城市交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化均衡協(xié)調(diào)方法

高建杰，劉玉增，曹建軍，劉 偉

(1.四川警察學(xué)院道路交通管理系，四川瀘州646000;2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶400074)

城市交通網(wǎng)絡(luò)既是城市空間結(jié)構(gòu)的骨架，又是區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)活動和客貨運(yùn)輸?shù)妮d體;城市交通需求既是交通系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，又反映了交通問題產(chǎn)生的根源。因此，解決好交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)的一體化均衡協(xié)調(diào)問題是進(jìn)行各項城市規(guī)劃和交通規(guī)劃的核心內(nèi)容之一，亦是城市發(fā)展決策部門與交通規(guī)劃師們關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外關(guān)于城市交通與土地利用一體化的研究眾多［1-3］，并取得了一定的成果，但仍存在不足之處:①研究者對城市交通與土地利用關(guān)系與互動原理等方面的定性分析較多，而對二者定量的互動關(guān)系和一體化發(fā)展等方面分析較少;②目前對城市交通與土地利用定量的分析，仍舊局限于單方面的變化來適應(yīng)另一方面，不能“同時”變化二者，實(shí)現(xiàn)二者的一體化協(xié)調(diào)均衡，“非同時”就不是真正的一體化;③傳統(tǒng)的思路若要實(shí)現(xiàn)城市交通與土地利用的一體化就一定著重于交通與土地利用二者的定量的變化，然而傳統(tǒng)研究的局限性表明這二者并沒有直接的數(shù)量關(guān)系。

筆者從定性的角度指出交通需求在城市交通與土地利用互動關(guān)系中起到了橋梁紐帶的作用［4］?，F(xiàn)擬從定量的角度，運(yùn)用均衡原理分析交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)的耦合關(guān)系，提出二者一體化均衡協(xié)調(diào)的方法。并將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步分析交通需求與土地利用之間一體化的定量關(guān)系，以期通過交通需求的紐帶作用實(shí)現(xiàn)城市交通與土地利用的一體化均衡協(xié)調(diào)。

1 交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化均衡配置模型

考慮到交通需求量與交通網(wǎng)絡(luò)流量二者是可變、動態(tài)的主權(quán)實(shí)體，模型將其作為自變量，模擬兩個主權(quán)實(shí)體相互融合、逐步結(jié)合的過程。該過程以Wordrop均衡原理為基礎(chǔ)，假設(shè)條件及要求均與Wordrop均衡原理一致，經(jīng)模型驗(yàn)算能夠同時使系統(tǒng)中的交通需求量與網(wǎng)絡(luò)流量達(dá)到理想狀態(tài)——均衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)二者的一體化均衡配置。

1.1 模 型

每一個OD對r-s間的出行總量實(shí)際上被分為兩部分:①r-s間的交通流量;②起點(diǎn)r與終點(diǎn)s間不能容納的出行量，即除了路網(wǎng)中的流量以外的那部分交通出行量。圖1(a)中網(wǎng)絡(luò)代表某城市道路網(wǎng)系統(tǒng)中的某一OD對r-s。在r-s間定義一條附加路段，用以表示r-s間不能容納的這部分交通出行量，該虛擬路段的端點(diǎn)為連接每一OD對r-s間的起終點(diǎn)，附加路段的流量定義為Ars。

圖1 附加虛擬網(wǎng)絡(luò)Fig.1 The virtual network of additional link

基于附加虛擬網(wǎng)絡(luò)及Wordrop第二均衡原理，提出交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化均衡配置模型，數(shù)學(xué)形式描述如下:

式中:xa為路段a上的交通流量;Ta為路段a的交通阻抗;Ta(xa)為路段a以流量為自變量的交通阻抗函數(shù);Ers(·)表示出行需求函數(shù)的反函數(shù)，出行需求函數(shù)可采用文獻(xiàn)［5］中建議的形式為起點(diǎn)r到終點(diǎn)s的總出行量的上限;Ars為附加虛擬路段的交通流量;為點(diǎn)對(r，s)間第k條路徑的流量為關(guān)系變量，若路段a在(r，s)間的第k條路徑上，那么=1，否則=0。

