基于最優(yōu)路權(quán)分配的交通容量分析技術(shù)研究

□ 王 波 周志華

交通問題其實就是供需關(guān)系處理問題，交通政策反映了城市的價值取向。任何城市的出行結(jié)構(gòu)都是與城市所能（或者愿意）提供的服務水平相關(guān)。如果追求個人自由而不顧及整體效率，私人交通工具一定是首選（如開羅城），但通常一個有序的城市是不會完全放開交通市場，都會針對不同群體提供相應的交通服務，通過個體交通與公共交通的成本差讓那些對時間和舒適度要求不高的出行自覺選擇公共交通，為其他出行騰出空間（如目前大多國內(nèi)城市）。如果這種服務水平仍不能滿意，就需擴大成本差，用強制手段進行調(diào)控，提高個體出行成本并切實解決公交服務能力（如新加坡、香港）。因此，城市選擇何種交通模式，根源是對交通自由度的接受程度，讓哪種（多大規(guī)模的）群體享有什么樣的服務，這就是城市的價值取向，任何管制措施均應在這個基礎上制定，交通也不例外。

目前，上海市、北京市的實際人口都超過2000萬，廣州市也接近1800萬。人口規(guī)模的增加意味著人均資源的減少，因此，城市所選擇的主流交通方式應該是低占有率、高集成的公交方式。世界上但凡以公交優(yōu)勝戰(zhàn)略建城的城市均把發(fā)展常規(guī)公交作為提升城市交通水平的首要任務，地面公交比例一直占據(jù)主體地位。國內(nèi)從2004年提出優(yōu)先發(fā)展公共交通的政策建議，以此提升城市整體交通質(zhì)量，但至今未能完全達到預期目標，即使在公交比例較高的北京（33%）、廣州（34%）等城市，道路車速也只維持在23公里/小時的水平。其原因在于公共交通的自身定位，尤其是常規(guī)公交所提供服務的質(zhì)量較低，難以與小汽車形成競爭。

實踐證明，提升常規(guī)公交的競爭能力，運力是基礎，路權(quán)是關(guān)鍵，二者缺一不可。為此，有必要按照“重新劃分交通資源、確保地面公交優(yōu)先”的發(fā)展思路，以城市綜合交通模型為平臺，對交通容量的計算方法進行深入研究，從出行的可控性和舒適性兩方面重新構(gòu)建模型，以更好地解決道路交通資源分配問題。

一、國內(nèi)外理論研究

1.研究背景

路網(wǎng)容量的概念最早由美國交通工程學者在20世紀50年代提出的，歷經(jīng)幾十年的研究，學者們對路網(wǎng)容量的物理意義、研究方法都有著不同的認識，并隨著時間推進不斷調(diào)整和深入。

美國學者認為，路網(wǎng)容量是在路段通行能力制約下，滿足系統(tǒng)最優(yōu)，路網(wǎng)所能承擔的最大交通流，通過圖論、交通分配模擬和線性規(guī)劃等方法建立不同研究模型。20世紀80年代初，法國工程師路易斯·馬尚提出了時空消耗法，認為城市路網(wǎng)在一定時段內(nèi)的物理容量是受時間、空間限制的，路網(wǎng)容量是時空資源制約下路網(wǎng)系統(tǒng)所能服務的最大交通流量。

近年來，NikolasGeroliminis和CarlosF.Daganzo論證了宏觀交通流基本圖（MFD）的概念，認為路網(wǎng)通過的交通流量、車流密度以及路網(wǎng)空間平均車速三者間關(guān)系與路段有相似性，即在自由流與擁擠流區(qū)間路網(wǎng)同樣存在最大流量，證明了路網(wǎng)容量這一命題的存在性。

國內(nèi)最早在1986年由長沙交通學院的木納和中國城市規(guī)劃設計研究院的關(guān)忠和根據(jù)時空消耗的概念提出了路網(wǎng)容量。隨后，東南大學楊濤、沈陽建筑工程學院王春生和上海海運學院周溪召也利用時空資源的概念對高峰小時交通容量進行分析推算。楊濤等人基于最大流最小割定理，將Ford-Fulkson算法進行改進，提出了衍生割集網(wǎng)絡極大流算法（ECS）；北京工業(yè)大學陳春妹對路網(wǎng)容量定義進行了梳理，根據(jù)時空消耗法構(gòu)建了路網(wǎng)容量模型等。

