交通运输/网络基础

交通运输系统具有特定的结构。道路具有长度、宽度和深度。道路的特性取决于其用途。

道路

道路是指连接两点的路径。英语单词 "road" 来自与单词 "ride" 相同的词根 - 中世纪英语 "rood" 和古英语 "rad" - 意为骑行的行为。因此，道路首先指的是从起点到终点的通行权。在城市环境中，人们通常使用 "street" 而不是 "road"，这个词来自拉丁语 "strata"，意思是铺面（可能铺在路径顶部的额外层或地层）。

现代道路通常是铺砌的，而在一些国家，未铺砌的路线被认为是小路。道路的铺砌始于历史早期。大约在公元前 2600 年，埃及人用砂岩和石灰石板建造了一条铺砌的道路，以帮助在采石场和金字塔建筑工地之间用滚轮搬运石头。罗马人和其他文明使用砖块或石头铺路，以提供更平坦、更平滑的表面，尤其是在城市地区，这使得旅行速度更快，尤其是对于有轮车辆来说。托马斯·特尔福德和约翰·迈卡德姆的创新在 19 世纪初重新定义了道路，他们使用更便宜的、更小的、碎石或集料来保持平稳的驾驶体验并允许排水。19 世纪后期，沥青（沥青）的应用进一步平滑了行驶体验。1824 年，在巴黎的香榭丽舍大道上使用了沥青块。1872 年，第一条沥青街（第五大道）在纽约铺设（归功于爱德华·德·斯梅特），但直到 19 世纪后期自行车流行起来，"良好道路运动"才开始兴起。与当时的其他车辆相比，自行车旅行对崎岖道路更加敏感。随着 20 世纪初美国汽车的普及，对高质量道路的需求激增。

20 世纪的第一条良好道路是用波特兰水泥混凝土 (PCC) 建造的。这种材料比沥青（或沥青混凝土）更硬，提供更平稳的驾驶体验。混凝土在两次大修之间的使用寿命略长于沥青，并且可以承载更大的负荷，但造价和维修成本更高。虽然美国早在 1889 年就开始用混凝土铺设城市街道，但第一条农村混凝土道路出现在密歇根州韦恩县，靠近底特律，时间是 1909 年，第一条混凝土高速公路出现在阿肯色州派恩布拉夫，时间是 1913 年。到第二年，全国已铺设了超过 2300 英里的混凝土路面。然而，在 20 世纪的剩余时间里，绝大多数道路是用沥青铺设的。一般来说，只有最重要的道路，承载最重的负荷，才会用混凝土建造。

道路通常被分类为等级制度。等级制度的顶层是高速公路，它们完全用于在其他道路之间移动车辆。高速公路是立交式的，并且实行限速，速度快，交通量大。在高速公路之下是主干道。它们可能不是立交式的，虽然通行权仍然是有限的，但不像高速公路那样限制严格，特别是在老旧道路上。它们兼具通行和接入功能。接下来是集散道路。它们更多地发挥接入功能，允许车辆从起点和终点进入网络，以及连接较小的、本地的道路，这些道路只有接入功能，并非旨在用于没有本地起点或终点的车辆的通行。本地道路设计为低速行驶，交通量相对较少。

道路的等级决定了哪个级别的政府对其进行管理。等级最高的道路通常由参与道路运营的更高级别的政府拥有、运营或至少监管（如果为私人所有）；在美国，这些道路由各个州运营。随着道路等级的下降，政府的级别通常变得越来越地方化（县级政府可能控制集散道路，城镇可能控制本地街道）。在一些国家，高速公路和其他接近等级制度顶端的道路由私人拥有和监管，作为公用事业，这些道路通常作为收费公路运营。即使是国有高速公路，在其他国家，以及美国的一些州，也由收费公路管理局作为收费公路运营。本地道路通常由相邻的业主和社区协会拥有。

道路的设计是在一些设计手册中规定的，包括美国公路与运输协会 (AASHTO) 关于街道和高速公路几何设计政策 (或绿色手册)。相关的注意事项包括道路的对齐方式、水平和垂直曲率、曲线处的超高或倾斜、厚度和路面材料、横向坡度和宽度。

高速公路

高速公路或高速公路（有时被称为快速路或快速路）是指多车道双向道路，设计为高速、自由流动、实行限速、建造标准高、主线没有交通信号灯。一些高速公路或高速公路用收费来资助，因此可能会有收费站，这些收费站要么设置在入口匝道上，要么设置在主线上。然而，在美国和英国，大多数高速公路是用燃油税或其他税收来资助的。