1.2 模型的求解算法

4)求迭代步長λ:用二分法來求解min Z(λn)，得到步長λ。

6)收斂性檢驗(yàn):若

7)算法結(jié)束。

2 交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化均衡協(xié)調(diào)方法

2.1 一體化均衡協(xié)調(diào)配置思路

基于交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化均衡配置模型，設(shè)計了一套交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化均衡的配置方法。其總體思路為:

1)在對城市總體發(fā)展情況、路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及交通運(yùn)行情況現(xiàn)狀進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，抽象原復(fù)雜路網(wǎng)，構(gòu)建宏觀的城市虛擬路網(wǎng)。在城市道路網(wǎng)絡(luò)抽象虛擬簡化過程中，既要充分反映出城市路網(wǎng)擁堵點(diǎn)的交通特性，又不能改變原路網(wǎng)的交通流特性及需求行為，滿足形變而質(zhì)不變要求的城市宏觀虛擬路網(wǎng)是后續(xù)工作的基礎(chǔ)，將直接影響到全局和整個分析結(jié)果，必須嚴(yán)格加以論證。城市路網(wǎng)的虛擬簡化技術(shù)已有較為成熟的研究成果，可參見參考文獻(xiàn)［6-8］。

2)建立虛擬路網(wǎng)的數(shù)據(jù)庫(包括路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、出行需求函數(shù)、交通阻抗函數(shù))。虛擬交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計算機(jī)表示形式有很多種，例如鄰接矩陣、鄰接目錄表等，具體的數(shù)學(xué)描述可參考文獻(xiàn)［9］。供模型使用的出行需求矩陣和交通阻抗矩陣是整個模型能夠順利運(yùn)行的關(guān)鍵，出行需求函數(shù)的形式可采用文獻(xiàn)［7］中建議的形式，路阻函數(shù)可采用目前應(yīng)用較為廣泛的由美國道路局(BPR-Bureau of Public Road)開發(fā)的函數(shù)，被稱為BPR函數(shù)［12］。

3)運(yùn)用交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化均衡配置模型，輸入虛擬路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中的路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、出行需求矩陣、交通阻抗矩陣3個參數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算可以得到虛擬路網(wǎng)均衡的出行需求分布、均衡路網(wǎng)流量分布。

4)利用交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性判斷方法進(jìn)行二者的協(xié)調(diào)性判斷，最后根據(jù)判斷結(jié)果制定相應(yīng)措施，從而實(shí)現(xiàn)交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)的一體化均衡協(xié)調(diào)。具體配置流程如圖2。

圖2 一體化均衡配置流程Fig.2 Flow cart of the integrated equilibrium concept

2.2 交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性判斷方法

交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性是指在交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化的過程中，二者的空間布局、數(shù)量的大小等各方面都能夠相互匹配，均衡穩(wěn)定，緊密銜接。

參考傳統(tǒng)路網(wǎng)通行能力、路網(wǎng)流量以及路網(wǎng)服務(wù)水平的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)定量計算與專家調(diào)查的結(jié)果，將交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)程度劃分為“協(xié)調(diào)、基本協(xié)調(diào)、欠協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、極不協(xié)調(diào)”5種情況。并采用集值統(tǒng)計方法確定了交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性判斷標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間值如表1。

表1 交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性的判斷標(biāo)準(zhǔn)Table 1 The judgment criterion on coordination of traffic demands and networks

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的建立

以多中心組團(tuán)城市為例，假設(shè)該城市空間結(jié)構(gòu)有3個組團(tuán)，宏觀上對原道路網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過抽象虛擬簡化后如圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 The traffic network

該實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)共有7個節(jié)點(diǎn)，9條虛擬路段。其中A、B、C節(jié)點(diǎn)是由城市的3個基本組團(tuán)虛擬成的，也是交通量產(chǎn)生(流入)和流出本網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)D、E、F、G是交通流的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，不產(chǎn)生和消耗(減少)交通流量。各節(jié)點(diǎn)之間的路段均為雙向路段。其中，OD點(diǎn)對有3個，分別為OD點(diǎn)對(A，B)、(A，C)和(B，C)。

3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)路段參數(shù)相關(guān)信息，如表2。

?

