交通運輸網路基礎

交通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

道路是連線兩點的路徑。英語中的“road”源於與“ride”相同的詞根——中古英語中的“rood”和古英語中的“rad”——指的是騎行。因此，道路主要指從起點到終點的通行權。在城市環境中，人們經常使用“street”代替“road”，它源自拉丁語中的“strata”，意思是鋪面（路徑上方的額外層或地層）。

現代道路通常是鋪砌的，而未鋪砌的路線在一些國家被認為是小路。道路的鋪砌始於歷史早期。大約公元前 2600 年，埃及人用砂岩和石灰岩板建造了一條鋪砌的道路，以便在採石場和金字塔建造工地之間用滾筒移動石頭。羅馬人和其他民族使用磚或石塊鋪路，以提供更平坦、更光滑的路面，特別是在城市地區，這使得旅行速度更快，尤其是在輪式車輛上。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，他們使用價格較低、尺寸較小且破碎的石頭或骨料來保持平穩的行駛並允許排水。19 世紀後期，焦油（瀝青）的應用進一步平滑了行駛。1824 年，巴黎的香榭麗舍大街使用了瀝青塊。1872 年，第一條瀝青街道（第五大道）在紐約鋪設（歸功於愛德華·德·斯梅德特），但直到 19 世紀後期腳踏車流行起來，“好路運動”才興起。與當時的其他車輛相比，腳踏車旅行對粗糙的道路更加敏感。隨著 20 世紀初汽車在美國的廣泛普及，對更高質量道路的需求迅速增加。

20 世紀初期建造的第一條好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）更堅硬，提供了更平穩的行駛。混凝土在重大維修之間的使用壽命略長於瀝青，而且可以承載更重的負荷，但建造和維修成本更高。雖然美國早在 1889 年就開始用混凝土鋪設城市街道，但第一條鄉村混凝土公路建於 1909 年密歇根州韋恩縣靠近底特律的地方，而第一條混凝土高速公路建於 1913 年阿肯色州派恩布拉夫。到第二年，全國已鋪設了 2300 多英里的混凝土路面。然而，在 20 世紀的剩餘時間裡，絕大多數道路都用瀝青鋪設。一般來說，只有承載最重負荷的最重要的道路才用混凝土建造。

道路通常被分為不同的等級。等級最高的是高速公路，其完全用於在其他道路之間移動車輛。高速公路是立體交叉的，並且限制通行，具有很高的速度並且承載著大量的交通流量。高速公路以下的是主幹道。它們可能不是立體交叉的，雖然通行仍然受到限制，但與高速公路相比，通行限制不那麼嚴格，尤其是在較舊的道路上。它們既起到移動的作用，也起到通行的作用。接下來是集散道路。它們更多地起到通行的作用，允許車輛從起點和終點進入網路，以及與更小的、當地的道路相連，而這些道路只有通行的作用，並且不打算用於沒有當地起點或終點的車輛的移動。當地道路被設計為低速行駛，交通流量相對較小。

道路的等級決定了哪一級政府對其進行管理。等級最高的道路通常由參與道路運營的更高層級政府擁有、運營或至少進行監管（如果為私人所有）；在美國，這些道路由各個州運營。隨著人們在道路等級中下降，政府的層級通常變得越來越地方化（縣級可能控制集散道路，城鎮可能控制當地街道）。在一些國家，高速公路和其他靠近等級頂部的道路由私營企業所有和監管，作為公用事業，這些道路通常作為收費公路運營。在其他國家和一些美國州，即使是國有高速公路也由收費公路管理局作為收費公路運營。當地道路通常由鄰近的產權人以及社群協會擁有。

道路的設計在許多設計手冊中都有規定，包括 AASHTO 街道和公路幾何設計政策（或綠皮書）。相關的注意事項包括道路的對準、其水平和垂直曲率、其超高或曲線周圍的傾斜、其厚度和路面材料、其橫坡以及其寬度。

