城市封闭小区开放决策优化模型.pdf

山 东 科 学 第 卷 第 期 年 月出版.:./.【交通运输】收稿日期:基金项目:湖南省社会科学成果评审委员会一般课题()作者简介:王艳()女博士讲师研究方向为城市交通规划与管理:.城市封闭小区开放决策优化模型王艳陈群(.湖南工商大学 公共管理与人文地理学院湖南 长沙 .中南大学 交通运输工程学院湖南 长沙)摘要:对于较大的封闭小区有必要打开现有出入口或增加一些出入口允许外部车辆或行人穿行以畅通城市交通微循环缓解交通拥堵以及行人与机动车的相互干扰 考虑地块具体情况及交通需求分布上层模型以总的出行时间最小及小区开放建设成本最小化为目标以现有出入口和备选出入口是否对外部车辆或行人开放作为决策变量步行和小汽车出行方式选择及路径选择联合用户均衡模型作为下层模型建立了封闭小区开放决策优化的双层规划模型 上层采用遗传算法下层采用 算法提出了该双层规划模型的求解算法 通过一个实例对模型与算法进行了验证发现交通微循环设置并进行方案优化后总的时间花费减少了约 从而证明本文提出的模型和算法是有实际工程应用价值的能够有效降低交通拥堵提高交通通行的效率关键词:城市交通封闭小区交通微循环双层规划用户均衡遗传算法中图分类号:文献标志码:文章编号:()开放科学(资源服务)标志码():(.(.).().第 期王艳等:城市封闭小区开放决策优化模型 .中国很多城市中建有大量的封闭小区其只对本小区居民和车辆开放包括居住小区、大学校园、政府大院、公司企业等 它们所在的地方通常采用围墙或栅栏将小区包围起来只留少数几个门供行人或车辆进出 这样做当然增强了小区内人员的安全感减少了偷盗事件小区内也不受外界环境和交通的影响 但这样封闭的小区特别是一些面积很大的封闭小区会造成车辆和行人的绕行增加了出行距离加剧了交通拥堵 年 月中共中央 国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见印发其中提出中国城市原则上将不再建设封闭住宅小区新建住宅要推广街区制 然而小区完全开放将降低小区居住品质不可避免地带来噪声和空气污染并且增加了小区内居民的风险 因此提倡适度尺度的小区封闭以平衡交通和居住品质的需要 笔者在此前的一项研究中对比了英国利兹和中国长沙的居住布局和交通特征认为中国城市更适合小尺度的封闭小区对于现状规模较大的小区可将其划分成多个规模较小的小区在这些小区之间可通行外部车辆和行人对于划分较小的小区也可做成半开放式的即允许外部行人穿越而不允许外部车辆穿越目前对封闭小区开放问题的研究很少大部分研究聚焦在封闭小区的形成机制问题如小区封闭是因为人们希望舒适而安全地居住在小区内避免外部环境的污染和车辆干扰并且封闭小区偷盗现象比开放小区更少 此外从社会层面角度来看封闭小区可能会加剧社会阶层的隔离 因为小区内外联系和交流少社区内部的公共设施也不能被外部公众所用 仅有少量学者研究了封闭小区开放后对交通的影响 如 等通过调查发现若封闭小区对行人开放行人到地铁站点的步行距离会变短就会有更多的人来选择地铁出行而如果行人由于封闭小区阻碍导致步行距离绕行过长则很多会放弃地铁出行 等分析了小区开放后交通流的动态演化 等通过调查得出社区休闲设施、公共空间和街道设施是影响封闭小区步行环境的重要因素而人行道质量、社区安全和休闲设施是影响开放社区步行环境的主要因素然而现有研究还未有从理论上构建封闭小区开放的决策优化模型即从某地块实际情况出发从交通需求的角度论证地块内各小区开放的必要性哪些地方对车辆开放及其开放路线哪些地方对行人开放及其开放路线等 封闭小区开放既要考虑交通需求也要考虑开放成本以及对封闭小区内生活安全与舒适度的影响 因此本文将建立综合决策优化模型并通过一个实例论证本文模型与方法的有效性图 示例交通网络和小区图.