的等效串并联法不仅将路网的持续性和有效性结合在一起,而且综合考虑了路段和节点的可靠性。等效串并联法可省去许多迂回路径的计算,计算公式简洁。然而,此法在处理方法上仍有不足,致使计算结果与实际情况出现偏差。针对此问题,本文深入分析了造成偏差的原因,在分析城市路网结构和功能的基础上,依据可靠性工程原理,建立了基于主通路和连接路共同决定的OD路网可靠性公式,并对节点个数对路网可靠性的影响进行了综合分析,实例计算结果与实际情况相符。1
问题的提出
图1是路网中的一个OD对,其由路段P,、e:、e。
和节点咒,构成。设路段P,的可靠性为o.10,路段e:、如和节点n,为完全可靠。按文献[1]方法,此OD对路网可视为由Pl、,z1、P2和P1、721、83分别组成的2条等效通路并联而成,计算所得可靠度为o.19。等效并联系统见图2。
。Jo。。
D
图1oD对路网
图2等效路网
Fig.1
0Droadnetwork
Fig.2
Equivalentroadnetwork
图1中OD对路网是e。和e。并联再与e,串联构成,按串并联系统计算方法,应先计算P:与e。并联的可靠性,再求其与P,串联后的可靠性,所得结果为O.10。可见,两种方法计算结果出入较大,原
万
方数据因是等效串并联系统增加了新的路段和节点,合理做法是把相交路径化为不相交,然后按系统求其工作概率[2],这一过程称为不交化过程。城市路网是一个复杂网路,一个OD对路网所包含的通路和相交路段较多,对所有OD通路逐一进行不交化,计算量较大。为此本文通过对路网功能分析,提出修正的OD路网可靠性计算公式。
2城市路网结构及功能
城市路网可看作是由多个0D对局域路网构成,每个OD对路网又由主通路和主通路间的连接路段构成,一个OD对间的主通路可能又是另一OD对间的连接路段。理论上讲,一个OD对的主通路是指那些由若干路段和节点构成的连接OD的通路,各主通路的边和节点互不相交且主通路数目达到最多,图3主通路有4条。从功能上看,。7主通路是OD连通的。I主干,承担着OD对间—L≥”
的主要交通量,其可靠
性可借助于串并联系图3主通路与连接路构成的oD路网
统进行分析,先按串联Fi蚰OD:”。:毗”“con5i时i:8“
系统计算一条主通路
可靠性,再计算多条主通路构成的并联系统的可靠性。主通路间的连接路段将各主通路相互连通,不仅增强了OD的连通程度(通路增多),而且还分担了oD对间的交通量。当主通路某路段或节点发生阻塞,车流可通过连接路绕过阻塞段继续通行,而不使主通路全线失效,可见连接路段有增强系统稳健性的功能。但是,随着连接路段的增多,主通路上的节点也会增多,主通路的可靠性将会受到影响。因此,就一个OD路网而言,存在着主通路与连接路段最佳匹配关系,连接路段设置合理,节点数适度,OD对路网可靠性将得到增强。oD对路网主通路可靠性
主通路的可靠性是指各主通路在一定时间及服
务水平前提下的连通概率。OD对主通路可靠性计算思路是,先分别计算各主通路的可靠性,然后将所有主通路视为一个并联系统,再计算该系统的可靠性。根据并联系统可靠性计算公式和网络OD矩阵,第i个OD对主通路可靠性R;的近似表达式为
R—U|~
3
第3期刘勇,等:城市路网可靠性计算方法
97
式中∽,为第i个OD中第歹条主通路的可靠性;m数K。。考虑到有信号交叉口较无信号交叉口有序为第i个OD中的主通路总数。度高,而无信号交叉口车辆在主路优先原则下根据3.1路段可靠性
可插间隙理论通过路口,由于在相互穿行中有相当一条主通路由若干条路段连接而成,每条路段的时间损失,造成一定的系统损失率K。。综合考虑的可靠性是指在一定时间段内所分担的车辆小于道上述因素,交叉口实际通行能力为
路通行能力的概率,考虑到交通流随机性,此概率可U=[C:(1一夕。)+CJp。]K。K
o
采用非齐次泊松过程来求解,即
式中:Cz、CJ分别为主路和支路的理论最大通行能力;
r鼬一P触{N≤S。一N:)
A为生支路通车时间分配比。一般主支路车流比近
s0
广
、1。
似为o.6:o.4或0.7:o.3,则A为o.6或O.7‘3|。
%一∑丛等鲨e一“"’
(1)
若主路支路无差别,且车流比为o.5:o.5,则
S。一KC,
V。一CK。Ko
式中:r枷、P稚分别为第i个OD对第J条主通路路式中:C为单一方向理论通行能力。引入实际通行