2.研究方向

目前，國內(nèi)外對于路網(wǎng)容量的研究方向和側(cè)重點各不相同。國外側(cè)重于動態(tài)容量機制下對擁堵收費政策的研究，國內(nèi)規(guī)劃部門側(cè)重于交通容量下的土地開發(fā)模式研究，交管部門則關(guān)注容量限制下的機動車規(guī)模和交管辦法的研究。如前所述，交通問題的本質(zhì)是公共決策問題，交通政策反映了城市價值取向，解決交通擁堵回避不了公眾的交通權(quán)益分配問題。換言之，在當前及今后資源增長受限的情況下，如何對有限的交通資源重新劃分，成為解決交通問題的關(guān)鍵。基于此，交通容量分析也有必要反映路權(quán)分配的公共政策價值導向，即地面公共交通路權(quán)優(yōu)先，以改善城市交通資源配置，提高城市交通系統(tǒng)運行總體水平。

二、交通容量分析方法與關(guān)鍵技術(shù)

路權(quán)分配就是道路交通資源的分配，最優(yōu)的路權(quán)分配方案應該在城市交通系統(tǒng)所能提供的總?cè)萘康那疤嵯峦ㄟ^逐步調(diào)優(yōu)獲得。

1.容量定義

在既定供需基礎下，確定服務水平目標，通過模型迭代，尋找最優(yōu)路權(quán)分配下單位時間內(nèi)城市交通系統(tǒng)所能服務的最大出行量。

（1）既定供需基礎。既有道路網(wǎng)絡、軌道網(wǎng)絡和出行需求。

（2）服務水平目標。政府及大多數(shù)市民能夠接受的交通服務水平，對交通容量達到最大時的狀態(tài)進行界定，建立指標評價體系。

2.影響因素

出行服務水平是對出行全過程的總體評價，需要建立共識性的指標，融入供需平衡概念，代表整個系統(tǒng)的吸納能力。影響出行服務水平的指標主要有：出行的可控性（時耗）和旅途的舒適性（車內(nèi)擁擠度）。社會車輛主要考慮車速水平，公共交通則還需考慮車廂擁擠度、候車時間等。最優(yōu)的路權(quán)分配方案需要考慮以下因素。

（1）時耗。人的一天活動可以做如下簡單分配：8個小時工作學習、8個小時睡眠、餐飲和家務等日?；净顒?個小時、娛樂休閑2～2.5個小時，那么花費在交通上的時間大約在1.5～2個小時。如果超過這個限制，其他生活需求將受到壓制，生活質(zhì)量下降。另外，有學者從交通的角度對居民出行時耗進行了研究，時耗與城市規(guī)模相關(guān)，出行時耗占日常時間比例相對穩(wěn)定，一次出行最大時間有容忍上限，其中特大城市約為60分鐘。

（2）小汽車與公交車時耗比。公交優(yōu)先實質(zhì)上是在系統(tǒng)最優(yōu)前提下，公共交通通過管理從小汽車那里取得應得的道路資源，在一定服務水平下，二者的時耗比越低，公交發(fā)展水平越高。國內(nèi)學者對此有過專門研究，得出公交與平均出行時耗比在1.15～1.56倍之間。

（3）車廂擁擠度。與小汽車相比，公共交通要具備一定的競爭力，必須對現(xiàn)有擁擠度的標準適當提高。建議結(jié)合城市實際情況自行確定（如5人/平方米），在容量測算時，該指標作為初始值輸入，用擁擠分配模型對溢出客流進行二次加載。

3.分析過程

容量涵蓋了交通供需關(guān)系，用來運算的模型不能僅局限于設施物理容量，應考慮供應與需求的匹配關(guān)系和系統(tǒng)服務水平的認定?？煽紤]在傳統(tǒng)的綜合交通模型基礎上搭建，讓交通容量的研究從實驗室中走出來，進入應用領域?？傮w技術(shù)流程如圖1所示。先設定初始公交運力和路網(wǎng)（路權(quán)）方案，再逐步調(diào)整交通需求、路權(quán)分配等，其中由于對路權(quán)的分配涉及到實際可行性的判斷，需要人工加以檢驗后再納入循環(huán)迭代?？傮w上有兩個判斷過程：①檢驗平均時耗。不達標時對可變地區(qū)開發(fā)規(guī)模進行調(diào)整（人口、就業(yè)），重新納入循環(huán)迭代。②檢驗地面公交與小汽車時耗比。不達標時調(diào)整公交路權(quán)和運力，納入循環(huán)測試。通過上述過程的不斷調(diào)整優(yōu)化，最終獲得在指定服務水平下的矩陣總量、方式結(jié)構(gòu)、路權(quán)分配方案和用于啟動相關(guān)措施的車速閾值，以上過程構(gòu)成了容量測算的核心內(nèi)容。

