交通运输网络基础

交通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

道路是连接两点的路径。英语中的“road”源于与“ride”相同的词根——中古英语中的“rood”和古英语中的“rad”——指的是骑行。因此，道路主要指从起点到终点的通行权。在城市环境中，人们经常使用“street”代替“road”，它源自拉丁语中的“strata”，意思是铺面（路径上方的额外层或地层）。

现代道路通常是铺砌的，而未铺砌的路线在一些国家被认为是小路。道路的铺砌始于历史早期。大约公元前 2600 年，埃及人用砂岩和石灰岩板建造了一条铺砌的道路，以便在采石场和金字塔建造工地之间用滚筒移动石头。罗马人和其他民族使用砖或石块铺路，以提供更平坦、更光滑的路面，特别是在城市地区，这使得旅行速度更快，尤其是在轮式车辆上。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，他们使用价格较低、尺寸较小且破碎的石头或骨料来保持平稳的行驶并允许排水。19 世纪后期，焦油（沥青）的应用进一步平滑了行驶。1824 年，巴黎的香榭丽舍大街使用了沥青块。1872 年，第一条沥青街道（第五大道）在纽约铺设（归功于爱德华·德·斯梅德特），但直到 19 世纪后期自行车流行起来，“好路运动”才兴起。与当时的其他车辆相比，自行车旅行对粗糙的道路更加敏感。随着 20 世纪初汽车在美国的广泛普及，对更高质量道路的需求迅速增加。

20 世纪初期建造的第一条好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）更坚硬，提供了更平稳的行驶。混凝土在重大维修之间的使用寿命略长于沥青，而且可以承载更重的负荷，但建造和维修成本更高。虽然美国早在 1889 年就开始用混凝土铺设城市街道，但第一条乡村混凝土公路建于 1909 年密歇根州韦恩县靠近底特律的地方，而第一条混凝土高速公路建于 1913 年阿肯色州派恩布拉夫。到第二年，全国已铺设了 2300 多英里的混凝土路面。然而，在 20 世纪的剩余时间里，绝大多数道路都用沥青铺设。一般来说，只有承载最重负荷的最重要的道路才用混凝土建造。

道路通常被分为不同的等级。等级最高的是高速公路，其完全用于在其他道路之间移动车辆。高速公路是立体交叉的，并且限制通行，具有很高的速度并且承载着大量的交通流量。高速公路以下的是主干道。它们可能不是立体交叉的，虽然通行仍然受到限制，但与高速公路相比，通行限制不那么严格，尤其是在较旧的道路上。它们既起到移动的作用，也起到通行的作用。接下来是集散道路。它们更多地起到通行的作用，允许车辆从起点和终点进入网络，以及与更小的、当地的道路相连，而这些道路只有通行的作用，并且不打算用于没有当地起点或终点的车辆的移动。当地道路被设计为低速行驶，交通流量相对较小。

道路的等级决定了哪一级政府对其进行管理。等级最高的道路通常由参与道路运营的更高层级政府拥有、运营或至少进行监管（如果为私人所有）；在美国，这些道路由各个州运营。随着人们在道路等级中下降，政府的层级通常变得越来越地方化（县级可能控制集散道路，城镇可能控制当地街道）。在一些国家，高速公路和其他靠近等级顶部的道路由私营企业所有和监管，作为公用事业，这些道路通常作为收费公路运营。在其他国家和一些美国州，即使是国有高速公路也由收费公路管理局作为收费公路运营。当地道路通常由邻近的产权人以及社区协会拥有。

道路的设计在许多设计手册中都有规定，包括 AASHTO 街道和公路几何设计政策（或绿皮书）。相关的注意事项包括道路的对准、其水平和垂直曲率、其超高或曲线周围的倾斜、其厚度和路面材料、其横坡以及其宽度。

