CN108755309A - 基于功能的城市道路新建路网的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于城市道路设计技术领域，公开了一种基于功能的城市道路新建路网的设计方法，将路段单元细化为车道单元，考虑土地利用性质、接入口以及车辆变道行为对路段单元功能的影响，构建路段单元通过功能可靠度的数学模型；将交叉口单元细化为车道组单元，考虑车道数等因素，构建交叉口单元交通功能可靠度和交叉口单元集散功能可靠度的数学模型，将系统功能与系统可靠度相结合，提出基于功能的城市道路新建路网的设计方法，从而弥补了城市路网设计阶段对系统可靠度的理论依托不足的缺点。

Description

基于功能的城市道路新建路网的设计方法

技术领域

本发明属于城市道路设计技术领域，涉及一种基于功能的城市道路新建路网的设计方法。

背景技术

城市道路网络系统是城市的骨架和命脉，承载着出行者的各种行为活动，是保障城市各项功能正常运转、维护社会经济稳步发展的基础和前提。城市道路网络系统作为复杂系统，具备多种功能，如快速通行功能、交通功能、集散功能、生活功能/服务功能。

《城市道路交叉口规划规范》(GB50647-2011)明确了各等级道路交叉口的功能，功能亦逐渐成为城市道路交叉口设计的重要目标。李克平等基于交通岛和导行线设计，探讨了交叉口规划设计的精细化。谭智斌等提出复合交叉口的渠化设计方案，运用仿真分析评价比选方案。范文博等对交叉口进行特性分析，基于系统工程提出交叉口设计效益指标，运用层次分析法对交叉口效益进行评价。孙明正等基于机非混行情况，提出交叉口空间设计思路和流程。余启航等分析了快速路和主干路、支路和主干路等的交叉口设计。Stamatiadis等考虑功能的影响，提出一个多交通方式、多区域灵活的设计方法，其中多交通方式包括机动车、非机动车和行人，多区域包括城市核心、城市、郊区、城镇和乡村。这些学者尽管意识到了功能的重要性，但由于规划设计的相关规范中的各功能均未有具体明确的内涵界定，往往导致在工程实践中难以进行落实，功能的理念难以贯穿城市道路的整个设计过程，使得两侧土地利用性质、交叉口间距和信号控制、接入口管理等因素在运行阶段影响或者制约道路功能的发挥。

城市道路网络设计时对系统可靠度的理论的依托不足，功能分类也仅体现在名称与道路宽度上，难以落实在具体的设计过程中。因此，需要采用系统可靠性分析的方法对城市道路网络进行预定功能概率测度的研究，以及道路单元(路段和交叉)对路网系统进行预定功能概率影响的研究。尽管将可靠性理论应用于交通系统分析已经逐渐引起重视，但现状主要集中于连通可靠度、行程时间可靠度等。故有必要对道路功能进行明确、具体的描述，将系统功能与系统可靠度相结合，使基于功能的城市道路网络设计更具可实施性和可推荐性，以期成为城市道路网络设计方案比选和决策的重要量化指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于功能的城市道路新建路网的设计方法，将系统功能与系统可靠度相结合，弥补了城市路网设计阶段对系统可靠度的理论依托不足的缺点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于功能的城市新建路网的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：采用四阶段交通需求预测方法对城市路网进行交通流量分配，得到主干路中路段单元和交叉口单元的交通流量；

步骤2：依据各等级道路的设计通行能力，初步确定各路段单元的双向车道数，再依据道路断面的连续性和车道数的对称性，修正各路段单元的双向车道数；

步骤3：根据路段单元功能及交叉口单元功能的影响因素，构建路段单元的通过功能可靠度模型、交叉口单元的交通功能可靠度模型和交叉口单元集散功能可靠度模型；

步骤4：根据城市路网周边土地利用性质以及接入口合理间距，构建各路段单元不同接入口数量的设计方案，并依据路段单元的通过功能可靠度模型计算出各设计方案对应的通过功能可靠度，再计算出该城市路网中各路段单元的通过功能可靠度；

步骤5：根据车道组型式的不同，构建不同车道组型式的设计方案，并依据交叉口单元的交通功能可靠度模型和交叉口单元集散功能可靠度模型，计算不同设计方案对应的交叉口单元交通功能可靠度和集散功能可靠度，再计算出该城市路网中各交叉口单元的交通功能可靠度和集散功能可靠度；