径中第尼条路段的可靠性及概率;N为在时间段能力,并且U≥Q7。时,交叉口的可靠性为
[£,£+r]内到达的车辆数;N。为在£时刻以前该路¨’
段上已有的车辆数;S。为最低可接受服务水平;Kk一—r
V。一Q7。
,亡、
3.3路网主通路可靠性
为比例系数;C,为第歹条路径的通行能力。
综合考虑路段和节点可靠性,第i个0D对第歹式(1)表明,路段的可靠性与该路段上的车辆数条主通路的可靠性r。可表示为
成反比,与该路段的通行能力成正比,当N≤S。时,^
d
r融为1;而当N>S。时,r触为o。路段可靠性的计~一ⅡⅡr靴r。
(6)
口一l^一1
算取决于期望到达数肛(£,r)
式中:d为第J条主通路包含的路段总数;九为第歹
p(z,r)一‘r_-(“)d“
(2)
条主通路包含的交叉口总数。根据并联系统的可靠性计算公式,第i个oD对主通路的可靠性为
式中:A(“)为强度函数,其构造方法有许多。文献
Ⅲ
^
d
[1]给出了肛(£,r)的一个简洁关系式为
R:=1一Ⅱ(1一ⅡⅡ%以)
(7)
“(£,r)一N。(1一e乩)
(3)
J一1
口一l^一1
式中:6为时刻£有车到达的概率。4修正的路网可靠性
3.2节点可靠性
上述OD路网主通路的可靠性是从路网持续性节点(交叉口)是产生交通阻塞的主要原因之和有效性上加以描述的,尚未考虑路网稳健性。根一,路网可靠性与交叉口可靠性有着直接关系。交据分析,应进一步考虑连接路段对路网可靠性影响,叉口可靠性是由交叉口通行能力和实际交通量相互为此引入OD对相对连通系数对式(7)进行修正。作用决定的,通行能力大而实际交通量小,则可靠性定义第i个OD对相对连通系数为
高;反之可靠性低。交叉口n的可靠性r。定义为
k一号导
r口2——7-一
㈤
L4,
晟一学(o≤屈<1)(8)
式中:N:为有效路径个数。晟意义为由连接段带来式中:e为交叉口n的通行能力;Q7。为交叉口n在的有效路径个数占总路径个数的百分比。岛大则路时刻£的实际交通量。交叉口实际通行能力涉及因网连通度高,路网的稳健性、调节性和应变能力越素很多,如交叉口的控制方式、车流的组成比例、行强,故修正的路网可靠性为
人和非机动车的干扰等,在计算交叉口可靠性时,应
m
d
^
根据实际情况对式(4)进行修正。
R”i一1一e1Ⅱ(1一ⅡⅡr毋r。)
(9)
J—l
女一1
n一1
交叉口通行能力和诸多影响因素决定着交叉口式中:e一只为第i个OD对路网可靠性的修正因子。
车辆运行的有序程度口11|,有序的交叉口运行状态城市路网可靠性为
稳定且通行能力大。根据文献[3],选取高峰小时交1
M
通量作为接近实际通行能力的量值,并将其与理论R一击善彤z
(10)
通行能力相比,可得出不同类型交叉口的有序度系
式中:M为城市OD对总数。
万
方数据
98
交通运输工程
学报
2007年
式(9)表明,路网可靠性是由主通路可靠性和路
网连通度共同决定的,其反映了路网持续性、有效性和稳健性。主通路可靠性高,路网连通度强,则路网可靠性就高。
5节点数对路网可靠性影响的定性分析
OD对路网的连通度取决于主通路和连接路段的个数。假定连接路与主通路的连接方式均为平交,则连接路段越多,主通路上的节点也就越多,因此,OD对的连通度函数可表示为
/t一^(咒:,%)
式中:以:为主通路个数;咒;为主通路上的节点数。由图4可知,连通度函数.厂,随ni的增多而增大,随着扎:增多,曲线上移、变陡,图中%<n。:<%。
根据式(7),主通路可靠性除与实际交通量有关,还与主通路及节点数有关,OD对主通路的可靠性函数可表示为
,2一^(C,他,确)
式中:C为主通路上各路段饱和度的平均值。由图4可知,.厂2随,zj增多而减小,并随平均饱和度的减小曲线上移、变缓,图中C,>C:>C。。
厂。和厂2两曲线交点P。是平衡点,对结构及交通量一定的OD路网,平衡点对应的是路网较为稳妥的状态,离开平衡点路网可靠性可能增大也可能减小,但这时可靠性的增大是以牺牲主通路可靠性或连通度为代价的。讨论具体问题时,应先确定平衡点,然后以平衡点为参考,根据实际情况适当调整节点以改善路网可靠性。
对结构一定的实际路网,节点个数对路网可靠性的影响见图5,为讨论方便,以直线替代曲线,此时该OD对的可靠性为
R—R:(.厂1,^)
相对于平衡点p。,R大于或小于R妒.与两曲线
图4,l和,2与
图5节点个数对路网
碣关系