高速公路

高速公路或高速公路（有时被称为快速公路或收费公路）是多车道分隔道路，设计为高速畅通无阻，限制通行，按照高标准建造，主线上没有交通信号灯。一些高速公路或高速公路由收费站资助，因此可能设有收费站，这些收费站可能位于入口匝道上或主线上。然而，在美国和英国，大多数高速公路或高速公路由汽油税或其他税收收入资助。

当然，罗马帝国以前就存在主要的道路网络，但高速公路和高速公路的历史至少可以追溯到 1907 年，当时第一条限制通行的汽车高速公路——布朗克斯河公园大道在纽约州韦斯特切斯特县开始建造（于 1908 年开通）。在同一时期，威廉·范德比尔特在纽约州皇后区建造了长岛公园大道作为收费公路。长岛公园大道是为了赛车而建，速度可以达到每小时 60 英里（96 公里）。然而，用户必须支付当时昂贵的 2.00 美元的通行费（后来降低）以收回 200 万美元的建设成本。这些公园大道是铺砌的，而当时大多数道路还没有铺砌。1919 年，约翰·潘兴将军命令德怀特·艾森豪威尔调查部队从巴尔的摩和华盛顿之间的米德堡到旧金山的普雷西迪奥的陆路行进速度。答案是 62 天，平均速度为每小时 3.5 英里（5.6 公里）。虽然使用了林肯公路的某些路段，但该道路的大部分仍然没有铺砌。作为回应，潘兴在 1922 年起草了一项关于建设 8,000 英里（13,000 公里）州际系统计划，但当时被忽略了。

美国公路系统是一套由各州赞助的铺砌且编号一致的公路，联邦政府提供有限的资金支持。它们建于 1924 年，接替了之前的一些主要公路，例如 Dixie 公路、林肯公路和杰斐逊公路，这些公路跨越多个州，并在私人资金的帮助下建成。然而，这些道路通常没有限制通行，并且随着道路沿线发展的加剧，公路速度迅速下降，导致拥堵。

与美国公路系统平行的是，在 20 世纪 20 年代和 30 年代，美国一些城市发展了限制通行的公园大道。罗伯特·摩西在纽约市及其周边地区修建了许多这样的公园大道。其中许多公园大道是立体交叉的，但它们的设计故意设置了低矮的桥梁，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·托特为德国公路总监。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制通行的高速公路网络。1935 年，从法兰克福到达姆施塔特的第一个路段开通，如今整个系统全长 11,400 公里。1938 年的联邦援助公路法案要求公共道路局研究收费资助的高速公路系统的可行性（三条东西走向的路线和三条南北走向的路线）。他们的报告《收费公路和免费公路》宣称，这样的系统不会自负盈亏，而是主张建设一条 43,500 公里（27,000 英里）的免费的州际高速公路系统，这份报告的影响是，美国的高速公路项目推迟了近二十年。

德国高速公路系统在二战期间证明了其效用，因为德军可以相对快速地在两个战线之间来回调动。它的军事价值并没有被包括德怀特·艾森豪威尔在内的美国将军们忽视。

1940 年 10 月 1 日，一条新的收费公路开通，它利用了旧的、未被利用的南宾夕法尼亚铁路的通行权和隧道。它是新一代限制通行公路的第一条，通常被称为超级公路或高速公路，这些公路改变了美国的地貌。这被认为是美国第一条高速公路，因为它与早期的公园大道不同，它是一条多车道路线，并且限制通行。亚罗约塞科公园大道（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，亚罗约塞科公园大道没有收费站。

1941 年成立了一个新的国家区域间公路委员会，并在 1944 年提交了一份支持建设 33,900 英里公路系统的报告。该系统是在 1933 年的联邦援助公路法案中指定的，路线从 1947 年开始选择，但当时没有提供资金。1952 年的公路法案只授权了一笔象征性的建设资金，到 1956 年和 1957 年每年增加到 1.75 亿美元。