高速公路

高速公路或高速公路（有時被稱為快速公路或收費公路）是多車道分隔道路，設計為高速暢通無阻，限制通行，按照高標準建造，主線上沒有交通訊號燈。一些高速公路或高速公路由收費站資助，因此可能設有收費站，這些收費站可能位於入口匝道上或主線上。然而，在美國和英國，大多數高速公路或高速公路由汽油稅或其他稅收收入資助。

當然，羅馬帝國以前就存在主要的道路網路，但高速公路和高速公路的歷史至少可以追溯到 1907 年，當時第一條限制通行的汽車高速公路——布朗克斯河公園大道在紐約州韋斯特切斯特縣開始建造（於 1908 年開通）。在同一時期，威廉·範德比爾特在紐約州皇后區建造了長島公園大道作為收費公路。長島公園大道是為了賽車而建，速度可以達到每小時 60 英里（96 公里）。然而，使用者必須支付當時昂貴的 2.00 美元的通行費（後來降低）以收回 200 萬美元的建設成本。這些公園大道是鋪砌的，而當時大多數道路還沒有鋪砌。1919 年，約翰·潘興將軍命令德懷特·艾森豪威爾調查部隊從巴爾的摩和華盛頓之間的米德堡到舊金山的普雷西迪奧的陸路行進速度。答案是 62 天，平均速度為每小時 3.5 英里（5.6 公里）。雖然使用了林肯公路的某些路段，但該道路的大部分仍然沒有鋪砌。作為回應，潘興在 1922 年起草了一項關於建設 8,000 英里（13,000 公里）州際系統計劃，但當時被忽略了。

美國公路系統是一套由各州贊助的鋪砌且編號一致的公路，聯邦政府提供有限的資金支援。它們建於 1924 年，接替了之前的一些主要公路，例如 Dixie 公路、林肯公路和傑斐遜公路，這些公路跨越多個州，並在私人資金的幫助下建成。然而，這些道路通常沒有限制通行，並且隨著道路沿線發展的加劇，公路速度迅速下降，導致擁堵。

與美國公路系統平行的是，在 20 世紀 20 年代和 30 年代，美國一些城市發展了限制通行的公園大道。羅伯特·摩西在紐約市及其周邊地區修建了許多這樣的公園大道。其中許多公園大道是立體交叉的，但它們的設計故意設定了低矮的橋樑，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·托特為德國公路總監。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制通行的高速公路網路。1935 年，從法蘭克福到達姆施塔特的第一個路段開通，如今整個系統全長 11,400 公里。1938 年的聯邦援助公路法案要求公共道路局研究收費資助的高速公路系統的可行性（三條東西走向的路線和三條南北走向的路線）。他們的報告《收費公路和免費公路》宣稱，這樣的系統不會自負盈虧，而是主張建設一條 43,500 公里（27,000 英里）的免費的州際高速公路系統，這份報告的影響是，美國的高速公路專案推遲了近二十年。

德國高速公路系統在二戰期間證明了其效用，因為德軍可以相對快速地在兩個戰線之間來回調動。它的軍事價值並沒有被包括德懷特·艾森豪威爾在內的美國將軍們忽視。

1940 年 10 月 1 日，一條新的收費公路開通，它利用了舊的、未被利用的南賓夕法尼亞鐵路的通行權和隧道。它是新一代限制通行公路的第一條，通常被稱為超級公路或高速公路，這些公路改變了美國的地貌。這被認為是美國第一條高速公路，因為它與早期的公園大道不同，它是一條多車道路線，並且限制通行。亞羅約塞科公園大道（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，亞羅約塞科公園大道沒有收費站。

1941 年成立了一個新的國家區域間公路委員會，並在 1944 年提交了一份支援建設 33,900 英里公路系統的報告。該系統是在 1933 年的聯邦援助公路法案中指定的，路線從 1947 年開始選擇，但當時沒有提供資金。1952 年的公路法案只授權了一筆象徵性的建設資金，到 1956 年和 1957 年每年增加到 1.75 億美元。

