1、交通网络与交通建模交通网络与交通建模第一节第一节 基本概念基本概念第二节第二节 交通小区划分交通小区划分第三节第三节 交通网络与线路布局交通网络与线路布局第四节第四节 交通网络的数学模型交通网络的数学模型第五节第五节 交通建模与决策交通建模与决策基本概念基本概念1出行（Trip）甲地乙地Trip人有目的进行的由特定的出发地点（起点，Origin）到目的地（终点，Destination）的单方向的移动。出行目的：上班、上学、下班、放学、生活、娱乐、公务 等等。出行端点（Trip end）：对应于出行的两个端点即起点和 终点。方式出行（Unlinked trip）：每一个利用不同的交通方式 所进行
2、的移动。目的出行（Linked trip）：不考虑所使用的交通方式，只 考虑从起点到终点的移动。基于家庭的出行(Home Base) ：自家、朋友家;非基于家庭的出行(Non Home Base)：宾馆、饭店、单位、 车站、商场等等。代表交通方式：在所用的多个交通方式中最主要的交通方式或在一个目的出行中所使用的最长距离的交通方式。工作单位家宾馆第一出行：工作地铁第二出行：业务出租第三出行：回家公共汽车 工作：地铁；会议：出租；接客人：出租；返回：出租；送客：出租；回家：公共汽车。某人的出行例：工作业务回家2. 出行目的(Trip Purpose)：上班、上学、购物、娱乐、观光、业务、回家等。3
3、. 出行距离(Trip Distance) ：某车辆一次出行的 行 驶距离。 平均出行距离(Average trip Distance)：某对象地区或调查路线（路段）利用车辆出行距离的平均值。4.当量交通量（pcu-Passenger Car Unit）：将实际车辆数换算为轿车数后的交通量；5.道路通行能力（Road Traffic Capacity）：在一定道路和交通条件下，一定时间内能通过道路某截面的最大车辆数。pcu/h，pcu/12h， pcu/24h；6.交通拥挤度（Degree of Traffic Congestion）：某截面的实际交通量与其通行能力之比；7.行车速度（Trav
4、el Speed）、平均行驶速度（Mean of Travel Speed）以及包括停车时间在内的区间平均行驶速度（km/h）。交通网络的一些概念交通网络的一些概念通常，我们把交通网络用一个拓扑图来表示，也就是一系列的节点集合和弧的集合。交通网络中的节点代表路口、车站或者区域中心等，而弧则表示连接节点之间的道路或者交通方式，因此交通网络中的弧也可以被称为路段。 交通网络图一般都是有向图。 在交通网络中一般不会包括平行弧和环弧。对于交通网络来说，路段具有很多不同的特性，包括：路段长度；路段费用；路段能力（最大承受交通流量）；在这个简单的交通网络中，有一个起点A，两个终点B和C。五条路段，四个内部
5、节点，五条路径。 路径表示从起点到终点的一系列节点以及连接这些节点的路段的集合 环路表示起点和终点为同一个节点的路径 树表示在网络中的每一个节点只能被访问（或者到达）一次 一种比较简单的网络拓扑为线性交通网络，比如对于高速公路网、主干线网、铁路网、航空网等。在这种网络结构中，可以有很多的起点和终点，不过在起点终点之间，不存在路径的选择问题。 另外一种网络是一种格状网络，一般情况下，城市交通网络就属于这种网络结构。在这种交通网络中，不仅仅包含很多的起点和终点，而且在每一对起点终点之间都有很多条路径供出行者选择。 城市交通中的交叉口的结构 简单方法如果将交叉口的节点展开，例如将丁字路口展成6个节点