经过十多年的讨论，美国州际公路系统于 1956 年建立。该网络的很大一部分是在 1940 年代提出的，但授权资金需要时间。最终，一个由汽油税（而不是收费）支持的系统建立起来，联邦政府支付 90%，地方政府支付 10%，采用“边建边付”的系统。1956 年的联邦援助公路法案授权在 13 年内支出 275 亿美元，用于建设一个 41,000 英里的州际公路系统。早在 1958 年，完成该系统的成本估计就已达到 399 亿美元，完工日期推迟到了 1980 年代。到 1991 年，最终的成本估计为 1289 亿美元。虽然高速公路在美国大多数地区被视为积极因素，但在城市地区，反对意见迅速演变成一系列高速公路起义。早在 1959 年（州际公路法案颁布三年后），旧金山的督察委员会就从该市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没有连接。在纽约，简·雅各布斯领导了一场反对下曼哈顿高速公路的成功的高速公路起义，该高速公路得到了商业利益和罗伯特·摩西等人的支持。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重复出现，许多城市高速公路从总体规划中删除。

1936 年，干线公路法确保了英国交通部长控制着约 30 条主要公路，总长度为 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（现为 M-6 的一部分）于 1958 年开通。1959 年，第一段 M1 开通。如今，英格兰有大约 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，但道路网络规模更大。然而，高速公路网络并非真正意义上的全国性网络（与德国、美国、英国和法国形成对比），而是在大都市区及其周围的一系列地方性网络，许多城际连接位于未分隔的非立交式高速公路上。在盎格鲁撒克逊世界之外，收费公路的使用更加普遍。在日本，1963 年名神高速公路开通时，日本道路状况远不如欧洲或北美在此之前。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。法国有约 10,300 公里的高速公路（6,200 英里），其中许多是收费公路。法国高速公路系统是通过与私人运营商的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 1980 年代后期美国州际公路系统逐步收尾（被认为在 1990 年完成）以及其他国家城际高速公路计划开始，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）收费公路。

波士顿“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，基本上在同一用地范围内，同时保持高架公路运营。该项目的估计完工成本约为 140 亿美元；这相当于最初美国州际公路系统完工成本估计的一半。

作为发达国家成熟的系统，如今高速公路的改进并不在于拓宽路段或建设新的设施，而在于更好地管理现有的路面空间。这种改进的管理方式多种多样。例如，日本通过应用智能交通系统，特别是车内外旅行者信息系统以及交通控制系统，对高速公路进行了改进。美国和英国的大多数主要城市也设有交通管理中心，负责评估高速公路上的交通状况、部署应急车辆以及控制车道计量器和可变信息标志等系统。这些系统是有益的，但不能被视为彻底改变高速公路旅行。关于未来自动化高速公路系统的推测几乎与高速公路的存在时间一样长。1939 年纽约世博会的“未来世界”展馆提出了 1960 年的系统。然而，这项技术已经推迟了 20 多年，困难依然存在。

网络层级

互联网 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
		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	物理寻址
	比特	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。道路也是子系统层的一部分，而路面只是其中的一部分。我们可以想象一个系统层次结构。

地点
行程终点
端到端行程
驾驶员/乘客
服务（车辆和时刻表）
标志和信号
标线
路面
结构（土方和路基及桥梁）
路线（垂直和水平）
路权
空间

最底层是空间。在空间上，指定了特定的路权，即道路所在的财产。最初，路权仅仅意味着旅行者跨越某人财产的合法许可。在道路建成之前，这可能只是一条磨损的土路。

在路权之上是路线，即交通设施在路权内所采取的具体路径。该路径包含垂直和水平元素，因为道路随地形起伏而上升或下降，并在需要时转弯。

结构建在路线之上。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、沥青或水泥表面，是结构的最上层。该路面可能具有标线，以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（仅限自行车、高乘载量车辆、公共汽车、卡车）以及提供其他信息。除了标线之外，道路侧面或上方还有标志和信号，提供额外的监管和导航信息。

服务使用道路。公共汽车可能在点之间提供定点服务，并在途中设有停靠站。长途汽车提供定点的点对点服务，没有停靠站。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）来创造一个端到端行程，从起点到终点。每个起点和终点构成一个行程终点，而这些行程终点之所以重要，仅仅是因为它们之间的地点和可以从事的活动。由于交通是派生需求，如果没有这些活动，实际上就不会进行任何乘客出行。