4.關(guān)鍵技術(shù)

（1）公交車道的車速標定。本次研究對現(xiàn)狀各類公交車道（路中和路側(cè)公交專用道、混行車道）分別選取不同路段進行了車速調(diào)查，其結(jié)果見表1所列，以此納入模型中標定公交車速。

圖1 基于最優(yōu)路權(quán)分配的交通容量分析技術(shù)流程

表1 公交車道車速標定

（2）公交車道形式的甄選方法。公交車道形式一般有3類：路中（BRT）專用道、路側(cè)專用道和混行車道。在模型中，尋找最優(yōu)的路權(quán)分配就是對公交車道形式的不斷調(diào)整。選取公交車速低于城市期望速度（17公里/小時）的道路作為調(diào)整對象，調(diào)整次序如下：①若不是公交專用道（混行車道），調(diào)整為路側(cè)專用道。②已是路側(cè)專用道，且公交客流≥2萬（人·次）/小時，調(diào)整為路中專用道。③已是路中專用道，不作調(diào)整。在模型給出的專用道方案基礎上，經(jīng)人工介入判斷可行后納入模型循環(huán)測試。

（3）在公交分配過程中引入擁擠分配方法。在實際生活中，乘客會根據(jù)公交車的滿載情況選擇線路或班次，而以往一般的公交模型并沒有考慮這個因素，主要側(cè)重于對路徑的搜索。本次研究引入擁擠模型，先設定車廂的標準容量（5人/平方米），在容量限制下通過公交擁擠分配獲得未加載矩陣，轉(zhuǎn)入下一次分配，未能上車的乘客總候車時間可通過公式計算：總候車時間＝（未加載客流×發(fā)車間隔＋小時消散能力）/2。

（4）引入停車泊位供給作為方式選擇的重要因素。在實際出行中，車位因素（有無車位、停車費用、停車位供需比等）是決定出行方式時的重要因素，本次研究對原有綜合交通模型進行了改進，在方式選擇時引入車位因素進行控制。泊位規(guī)模首先作為輸入條件介入交通主方式的劃分，當動態(tài)交通經(jīng)過循環(huán)迭代后達到飽和時，再反饋實際對應的泊位規(guī)模，形成動態(tài)與靜態(tài)聯(lián)動的模式，彌補動態(tài)交通需求不能反映靜態(tài)供給的不足。并且，引入尋找車位時間作為小汽車出行的時間懲罰。小汽車出行綜合成本可通過下式計算：小汽車出行綜合成本＝出行時間＋（里程費用＋路橋費＋停車費）/每小時時間價值×60/載客率+小汽車尋找車位時間。當車位超過實際需求時，出行者是否選擇個體方式取決于對時耗的判斷。

廣州市在新一輪總體規(guī)劃中明確提出了建設公交都市的目標。本次研究按照基于最優(yōu)路權(quán)分配的交通容量分析計算方法，提出在大力建設地鐵的前提下，到2020年地面公交仍然作為城市公共交通的主體，在主城區(qū)公交專用道444公里方案基礎上進一步擴充公交優(yōu)先網(wǎng)絡（新型有軌電車＋快速公交BRT＋公交專用道），計劃在2020年規(guī)模達到800公里左右。通過模型測試，地面公交與社會車輛的合理路權(quán)分配應該由現(xiàn)狀的12∶88增加到25∶75，公交車速將由現(xiàn)狀15公里/小時升至17公里/小時，此時廣州市主城區(qū)干道平均車速將維持在23～25公里/小時左右水平，主城區(qū)交通運作將處于一個較為理想的狀態(tài)。

近10年來，國內(nèi)城市相繼掀起地鐵建設的熱潮，希望通過地鐵來緩解地面交通壓力，而逐漸忽略了地面公交建設。地面公交以其靈活、便捷在3類主要交通方式（地鐵、小汽車、公交車）中占有重要作用，且直接參與同個體交通的路權(quán)競爭。落實公交優(yōu)先政策，地面公交是最好的切入點，只有從根本上提升公交競爭力，才是當前特大城市交通問題的解決之道。（作者單位：廣州市交通規(guī)劃研究所）