6、，6条弧；十字路口可展成8个节点，12条弧，这样，路网中的交叉口及路段的费用都可以弧的阻抗函数出现，若某路口禁止车辆左转弯，或某路段的一个方向禁止某种车辆通行，则将相应弧上的阻抗定义为无穷大。 在公交网络中，节点用来表示出行的起点、公交线路站点、转乘枢纽站等，弧则表示公交线路路段（用实线表示）和出行人步行路段（一般用虚线表示）。 第二节第二节 交通小区划分交通小区划分交通小区分区遵照以下原则交通小区分区遵照以下原则 1.1.现有统计数据采集的方便性。现有统计数据采集的方便性。 2.2.均匀性和由中心向外逐渐增大。均匀性和由中心向外逐渐增大。 3.3.充分利用自然障碍物。充分利用自然障碍物。 4
7、.4.包含高速公路匝道、车站、枢纽。包含高速公路匝道、车站、枢纽。 5.5.考虑土地利用。考虑土地利用。 交通小区划分的一例交通小区划分的一例 第三节第三节 交通网络与线路布局交通网络与线路布局城市交通网络基本形式城市交通网络基本形式 方格网式方格网式带状带状放射状放射状环形放射状环形放射状自由式自由式 1. 1. 方格网式方格网式 优点：优点：各部分的可达性均等，秩序性和方向感较好，易于辨别，网络可靠性较高，有利于城市用地的划分和建筑的布置。缺点：缺点：网络空间形式简单、对角线方向交通的直线系数较小。 2. 带状带状 带状交通网是由一条或几条主要的交通线路沿带带状交通网是由一条或几条主要的交
8、通线路沿带状轴向延伸，并且与一些相垂直的次级交通线路状轴向延伸，并且与一些相垂直的次级交通线路组成类似方格状的交通网。组成类似方格状的交通网。城市的土地利用布局沿着交通轴线方向延伸并接城市的土地利用布局沿着交通轴线方向延伸并接近自然，对地形、水系等条件适应性较好。近自然，对地形、水系等条件适应性较好。 3. 3. 放射状放射状 放射状交通网络常被用于连接主城与卫星城之间放射状交通网络常被用于连接主城与卫星城之间 4. 4. 环形放射状环形放射状 以放射状交通线路承担内外出行，并连接主城与卫以放射状交通线路承担内外出行，并连接主城与卫星城；星城；环形交通网承担区与区之间或过境出行，连接卫星环形交
9、通网承担区与区之间或过境出行，连接卫星城之间，减少卫星城之间的出行穿越主城中心。城之间，减少卫星城之间的出行穿越主城中心。 5. 5. 自由式自由式 该形式的路网结构多为因地形、水系或其它条件限该形式的路网结构多为因地形、水系或其它条件限制而使道路自由布置，因此其优点是较好地满足地制而使道路自由布置，因此其优点是较好地满足地形、水系及其它限制条件。缺点是无秩序、区别性形、水系及其它限制条件。缺点是无秩序、区别性差，同时道路交叉口易形成畸形交叉。差，同时道路交叉口易形成畸形交叉。 城市交通网络型式与城市类型城市交通网络型式与城市类型 城市规模与路网型式 城市性质与路网型式 城市在区域交通网中的位
10、置与路网型式 城市发展形态结构与路网型式中央组团式、分散组团式、带状、棋盘式和自由式 （1 1）道路网密度）道路网密度( (km/kmkm/km2 2) ) 单位城市用地面积内道路的长度，表示区域中单位城市用地面积内道路的长度，表示区域中道路网的疏密程度。道路网的疏密程度。道路网密度道路网密度( (km/kmkm/km2 2)=)=城市建成区内道路总长城市建成区内道路总长( (km)/km)/城市建成区用地面积城市建成区用地面积( (kmkm2 2) ) 一是我国经济基础薄弱、资金不足和政策导向等，致使城市基础设施条件非常薄弱，建设水平低。二是从城市结构布局看，我国的城市多为用地紧凑、人口高度
