基于路網(wǎng)效率的城市結(jié)點對外交通組織模式

過秀成 涂圣文，2 張小輝

(1東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096)

(2長沙理工大學(xué)道路災(zāi)變防治及交通安全教育部工程研究中心，長沙410114)

城市結(jié)點對外交通如何合理組織，無論從交通規(guī)劃、城市發(fā)展，還是從工程經(jīng)濟、營運經(jīng)濟、社會效益和環(huán)境效益等方面來看，都是一個復(fù)雜的課題.尤其是在我國城市化和機動化飛速發(fā)展的今天，若對外交通組織方案不合理，不僅會影響干線公路的運行效率，而且會給結(jié)點城市增加額外的交通負(fù)擔(dān)，惡化城市交通環(huán)境.不少學(xué)者和規(guī)劃工作者針對城市結(jié)點對外交通組織的相關(guān)問題進行了研究［1-4］，但已有文獻均只從定性角度分析對外交通組織與城市形態(tài)、城市規(guī)劃、城市發(fā)展等因素之間的關(guān)系，指出了對外交通組織需要注意的問題和主要原則，而缺乏在考慮干線公路交通量、對外交通OD分布結(jié)構(gòu)等量化要素的基礎(chǔ)上，定量地進行交通組織方案評價的途徑.

本文提出一種改進的路網(wǎng)效率測度指標(biāo)，并以此來評價不同干線公路交通量水平、不同對外交通需求結(jié)構(gòu)下城市結(jié)點對外交通組織模式的適用性，為城市結(jié)點對外交通組織方案的決策提供一種量化分析思路.

1 路網(wǎng)效率測度指標(biāo)

現(xiàn)有路網(wǎng)效率測度指標(biāo)主要分為3種類型:基于通行能力的指標(biāo)、基于路網(wǎng)形態(tài)特征的測度指標(biāo)和基于投入產(chǎn)出關(guān)系的路網(wǎng)效率測度指標(biāo).基于通行能力的指標(biāo)即采用路網(wǎng)通行能力和服務(wù)水平2個指標(biāo)分別對路網(wǎng)進行評價［5］，或是利用二者的綜合評價指標(biāo)來衡量路網(wǎng)效率［6］.基于路網(wǎng)形態(tài)特征的測度指標(biāo)一般采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵(entropy)、網(wǎng)絡(luò)布局模式(connection patterns)、路徑連續(xù)性(continuity)3個要素來評價道路網(wǎng)絡(luò)的效率［7］.這2類指標(biāo)的主要缺陷是沒有考慮出行者的擇路行為，因而評價結(jié)果無法反映實際路網(wǎng)的運行狀況.而基于投入產(chǎn)出關(guān)系的路網(wǎng)效率測度指標(biāo)則往往在出行者擇路行為的路網(wǎng)均衡狀態(tài)下來評價路網(wǎng)的效率和性能，如在路網(wǎng)均衡狀態(tài)下，Nagurney等［8-10］用平均每個OD對上單位出行成本能夠服務(wù)的出行者數(shù)量來衡量網(wǎng)絡(luò)效率，秦進等［11］定義網(wǎng)絡(luò)效率為每條路段上單位出行成本能夠服務(wù)的出行者數(shù)量，余孝軍等［12］定義網(wǎng)絡(luò)效率為交通網(wǎng)絡(luò)中所有出行者的總收益.這類路網(wǎng)效率測度指標(biāo)雖然考慮了出行者的擇路行為，但其過分強調(diào)指標(biāo)的經(jīng)濟學(xué)解釋性，而忽略了對路網(wǎng)通行能力和服務(wù)水平的考慮，因而只適用于追求勞動生產(chǎn)率的運輸網(wǎng)絡(luò)，而不適用于受通行能力和服務(wù)水平約束的道路交通網(wǎng)絡(luò).本文在上述相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，提出一種能綜合反映道路交通網(wǎng)絡(luò)出行成本及服務(wù)水平的路網(wǎng)效率測度指標(biāo).