經過十多年的討論，美國州際公路系統於 1956 年建立。該網路的很大一部分是在 1940 年代提出的，但授權資金需要時間。最終，一個由汽油稅（而不是收費）支援的系統建立起來，聯邦政府支付 90%，地方政府支付 10%，採用“邊建邊付”的系統。1956 年的聯邦援助公路法案授權在 13 年內支出 275 億美元，用於建設一個 41,000 英里的州際公路系統。早在 1958 年，完成該系統的成本估計就已達到 399 億美元，完工日期推遲到了 1980 年代。到 1991 年，最終的成本估計為 1289 億美元。雖然高速公路在美國大多數地區被視為積極因素，但在城市地區，反對意見迅速演變成一系列高速公路起義。早在 1959 年（州際公路法案頒佈三年後），舊金山的督察委員會就從該市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沒有連線。在紐約，簡·雅各布斯領導了一場反對下曼哈頓高速公路的成功的高速公路起義，該高速公路得到了商業利益和羅伯特·摩西等人的支援。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重複出現，許多城市高速公路從總體規劃中刪除。

1936 年，幹線公路法確保了英國交通部長控制著約 30 條主要公路，總長度為 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（現為 M-6 的一部分）於 1958 年開通。1959 年，第一段 M1 開通。如今，英格蘭有大約 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，但道路網路規模更大。然而，高速公路網路並非真正意義上的全國性網路（與德國、美國、英國和法國形成對比），而是在大都市區及其周圍的一系列地方性網路，許多城際連線位於未分隔的非立交式高速公路上。在盎格魯撒克遜世界之外，收費公路的使用更加普遍。在日本，1963 年名神高速公路開通時，日本道路狀況遠不如歐洲或北美在此之前。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。法國有約 10,300 公里的高速公路（6,200 英里），其中許多是收費公路。法國高速公路系統是透過與私人運營商的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 1980 年代後期美國州際公路系統逐步收尾（被認為在 1990 年完成）以及其他國家城際高速公路計劃開始，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）收費公路。

波士頓“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，基本上在同一用地範圍內，同時保持高架公路運營。該專案的估計完工成本約為 140 億美元；這相當於最初美國州際公路系統完工成本估計的一半。

作為發達國家成熟的系統，如今高速公路的改進並不在於拓寬路段或建設新的設施，而在於更好地管理現有的路面空間。這種改進的管理方式多種多樣。例如，日本透過應用智慧交通系統，特別是車內外旅行者資訊系統以及交通控制系統，對高速公路進行了改進。美國和英國的大多數主要城市也設有交通管理中心，負責評估高速公路上的交通狀況、部署應急車輛以及控制車道計量器和可變資訊標誌等系統。這些系統是有益的，但不能被視為徹底改變高速公路旅行。關於未來自動化高速公路系統的推測幾乎與高速公路的存在時間一樣長。1939 年紐約世博會的“未來世界”展館提出了 1960 年的系統。然而，這項技術已經推遲了 20 多年，困難依然存在。

網路層級

網際網路 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
		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	物理定址
	位元	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。道路也是子系統層的一部分，而路面只是其中的一部分。我們可以想象一個系統層次結構。

地點
行程終點
端到端行程
駕駛員/乘客
服務（車輛和時刻表）
標誌和訊號
標線
路面
結構（土方和路基及橋樑）
路線（垂直和水平）
路權
空間

最底層是空間。在空間上，指定了特定的路權，即道路所在的財產。最初，路權僅僅意味著旅行者跨越某人財產的合法許可。在道路建成之前，這可能只是一條磨損的土路。

在路權之上是路線，即交通設施在路權內所採取的具體路徑。該路徑包含垂直和水平元素，因為道路隨地形起伏而上升或下降，並在需要時轉彎。

結構建在路線之上。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、瀝青或水泥表面，是結構的最上層。該路面可能具有標線，以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（僅限腳踏車、高乘載量車輛、公共汽車、卡車）以及提供其他資訊。除了標線之外，道路側面或上方還有標誌和訊號，提供額外的監管和導航資訊。

服務使用道路。公共汽車可能在點之間提供定點服務，並在途中設有停靠站。長途汽車提供定點的點對點服務，沒有停靠站。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）來創造一個端到端行程，從起點到終點。每個起點和終點構成一個行程終點，而這些行程終點之所以重要，僅僅是因為它們之間的地點和可以從事的活動。由於交通是派生需求，如果沒有這些活動，實際上就不會進行任何乘客出行。