模型.问题分析图 为一个简单的示例交通网络和小区图 数字为交通网络节点、为 个封闭小区、为 个小区现有的出入口供本小区的车辆和行人通行 现在要针对实际的节点 及封闭小区、两两之间的交通需求对、这 个出入口是否对外部交通开放进行决策具体指仅对外部行人开放还是对外部车辆和行人同时开放 根据实际需山 东 科 学 年要还可选择、这 个地点作为备选的开放地点这些备选的开放地点是仅对外部行人开放还是对外部车辆和行人同时开放也是需要进行决策判断的 从图 中很明显的可以看到如果增加出入口 那么封闭小区和之间的交通往来就变的非常便捷减少了绕行同理增加出入口 可便捷小区和之间的联系 而如果在交通流量较大的时候如早高峰黄色线条表示的干道比较拥堵车辆可通过穿行小区分流交通量而且可减少绕行.前提与假设()假设只讨论步行和小汽车两种方式的交通需求分布步行距离越短步行分担出行的比例就越高()步行出行时间不受路段步行通行能力的影响即步行速度假定为一个固定值为人们平时一般步行时的步速()如果小区某个出入口对外部车辆开放则必定会对外部行人开放反之对外部行人开放不一定对外部车辆开放.变量和符号变量和符号含义见表 表 变量和符号含义 变量或符号含义小区或节点编号小区备选开口编号小区已有开口编号路段编号 到 之间的出行需求分布单位:/所有 构成的向量为 到 之间选择小汽车出行的流量单位/所有 构成的向量为 总的小汽车出行量单位/到 之间选择步行出行的流量单位/所有 构成的向量为 到 之间选择步行出行的最短路时间单位 到 之间选择小汽车出行的最短路径上的时间单位 总的步行时间单位 路段 的车流量单位/所有 构成的向量为 路段 上的车辆通行时间单位 到 之间第 条出行路径上的车流量单位/路段 在 到 之间第 条出行路径上则 否则 总的车辆通行时间单位 路段 上的车流通行能力单位/每辆车停车需花的时间单位 小区第 个备选开口如果对外部车辆(同时也对外部行人)打开则 如果仅对外部行人打开则 否则 小区第 个现有开口如果对外部车辆(同时也对外部行人)开放则 如果仅对外部行人开放则 否则 小区第 个备选开口对外部车辆(同时也对外部行人)打开所需的建设费用单位:元小区第 个备选开口仅对外部行人打开所需的建设费用单位:元时间价值系数与当地社会经济发展水平有关模型中的经验参数第 期王艳等:城市封闭小区开放决策优化模型.双层规划模型建立双层规划上层问题代表管理者的决策行为(即现有出入口、备选开口是否对外部车辆或行人开放)下层问题代表用户考虑了上层决策者的决策后的出行行为(即车辆和行人的出行路线).上层模型上层模型的决策变量为、要实现的目标是所有人员出行(包括利用小汽车出行和步行)总时间最小、备选开口确定开放的建设费用最小如式():()()其中 为总的车辆通行时间 为小汽车停车所需的总的时间 为总的步行时间 为总的车行时间、步行时间和停车花费时间通过时间价值系数 转化为费用 由式()决定:()小区第 个备选开口如果对外部车辆(同时也对外部行人)打开(即 )则所需建设费用为 如果仅对外部行人打开(即 )则所需建设费用为 如果不打开则建设费用为、分别由式()、()、()得到:()()()()式()为车流量约束即每条路段上的车流量必须小于车辆通行能力 这里、都可以通过求解下层模型得到.下层模型下层模型为在上层决策方案(即现有各出入口、备选开口是否对外部车辆或行人开放)下车辆和行人在交通网络上的出行路线选择对于任意 到 之间的出行选择小汽车出行和选择步行出行按照如式()、()选择概率公式 ()()()式()中 为待定参数可从调查数据经统计分析得到可利用交通分配与方式划分结合的用户均衡()分配模型进行下层的交通分配 ()()().