先給出路網(wǎng)中斷面通行效率的定義.路網(wǎng)中路段a的斷面通行效率Ea由Brilon［13］提出，定義如下:

對于給定的交通網(wǎng)絡(luò)G，若其OD間交通需求總量為q，在交通網(wǎng)絡(luò)平衡狀態(tài)下，定義網(wǎng)絡(luò)效率為

式中，A為交通網(wǎng)絡(luò)G中路段的集合;nA為路段的數(shù)量為平衡狀態(tài)下路段a上的出行成本.將式(1)代入式(2)，可得

該路網(wǎng)效率指標(biāo)可理解為平均每條路段上單位出行成本能夠服務(wù)的車公里數(shù).可看出，改進的網(wǎng)絡(luò)效率測度指標(biāo)不僅能夠反映路網(wǎng)運行中成本與效益之間的關(guān)系，而且綜合考慮了路網(wǎng)容量和服務(wù)水平.

2 基于路網(wǎng)效率的城市結(jié)點對外交通組織模式

合理的對外交通組織模式應(yīng)是在快速組織過境交通、出入境交通的基礎(chǔ)上，盡量降低對外交通對內(nèi)部交通系統(tǒng)的影響.下面采用提出的交通網(wǎng)絡(luò)效率測度指標(biāo)，分析不同的干線交通量水平、不同對外交通需求結(jié)構(gòu)下城市結(jié)點對外交通的合理組織模式.

2.1 測試路網(wǎng)構(gòu)建

為研究交通組織模式與路網(wǎng)效率的關(guān)系，構(gòu)造測試路網(wǎng)如圖1所示.該路網(wǎng)包含東西向和南北向各5條等間距內(nèi)部道路，相鄰道路之間的間距均為5.0 km，這些道路互相交叉形成40條路段，將城市結(jié)點內(nèi)部劃分為16個方格狀交通小區(qū).這40條路段中，中間8條路段為快速干道，形成城市快速內(nèi)環(huán)，其余36條路段均為一般路段.此外，路網(wǎng)中還存在東西、南北向的2條對外干線公路測試路網(wǎng)各路段的詳細(xì)參數(shù)如表1所示.

圖1 測試路網(wǎng)示意圖

表1 測試路網(wǎng)各路段參數(shù)

2.2 路網(wǎng)效率與交通需求的關(guān)系

2.2.1 路網(wǎng)效率與內(nèi)部交通需求之間的關(guān)系

不考慮對外交通需求的情況下，內(nèi)部路網(wǎng)效率與內(nèi)部小區(qū)間交通OD的關(guān)系如圖2所示.由圖可知，隨著小區(qū)間交通需求的增加，路網(wǎng)效率先增加后減小，即在交通需求總體較小時，由于路網(wǎng)剩余容量較大，隨著交通需求的增加，平均每條路段上單位出行成本能夠服務(wù)的車公里數(shù)會繼續(xù)增加，路網(wǎng)效率也增加，且在小區(qū)間OD約為150 pcu/h時達到最大;隨著交通需求的繼續(xù)增大，路網(wǎng)中部分路段先達到飽和，這時路段上的出行成本逐漸增加，路網(wǎng)效率降低.這與實際路網(wǎng)的運行情況基本一致，說明了本文提出的路網(wǎng)效率測度指標(biāo)的有效性.

圖2 路網(wǎng)效率與內(nèi)部交通小區(qū)間OD的關(guān)系

2.2.2 對外交通對路網(wǎng)效率的影響

在內(nèi)部交通小區(qū)間OD為100，200，300 pcu/h三種情況下，分別測算當(dāng)干線公路交通量增加時內(nèi)部路網(wǎng)效率的變化情況(假設(shè)和方向的過境交通量比例均為20%)，結(jié)果如圖3所示.從圖中可看出，對外交通的引入增加了結(jié)點內(nèi)部路網(wǎng)的交通疏解負(fù)擔(dān)，路網(wǎng)效率隨著對外交通需求的增加而降低.

圖3 對外交通對路網(wǎng)效率的影響

2.3 對外交通組織模式及其路網(wǎng)效率分析

相關(guān)研究表明［14］，交通需求結(jié)構(gòu)影響路網(wǎng)容量及服務(wù)效率.根據(jù)對國內(nèi)若干條經(jīng)過城市結(jié)點干線公路交通組成的調(diào)查分析［15］，本文將干線公路對外交通需求結(jié)構(gòu)分為2種:①方向的過境交通量和出入境交通量的比例為1∶4，即2條干線公路均以出入境交通為主;②方向的過境交通量和出入境交通量的比例為2∶3方向的過境交通量和出入境交通量的比例為1∶4，即干線公路方向存在集中的過境交通量，而干線公路方向仍以出入境交通為主.