可靠性的影响
Fig.4
Relationsbetween
Fig.5
Effectofnodes
on
^,,2and确
reliabilityofroadnetwork
万
方数据的斜率‰和l忌7。l有关,当是。一l是7。l时,无论实际路网节点数%,>,zi。或捣l<咒jo,R。均小于R咖。;当‰>J是7。j时,咒;1>强,R>R‰,而鸦1<咒j0,则R<R饥;当是o<l愚7。l时,鸭,>咒”R<R咖。,而玛l<咒jo,则尺。>R咖。。当走。<|是7
o
l,
%l>7zio,R:<R咖。时,该OD路网连通度相对较高,而主通路可靠性较低,此时可适当减少节点数来增大主通路可靠性,见图6(a);若路网可靠性未见改善,应考虑减小主通路的饱和度(拓宽道路或组织分流),此时主通路可靠性衄线上移且斜率图6路网可靠性改善
i志7。}将变小,若愚。和Fig.6
ReIiabiIityimprovementl志7。1相等并达到平衡
ofroadnetwork
点p。,路网可靠性将得到较大的改善,见图6(b);为进一步增大路网可靠性,在条件允许情况下增加主通路个数,此时曲线^、^均上移,路网可靠性得到显著改善,见图6(c)。6
实例分析
目前中国大城市道路网络经常出现的交通问题
是当某一条道路发生交通阻塞时,而邻近的与之平行的另外道路往往处于畅行状态。从局域路网来考虑,除该道路中各路段及交叉口自身通行能力不足外,各通路缺乏有机的连通也是此现象产生的原因。本文以西安市南郊小寨到中心城区(视为OD对)为例,进行路网可靠性分析,见图7。考虑到禁左等交通限制,图7路网实际上只有两条主通路(长安路和朱雀路),而这两条主通路唯一有效连接是通过二环路。由于长安路直接与长安区连接,加之小寨什字禁左及长安路交通环境复杂(公交站点、单位、商业
网点多),大量从O点流入该路网的车辆只能进入长安路,造成此路交通量过大而无法分流,致使交通拥挤和阻塞现象经常发生。相比之下,与之平行的朱雀路和文艺路交通状况则相对有序。通过分析认
第3期刘勇,等:城市路网可靠性计算方法
99
为,该0D对路网可靠性较低的原因是主通路少且缺乏有效连通。
将图7抽象为图8的网络,图中数字为各交叉口和路段某时段的可靠度。按式(9)计算,该OD对相应路网的可靠度为o.62。若保持路段及交叉口可靠度不变,增加一条连接路段(通过友谊路将朱雀路与长安路连通),再按式(9)计算,可靠度则为o.70,显然连通后该路网可靠度有所增大。需要指出的是:增加连接路段提高路网可靠性其关键问题是解决好交叉口问题,否则不但路网可靠性无法提高,而且还影响主通路的持续性,因此在实际操作中要慎重对待。以上分析是针对oD对局域网,在实际问题中应将其置于整个城市路网中进行综合分析。
中心城区
\】)
/。
.75
0・60友谊
.70
O.75,
、
连通
.80O.65
二环
.75
蒿喜
q
80O.60
/,一一
小寨
、
图7实际路网
图8简化路网
Fig.7
Realroadnetwork
Fig.8
Simplifiedroadnetwork
7
结语
本文在分析城市路网结构和功能的基础上,将OD路网划分为主通路和连接路。在主通路可靠性基础上,通过引入连通度修正因子对其修正,得到了OD路网可靠性公式。研究表明连通度的提高具有双重效应,在增强路网稳健性的同时也会影响主通路的可靠性。实例分析表明,为提高路网可靠性,有时需牺牲连通度以获取主通路的可靠性;有时则需进一步提高连通度以保证系统的稳健性;在条件允许的情况下,可通过增加主通路和连接路或改善主通路与连接路的连接方式来增强整个路网可靠性。参考文献:
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刘勇,项莉,Liu Yong,Xiang Li(长安大学,理学院,陕西,西安,710064), 谢军,严宝杰,XieJun,Yan Bao-jie(长安大学,公路学院,陕西,西安,710064)交通运输工程学报
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引用本文格式:刘勇. 项莉. 谢军. 严宝杰. Liu Yong. Xiang Li. Xie Jun. Yan Bao-jie 城市路网可靠性计算方法[期刊论文]-交通运输工程学报 2007(3)