()()()其中()式()为守恒约束式()为非负约束式()为路径路段关联式山 东 科 学 年 求解算法.下层模型求解算法下层模型是一个交通分配与方式划分结合的用户均衡()分配模型可采用 进行求解当上层模型的决策变量、给定值后步行网络即给定根据假设 步行网络上任意两点 间的最短路径(及最短路时间)即已知(可通过最短路算法很容易得到)下层模型的求解步骤如下:步骤 初始化 令小汽车行驶网络(包括城市道路及对外部车辆开放的小区内道路)为空根据阻抗函数计算()计算各起终点对 间的最小阻抗 再用最小阻抗值根据式()、()求出步行交通流量 和小汽车流量 将 在小汽车行驶网络上根据 ()实行一次全有全无分配得到各路段的车流量 令 步骤 更新各路段的阻抗:()步骤 寻找下一步迭代方向 按照 用全有全无分配方法将 分配到小汽车行驶网络上去得到一组附加的流量 根据 求小汽车行驶网络中小汽车交通的新的最小阻抗 再用最小阻抗值根据式()、()求出步行附加交通流量 步骤 确定迭代步长 用二分法求满足下式的 ()()()()()()()式()中()()步骤 确定新的迭代起点:()()步骤 收敛性检验 如果()(是预先确定的小正数)则停止计算否则令 返回第 步 算法结束.双层模型求解算法双层规划问题是 完全问题只能采用近似求解算法 目前遗传算法作为一种具有全局搜索能力的启发式算法在各种优化领域都被广泛应用特别适合求解复杂的非凸优化问题 本文中、为决策变量取值为、和 可与遗传算法的离散编码相对应因此本文拟采用遗传算法对模型进行求解 遗传算法流程图见图 求解步骤如下:步骤 初始化 确定遗传算法的交叉概率 变异概率 种群个体数 最大进化代数 步骤 根据上层模型的优化目标确定适应度函数形式随机产生初始种群置 步骤 将每个染色体个体表示的、值代入下层模型求解 利用.节所述算法计算每条路段上的车流量然后返回上层模型计算每个个体的适应度及约束满足情况 如果 满足约束条件的适应度排名最大的染色体即为问题的最优解否则转步骤 步骤 采用基于排名的轮盘式选择算子及精英模型复制选择下一代种群步骤 根据交叉概率 执行多点交叉操作步骤 变异 对每个染色体个体中的每个变量根据变异概率 随机产生值、或 替代该变量当前值 令 得到新种群转步骤 第 期王艳等:城市封闭小区开放决策优化模型图 遗传算法流程图.实例分析如图 所示的长沙市某区域小区和交通网络图 以围墙封闭了 个小区其中下面两个小区通过内部道路()高架相连 小区内现有车行道主要供区内车辆进出使用 图 中各条路段上标示数字为路段长度、为城市干道单方向通行能力为 辆/背景交通量约 辆/、为次干道单方向通行能力为 辆/背景交通量约 辆/其他为支路单方向通行能力为 辆/背景交通量约 辆/小区内车行道路单方向通行能力为 辆/背景交通量约 辆/假设步行速度为./已知早高峰期间交通需求见 科学数据与内容附表 .现需要对一些现有出入口和备选出入口进行决策优化使得部分出入口可供外部车辆穿行以减轻城市道路压力并避免自身绕行并使得部分出入口对外部行人开放从而可使得行人和车辆分离以减少城市道路上的机非混行所造成的拥堵和通行效率低下图 实例小区和网络图.