随着现代信息技术的出现，我们可能需要考虑额外的系统，例如全球定位系统 (GPS)、差分 GPS、信标、应答器等，这些系统可能有助于转向或导航过程。摄像头、路面检测器、手机和其他系统监控道路的使用情况，对于提供实时控制信号或车辆的反馈可能很重要。

每一层都有行为规则

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

道路层次结构

即使在上述系统系统每一层内部，也存在差异。

交通设施具有两种不同的功能：通行和土地利用。这种差异

允许交通集中，以实现建设和运营的规模经济（高速）；
减少冲突数量；
通过将通行交通远离住宅，有助于保持住宅区的安静特征；
冗余性较低，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
有限通路（高速公路）	城市之间和跨城市的交通流量	具有匝道和/或路缘控制的有限或控制通路高速公路。	I-94，Mn280
连接（干线：主要和次要）	有限通路和当地街道之间的交通流量。	直接通往相邻财产。	大学大道，华盛顿大道
局部（收集和分配道路）	住宅区内和之间的交通流量	直接通往相邻财产。	皮尔斯伯里大道，第17大道

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。

回顾道路的层次结构。什么可以简化？区域预测模型通常会消除当地街道，并用一个中心点（代表交通分析区的点）替换它们。中心点是网络上所有交通需求的源头和汇聚点。中心点连接器是将中心点连接到“真实”网络的人工或虚拟链接。有关交通分析区的说明，请参阅佐治亚州富尔顿县的外部链接：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，通过表示经度和纬度的“x” “y”坐标定位（有时“x”和“y”使用平面坐标系标识）。
节点（顶点） - 链接的交点，通过x和y坐标定位
链接（弧） - 短的道路段，通过“从”和“到”节点索引（包括中心点连接器），属性包括车道、每车道容量、允许的模式
转弯 - 通过“在”、“从”和“到”节点索引
路线（路径） - 通过从起点到终点的一系列节点索引。（例如公交路线）
模式 - 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；例如汽油价格或总出行次数。

	总出行次数
变量	T

向量

向量是应用于模型系统中特定区域的值，例如出行产生量或出行吸引量或家庭数量。在将区域视为起点或目的地时，它们会分别排列，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，描述出行起点处的属性（例如，区域中的家庭数量）

	在起点区域产生的出行次数
起点区域 1	T_i1
起点区域 2	T_i2
起点区域 3	T_i3

向量（目的地） - 由交通区域索引的一行数字，描述出行目的地处的属性

	目的地区域 1	目的地区域 2	目的地区域 3
吸引到目的地区域的出行次数	T_j1	T_j2	T_j3

完整矩阵

完整或交互矩阵是一个数字表，描述起点-目的地对的属性

	目的地区域 1	目的地区域 2	目的地区域 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

识别与每个层相关联的规则？
为什么不是所有的道路都一样？
在模型中表示真实交通系统时，我们如何对其进行抽象？
为什么抽象有用？

缩写

SOV - 单人驾驶车辆
HOV - 高乘载车辆（2+、3+ 等）
TAZ - 交通分析区或交通分析区

变量

msXX - 标量矩阵
moXX - 起点向量矩阵
mdXX - 目的地向量矩阵
mfXX - 完整向量矩阵
$T$ - 总出行次数
$T_{i}$ - 从起点区域 $i$ 产生的出行次数
$T_{j}$ - 吸引到目的地区域 $j$ 的出行次数
$T_{ij}$ - 在起点区域 $i$ 和目的地区域 $j$ 之间的出行次数

关键词

区域中心点
节点
链接
转弯
路线
模式
矩阵
通行权
路线
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，添加至少两个节点和四个单向链接（两个双向链接），以及删除节点和链接。这些网络调整会带来什么后果？某些调整是否比其他调整更好？

视频

道路层次结构

参考文献