步骤6：依据步骤4和步骤5中得出的该城市路网中各路段单元的通过功能可靠度、交叉口单元的交通功能可靠度和集散功能可靠度，采用随机模拟算法，运用RANMGG网络可靠性软件，计算该城市路网的整个路网系统的交通功能可靠度。

进一步地，每个所述路段单元由n个车道并联构成，路段单元的通过功能可靠度为路段单元的服务功能可靠度为且 的模型如下：

其中，p_i为每个路段单元中第i车道的通过功能可靠度。

进一步地，每个所述路段单元中第i车道的通过功能可靠度p_i的模型如下：

其中，α为车辆变道行为对车道通过功能的影响系数，α取0.2；

l_i为车道单元的长度；

l为路段单元的长度。

进一步地，每个所述路段单元中第i车道与接入口相衔接，且第i车道被m个接入口分隔为m+1串联子车道，每个路段单元中第i车道的通过功能可靠度p_i的模型如下：

其中，p_ik为第i车道被接入口分隔的第k子车道的通过功能可靠度，p_ik＝l_k/l，l_k为第k子车道的长度，l为路段单元的长度，l₁+l₂+...+l_k+...+l_m+1＝l。

进一步地，所述交叉口单元的交通功能可靠度为p_tra，交叉口单元的集散功能可靠度为p_dis，且p_tra+p_dis＝1，p_tra的模型如下：

其中，n为路段单元进口道单向车道数；n_a为路段单元进口道驶向同级道路车道数。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1.本发明在城市路网设计阶段，将路段单元细化为车道单元，考虑土地利用性质、接入口以及车辆变道行为对路段单元功能的影响，构建路段单元通过功能可靠度的数学模型；将交叉口单元细化为车道组单元，考虑车道数等因素，构建交叉口单元交通功能可靠度和交叉口单元集散功能可靠度的数学模型，将系统功能与系统可靠度相结合，提出基于功能的城市道路新建路网的设计方法，从而弥补了城市路网设计阶段对系统可靠度的理论依托不足的缺点。

2.本发明通过计算整个路网系统的交通功能可靠度，并与该城市实际路网系统的交通功能可靠度进行对比，得出新的路网设计方案无论进口道是否拓宽，路网系统的交通功能可靠度均有很大改善；另外，采用蒙特卡罗模拟算法，运用RANMGG网络可靠性软件，进行路段单元通过功能重要度和交叉口单元交通功能重要度的计算，可知进口道拓宽可提高各路段单元的通过功能重要度及各交叉口单元的交通功能重要度，这就使得基于功能的城市道路网络的设计方法更具可实施性和可推荐性，可成为城市道路网络设计方案比选和决策的重要量化指标。

附图说明

图1为本发明实施例中城市路网示意图，其中数字表示路段单元编号，方框+数字表示交叉口单元编号。

图2为本发明实施例中主干路中路段单元和交叉口单元的交通流量图。

图3为本发明实施例中确定各路段单元上的接入口位置示意图。

图4为路段单元在进道口不拓宽、拓宽情况下通过功能重要度的前后变化情况。

图5为交叉口单元在进口道不拓宽、拓宽情况下的交叉口单元交通功能重要度的前后变化情况图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限定本发明的保护范围。若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。下述实施例中的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。

城市道路网络设计的要素主要包括路段单元和交叉口单元。

路段单元功能包括通过功能和服务功能，而一些因素会使路段单元的通过功能和服务功能均有所折减。而道路周边土地利用性质是影响接入口设计的关键。本发明以主干路路段单元的通过功能的设计为主，重点考虑接入口和变道行为对通过功能的折减问题。

交叉口单元的设计重点为车道组型式。路段进口道有不同的车道组型式，包括直行和转向。同等级道路相交时，直行和转向行为均为交通功能的实现过程；不同等级道路相交时，驶向同等级道路的行为为交通功能的实现过程，驶向不同等级道路的行为为集散功能的实现过程。

在路网设计阶段，考虑路段单元的通过功能可靠度，以及交叉口单元的交通功能可靠度、集散功能可靠度，使得路网系统完成车流顺畅运转功能的概率测度，称为路网系统的交通功能可靠度。