山 东 科 学 年各小区现在的情形是各出入口都是对外部行人开放的因此只需讨论其是否对外部车辆开放 根据这个情况对小区内道路设置决策变量()如果()则该路段对于外部车辆通行是连通的即该处小区出入口对外部车辆是允许通行的如果()则该路段对于外部车辆通行是不连通的即该处小区出入口对外部车辆是禁止穿行的 同理对于小区内道路、分别设置决策变量()、()、()、()、()根据实际情况有两处小区内已有步行道也可选择开放作为备选车行道 对于现有步行道 设置决策变量()如果()则该步行道也可对外部车辆开放(即该处行人出入口可对外部车辆开放)否则()同理对于现有步行道 设置决策变量()根据实际情况对于小区内备选道路设置决策变量()如果()则拟建车行道在此处对外部车辆开放(同时对外部行人也是开放的)否则()同理对备选道路设置决策变量()建设一个车行出入口的费用约为 万元对于、根据实际情况仅作为备选步行道分别设置决策变量()、()、()、()、()、()、()、()、()如果决策变量为 则此处对外部行人开放否则决策变量取值为 建设一个步行出入口的费用约为 万元出行者可根据实际情况选择小汽车出行和步行出行如果选择小汽车出行的话不仅考虑出行时间还考虑在终端的停车时间假设停车时间需要 因此从上面的分析可见本例根据实际情况决策变量取值仅为、进一步简化了计算求解车辆行驶路段阻抗函数采用公路局()阻抗函数即()()/)其中 为路段自由流行驶时间 为路段上的背景车流量 .对城市干道车辆自由行驶速度为./对次干道车辆自由行驶速度为./对支路和小区道路车辆自由行驶速度为./因此已知各路段长度之后 很容易能得到建立双层规划模型进行求解运用遗传算法进行求解染色体长度 种群数 交叉概率.变异概率.遗传算法的迭代过程计算结果见图 结果如下:()()()()()()()()()()()()()()()()()()()路段上流量均满足通行能力约束 优化后所表达的网络图如图 总的造价花费 万元总的时间花费为 不设计交通微循环时总的时间花费为 因此设计交通微循环并进行合理方案优化后总的时间花费减少了约 图 遗传算法的迭代过程计算结果.第 期王艳等:城市封闭小区开放决策优化模型图 决策方案表达的网络.交通需求点之间选择小汽车出行和选择步行出行的交通分布分别见 科学数据与内容附表、例如区域 至区域 共有 个交通需求其中选择小汽车出行的有 人选择步行的有 人所经过的步行道是 和 这两条步行道是现在已有的 大多是在区域 居住而在区域 上班的人对此类人群进行了部分抽样选择小汽车出行的占比和选择步行出行的占比分别为/、/计算结果与实际情况较为符合 区域 至区域 有步行交通量 人而没有人选择小汽车交通这是因为区域 至区域 距离很近很多住在区域 的人只要经过一个地铁通道即可到达区域 的商场也与实际情况是相符的 区域 至区域 有步行交通量 人而没有人选择小汽车交通这是因为该居住小区位于该小区内居民步行上下班即可也与实际情况相符 因此模型还是能比较好的符合实际情形的从而推测所得到的优化方案是较为合理的 结论()本文对城市封闭小区开放决策优化的问题进行了分析 封闭小区适度开放有利于车流的微循环减少车流和行人的绕行减少车流拥堵和行人机动车的相互干扰()从有利于减少出行时间目标出发并考虑小区开放建设成本以现有出入口和备选出入口是否对外部车辆或行人开放作为决策变量步行和小汽车出行方式选择及路径选择联合用户均衡模型作为下层模型建立了封闭小区开放决策优化的双层规划模型()以一个实例进行了验证交通微循环设置并进行方案优化后总的时间花费减少了约 从而证明本文提出的模型和算法是有实际工程应用价值的参考文献:中共中央 国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见/.:/./.:/.:.:./.:()().:.:./.山 东 科 学 年 .:.:.:./.:.():.:./.?.():.:./.:.:.:./.:.:.:.:./.():.:./.:.:.:./.王炜 王建 华雪东 等.基于网络交通分配方法族谱的交通分配一体化技术与工程应用.交通运输系统工程与信息 ():.:./.