2)路阻函數(shù)采用BPR函數(shù)的形式，參數(shù)取值:α =0.2，β =4。

3)出行需求函數(shù)采用文獻(xiàn)［7］中建議的形式，參數(shù)取值:XA=1.2，XB=1，YC=0.7，α =0.15，β =4。

4)假設(shè)各OD點(diǎn)對出行需求的極限值如表3。

表3 OD點(diǎn)對出行需求上限Table 3 The upper limit travel demand of OD /pcu

5)增設(shè)附加路段虛擬網(wǎng)絡(luò)。

在A、B、C這3個節(jié)點(diǎn)之間增設(shè)附加路段，并依次編號為10，11，12，形成新的虛擬網(wǎng)絡(luò)如圖4。

圖4 附加虛擬網(wǎng)絡(luò)Fig.4 The virtual network of additional link

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)交通網(wǎng)絡(luò)路段的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)信息，運(yùn)用交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)一體化均衡配置模型及其算法進(jìn)行運(yùn)算，得到各路段流量的均衡分配結(jié)果以及各OD點(diǎn)對均衡的出行需求量分配結(jié)果見表4、表5。

表4 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)出行需求量均衡分配結(jié)果Table 4 Traffic demands equilibrium assignment /pcu

表5 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)交通量均衡分配結(jié)果Table 5 Traffic volume equilibrium assignment /pcu

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到均衡條件下該路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的交通負(fù)荷(V/C)見表6。從交通負(fù)荷計算結(jié)果及路段流量所分屬的出行起終點(diǎn)可以看出:①路段2的A→E方向V/C值較高，主要是由于A點(diǎn)到B、C點(diǎn)的出行量過多，分別為352，373 pcu，應(yīng)該首先考慮控制土地利用，降低A組團(tuán)的交通發(fā)生能力;②路段8的兩個方向V/C值都較高，從出行起終點(diǎn)情況來看，E→G方向主要是A、C到B點(diǎn)的出行量過多，分別達(dá)到352，270 pcu，G→E方向主要是點(diǎn)B到A、C點(diǎn)的出行量過多，分別達(dá)到273，269 pcu。因此，為從根本上解決該問題，應(yīng)首先考慮控制B點(diǎn)的土地開發(fā)利用，降低B組團(tuán)的交通發(fā)生、吸引能力。

通過以上交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性的判斷，可以發(fā)現(xiàn)交通與土地一體化協(xié)調(diào)發(fā)展中存在的問題及原因。據(jù)此，可采取適當(dāng)?shù)母纳拼胧┓桨福?控制組團(tuán)的土地利用開發(fā)，降低其交通發(fā)生或吸引能力，甚至可以看出哪些土地的大力開發(fā)是對城市發(fā)展有利的，為政府部門決策提供理論依據(jù);能夠明確所需管理、控制的交通需求量的大小，以便實(shí)施適當(dāng)?shù)慕煌ㄐ枨蠊芾泶胧?規(guī)劃新增組團(tuán)間的交通通道等。針對采取的措施方案，更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，重新進(jìn)行一次交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)的一體化均衡配置，直至交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)匹配。

?

4 結(jié)論

城市土地利用與交通系統(tǒng)的一體化協(xié)調(diào)發(fā)展是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的交通運(yùn)輸系統(tǒng)、解決城市交通問題的關(guān)鍵。筆者借助交通需求在城市土地利用與交通系統(tǒng)關(guān)系中的橋梁紐帶作用，提出了一體化調(diào)整交通需求量與交通網(wǎng)絡(luò)流量的均衡協(xié)調(diào)配置模型與方法，并給出了交通需求與交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)性判斷的方法與標(biāo)準(zhǔn);在以后的研究中將進(jìn)一步探討交通需求與土地利用之間的定量協(xié)調(diào)關(guān)系，以此思路來實(shí)現(xiàn)城市土地利用與交通系統(tǒng)一體化協(xié)調(diào)發(fā)展，對于城市發(fā)展形態(tài)與交通發(fā)展模式的研究有著重要的借鑒意義。

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