11、密集型城市，道路用地也受到很大程度的限制。 城市交通网络布局的评价指标城市交通网络布局的评价指标（2 2）干道网间距）干道网间距( (km)km) 两条干道之间的间隔，对道路网密度起到决定作用。两条干道之间的间隔，对道路网密度起到决定作用。 荷兰规定干道间隔为8001000m； 美国为1/22英里； 丹麦哥本哈根为700m； 德国慕尼黑为7001000 m； 英国道路多采用区域自动化控制，道路间距以250700 m为宜； 日本没有规定干道间隔的具体数值。 交通流的连续性。交通流的连续性。为了保持车辆行驶效率、提高道路的通行能力，以次干道间距不小于300m，主干道间距不小于600m为宜。 城市用
12、地。城市用地。对于特大城市和大城市中心区，以次干道间距为300400m，主干道间距为600800m为宜。对于城市工业区及城市边缘地区，由于交通量较小，干道间距可以适当增大，以次干道间距为500600m，主干道间距为10001200m为宜。 （3）路网结构路网结构 指城市快速路、主干道、次干道、支路在长度上的指城市快速路、主干道、次干道、支路在长度上的比例，衡量道路网的结构合理性。比例，衡量道路网的结构合理性。道路的交通结构应该为道路的交通结构应该为“塔塔”字型，即城市快速路字型，即城市快速路的比例最小、按照城市快速路、主干道、次干道、的比例最小、按照城市快速路、主干道、次干道、支路的顺序比例逐
13、渐增高。支路的顺序比例逐渐增高。比例值分别推荐为比例值分别推荐为5%5%、272730%30%、32%32%和和333336%36%。 （4）道路面积率（道路面积率（% %） 道路用地道路用地( (S1)S1)面积占城市建设用地面积的比例。面积占城市建设用地面积的比例。我国国家标准城市用地分类与规划建设用地标我国国家标准城市用地分类与规划建设用地标准中，要求道路广场用地准中，要求道路广场用地( (S)S)占城市建设用地的占城市建设用地的比例为比例为8 815%15%。为了适应大城市交通发展的需要，建议将我国的为了适应大城市交通发展的需要，建议将我国的城市道路面积率调整到城市道路面积率调整到10
14、1030%30%较为合适。较为合适。 （5 5）人均道路面积）人均道路面积( (m m2 2/ /人人) )指城市居民人均占有的道路面积。指城市居民人均占有的道路面积。我国国家标准城市用地分类与规划建设用地标准我国国家标准城市用地分类与规划建设用地标准中，给出了道路广场用地为中，给出了道路广场用地为7 715 15 m m2 2/ /人。人。大城市的人均道路用地面积指标也应该相应提高。大城市的人均道路用地面积指标也应该相应提高。 （6）道路网的可达性道路网的可达性( (accessibility) ) 指所有交通小区中心到达道路网最短距离的平均值。指所有交通小区中心到达道路网最短距离的平均值。
15、该指标值越小，说明其可达性越好，路网密度越大。该指标值越小，说明其可达性越好，路网密度越大。 N Nz z为交通小区数；为交通小区数；L Li i为为i i交通小区到道路网的最短距离。交通小区到道路网的最短距离。 （7 7）道路网连接度）道路网连接度 指道路网中路段之间的连接程度。指道路网中路段之间的连接程度。 M M为道路网中路段数；为道路网中路段数；N N为道路网的节点数。为道路网的节点数。 第四节第四节 交通网络的拓扑建模交通网络的拓扑建模 网络都是由点集和与此连接的线组成。网络都是由点集和与此连接的线组成。点的集合称为节点点的集合称为节点(node)集集，用表示；用表示；连接节点的线段
16、的集合称为路段集，用表示；连接节点的线段的集合称为路段集，用表示；在交通网络中，节点集包括发生节点集、吸引在交通网络中，节点集包括发生节点集、吸引节点集和交叉口之类的交汇节点等。节点集和交叉口之类的交汇节点等。发生、吸引节点表示交通小区人口密集或政府行政发生、吸引节点表示交通小区人口密集或政府行政机关的集中的地点。机关的集中的地点。这些发生、吸引节点对与这些发生、吸引节点对与rs对应，并称之为对应，并称之为OD对。对。 道路交通网络示意图道路交通网络示意图 单向箭头表示单向通行道路，其余路段表示双单向箭头表示单向通行道路，其余路段表示双向通行；向通行；虚线代表高速公路匝道或假想路段；虚线代表高
