网元可变的城市道路离散路网设计问题研究

新建道路在改变出行者路径选择的同时也改变了相交道路的交叉口间距、信号灯配时等属性，路网组成单元阻抗也由此改变。路网设计诡异现象分析中应考虑这一变化，并应将其引入到离散路网设计模型中，以便在路网设计阶段就尽可能避免诡异现象的发生。本项目按此思路，围绕可反映多种因素影响的网元广义通行能力理论、因素影响分析与获取方法、引入主要因素影响的离散路网设计模型与算法等方面开展研究工作。 研究以城市地面道路路段和下游交叉口为一个城市道路网元，将网元广义通行能力定义为广义流密速模型下道路单位时空空间内所能容纳的最大车公里数。研发了视频与GPS相结合的全样本车辆行驶轨迹数据采集方法与系统，利用采集的数据对比分析了广义通行能力与传统断面通行能力的差异，指出传统断面通行能力难以反映网元内多种因素的影响，对于城市地面道路不具有代表性。进一步利用全样本车辆行驶轨迹数据改进了既有等效通行能力观测方法，指出：将行程车速分为停车与不停车两部分进行分别估计，并将跟车抽样率控制在5~13%时，可以较为准确地获取网元广义通行能力。 人工实测广义通行能力需要耗费大量的人力物力。研究一方面采用理论分析与现场调查相结合的方法，分析了交叉口间距、信号灯配时、机非分隔形式、路边开发强度和大车混入率等因素对广义通行能力的影响，给出了可快速获得广义通行能力的参数修正方法，也为在路网设计问题中引入更多因素的影响奠定了基础；另一方面，也充分利用大数据环境下网元行程车速获取已具有较好基础这一前提，研究提出了一种基于路网拓扑关系的网络流量推算与检测器布设方法——虚拟封闭环式检测器布设方法，证明了这一布设方法可以有限的检测器布设数量唯一地获取路网内所有网元的流量，可解决城市路网流量检测难以覆盖全部网元的困局。 研究进一步将交叉口间距、信号灯配时两个对网元广义通行能力影响最大的因素引入到离散路网设计问题中。将路网设计诡异现象分为效率诡异现象和容量诡异现象两部分进行分析，分析结果表明：在考虑了交叉口间距因素影响后，两种诡异现象出现的可能性显著增加。研究也给出了两种诡异现象出现的情境与条件。在诡异现象分析的基础上，研究建立了可考虑交叉口间距、信号灯配时两因素影响的离散路网设计模型，并将容量诡异发生的条件作为上层规划的约束条件引入到模型中，从而实现了在路网设计阶段对两类诡异现象的有效控制。最后，给出了模型求解的模拟退火遗传算法。 2100433B

新建道路有时反而会带来网络运行效率的降低，这是在离散路网设计问题中存在的著名的诡异现象。已有研究将这种诡异现象归因于出行者追求自身利益最大化的路径选择行为，而很少考虑新建道路对原有道路组成和属性的影响。事实上，新建道路后，原有网络组成单元的数量和基本属性（交叉口间距、信号灯配时等）都会发生变化，忽视这一变化会带来对新建道路效果的高估和对诡异现象出现可能性的低估。本课题的目的在于将新建道路对原有道路组成和属性的影响引入离散路网设计中，减少或避免诡异现象的发生。研究将从系统的角度出发，将路段和其下游交叉口定义成一个道路网元，面向网元提出能够反映多种因素影响的广义交通流参数，给出新建道路对参数的影响；而后，将影响分析结果以路阻函数为载体引入离散路网设计理论，重新探讨诡异现象的发生条件，并通过可变网元的构造反映设计过程中网元数量的变化，最终给出基于可变网元的城市多目标离散路网设计模型和算法。

城市道路网由城镇管辖范围内的各种不同功能的干道和区域性道路所组成，它是城市总体规划布局的骨架，可为各种交通工具提供安全、迅速、经济、舒适的行驶条件。城市道路对于城市的通风、日照、绿化、排水、公用事业管线敷设和建筑面貌等多方面起着重要作用，在城市总体规划中，必须合理解决好道路网布局。

路网形式：城市道路网的形成和发展都与该城市政治、经济、生产、生活的发展史有关。中国各大城市道路网的规划和建设有悠久的历史，如著名的六大古城：西安、洛阳、开封、南京、杭州和北京，均有详尽的规划。北京远在2200多年前战国时期的燕国迁都于此，金、元、明、清均在此建都。从元代起，全城以紫禁城（即故宫）居中，贯穿南北的中轴线,长达8公里。城内外形成了完整的道路系统,大都采用轴线对称的方格网式,也称棋盘式，东西南北方向明确，并配合有很好的排水和绿化。这种城市道路网的规划设计传统手法，一直沿用到近代，成为中国道路网规划的一种典型图式，如北京、西安等城市道路网。方格网式的优点是街坊整齐，便于布置建筑，也易于识别方向，交通组织简便，不会形成复杂交叉口，不会造成市中心交通压力过重。缺点是对每两点间的交通必须绕行一定的路程，地形起伏复杂时难以适用，交叉口多，影响行车通畅。一些沿河沿海的城市顺应地形，往往形成了不规则的棋盘式道路网。

世界各国城市道路网的发展均与工业的发展、城市人口的集中、交通运输量和交通工具的发展有关。根据自然条件和交通组织选取路网结构形式，以及决定干道、环道、放射道路和联络道路的配备与衔接。放射环式已为目前世界各大城市所采用，如莫斯科、巴黎、柏林及北京郊区等的道路网均是。优点是市中心与郊区和各区间有短捷的交通联系。干道与次要道路分工明确。缺点是道路交叉多成锐角，有多条道路交于一点，增加组织管理交通的困难，街坊形状不规则，影响建筑布置。

此外，还有自由式和混合式。自由式随河流、海岸依地形形成，如中国青岛市道路网。混合式是几种形式混合使用，如美国华盛顿市道路网。

离散元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法。该方法把节理岩体视为由离散的岩块和岩块间的节理面所组成,允许岩块平移、转动和变形,而节理面可被压缩、分离或滑动。因此,岩体被看作一种不连续的离散介质。其内部可存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离,从而可以较真实地模拟节理岩体中的非线性大变形特征。离散元法的一般求解过程为:将求解空间离散为离散元单元阵,并根据实际问题用合理的连接元件将相邻两单元连接起来;单元间相对位移是基本变量,由力与相对位移的关系可得到两单元间法向和切向的作用力;对单元在各个方向上与其它单元间的作用力以及其它物理场对单元作用所引起的外力求合力和合力矩,根据牛顿运动第二定律可以求得单元的加速度;对其进行时间积分,进而得到单元的速度和位移。从而得到所有单元在任意时刻的速度、加速度、角速度、线位移和转角等物理量。

离散元技术在岩土、矿冶、农业、食品、化工、制药和环境等领域有广泛地应用，可分为分选、凝聚、混合、装填和压制、推铲、储运、粉碎、爆破、流态化等过程。颗粒离散元法在上述领域均有不少应用：料仓卸料过程的模拟；堆积、装填和压制；颗粒混合过程的模拟。离散元法在岩土工程、地质工程和能源开采领域也具有广泛的应用价值。