当然，罗马帝国及其之前的时期存在着主要的道路网络，但高速公路和高速公路的历史至少可以追溯到 1907 年，当时第一条限速汽车高速公路，布朗克斯河公园路，开始在纽约州威彻斯特县建设（于 1908 年开放）。在同一时期，威廉·范德比尔特在纽约皇后区建造了长岛公园路，这是一条收费公路。长岛公园路是为赛车而建，速度达到每小时 60 英里（96 公里）。但用户必须支付当时昂贵的 2.00 美元过路费（后来降低）以收回 200 万美元的建造成本。这些公园路在大多数道路尚未铺设的情况下就已经铺设了。1919 年，约翰·潘兴将军任命德怀特·艾森豪威尔调查军队从马里兰州巴尔的摩和华盛顿附近的米德堡到旧金山金门大桥的普莱西迪奥的陆路运输速度。答案是 62 天，平均速度为每小时 3.5 英里（5.6 公里）。虽然使用林肯高速公路的部分路段，但这条路的大部分路段仍然没有铺设。作为回应，潘兴在 1922 年起草了一项建设 8000 英里（13000 公里）州际系统的计划，但当时被忽视了。

美国高速公路系统是由各州赞助的一套铺砌的、编号一致的高速公路，联邦政府提供了有限的支持。该系统于 1924 年首次建成，它取代了一些先前的主要高速公路，例如 Dixie 高速公路、林肯高速公路和杰斐逊高速公路，这些高速公路是多州高速公路，并得到了私人支持的帮助。然而，这些道路一般没有实行限速，随着道路沿线开发的增加，高速公路速度很快下降，变得拥挤不堪。

与美国高速公路系统同时，在 1920 年代和 1930 年代，在美国的一些城市，开发了限速的公园路。罗伯特·摩西在纽约市及其周边地区建造了许多这样的公园路。这些公园路中的许多是立交式的，但它们的设计故意使用低矮的桥梁，以阻止卡车和公共汽车使用它们。德国总理阿道夫·希特勒任命德国工程师弗里茨·托德为德国道路总监。他管理了德国高速公路的建设，德国高速公路是世界上第一个限速、高速公路网络。1935 年，从法兰克福到达姆施塔特的首个路段开通，目前的总长度为 11400 公里。1938 年的联邦援助公路法要求公共道路局研究收费资助的高速公路系统（三条东西向路线和三条南北向路线）的可行性。他们的报告《收费公路和免费公路》宣称，这样的系统将无法自给自足，因此提倡建立一个 43500 公里（27000 英里）的免费州际高速公路系统，这份报告的效果是将美国州际公路计划推迟了近二十年。

德国高速公路系统在第二次世界大战期间证明了其效用，因为德军能够相对迅速地在两个战线之间来回调动。它的军事价值并没有逃过包括德怀特·艾森豪威尔在内的美国将军们的注意。

1940 年 10 月 1 日，一条新的收费公路开通，这条公路使用的是旧的、未使用的宾夕法尼亚州南部铁路的路线和隧道。它是新一代限速高速公路中的第一条，通常被称为超级高速公路或高速公路，它改变了美国的地貌。这被认为是美国第一条高速公路，因为它与早期的公园路不同，是一条多车道路线，并且实行限速。亚罗约塞科公园路，现在的帕萨迪纳高速公路，于 1940 年 12 月 30 日开通。与宾夕法尼亚收费公路不同，亚罗约塞科公园路没有收费站。

1941 年，新成立的国家州际公路委员会任命，并在 1944 年提交了一份报告，支持建设 33900 英里的高速公路系统。该系统在 1933 年的联邦援助公路法中被指定，路线开始于 1947 年被选中，但当时没有提供资金。1952 年的公路法只批准了一笔象征性的建设资金，在 1956 年和 1957 年增加到每年 1.75 亿美元。

美国州际公路系统于1956年建立，在此之前经过了十多年的讨论。该网络的很大一部分是在20世纪40年代提出的，但授权资金却花费了时间。最终，建立了一个由燃油税（而不是收费）支持的系统，联邦政府支付90%，地方政府支付10%，采用“边建边付”的模式。1956年的《联邦公路援助法案》授权在13年内支出275亿美元用于建设41,000英里的州际公路系统。早在1958年，完成该系统的成本估算就达到了399亿美元，完工日期也推迟到了20世纪80年代。到1991年，最终的成本估算为1289亿美元。虽然高速公路在美国大多数地区都被视为正面因素，但在城市地区，反对意见迅速发展为一系列高速公路起义。早在1959年（州际公路法案颁布三年后），旧金山主管委员会从该市的总体规划中删除了十条高速公路中的七条，使金门大桥与高速公路系统无法连接。在纽约，简·雅各布斯领导了一场反对由商业利益和罗伯特·摩西等人支持的下曼哈顿高速公路的成功的高速公路起义。在巴尔的摩，I-70、I-83和I-95由于现任参议员芭芭拉·米库尔斯基领导的高速公路起义而一直没有连接。在华盛顿，I-95被重新规划到首都环线。这种模式在其他地方也重复出现，许多城市高速公路被从总体规划中删除。