17、速公路匝道或假想路段；代表节点；代表节点；代表发生、吸引点。代表发生、吸引点。 道路铁路123456789101112131415161718192021222324轨道和道路共存的实际交通网络轨道和道路共存的实际交通网络 数字数字1和和2表示铁路车站；表示铁路车站；数字数字324表示道路交叉口；表示道路交叉口；轨道交通线路与道路网之间在车站处用虚线连接（路段轨道交通线路与道路网之间在车站处用虚线连接（路段1-3）。）。 网络拓扑关系和属性数据库网络拓扑关系和属性数据库 路段号起点终点长度(km)车道数道路名1350.204胜利南街2560.154胜利南街36130.224胜利南街413140
18、.114胜利南街53210.404胜利南街621240.184胜利南街7980.254和平东路8870.254和平东路9760.084和平东路106170.504和平西路路段径路连接矩阵是交通需求预测中表示网路段径路连接矩阵是交通需求预测中表示网络流拓扑关系的重要概念。络流拓扑关系的重要概念。 学院南路学院南路西三环西三环西二环西二环莲花池东路莲花池东路明光桥西直门官园桥阜成门复兴门为公桥紫竹桥花园桥航天桥公主坟六里桥西便门北京交通大学北京西客站学院南路学院南路西三环西三环西二环西二环莲花池东路莲花池东路大柳树大柳树交大东门交大东门魏公村魏公村民族大学民族大学白石桥白石桥展览馆展览馆西直门西直
19、门明光村明光村白云观白云观动物园动物园紫竹桥紫竹桥四道口四道口展览路展览路航天桥航天桥六里桥六里桥钓鱼台钓鱼台木樨桥木樨桥北京交大北京交大特6, 105, 320,727特6,105,319,320,645,727105,319,601特6,320,727特6,65,320,727特6,727特6,319,702,72716,103,64516,601,645,65116,26,103,319,64516,26,10316,26,103,10516,26,105,601,65126,103,65126,105,60126,65,31926,319103103103103103,601,6511
20、03,601,651319,64565,105,319,601特6, 320,645,72764564560165,32065,320,特6, 320,72765702702663公交车站交叉口皂君庙皂君庙北京西站北京西站第五节第五节 交通建模与决策交通建模与决策模型及其作用模型及其作用模型模型：对现实世界即建模者感兴趣的系统的一种对现实世界即建模者感兴趣的系统的一种简化描述，它集中了从某一视角分析该系统所简化描述，它集中了从某一视角分析该系统所涉及的主要要素。涉及的主要要素。模型分类模型分类物理模型物理模型(如基于设计的建筑或流体力学模型如基于设计的建筑或流体力学模型)；抽象模型抽象模型(如
21、人文语言模型，数学模型如人文语言模型，数学模型)。 数学模型数学模型 通过数学方程重构通过数学方程重构(复制复制)系统及系统行为。系统及系统行为。 数学模型属性数学模型属性 结构结构(目标与约束目标与约束)，参数，解域等。，参数，解域等。交通问题的特点交通问题的特点交通需求的特性交通需求的特性-衍生的需求的需求(1)需求的高度数量化和分散化需求的高度数量化和分散化(2)交通需求具有特定空间分布交通需求具有特定空间分布(3)交通需求与供给具有强烈的动态特性交通需求与供给具有强烈的动态特性交通供给特性交通供给特性-服务设施服务设施 (1)服务特性服务特性 (2)整体特性整体特性 (3)建设周期长建