同時，根據(jù)已有的對外交通組織方面的研究及實踐成果［1-4］，將城市結(jié)點對外交通的組織模式分為3種:① 對外交通直接接入結(jié)點內(nèi)部路網(wǎng)，通過內(nèi)部路網(wǎng)自發(fā)完成對外交通的組織，該模式對應(yīng)的路網(wǎng)參數(shù)如表1所示.② 設(shè)置干線公路與內(nèi)部快速干道之間的快速連接線，將對外交通引入快速干道系統(tǒng)，通過快速干道系統(tǒng)集中完成對外交通的組織.在圖1所示的測試路網(wǎng)中，快速連接線對應(yīng)為6，9，23，40 四條路段，行車速度設(shè)置為60 km/h，通行能力設(shè)置為2 000 pcu/h.③ 在模式② 的基礎(chǔ)上，設(shè)置方向直接式過境通道，將過境交通直接疏導(dǎo)過境.在測試路網(wǎng)中，直接過境通道對應(yīng)為27和29兩條路段，行車速度設(shè)置為80 km/h，通行能力設(shè)置為2 500 pcu/h.

考慮內(nèi)部小區(qū)之間的交通OD為300 pcu/h即城市內(nèi)部路網(wǎng)富余通行能力不大時，分別計算對外交通需求結(jié)構(gòu)① 情形下，隨著干線公路交通量的變化，對外交通組織模式① 、② 下內(nèi)部路網(wǎng)效率變化的情況，計算結(jié)果如圖4所示.從圖中可看出，當(dāng)干線公路交通量小于750 pcu/h時，2種組織模式的路網(wǎng)效率相差不大;當(dāng)干線公路交通量大于750 pcu/h時，模式① 的路網(wǎng)效率逐漸下降，而模式②的路網(wǎng)效率還能繼續(xù)上升，總體上比模式①能提升約16%～32%的路網(wǎng)效率.

圖4 對外需求結(jié)構(gòu)①情形下交通組織模式與路網(wǎng)效率的關(guān)系

在同樣條件下，計算對外交通需求結(jié)構(gòu)② 情形下，組織模式① ～③ 下內(nèi)部路網(wǎng)效率的變化，結(jié)果如圖5所示.從圖中可看出，當(dāng)干線公路交通量小于750 pcu/h時，模式① 與模式② 的路網(wǎng)效率差別不大，這與需求結(jié)構(gòu)①的結(jié)果類似;當(dāng)干線公路交通量在750～2 000 pcu/h時，模式② 的路網(wǎng)效率較模式①能提高約19% ～28%;當(dāng)干線公路交通量超過2 000 pcu/h時，模式②的路網(wǎng)效率下降，逐漸接近模式①的路網(wǎng)效率，此時若采用模式③來組織對外交通，則仍能提高路網(wǎng)效率約23% ～37%.

圖5 對外需求結(jié)構(gòu)②情形下交通組織模式與路網(wǎng)效率的關(guān)系

3 結(jié)論

1)提出了一種改進的路網(wǎng)效率綜合測度指標(biāo)，與現(xiàn)有的測度指標(biāo)相比，該指標(biāo)不僅能夠反映路網(wǎng)運行中成本與效益之間的關(guān)系，還綜合考慮了路網(wǎng)容量和服務(wù)水平.

2)采用本文提出的路網(wǎng)效率測度指標(biāo)，研究了不同對外交通需求結(jié)構(gòu)下城市結(jié)點不同對外交通組織模式的適用性.研究表明，在城市內(nèi)部路網(wǎng)富余通行能力不大的情況下，當(dāng)干線公路交通量小于750 pcu/h時，干線公路可直接接入內(nèi)部道路系統(tǒng);當(dāng)干線公路交通量為750～2 000 pcu/h且主要為出入境交通時，宜將對外交通引入城市結(jié)點快速干道系統(tǒng)，通過快速干道系統(tǒng)集中組織對外交通;當(dāng)干線公路交通量大于2 000 pcu/h且存在較為集中的過境交通時，宜設(shè)置直接式過境通道分離過境交通，以提高路網(wǎng)的整體效率.