1936年，《干线公路法案》确保英国交通部长控制着约30条主要道路，总长7,100公里（4,500英里）。英国的第一条高速公路，普雷斯顿绕城公路，现在是M-6的一部分，于1958年通车。1959年，M1的第一段通车。如今，英格兰大约有10,500公里（6300英里）的干线公路和高速公路。

澳大利亚有790公里的高速公路，尽管道路网络规模更大。然而，高速公路网络并非真正意义上的全国性范围（与德国、美国、英国和法国形成对比），而是大都市区内的一系列地方网络，许多城际连接路段为未分隔的非立体交叉公路。在盎格鲁-撒克逊世界之外，收费公路的应用更为广泛。在日本，1963年名神高速公路开通时，日本的道路状况远远不如欧洲或北美在高速公路开通之前。如今，日本有超过6,100公里的高速公路（3,800英里），其中许多是私人收费公路。法国拥有约10,300公里（6,200英里）的高速公路，其中许多是收费公路。法国的高速公路系统是通过与私人运营商签订一系列特许经营协议发展起来的，其中许多后来被国有化。从20世纪80年代后期开始，随着美国州际公路系统的收尾（被认为在1990年完成）以及其他国家城际高速公路项目的实施，需要开发新的融资来源。在几个大都市区，开发了新的（通常是郊区的）收费公路。

波士顿的大挖工程是一个例外，它将中央动脉从高架公路改造成地下公路，基本上沿用相同的道路权，同时保留高架公路的运行。该项目的预计成本约为140亿美元，约为美国最初的州际公路系统完工预算的一半。

作为发达国家成熟的系统，如今高速公路的改进并非简单地拓宽路段或建造新的设施，而是更好地管理现有的道路空间。这种改进的管理采取了多种形式。例如，日本通过应用智能交通系统，特别是车内外的出行信息系统以及交通管制系统，对高速公路进行了提升。美国和英国的大多数主要城市也都设有交通管理中心，负责评估高速公路的交通状况，部署应急车辆，并控制坡道计量器和可变信息标志等系统。这些系统有利于出行，但不能被视为对高速公路交通的革命性改变。关于未来自动高速公路系统的推测几乎与高速公路存在的时间一样长。1939年纽约世界博览会上展示的“未来世界”展品就设想了一个适用于1960年的系统。然而，这项技术已经推迟了六十年，而且仍然存在困难。

网络层级

互联网的OSI参考模型
	数据单元	层	功能
主机层	数据	7. 应用层	网络进程到应用程序
		6. 表示层	数据表示、加密和解密
		5. 会话层	主机间通信
	段	4. 传输层	端到端连接和可靠性、流量控制
媒体层	数据包	3. 网络层	路径确定和逻辑地址
	帧	2. 数据链路层	物理地址
	位	1. 物理层	媒体、信号和二进制传输

所有网络都分层。互联网的 OSI参考模型定义明确。道路也是由多个子系统组成的层次结构的一部分，而路面只是其中一部分。我们可以这样看待系统的层级。

地点
行程终点
端到端行程
驾驶员/乘客
服务（车辆和时间表）
标志和信号
标线
路面
结构（土方和路面以及桥梁）
路线（纵向和横向）
道路权
空间

最基础的是空间。在空间上，指定了一个特定的道路权，即道路所在的土地。最初，道路权仅仅意味着旅行者穿越他人财产的合法许可。在道路建设之前，这可能只是一条被踩踏的土路。

在道路权之上是路线，即交通设施在道路权内所走的特定路径。这条路径既有纵向也有横向元素，因为道路随着地形起伏，并在需要的时候转弯。

结构建立在路线之上。这些包括路基以及承载道路的桥梁或隧道。

路面是车辆实际行驶的碎石、沥青或混凝土表面，是结构的最上层。路面可能有标线来帮助引导驾驶员保持在右侧（或左侧），划分车道，规定哪些车辆可以使用哪些车道（自行车专用、高乘载车辆、公共汽车、卡车），并提供其他信息。除了标线外，路边或路上的标志和信号还提供额外的监管和导航信息。

服务利用道路。公共汽车可以在各点之间提供定时服务，并在途中停靠。长途汽车提供不经停的定时点对点服务。出租车处理不规则的乘客行程。

驾驶员和乘客使用服务或驾驶自己的车辆（提供自己的交通服务）来完成一次端到端行程，在起点和终点之间。每个起点和终点都包含一个行程终点，而这些行程终点之所以重要，是因为终点处的地点以及可以参与的活动。由于交通需求是派生需求，如果不是为了这些活动，基本上就不会有任何乘客出行。

