交通運輸/網路基礎

交通運輸系統具有特定的結構。道路具有長度、寬度和深度。道路的特性取決於其用途。

道路

道路是指連線兩點的路徑。英語單詞 "road" 來自與單詞 "ride" 相同的詞根 - 中世紀英語 "rood" 和古英語 "rad" - 意為騎行的行為。因此，道路首先指的是從起點到終點的通行權。在城市環境中，人們通常使用 "street" 而不是 "road"，這個詞來自拉丁語 "strata"，意思是鋪面（可能鋪在路徑頂部的額外層或地層）。

現代道路通常是鋪砌的，而在一些國家，未鋪砌的路線被認為是小路。道路的鋪砌始於歷史早期。大約在公元前 2600 年，埃及人用砂岩和石灰石板建造了一條鋪砌的道路，以幫助在採石場和金字塔建築工地之間用滾輪搬運石頭。羅馬人和其他文明使用磚塊或石頭鋪路，以提供更平坦、更平滑的表面，尤其是在城市地區，這使得旅行速度更快，尤其是對於有輪車輛來說。托馬斯·特爾福德和約翰·邁卡德姆的創新在 19 世紀初重新定義了道路，他們使用更便宜的、更小的、碎石或集料來保持平穩的駕駛體驗並允許排水。19 世紀後期，瀝青（瀝青）的應用進一步平滑了行駛體驗。1824 年，在巴黎的香榭麗舍大道上使用了瀝青塊。1872 年，第一條瀝青街（第五大道）在紐約鋪設（歸功於愛德華·德·斯梅特），但直到 19 世紀後期腳踏車流行起來，"良好道路運動"才開始興起。與當時的其他車輛相比，腳踏車旅行對崎嶇道路更加敏感。隨著 20 世紀初美國汽車的普及，對高質量道路的需求激增。

20 世紀的第一條良好道路是用波特蘭水泥混凝土 (PCC) 建造的。這種材料比瀝青（或瀝青混凝土）更硬，提供更平穩的駕駛體驗。混凝土在兩次大修之間的使用壽命略長於瀝青，並且可以承載更大的負荷，但造價和維修成本更高。雖然美國早在 1889 年就開始用混凝土鋪設城市街道，但第一條農村混凝土道路出現在密歇根州韋恩縣，靠近底特律，時間是 1909 年，第一條混凝土高速公路出現在阿肯色州派恩布拉夫，時間是 1913 年。到第二年，全國已鋪設了超過 2300 英里的混凝土路面。然而，在 20 世紀的剩餘時間裡，絕大多數道路是用瀝青鋪設的。一般來說，只有最重要的道路，承載最重的負荷，才會用混凝土建造。

道路通常被分類為等級制度。等級制度的頂層是高速公路，它們完全用於在其他道路之間移動車輛。高速公路是立交式的，並且實行限速，速度快，交通量大。在高速公路之下是主幹道。它們可能不是立交式的，雖然通行權仍然是有限的，但不像高速公路那樣限制嚴格，特別是在老舊道路上。它們兼具通行和接入功能。接下來是集散道路。它們更多地發揮接入功能，允許車輛從起點和終點進入網路，以及連線較小的、本地的道路，這些道路只有接入功能，並非旨在用於沒有本地起點或終點的車輛的通行。本地道路設計為低速行駛，交通量相對較少。

道路的等級決定了哪個級別的政府對其進行管理。等級最高的道路通常由參與道路運營的更高級別的政府擁有、運營或至少監管（如果為私人所有）；在美國，這些道路由各個州運營。隨著道路等級的下降，政府的級別通常變得越來越地方化（縣級政府可能控制集散道路，城鎮可能控制本地街道）。在一些國家，高速公路和其他接近等級制度頂端的道路由私人擁有和監管，作為公用事業，這些道路通常作為收費公路運營。即使是國有高速公路，在其他國家，以及美國的一些州，也由收費公路管理局作為收費公路運營。本地道路通常由相鄰的業主和社群協會擁有。