实施例1

基于功能的城市道路新建路网的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：本发明选用某市城市路网中一块区域作为研究对象，将该区域划分为29个路段单元和35个交叉口单元，如图1所示。该区域的道路属性如表1所示。路段单元和交叉口单元均为双向，采用TransCAD建立路网时分方向建立有向路网。采用四阶段交通需求预测方法对城市路网进行交通流量分配，得到主干路中路段单元和交叉口单元的交通流量，如图2所示。

表1选用区域的道路属性

步骤2：依据各等级道路的设计通行能力，初步确定各路段单元的双向车道数。

值得说明的是，上述各等级道路的设计通行能力参照《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)，其中规定了除快速路之外的其它等级道路路段一条车道的通行能力，如表2所示。本发明选取主干路设计速度为60km/h，则单车道的设计通行能力为1400pcu/(km·ln)。次干路设计速度为40km/h。

表2除快速路之外的其它等级道路路段一条车道的通行能力

再依据道路断面的连续性和车道数的对称性(双向一般为偶数)，修正各路段单元的双向车道数，结果如表3所示。

表3各路段单元的初步确定的双向车道数及修正后的双向车道数

步骤3：根据路段单元功能及交叉口单元功能的影响因素，构建路段单元通过功能可靠度模型、交叉口单元交通功能可靠度模型和交叉口单元集散功能可靠度模型，如公式I～IV所示。

值得说明的是，本发明考虑的路段单元功能及交叉口单元功能的影响因素包括路段单元的长度、车道数、车道组型式、接入口位置和土地利用性质。

步骤4：根据城市路网周边土地利用性质以及接入口合理间距，构建不同接入口位置的设计方案，如图3所示。按照有无接入口(公式I和公式II)及接入口数量(公式I和公式III)计算各设计方案对应的通过功能可靠度，如表4～6所示，再计算出该城市路网中各路段单元的通过功能可靠度，如表7所示。

表4路段单元通过功能可靠度(单向2车道)

表5路段单元通过功能可靠度(单向3车道)

表6路段单元通过功能可靠度(单向4车道)

表7各路段单元通过功能可靠度

值得说明的是，Koepke等提出不同等级道路接入口的合理间距，主干路为91～152m(300-500ft)。美国Texas交通运输部基于停车视距，提出速度大于50km/h的道路的接入口的最小间距为130m(425ft)。故本实施例中将主干路路段单元接入口的合理间距取较大值，并取整为150m。此外，考虑道路周边土地利用性质，周边用地的道路功能需求为通过功能时，道路接入口采取禁止接入的措施。

步骤5：根据车道组型式的不同，构建不同车道组型式的设计方案，如表8～10所示。依据式IV，计算不同设计方案对应的交叉口单元交通功能可靠度和交叉口单元集散功能可靠度，再计算出该城市路网中各交叉口单元的交通功能可靠度和集散功能可靠度，如表11所示。

表8车道组型式及功能可靠度(进口道为单向2车道)

表9车道组型式及功能可靠度(进口道为单向3车道)

表10车道组型式及功能可靠度(进口道为单向4车道)

表11各交叉口单元在进道口无拓宽、拓宽情况下的交通功能可靠度和集散功能可靠度

值得说明的是，本发明依据新建路网周边的土地利用性质和交通分配流量的分布情况，确定进口道车道组型式。若直行道路周边用地的道路功能需求为通过功能时，增加直行的车道数；若垂直方向道路周边用地的道路功能需求为服务功能时，增加转向的车道数；直行方向两个相邻道路的断面流量差别较大，可增加转向的车道数，并考虑进口道是否拓宽的影响。

步骤6：依据步骤4和步骤5中得出的该城市路网中各路段单元的通过功能可靠度、交叉口单元的交通功能可靠度和集散功能可靠度，采用随机模拟算法，运用RANMGG网络可靠性软件，计算该城市路网的整个路网系统的交通功能可靠度(参见Zhao Xiangyu,WangDongwei,Yan Yadan,Gu Ziyuan.Stochastic simulation on system reliability andcomponent probabilistic importance of road work.Mathematical Problems inEngineering,2015(2015):1-5)。

一般情况下，选取整个路网系统的交通功能可靠度最大的方案作为最终设计方案，如表12所示。

表12整个路网系统的交通功能可靠度

实施例2

本实施例为对比实施例，在对路段单元接入口间距进行管理的条件下，将实施例1中得出的交叉口单元的进口道不拓宽和拓宽设计两种情况下的路网系统的交通功能可靠度，与该城市实际路网系统的交通功能可靠度进行对比，结果如表13所示。从表13中可以看出，新的路网设计方案无论进口道是否拓宽，路网系统的交通功能可靠度均有很大改善。