随着现代信息技术的出现，我们可能需要考虑其他系统，例如全球定位系统（GPS）、差分GPS、信标、应答器等等，这些系统可能有助于转向或导航过程。摄像头、路面探测器、手机和其他系统监测道路的使用情况，可能在提供实时控制信号或车辆的反馈方面发挥重要作用。

每层都有行为规则

有些规则是物理性的，永远不会被违反，而另一些则是物理性的，但具有概率性
有些是法律规则或社会规范，偶尔会被违反

道路层级

即使在上述系统体系结构的每一层中，也存在差异。

交通设施具有两个不同的功能：穿越运动和土地接入。这种差异

允许交通的聚集，以实现建设和运营的规模经济（高速）；
减少冲突数量；
通过将穿越交通远离住宅，有助于保持住宅区的宁静特性；
冗余度较低，因此建设成本可能更低。

功能分类	连接类型	与相邻财产的关系	明尼苏达州示例
有限接入（高速公路）	城市之间和跨城市的穿越交通运动	有限或控制接入高速公路，设有匝道和/或路边控制。	I-94，Mn280
连接（主干道：主要和次要）	有限接入道路和当地街道之间的交通运动。	直接接入相邻财产。	大学大道，华盛顿大道
局部（集散路）	住宅区内部及之间的交通流动	直接接入相邻财产。	Pillsbury Drive, 17th Avenue

模型元素

交通预测将在后续模块中更深入地讨论，它将现实世界抽象为简化的表示。

回顾道路等级。哪些可以简化？区域预测模型通常会消除当地街道，并用一个中心点（代表交通分析区域的点）来代替。中心点是网络上所有交通需求的来源和汇点。中心点连接器是人工或虚拟的连接，将中心点连接到“真实”网络。在佐治亚州富尔顿县的这个外部链接，你可以找到交通分析区域的说明：交通区域地图。请记住，模型是抽象的。

网络

区域中心点 - 特殊节点，其编号标识区域，由“x” “y”坐标定位，代表经度和纬度（有时“x”和“y”使用平面坐标系标识）。
节点（顶点） - 连接的交点，由x 和 y 坐标定位
连接（弧） - 短的道路段，按起点和终点节点索引（包括中心点连接器），属性包括车道数、每车道容量、允许的交通方式
转弯 - 按起点、来源和终点节点索引
路线（路径） - 按起点到终点的一系列节点索引。（例如，公交路线）
交通方式 - 小汽车、公交、HOV、卡车、自行车、步行等。

矩阵

标量

标量是应用于整个模型的单个值；例如汽油价格或总行程次数。

	总行程次数
变量	T

向量

向量是应用于模型系统中特定区域的值，例如产生的行程次数、吸引的行程次数或家庭数量。在将区域作为起点或目的地进行处理时，它们是分开排列的，以便可以组合成完整的矩阵。

向量（起点） - 由交通区域索引的一列数字，描述行程起点的属性（例如，区域中的家庭数量）

	在起点区域产生的行程次数
起点区域 1	T_i1
起点区域 2	T_i2
起点区域 3	T_i3

向量（终点） - 由交通区域索引的一行数字，描述行程终点的属性

	终点区域 1	终点区域 2	终点区域 3
吸引到终点区域的行程次数	T_j1	T_j2	T_j3

完整矩阵

完整矩阵或交互矩阵是一个数字表，描述起点-终点对的属性

	终点区域 1	终点区域 2	终点区域 3
起点区域 1	T₁₁	T₁₂	T₁₃
起点区域 2	T₂₁	T₂₂	T₂₃
起点区域 3	T₃₁	T₃₂	T₃₃

思考问题

识别与每一层相关的规则？
为什么不是所有道路都一样？
在将真实交通系统表示为分析模型时，我们如何进行抽象？
为什么抽象有用？

缩写

SOV - 单人驾驶车辆
HOV - 高乘载量车辆（2+、3+ 等）
TAZ - 交通分析区域

变量

msXX - 标量矩阵
moXX - 起点向量矩阵
mdXX - 终点向量矩阵
mfXX - 完整向量矩阵
$T$ - 总行程次数
$T_{i}$ - 从起点区域 $i$ 产生的行程次数
$T_{j}$ - 吸引到终点区域 $j$ 的行程次数
$T_{ij}$ - 在起点区域 $i$ 和终点区域 $j$ 之间的行程次数

关键词

区域中心点
节点
连接
转弯
路线
交通方式
矩阵
路权
路线走向
结构
路面
标线
标志和信号
服务
驾驶员
乘客
端到端行程
行程终点
地点

外部练习

使用 STREET 网站上的 ADAM 软件，并检查网络结构。熟悉该软件并编辑网络，至少添加两个节点和四个单向链接（两个双向链接），并删除节点和链接。这种网络调整会导致什么后果？哪些调整效果更好？

视频

道路层级

参考文献