道路的設計是在一些設計手冊中規定的，包括美國公路與運輸協會 (AASHTO) 關於街道和高速公路幾何設計政策 (或綠色手冊)。相關的注意事項包括道路的對齊方式、水平和垂直曲率、曲線處的超高或傾斜、厚度和路面材料、橫向坡度和寬度。

高速公路

高速公路或高速公路（有時被稱為快速路或快速路）是指多車道雙向道路，設計為高速、自由流動、實行限速、建造標準高、主線沒有交通訊號燈。一些高速公路或高速公路用收費來資助，因此可能會有收費站，這些收費站要麼設定在入口匝道上，要麼設定在主線上。然而，在美國和英國，大多數高速公路是用燃油稅或其他稅收來資助的。

當然，羅馬帝國及其之前的時期存在著主要的道路網路，但高速公路和高速公路的歷史至少可以追溯到 1907 年，當時第一條限速汽車高速公路，布朗克斯河公園路，開始在紐約州威徹斯特縣建設（於 1908 年開放）。在同一時期，威廉·範德比爾特在紐約皇后區建造了長島公園路，這是一條收費公路。長島公園路是為賽車而建，速度達到每小時 60 英里（96 公里）。但使用者必須支付當時昂貴的 2.00 美元過路費（後來降低）以收回 200 萬美元的建造成本。這些公園路在大多數道路尚未鋪設的情況下就已經鋪設了。1919 年，約翰·潘興將軍任命德懷特·艾森豪威爾調查軍隊從馬里蘭州巴爾的摩和華盛頓附近的米德堡到舊金山金門大橋的普萊西迪奧的陸路運輸速度。答案是 62 天，平均速度為每小時 3.5 英里（5.6 公里）。雖然使用林肯高速公路的部分路段，但這條路的大部分路段仍然沒有鋪設。作為回應，潘興在 1922 年起草了一項建設 8000 英里（13000 公里）州際系統的計劃，但當時被忽視了。

美國高速公路系統是由各州贊助的一套鋪砌的、編號一致的高速公路，聯邦政府提供了有限的支援。該系統於 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、林肯高速公路和傑斐遜高速公路，這些高速公路是多州高速公路，並得到了私人支援的幫助。然而，這些道路一般沒有實行限速，隨著道路沿線開發的增加，高速公路速度很快下降，變得擁擠不堪。

與美國高速公路系統同時，在 1920 年代和 1930 年代，在美國的一些城市，開發了限速的公園路。羅伯特·摩西在紐約市及其周邊地區建造了許多這樣的公園路。這些公園路中的許多是立交式的，但它們的設計故意使用低矮的橋樑，以阻止卡車和公共汽車使用它們。德國總理阿道夫·希特勒任命德國工程師弗裡茨·託德為德國道路總監。他管理了德國高速公路的建設，德國高速公路是世界上第一個限速、高速公路網路。1935 年，從法蘭克福到達姆施塔特的首個路段開通，目前的總長度為 11400 公里。1938 年的聯邦援助公路法要求公共道路局研究收費資助的高速公路系統（三條東西向路線和三條南北向路線）的可行性。他們的報告《收費公路和免費公路》宣稱，這樣的系統將無法自給自足，因此提倡建立一個 43500 公里（27000 英里）的免費州際高速公路系統，這份報告的效果是將美國州際公路計劃推遲了近二十年。

德國高速公路系統在第二次世界大戰期間證明了其效用，因為德軍能夠相對迅速地在兩個戰線之間來回調動。它的軍事價值並沒有逃過包括德懷特·艾森豪威爾在內的美國將軍們的注意。