3)所構(gòu)建的測試路網(wǎng)是考慮了實際路網(wǎng)的等級結(jié)構(gòu)、交通需求結(jié)構(gòu)的抽象路網(wǎng)，能代表大多數(shù)實際路網(wǎng)的狀況，因而具有一定的通用性.但各個城市的真實路網(wǎng)畢竟千差萬別，以后將進一步在實際路網(wǎng)中進行應(yīng)用和檢驗.

References)

［1］徐吉謙.高等級公路與城市連接的探討［J］.華東公路，1987(增刊 2):93-105.Xu Jiqian.Discussion on the connection of arterial highways to cities［J］.East China Highway，1987(S2):93-105.(in Chinese)

［2］陳培健.城市發(fā)展與對外公路交通合理布局的研究［J］.公路交通科技，2000，17(3):36-39.Chen Peijian.Research on city's development and the rational distribution of external highway［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2000，17(3):36-39.(in Chinese)

［3］李勇軍.過境公路方案與城市規(guī)劃協(xié)調(diào)性的探討［J］.廣西交通科技，2003，28(5):116-120.Li Yongjun.The investigation on the coordination of transit highway program with urban planning ［J］.GuangxiCommunication Science and Technology，2003，28(5):116-120.(in Chinese)

［4］李娟.公路與城市道路連接問題的研究［J］.交通運輸工程與信息學(xué)報，2010，8(1):20-24.Li Juan.Analysis of the joint problems between highway and urban road［J］.Journal of Transportation Engineering and Information，2010，8(1):20-24.(in Chinese)

［5］熊烈強，李杰.交通流理論與服務(wù)水平［J］.同濟大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2005，33(8):1065-1068.Xiong Lieqiang，Li Jie.Traffic flow theory and level of service［J］.Journal of Tongji University:Natural Science，2005，33(8):1065-1068.(in Chinese)

［6］葉彭姚，陳小鴻.基于交通效率的城市最佳路網(wǎng)密度研究［J］.中國公路學(xué)報，2008，21(4):94-97.Ye Pengyao，Chen Xiaohong.Study of urban optimal density of road network based on transportation efficiency ［J］.China Journal of Highway and Transport，2008，21(4):94-97.(in Chinese)

［7］Xie Feng，Levinson D.Measuring the structure of road networks［J］.Geographical Analysis，2007，39(3):336-356.

［8］Nagurney A，Qiang Q.A network efficiency measure with application to critical infrastructure networks［J］.Journal of Globe Optimization，2008，40:261-275.

［9］Qiang Q，Nagurney A.A unified network performance measure with importance identification and the ranking of network components［J］. Optimization Letters，2008，2(1):127-142.

［10］Nagurney A，Qiang Q.A relative total cost index for the evaluation of transportation network robustness in the presence of degradable links and alternative travel behavior［J］.International Transactions in Operational Research，2009，16(1):49-67.

［11］秦進，史峰，鄧連波，等.道路交通網(wǎng)絡(luò)效率定量評價方法及其應(yīng)用［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2010，40(1):47-51.Qin Jin，Shi Feng，Deng Lianbo，et al.Quantitative evaluation method for road transportation network efficiency and its application［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition，2010，40(1):47-51.(in Chinese)

［12］余孝軍，黃海軍.交通網(wǎng)絡(luò)效率的度量和元件重要性的計算方法［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2012，32(7):1546-1552.Yu Xiaojun，Huang Haijun.Measuring the network efficiency and computing the component importance［J］.Systems Engineering—Theory and Practice，2012，32(7):1546-1552.(in Chinese)

［13］Brilon W.Traffic flow analysis beyond traditional methods［C］//The 4th International Symposium on Highway Capacity.Hawai'i Maui，USA，2000:26-41.

［14］邢曉歡，程琳.路網(wǎng)布局結(jié)構(gòu)對路網(wǎng)容量的影響研究［J］.交通運輸工程與信息學(xué)報，2008，6(3):109-114.Xing Xiaohuan，Cheng Lin.Research of road network layout structure influence on road network capacity［J］.Journal of Transportation Engineering and Information，2008，6(3):109-114.(in Chinese)

［15］涂圣文.干線公路與組團型城市銜接規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.南京:東南大學(xué)交通學(xué)院，2014.