22、设周期长 (4)政治意义政治意义 (5)经济与社会属性复杂经济与社会属性复杂交通供给中的交通供给中的拥挤拥挤问题问题 拥挤概念的相对性拥挤概念的相对性 拥挤的外部效果拥挤的外部效果拥挤的外部效果拥挤的外部效果0 02 24 46 68 810101212141416160 0101020203030404050506060707080809090100100流量流量单位出行时间单位出行时间供需平衡理论供需平衡理论 一一 T和和A的关系的关系lTTransportation System 运输系统运输系统lAActivity System 活动系统活动系统lFFlow 流（流的大小流（流的大小、
23、方向方向、类型）类型） F=(A,T) F取决于和取决于和 A(F) 的模式随时间的变的模式随时间的变 化化 可改变，既影响可改变，既影响 (F) 的模式在一定时间内的模式在一定时间内 将会引起的变化将会引起的变化 FTA321123Transportation Demand1 定义：一定时期社会经济活动所产生的定义：一定时期社会经济活动所产生的 旅客货物的空间位移的需要旅客货物的空间位移的需要2 度量：客运量度量：客运量、货运量货运量、交通量交通量、客运周客运周 转量转量、货运周转量货运周转量3 来源：社会经济活动来源：社会经济活动4 特征：派生特征：派生(次生次生) 人的行为模式人的行为模
24、式 个人的选择个人的选择 （生活方式生活方式) 活动的模式活动的模式 活动的位置活动的位置 出行的方式出行的方式 （旅客出行）（旅客出行）企业的行为模式企业的行为模式 企业的选择（公司发展企业的选择（公司发展,利润发展）利润发展） 活动的模式（与产品生产、销售，市场有关）活动的模式（与产品生产、销售，市场有关） 活动的场地（生产地，市场）活动的场地（生产地，市场） 运输的方式（货运，货流）运输的方式（货运，货流） 6 需求与运输量之间的关系需求与运输量之间的关系l需求是潜在的运输量需求是潜在的运输量l运输量是实现了的需求运输量是实现了的需求需求函数需求函数lV=D(A,S) V需求需求 A活动
25、系统活动系统 S运输服务（供应）运输服务（供应） 分析：分析：D A的相关性的相关性 需求的结构需求的结构、空间分布空间分布、时间分布，要时间分布，要 为交通规划为交通规划、交通建设交通建设、交通组织，交通控交通组织，交通控 制服务（提供框架）制服务（提供框架）调查与资料处理发生吸引的预测结果分布预测方式选择分配预测运输供应分析供需平衡分析社会经济系统规划与发展Transportation Supply1 定义：运输系统性能的表达，运输业产定义：运输系统性能的表达，运输业产 品的综合度量品的综合度量2 度量：能力度量：能力、服务水平服务水平3 来源：设备（固定设备来源：设备（固定设备、移动设备
26、），移动设备）， 运输组织运输组织4 特点：不具备实物形态，不可移动，不特点：不具备实物形态，不可移动，不 可储存可储存 运输能力与服务水平运输能力与服务水平l运输能力：在一定时期内，运输设施所能承受的运输能力：在一定时期内，运输设施所能承受的 最大的客运量（货运量或交通量）最大的客运量（货运量或交通量）l服务水平：表征运输系统服务的矢量服务水平：表征运输系统服务的矢量 速度速度、舒适性舒适性、可靠性可靠性、安全性安全性、价格价格、时间时间l在一定条件下，可用服务水平来代替能力，表示供应在一定条件下，可用服务水平来代替能力，表示供应lTSA,TDA(运输系统分析，需求分析运输系统分析，需求分析