1940 年 10 月 1 日，一條新的收費公路開通，這條公路使用的是舊的、未使用的賓夕法尼亞州南部鐵路的路線和隧道。它是新一代限速高速公路中的第一條，通常被稱為超級高速公路或高速公路，它改變了美國的地貌。這被認為是美國第一條高速公路，因為它與早期的公園路不同，是一條多車道路線，並且實行限速。亞羅約塞科公園路，現在的帕薩迪納高速公路，於 1940 年 12 月 30 日開通。與賓夕法尼亞收費公路不同，亞羅約塞科公園路沒有收費站。

1941 年，新成立的國家州際公路委員會任命，並在 1944 年提交了一份報告，支援建設 33900 英里的高速公路系統。該系統在 1933 年的聯邦援助公路法中被指定，路線開始於 1947 年被選中，但當時沒有提供資金。1952 年的公路法只批准了一筆象徵性的建設資金，在 1956 年和 1957 年增加到每年 1.75 億美元。

美國州際公路系統於1956年建立，在此之前經過了十多年的討論。該網路的很大一部分是在20世紀40年代提出的，但授權資金卻花費了時間。最終，建立了一個由燃油稅（而不是收費）支援的系統，聯邦政府支付90%，地方政府支付10%，採用“邊建邊付”的模式。1956年的《聯邦公路援助法案》授權在13年內支出275億美元用於建設41,000英里的州際公路系統。早在1958年，完成該系統的成本估算就達到了399億美元，完工日期也推遲到了20世紀80年代。到1991年，最終的成本估算為1289億美元。雖然高速公路在美國大多數地區都被視為正面因素，但在城市地區，反對意見迅速發展為一系列高速公路起義。早在1959年（州際公路法案頒佈三年後），舊金山主管委員會從該市的總體規劃中刪除了十條高速公路中的七條，使金門大橋與高速公路系統無法連線。在紐約，簡·雅各布斯領導了一場反對由商業利益和羅伯特·摩西等人支援的下曼哈頓高速公路的成功的高速公路起義。在巴爾的摩，I-70、I-83和I-95由於現任參議員芭芭拉·米庫爾斯基領導的高速公路起義而一直沒有連線。在華盛頓，I-95被重新規劃到首都環線。這種模式在其他地方也重複出現，許多城市高速公路被從總體規劃中刪除。

1936年，《幹線公路法案》確保英國交通部長控制著約30條主要道路，總長7,100公里（4,500英里）。英國的第一條高速公路，普雷斯頓繞城公路，現在是M-6的一部分，於1958年通車。1959年，M1的第一段通車。如今，英格蘭大約有10,500公里（6300英里）的幹線公路和高速公路。

澳大利亞有790公里的高速公路，儘管道路網路規模更大。然而，高速公路網路並非真正意義上的全國性範圍（與德國、美國、英國和法國形成對比），而是大都市區內的一系列地方網路，許多城際連線路段為未分隔的非立體交叉公路。在盎格魯-撒克遜世界之外，收費公路的應用更為廣泛。在日本，1963年名神高速公路開通時，日本的道路狀況遠遠不如歐洲或北美在高速公路開通之前。如今，日本有超過6,100公里的高速公路（3,800英里），其中許多是私人收費公路。法國擁有約10,300公里（6,200英里）的高速公路，其中許多是收費公路。法國的高速公路系統是透過與私人運營商簽訂一系列特許經營協議發展起來的，其中許多後來被國有化。從20世紀80年代後期開始，隨著美國州際公路系統的收尾（被認為在1990年完成）以及其他國家城際高速公路專案的實施，需要開發新的融資來源。在幾個大都市區，開發了新的（通常是郊區的）收費公路。

波士頓的大挖工程是一個例外，它將中央動脈從高架公路改造成地下公路，基本上沿用相同的道路權，同時保留高架公路的執行。該專案的預計成本約為140億美元，約為美國最初的州際公路系統完工預算的一半。