表13新设计路网系统的交通功能可靠度与实际路网系统交通功能可靠度对比

实施例3

本实施例为对比实施例，系统中每个单元对系统可靠度的贡献是不同的，改变某些单元的可靠度对系统可靠性会产生较大的影响，而改变另外一些单元的可靠度可能不会造成系统可靠度较大的波动。在系统可靠度理论中，一般用单元重要度来衡量单元对系统可靠度的影响程度。本发明中以单元功能重要度来表示单元功能可靠度的增益对路网系统功能可靠度的影响程度。采用蒙特卡罗模拟算法，运用RANMGG网络可靠性软件，进行路段单元通过功能重要度和交叉口单元交通功能重要度的计算。

参考图4，图4示出了路段单元在进道口不拓宽、拓宽情况下通过功能重要度的前后变化情况。从图4可以看出，进口道拓宽提高了各路段单元的通过功能重要度。

参考图5，图5示出了交叉口单元在进口道不拓宽、拓宽情况下的交通功能重要度的前后变化情况。从图5可以看出，进口道拓宽可提高各交叉口单元的交通功能重要度。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，仅仅用以解释本发明，并非限制本发明实施范围，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过置换或改变的方式轻易做出其它的实施方式，故凡在本发明的原理上所做的变化和改进等，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (5)

1.基于功能的城市道路新建路网的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采用四阶段交通需求预测方法对城市路网进行交通流量分配，得到主干路中路段单元和交叉口单元的交通流量；

步骤2：依据各等级道路的设计通行能力，初步确定各路段单元的双向车道数，再依据道路断面的连续性和车道数的对称性，修正各路段单元的双向车道数；

步骤3：根据路段单元功能及交叉口单元功能的影响因素，构建路段单元通过功能可靠度模型、交叉口单元交通功能可靠度模型和交叉口单元集散功能可靠度模型；

步骤4：根据城市路网周边土地利用性质以及接入口合理间距，构建各路段单元不同接入口数量的设计方案，并依据路段单元的通过功能可靠度模型计算出各设计方案对应的通过功能可靠度，再计算出该城市路网中各路段单元的通过功能可靠度；

步骤5：根据车道组型式的不同，构建不同车道组型式的设计方案，并依据交叉口单元的交通功能可靠度模型和交叉口单元集散功能可靠度模型，计算不同设计方案对应的交叉口单元交通功能可靠度和集散功能可靠度，计算该城市路网中各交叉口单元的交通功能可靠度和集散功能可靠度；

步骤6：依据步骤4和步骤5中得出的该城市路网中各路段单元的通过功能可靠度、交叉口单元的交通功能可靠度和集散功能可靠度，采用随机模拟算法，运用RANMGG网络可靠性软件，计算该城市路网的整个路网系统的交通功能可靠度。

2.根据权利要求1所述的基于功能的城市道路新建路网的设计方法，其特征在于，每个所述路段单元由n个车道并联构成，路段单元的通过功能可靠度为路段单元的服务功能可靠度为且 的模型如下：

其中，p_i为每个路段单元中第i车道的通过功能可靠度。

3.根据权利要求2所述的基于功能的城市新建路网的设计方法，其特征在于，每个所述路段单元中第i车道的通过功能可靠度p_i的模型如下：

其中，α为车辆变道行为对车道通过功能的影响系数，α取0.2；

l_i为车道单元的长度；

l为路段单元的长度。

4.根据权利要求2所述的基于功能的城市道路新建路网的设计方法，其特征在于，每个所述路段单元中第i车道与接入口相衔接，且第i车道被m个接入口分隔为m+1串联子车道，每个路段单元中第i车道的通过功能可靠度p_i的模型如下：

其中，p_ik为第i车道被接入口分隔的第k子车道的通过功能可靠度，p_ik＝l_k/l，l_k为第k子车道的长度，l为路段单元的长度，l₁+l₂+...+l_k+...+l_m+1＝l。

5.根据权利要求1所述的基于功能的城市道路新建路网的设计方法，其特征在于，所述交叉口单元的交通功能可靠度为p_tra，交叉口单元的集散功能可靠度为p_dis，且p_tra+p_dis＝1，p_tra的模型如下：

其中，n为路段单元进口道单向车道数；n_a为路段单元进口道驶向同级道路车道数。