27、)多用服务水平来表示多用服务水平来表示1) 变化特征变化特征 time 能力能力 服务服务 四四 运输供需平衡运输供需平衡lV=D(A,S)lS=J(T,V)lF=f(A,T)=f(V,S)供需平衡实例供需平衡实例 收入增加收入增加 轿车拥有量增加轿车拥有量增加 轿车吸引力增加轿车吸引力增加 公交车需求降低公交车需求降低 拥挤与延误增加拥挤与延误增加 公交车频率降低公交车频率降低 提高公交车票价提高公交车票价 每辆公交车运营里程降低每辆公交车运营里程降低 公交车运营费用增加公交车运营费用增加轿车与公交发展恶性循环轿车与公交发展恶性循环供需平衡实例供需平衡实例 收入增加收入增加 轿车拥有量增加轿
28、车拥有量增加 轿车限制轿车限制 轿车吸引力增加轿车吸引力增加 问题问题? 公交车需求降低公交车需求降低 拥挤与延误增加拥挤与延误增加 公交车频率降低公交车频率降低 补贴补贴 公交优先公交优先 提高公交车票价提高公交车票价 每辆公交车运营里程降低每辆公交车运营里程降低 公交车运营费用增加公交车运营费用增加打破轿车与公交发展恶性循环打破轿车与公交发展恶性循环交通建模问题交通建模问题模型结构模型结构 首先要分析有无可能以简单的结构来描述首先要分析有无可能以简单的结构来描述所要研究的系统，例如，能否假定所有方案是独立所要研究的系统，例如，能否假定所有方案是独立的？或者有无可能建立一种较为复杂的模型，它
29、可的？或者有无可能建立一种较为复杂的模型，它可以计算出一个方案选择的条件概率？以计算出一个方案选择的条件概率？函数形式函数形式 能否用线性形式或问题是否要推出更复杂能否用线性形式或问题是否要推出更复杂的非线性形式？非线性形式可能能更准确地描述对的非线性形式？非线性形式可能能更准确地描述对象系统，但其模型的确定和使用过程中需要更多的象系统，但其模型的确定和使用过程中需要更多的资源和更高的技巧。资源和更高的技巧。参数确定参数确定 这是不可回避的问题，包括使用哪些参数、这是不可回避的问题，包括使用哪些参数、它们以何种形式出现在模型中等。它们以何种形式出现在模型中等。经典运输模型的结构经典运输模型的结
30、构 小区网络建立小区网络建立 基础年数据收集基础年数据收集 未来规划数据未来规划数据基础年数据库基础年数据库出行发生出行发生 Trip generation 出行分布出行分布 Trip distribution 方式选择方式选择 Modal split 网络分配网络分配 Network traffic assignment 评评 价价 Appraisal理论与实践间的差距理论与实践间的差距促进理论与实际结合的要点：(1)(1)保证理论模型有稳定的结果保证理论模型有稳定的结果(2)(2)保证一致性保证一致性 使用经过验证的模型使用经过验证的模型(3)(3)相信预测相信预测 变化难免变化难免(4)
31、(4)了解模型特性并寻求改善算法了解模型特性并寻求改善算法 (5)(5)更好地了解哪些可以假定不变、哪些可以作更好地了解哪些可以假定不变、哪些可以作为作为决策变量和分析变量为作为决策变量和分析变量 得出条件预测结论得出条件预测结论理论模型的困难实际工作者常常会放弃使用更好理论模型的努实际工作者常常会放弃使用更好理论模型的努力，其原因是：力，其原因是：(1)(1)太复杂太复杂(2)(2)理论模型所需要的数据没有或很难收集理论模型所需要的数据没有或很难收集(3)(3)采用实际矩阵比用出行行为模型更容易采用实际矩阵比用出行行为模型更容易(4)(4)理论模型不能标定到分析某些计划所需的详理论模型不能标定到分析某些计划所需的详 细水平细水平(5)(5)对大多数问题最好采用相同模型，因为这样做对大多数问题最好采用相同模型，因为这样做 可以保证评价方法的一致性可以保证评价方法的一致性问题？问题？