作為發達國家成熟的系統，如今高速公路的改進並非簡單地拓寬路段或建造新的設施，而是更好地管理現有的道路空間。這種改進的管理採取了多種形式。例如，日本透過應用智慧交通系統，特別是車內外的出行資訊系統以及交通管制系統，對高速公路進行了提升。美國和英國的大多數主要城市也都設有交通管理中心，負責評估高速公路的交通狀況，部署應急車輛，並控制坡道計量器和可變資訊標誌等系統。這些系統有利於出行，但不能被視為對高速公路交通的革命性改變。關於未來自動高速公路系統的推測幾乎與高速公路存在的時間一樣長。1939年紐約世界博覽會上展示的“未來世界”展品就設想了一個適用於1960年的系統。然而，這項技術已經推遲了六十年，而且仍然存在困難。

網路層級

網際網路的OSI參考模型
	資料單元	層	功能
主機層	資料	7. 應用層	網路程序到應用程式
		6. 表示層	資料表示、加密和解密
		5. 會話層	主機間通訊
	段	4. 傳輸層	端到端連線和可靠性、流量控制
媒體層	資料包	3. 網路層	路徑確定和邏輯地址
	幀	2. 資料鏈路層	物理地址
	位	1. 物理層	媒體、訊號和二進位制傳輸

所有網路都分層。網際網路的 OSI參考模型定義明確。道路也是由多個子系統組成的層次結構的一部分，而路面只是其中一部分。我們可以這樣看待系統的層級。

地點
行程終點
端到端行程
駕駛員/乘客
服務（車輛和時間表）
標誌和訊號
標線
路面
結構（土方和路面以及橋樑）
路線（縱向和橫向）
道路權
空間

最基礎的是空間。在空間上，指定了一個特定的道路權，即道路所在的土地。最初，道路權僅僅意味著旅行者穿越他人財產的合法許可。在道路建設之前，這可能只是一條被踩踏的土路。

在道路權之上是路線，即交通設施在道路權內所走的特定路徑。這條路徑既有縱向也有橫向元素，因為道路隨著地形起伏，並在需要的時候轉彎。

結構建立在路線之上。這些包括路基以及承載道路的橋樑或隧道。

路面是車輛實際行駛的碎石、瀝青或混凝土表面，是結構的最上層。路面可能有標線來幫助引導駕駛員保持在右側（或左側），劃分車道，規定哪些車輛可以使用哪些車道（腳踏車專用、高乘載車輛、公共汽車、卡車），並提供其他資訊。除了標線外，路邊或路上的標誌和訊號還提供額外的監管和導航資訊。

服務利用道路。公共汽車可以在各點之間提供定時服務，並在途中停靠。長途汽車提供不經停的定時點對點服務。計程車處理不規則的乘客行程。

駕駛員和乘客使用服務或駕駛自己的車輛（提供自己的交通服務）來完成一次端到端行程，在起點和終點之間。每個起點和終點都包含一個行程終點，而這些行程終點之所以重要，是因為終點處的地點以及可以參與的活動。由於交通需求是派生需求，如果不是為了這些活動，基本上就不會有任何乘客出行。

隨著現代資訊科技的出現，我們可能需要考慮其他系統，例如全球定位系統（GPS）、差分GPS、信標、應答器等等，這些系統可能有助於轉向或導航過程。攝像頭、路面探測器、手機和其他系統監測道路的使用情況，可能在提供即時控制訊號或車輛的反饋方面發揮重要作用。

每層都有行為規則

有些規則是物理性的，永遠不會被違反，而另一些則是物理性的，但具有機率性
有些是法律規則或社會規範，偶爾會被違反

道路層級

即使在上述系統體系結構的每一層中，也存在差異。

交通設施具有兩個不同的功能：穿越運動和土地接入。這種差異

允許交通的聚集，以實現建設和運營的規模經濟（高速）；
減少衝突數量；
透過將穿越交通遠離住宅，有助於保持住宅區的寧靜特性；
冗餘度較低，因此建設成本可能更低。

功能分類	連線型別	與相鄰財產的關係	明尼蘇達州示例
有限接入（高速公路）	城市之間和跨城市的穿越交通運動	有限或控制接入高速公路，設有匝道和/或路邊控制。	I-94，Mn280
連線（主幹道：主要和次要）	有限接入道路和當地街道之間的交通運動。	直接接入相鄰財產。	大學大道，華盛頓大道
區域性（集散路）	住宅區內部及之間的交通流動	直接接入相鄰財產。	Pillsbury Drive, 17th Avenue

