張 水 艦

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000)

基于車道的城市交通網(wǎng)絡(luò)模型★

張 水 艦

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 湖州 313000)

分析了交通網(wǎng)絡(luò)的幾何和交通流特征，建立了以車道為基本建模單元的交通網(wǎng)絡(luò)模型，并探討了交通網(wǎng)絡(luò)模型中拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)方法，建立的城市交通網(wǎng)絡(luò)模型為交通網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

城市交通網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建模，拓?fù)潢P(guān)系

0 引言

現(xiàn)今隨著交通技術(shù)的快速發(fā)展，給人們出行帶來了便利，提高了出行效率，增進(jìn)了人們之間的交流，但同時(shí)也隨之出現(xiàn)了一些不容忽視的問題，交通事故和交通堵塞在交通網(wǎng)絡(luò)上時(shí)而發(fā)生[1]，不僅影響了普通市民的出行，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在一定程度上也受到了影響。為了改善交通網(wǎng)絡(luò)擁堵的狀況，減少交通事故的發(fā)生[2]，有必要優(yōu)化交通網(wǎng)絡(luò)，在交通網(wǎng)絡(luò)上合理分配交通流量[3]?，F(xiàn)有許多學(xué)者對(duì)交通優(yōu)化做了相關(guān)研究，并取得了大量的成果。交通優(yōu)化的基礎(chǔ)是建立交通網(wǎng)絡(luò)模型，而現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)特征考慮不足，對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際特征描述不到位，從而導(dǎo)致優(yōu)化算法不夠有效。而且在現(xiàn)有的交通網(wǎng)絡(luò)模型中，自由車交通網(wǎng)絡(luò)和公共交通網(wǎng)絡(luò)是分開的。在同一個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)里，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)分開可以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來比較簡(jiǎn)單，但這會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，反而降低系統(tǒng)的優(yōu)化效率。本文將利用線性參照系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)分段技術(shù)把自由車交通網(wǎng)絡(luò)和公共交通網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)統(tǒng)一的交通網(wǎng)絡(luò)。

1 交通網(wǎng)絡(luò)特征分析

事物的特征是復(fù)雜的，是客觀存在的，是由狀態(tài)、關(guān)系、功能等構(gòu)成的基本實(shí)體單元，對(duì)事物特征的描述可以從事物的幾何分布、組成要素和時(shí)態(tài)三個(gè)方面來進(jìn)行[4]。交通網(wǎng)絡(luò)的幾何特征主要包括兩個(gè)：弧和節(jié)點(diǎn)，由交通線路抽象而成的??；由線路相交點(diǎn)抽象而成的節(jié)點(diǎn)。交通網(wǎng)絡(luò)除具有空間分布的幾何特征外，交通網(wǎng)絡(luò)上還分布了交通流，而且交通流的特征是動(dòng)態(tài)的，在同一時(shí)刻交通網(wǎng)絡(luò)上不同空間位置的交通流狀態(tài)是不同的，對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)建模還應(yīng)充分考慮到交通流的這一特征，否則將影響到交通優(yōu)化的有效性。一般情況下，交通網(wǎng)絡(luò)特征可以總結(jié)為以下四個(gè)主要特征：1)線性和網(wǎng)絡(luò)分布特征，城市交通網(wǎng)絡(luò)是由線性空間分布的交通線路構(gòu)成，眾多的交通線路構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的連通網(wǎng)絡(luò)，可以看出圖論和拓?fù)湔撌墙煌ňW(wǎng)絡(luò)建模的理論基礎(chǔ)；2)具有分段分布的特征，交通線路都是由不同的路段組成的，在同一時(shí)間段內(nèi)相同的線路中不同路段也有可能具有不同的交通狀況；3)交通網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性，交通網(wǎng)絡(luò)上的交通狀態(tài)是時(shí)間的函數(shù)，會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化；4)組成交通流的車輛具有自主性，駕駛車輛的出行者在遵守交通規(guī)則的前提下能自由選擇出行的道路。

如果只用于信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的點(diǎn)—弧交通網(wǎng)絡(luò)模型具有很高的效率，但如果用在交通優(yōu)化系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的交通網(wǎng)絡(luò)模型由于對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)特征考慮不足，往往會(huì)降低交通優(yōu)化的有效性。交通流是按車道分布的，在一條多車道的道路上，方向相反的車道上往往會(huì)有不同的交通流特征，如每天的上下班高峰期，進(jìn)出中心城區(qū)的車道上的交通流分布往往相差很大，往往會(huì)出現(xiàn)一個(gè)方向的車道擁堵，而另一方向的車道通暢。在同一道路不同方向上的車道的拓?fù)潢P(guān)系也往往不同。交通線路上的潮汐車道、限行、左右轉(zhuǎn)向限制等交通規(guī)則也往往是針對(duì)車道制定的。從上分析可知交通網(wǎng)絡(luò)的特征是與車道密切相關(guān)的。

2 交通網(wǎng)絡(luò)幾何模型

2.1 交叉口和道路模型及拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)