隨著現代資訊科技的出現，我們可能需要考慮額外的系統，例如全球定位系統 (GPS)、差分 GPS、信標、應答器等，這些系統可能有助於轉向或導航過程。攝像頭、路面檢測器、手機和其他系統監控道路的使用情況，對於提供即時控制訊號或車輛的反饋可能很重要。

每一層都有行為規則

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

道路層次結構

即使在上述系統系統每一層內部，也存在差異。

交通設施具有兩種不同的功能：通行和土地利用。這種差異

允許交通集中，以實現建設和運營的規模經濟（高速）；
減少衝突數量；
透過將通行交通遠離住宅，有助於保持住宅區的安靜特徵；
冗餘性較低，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
有限通路（高速公路）	城市之間和跨城市的交通流量	具有匝道和/或路緣控制的有限或控制通路高速公路。	I-94，Mn280
連線（幹線：主要和次要）	有限通路和當地街道之間的交通流量。	直接通往相鄰財產。	大學大道，華盛頓大道
區域性（收集和分配道路）	住宅區內和之間的交通流量	直接通往相鄰財產。	皮爾斯伯裡大道，第17大道

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。

回顧道路的層次結構。什麼可以簡化？區域預測模型通常會消除當地街道，並用一箇中心點（代表交通分析區的點）替換它們。中心點是網路上所有交通需求的源頭和匯聚點。中心點聯結器是將中心點連線到“真實”網路的人工或虛擬連結。有關交通分析區的說明，請參閱佐治亞州富爾頓縣的外部連結：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，透過表示經度和緯度的“x” “y”座標定位（有時“x”和“y”使用平面座標系標識）。
節點（頂點） - 連結的交點，透過x和y座標定位
連結（弧） - 短的道路段，透過“從”和“到”節點索引（包括中心點聯結器），屬性包括車道、每車道容量、允許的模式
轉彎 - 透過“在”、“從”和“到”節點索引
路線（路徑） - 透過從起點到終點的一系列節點索引。（例如公交路線）
模式 - 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；例如汽油價格或總出行次數。

	總出行次數
變數	T

向量

向量是應用於模型系統中特定區域的值，例如出行產生量或出行吸引量或家庭數量。在將區域視為起點或目的地時，它們會分別排列，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，描述出行起點處的屬性（例如，區域中的家庭數量）

	在起點區域產生的出行次數
起點區域 1	T_i1
起點區域 2	T_i2
起點區域 3	T_i3

向量（目的地） - 由交通區域索引的一行數字，描述出行目的地處的屬性

	目的地區域 1	目的地區域 2	目的地區域 3
吸引到目的地區域的出行次數	T_j1	T_j2	T_j3

完整矩陣

完整或互動矩陣是一個數字表，描述起點-目的地對的屬性

	目的地區域 1	目的地區域 2	目的地區域 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

識別與每個層相關聯的規則？
為什麼不是所有的道路都一樣？
在模型中表示真實交通系統時，我們如何對其進行抽象？
為什麼抽象有用？

縮寫

SOV - 單人駕駛車輛
HOV - 高乘載車輛（2+、3+ 等）
TAZ - 交通分析區或交通分析區

變數

msXX - 標量矩陣
moXX - 起點向量矩陣
mdXX - 目的地向量矩陣
mfXX - 完整向量矩陣
$T$ - 總出行次數
$T_{i}$ - 從起點區域 $i$ 產生的出行次數
$T_{j}$ - 吸引到目的地區域 $j$ 的出行次數
$T_{ij}$ - 在起點區域 $i$ 和目的地區域 $j$ 之間的出行次數

關鍵詞

區域中心點
節點
連結
轉彎
路線
模式
矩陣
通行權
路線
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，新增至少兩個節點和四個單向連結（兩個雙向連結），以及刪除節點和連結。這些網路調整會帶來什麼後果？某些調整是否比其他調整更好？

影片

道路層次結構

參考文獻