模型元素

交通預測將在後續模組中更深入地討論，它將現實世界抽象為簡化的表示。

回顧道路等級。哪些可以簡化？區域預測模型通常會消除當地街道，並用一箇中心點（代表交通分析區域的點）來代替。中心點是網路上所有交通需求的來源和匯點。中心點聯結器是人工或虛擬的連線，將中心點連線到“真實”網路。在佐治亞州富爾頓縣的這個外部連結，你可以找到交通分析區域的說明：交通區域地圖。請記住，模型是抽象的。

網路

區域中心點 - 特殊節點，其編號標識區域，由“x” “y”座標定位，代表經度和緯度（有時“x”和“y”使用平面座標系標識）。
節點（頂點） - 連線的交點，由x 和 y 座標定位
連線（弧） - 短的道路段，按起點和終點節點索引（包括中心點聯結器），屬性包括車道數、每車道容量、允許的交通方式
轉彎 - 按起點、來源和終點節點索引
路線（路徑） - 按起點到終點的一系列節點索引。（例如，公交路線）
交通方式 - 小汽車、公交、HOV、卡車、腳踏車、步行等。

矩陣

標量

標量是應用於整個模型的單個值；例如汽油價格或總行程次數。

	總行程次數
變數	T

向量

向量是應用於模型系統中特定區域的值，例如產生的行程次數、吸引的行程次數或家庭數量。在將區域作為起點或目的地進行處理時，它們是分開排列的，以便可以組合成完整的矩陣。

向量（起點） - 由交通區域索引的一列數字，描述行程起點的屬性（例如，區域中的家庭數量）

	在起點區域產生的行程次數
起點區域 1	T_i1
起點區域 2	T_i2
起點區域 3	T_i3

向量（終點） - 由交通區域索引的一行數字，描述行程終點的屬性

	終點區域 1	終點區域 2	終點區域 3
吸引到終點區域的行程次數	T_j1	T_j2	T_j3

完整矩陣

完整矩陣或互動矩陣是一個數字表，描述起點-終點對的屬性

	終點區域 1	終點區域 2	終點區域 3
起點區域 1	T₁₁	T₁₂	T₁₃
起點區域 2	T₂₁	T₂₂	T₂₃
起點區域 3	T₃₁	T₃₂	T₃₃

思考問題

識別與每一層相關的規則？
為什麼不是所有道路都一樣？
在將真實交通系統表示為分析模型時，我們如何進行抽象？
為什麼抽象有用？

縮寫

SOV - 單人駕駛車輛
HOV - 高乘載量車輛（2+、3+ 等）
TAZ - 交通分析區域

變數

msXX - 標量矩陣
moXX - 起點向量矩陣
mdXX - 終點向量矩陣
mfXX - 完整向量矩陣
$T$ - 總行程次數
$T_{i}$ - 從起點區域 $i$ 產生的行程次數
$T_{j}$ - 吸引到終點區域 $j$ 的行程次數
$T_{ij}$ - 在起點區域 $i$ 和終點區域 $j$ 之間的行程次數

關鍵詞

區域中心點
節點
連線
轉彎
路線
交通方式
矩陣
路權
路線走向
結構
路面
標線
標誌和訊號
服務
駕駛員
乘客
端到端行程
行程終點
地點

外部練習

使用 STREET 網站上的 ADAM 軟體，並檢查網路結構。熟悉該軟體並編輯網路，至少新增兩個節點和四個單向連結（兩個雙向連結），並刪除節點和連結。這種網路調整會導致什麼後果？哪些調整效果更好？

影片

道路層級

參考文獻