基于自组织临界性的城市交通路网承载力计算方法研究

摘要

城市交通路网是交通的承担者，是出行的载体，是城市交通正常运行的核心支撑。随着城市交通供需矛盾的深化，引发的交通拥堵等问题日益成为社会关注的焦点。路网承载力决定着路网可承载的交通数量与运行质量，不仅是城市交通拥堵治理和需求管理的重要支撑，也是路网规划与设计的决策指标。应用自组织方法分析路网状态变化规律，建立和完善路网承载力理论研究体系与挖掘更优的路网承载力计算方法，具有重要的现实意义。
　　本文在国内外学者相关研究成果的基础上，应用自组织临界性理论阐明路网承载力定义;深入研究路网状态分级方法与路网状态变化规律，探究路网自组织临界态的阈值计算方法，并构建在路网自组织临界态约束下的路网承载力计算模型。具体研究内容如下:
　　首先，借鉴并分析了自组织临界现象典型示例沙堆模型的演化机制，在系统地梳理自组织临界性的基本概念与主要特点的基础上，详细阐释了路网自组织临界性特征和路网自组织临界态的形成，明晰了路网承载力定义。
　　其次，提出确定路网状态分级和分级阈值的方法，并构建路网自组织临界态的阈值计算模型。基于交通流数据应用模糊C-均值聚类算法得到城市快速路路网状态的分级和分级阈值，同时应用统计分析方法确定城市非快速路路网状态的分级和分级阈值;然后综合两类路网状态分级研究结果，根据快速路、非快速路的路段车道长度在路段车道总长度中的占比构建路网状态分级阈值的计算模型，并将路网状态划分为畅通态、轻度拥挤态、拥挤态和堵塞态4种状态;接着基于路网自组织临界性研究路网状态变化规律，界定了路网拥挤态与堵塞态的临界点即为路网自组织临界态，最后给出路网自组织临界态的阈值计算模型。
　　再次，构建以路网自组织临界态为约束的路网承载力计算模型。针对城市快速路、非快速路路段特点，推导并构建路段交通量变化量-交通密度模型，其中对非快速路路段分别建立上游信控-下游信控、上游信控-下游无信控和上游无信控-下游信控的交通量变化量-交通密度模型;再将路段模型扩展为路网层面的交通量变化量-交通密度模型，以计算不同时刻下路网各路段的交通密度;进一步建立路网交通密度计算模型，通过对比由该模型计算所得的路网交通密度与路网自组织临界态阈值，验证是否达到路网自组织临界态;最后，在路网自组织临界态的约束下，考虑车道长度和各路段的交通密度，构建路网承载力计算模型。
　　最后，以北京市知春路片区为例，进行仿真实验与实证研究。结合实验路网的实际调研数据，计算该路网自组织临界态阈值;根据VISSIM仿真结果和MATLAB求解得到路网自组织临界态下各路段的交通密度，应用路网承载力计算模型计算知春路片区的路网承载力，并与传统时空耗散法计算得到的路网承载力结果进行对比，分析方法的差异与优劣，验证本文研究方法的可行性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1研究背景与研究意义

1．1．1研究背景

1．1．2研究意义

1．2研究综述

1．2．1国外研究综述

1．2．2国内研究综述

1．2．3研究综述总结

1．3研究内容及框架

1．3．1研究内容

1．3．2技术路线

2基于自组织临界性的路网承载力分析

2．1自组织临界性介绍

2．1．1基本概念

2．1．2主要特点

2．2路网自组织临界性

2．2．1路网自组织性

2．2．2路网临界性

2．2．3路网自组织临界态

2．3路网承载力定义

2．4本章小结

3路网自组织临界态的阈值研究

3．1本章研究思路

3．2基于FCM算法的快速路路网状态分级研究

3．2．1算法基本原理

3．2．2算法设计与评价

3．2．3数据介绍与处理

3．2．4快速路路网状态分级

3．3基于统计分析法的非快速路路网状态分级研究

3．3．1视频观测样本量确定

3．3．2路段交通参数调查

3．3．3非快速路路网状态分级

3．4路网自组织临界态的阈值计算模型

3．4．1路网状态分级与分级阈值

3．4．2路网自组织临界态阈值

3．5本章小结

4自组织临界态下的路网承载力模型构建

4．1 建模思路

4．1．1路段状态与路网状态作用关系

4．1．2交通量变化量与交通密度作用关系

4．2快速路交通量变化量-交通密度模型

4．3 非快速路交通量变化量-交通密度模型

4．3．1单个路段建模

4．3．2路网建模

4．4自组织临界态下的路网承载力模型

4．4．1自组织临界态判定方法

4．4．2路网交通密度建模

4．4．3路网承载力建模

4．5本章小结

5实例应用与验证

5．1实验路网选取

5．2调研仪器与调研设计

5．2．1调研仪器

5．2．2调研设计与实现

5．2．3实验路网自组织l临界态阈值

5．3．VISSIM仿真实现

5．3．1仿真假设

5．3．2仿真模型设计

5．3．3仿真参数标定

5．3．4仿真有效性分析

5．4模型求解与结果分析

5．4．1 VISSIM仿真结果分析

5．4．2 MATLAB求解结果分析

5．5研究方法对比分析

5．5．1传统时空耗散法求解

5．5．2方法与结果对比分析

5．6本章小结

6．1主要工作及结论

6．2后续研究及展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集