交通網(wǎng)絡(luò)建模的理論基礎(chǔ)是圖論，但在實(shí)際的建模過程中，要充分考慮到交通網(wǎng)絡(luò)的特征。交通網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況是比較復(fù)雜的，傳統(tǒng)的交通網(wǎng)絡(luò)模型采用道路中心線來表示道路，并不區(qū)分車道，這無法描述道路上的具體情況。從以上分析我們知道：一條道路上不同車道上有不同的交通屬性，因此不能把一條道路簡(jiǎn)單地抽象成交通網(wǎng)絡(luò)的一條邊，必須分車道進(jìn)行建模。在交通流分配等網(wǎng)絡(luò)分析中，往往要考慮到這些車道上的信息，要不分析結(jié)果肯定會(huì)不準(zhǔn)確。因此把車道作為交通網(wǎng)絡(luò)建模中的基本單元更為合理，以下為多車道的道路建模方法。

1)在交通干線上的道路往往是四車道以上，同一方向的車道有兩條車道以上，此時(shí)同一方向的車道的屬性大致相同，可以合并為一條同向的車道，交通流信息可以為同向各車道的和，見圖1。

2)道路交叉口是交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，道路交叉口在交通網(wǎng)絡(luò)模型中可以用節(jié)點(diǎn)表示，由于在交通網(wǎng)絡(luò)中道路相交的情況比較復(fù)雜，又有以下兩種情形：

a.兩條或多條道路簡(jiǎn)單相交所形成的交叉口的情況比較簡(jiǎn)單，如圖2所示。

b.當(dāng)兩條道路并不是完全交叉，而是與單向的車道交叉，此時(shí)要對(duì)不同的車道分開建模，如圖3所示。

拓?fù)潢P(guān)系是交通網(wǎng)絡(luò)的重要特征[5]。交通網(wǎng)絡(luò)模型是由節(jié)點(diǎn)和弧段構(gòu)成，因此包含的拓?fù)潢P(guān)系主要是點(diǎn)線和線線拓?fù)潢P(guān)系，傳統(tǒng)的交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系表述方式是用節(jié)點(diǎn)—弧段的拓?fù)鋵傩员韥砻枋龅?。然而，如上所述在交通網(wǎng)絡(luò)中有一些針對(duì)車道的交通規(guī)則，如限行、轉(zhuǎn)向限制等會(huì)影響交通線路之間的拓?fù)潢P(guān)系，傳統(tǒng)的模型不能表達(dá)這種拓?fù)潢P(guān)系，而在基于車道的交通網(wǎng)絡(luò)模型中，車道間的拓?fù)潢P(guān)系被記錄在轉(zhuǎn)向表中，此種方式能表達(dá)車道之間不同的拓?fù)潢P(guān)系。以圖2所示的道路交叉口模型為例，模型中各車道之間的拓?fù)淇杀硎緸榫€線拓?fù)潢P(guān)系，可用表1來描述。

2.2 立交橋模型及其拓?fù)潢P(guān)系的描述

立交橋在城市交通網(wǎng)絡(luò)中起著重要的作用，立交橋的建設(shè)可以使道路交叉口的通行能力大大提高。立交橋是多條道路在同一點(diǎn)匯集，但橋上的車道與橋下的車道又不是在同一平面內(nèi)，并不交叉，為此把立交橋當(dāng)作一個(gè)節(jié)點(diǎn)就不能很好地描述實(shí)際的情況，把車道作為基本建模單元比較合理，如圖4所示。

表1 車道與車道之間的拓?fù)潢P(guān)系描述表

在圖4的立交橋模型中，在立交橋各車道的交匯處增加了4個(gè)節(jié)點(diǎn)，這能比較有效地描述各車道相連接的真實(shí)情況，見表2。

表2 立交橋各車道拓?fù)潢P(guān)系

3 結(jié)語

城市交通網(wǎng)絡(luò)具有空間分布等不同于其他網(wǎng)絡(luò)的交通特征，在基于圖論對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，首要是建立一個(gè)合理的交通網(wǎng)絡(luò)模型，建立的交通網(wǎng)絡(luò)模型要能反映交通網(wǎng)絡(luò)有別于其他網(wǎng)絡(luò)的屬性特征。本文對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)特征進(jìn)行了分析，提出了基于車道的交通網(wǎng)絡(luò)模型。本文建立的交通網(wǎng)絡(luò)模型，能比較合理地描述交通路網(wǎng)特征，運(yùn)用在交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中可以提高優(yōu)化算法的有效性。

[1] 王子豪,王修山.公交優(yōu)先治理城市交通擁堵問題研究[J].山西建筑,2014,40(2):1-2.

[2] 董旭明.公路交通安全設(shè)施技術(shù)狀況評(píng)定體系研究[J].山西建筑,2014,40(11):139-141.

[3] 劉 巖，趙 顗，張衛(wèi)華.城市道路五路交叉口交通流組織優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2014(3):285-289.

[4] 陸 鋒，周成虎，萬 慶.基于特征的城市交通網(wǎng)絡(luò)非平面數(shù)據(jù)模型[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2000，29(4):334-341.

[5] 陸 忠，錢翔東，張登榮.基于最短路徑查詢的城市公交網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Ｑ芯縖J].遙感信息，2002(1):11-14.

Research on modeling urban traffic network based on lane★

Zhang Shuijian

(HuzhouVocationalandTechnicalCollege,Huzhou313000,China)

The article analyzes geometric and traffic flow characteristics of traffic network, establishes traffic network model with lane as basic modeling unit, explores topological relation expression methods in traffic network model, and finally establishes urban traffic network model, which has laid a foundation for optimizing traffic network.

urban traffic network, network modeling, topological relation

2015-08-28

張水艦(1972- )，男，講師

1009-6825(2015)31-0004-02

U491.13

A

★：浙江省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：Y201432450)；湖州市科技局項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2014YZ09)