基于OD反推的合理土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度方法研究

顏 冉 韓高峰 黃文娟

(合肥工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 安徽合肥 230009)

《雅典憲章》指出城市是由居住、工作、游憩和交通四大活動(dòng)組成。交通可認(rèn)為是城市的動(dòng)脈，然而高密度、高容積率的城市建筑所產(chǎn)生的交通量超出了道路交通所承載的負(fù)荷，繼而引起城市交通堵塞、交通安全、能耗以及噪聲等一系列問(wèn)題?；谏鲜龇治?，本文從道路通行能力出發(fā)，通過(guò)OD反推技術(shù)確定路網(wǎng)所承載范圍內(nèi)合理的土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，為城市控規(guī)編制人員制定片區(qū)容積率提供參考。

1 城市土地利用與交通的關(guān)系

人類(lèi)活動(dòng)在空間上的分散性造成人員的流動(dòng)和物品的運(yùn)輸，而這些人員和物品的移動(dòng)又決定了交通的需求。由于交通需求是派生需求，交通需求的產(chǎn)生取決于居住用地與其他類(lèi)型用地的空間布局的背離，城市土地利用決定了人類(lèi)活動(dòng)在空間上的分散性，城市土地利用是城市交通需求的根源，決定了城市交通源、交通量及交通方式。同時(shí)，城市交通可以引導(dǎo)城市土地的開(kāi)發(fā)利用。道路網(wǎng)的交通量，不僅可以反映交通需求的大小，由于作為新開(kāi)發(fā)土地周?chē)肪W(wǎng)的背景交通量，道路網(wǎng)的交通量也是道路網(wǎng)周邊土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的控制因素。我國(guó)各大城市由于人口眾多，土地資源短缺，必須選擇高密度開(kāi)發(fā)模式和以公共交通為導(dǎo)向(TOD)的土地開(kāi)發(fā)模式［1］。因此，在城市道路承載范圍內(nèi)，研究合理的土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度，是城市土地利用與交通和諧發(fā)展的重要因素，也是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 基于道路服務(wù)水平路段交通量確定

2.1 路段通行能力的確定

基本通行能力是指特定的時(shí)段，在理想的道路、交通、控制和環(huán)境條件下，道路的一條車(chē)道、一均勻段或一交叉口，期望能通過(guò)的人或車(chē)輛合理的最大的小時(shí)流率。路段的路段通行能力可由路段一條車(chē)道基本通行能力結(jié)合下式修正［2］:

式中，N0表示一條路段的基本通行能力，γ表示自行車(chē)影響修正系數(shù)，η表示車(chē)道寬度影響修正系數(shù)，n′表示車(chē)道數(shù)影響修正系數(shù)，C表示交叉口影響修正系數(shù)。N0取值參考文獻(xiàn)［2］，其他參數(shù)的取值參考文獻(xiàn)［3］。

2.2 路段服務(wù)水平劃分

衡量城市道路交通服務(wù)水平的指標(biāo)主要是路段的飽和度、車(chē)速和延誤。所謂路段飽和度，是指路段實(shí)際交通量與設(shè)計(jì)通行能力的比值。由于車(chē)速延誤與飽和度有關(guān)，飽和度增大，則車(chē)速降低，延誤增加;飽和度減小，則車(chē)速增加，延誤降低，所以飽和度是關(guān)鍵指標(biāo)。本文參考現(xiàn)有研究成果，將飽和度作為城市道路的服務(wù)水平劃分依據(jù)。參考國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)［3］和各服務(wù)水平等級(jí)對(duì)應(yīng)道路上交通流的情形見(jiàn)表1。

表1 路段服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)應(yīng)的道路交通情形Table 1 The classification criteria for road segment service level and the corresponding road traffic

2.3 路段誘增交通量的確定

城市道路路段交通量不僅反映城市道路的服務(wù)水平，同時(shí)也反映城市交通需求量的大小。路段交通量包含路段的背景交通量和誘增交通量，所謂背景交通量是指不考慮建設(shè)項(xiàng)目的前提下的周邊道路網(wǎng)的交通流量，它反映的是周邊道路的交通量的變化情況。誘增交通量是研究地塊項(xiàng)目建成后地塊項(xiàng)目產(chǎn)生的交通量。本文研究的是片區(qū)(地塊)合理容積率的確定，研究片區(qū)產(chǎn)生的交通量屬于誘增交通量的范疇，誘增交通量是本文研究的重點(diǎn)。

飽和度是路段交通量與路段通行能力的比值，設(shè)定理想道路服務(wù)水平為D級(jí)以上［4］，以所有路段飽和度等于0.75作為一個(gè)臨界值。設(shè)路段理想交通量是路段通行能力與D級(jí)服務(wù)水平對(duì)應(yīng)飽和度的乘積，不同等級(jí)服務(wù)水平的路段有著不同的路段交通量，每個(gè)等級(jí)的服務(wù)水平對(duì)應(yīng)著一個(gè)飽和度的區(qū)間，則對(duì)應(yīng)的路段交通量也在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)。允許誘增交通量為路段理想交通量與路段背景交通量的差值，允許誘增交通量占背景交通量的比值同時(shí)滿足主干路不超過(guò)30%、次干路不超過(guò)40%、支路不超過(guò)70%［5］。允許誘增交通量為OD反推提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 基于誘增交通量的OD反推方法

本節(jié)的重點(diǎn)是根據(jù)道路網(wǎng)路段流量和基于土地利用劃分的交通區(qū)，結(jié)合前文分析，運(yùn)用transcad交通分析軟件OD Matrix Estimation模塊得出交通區(qū)的出行分布矩陣，進(jìn)而計(jì)算出交通區(qū)的出行吸引量。不同飽和度的路段流量會(huì)反推出不同的交通區(qū)的出行分布矩陣，即每個(gè)飽和度對(duì)應(yīng)一個(gè)交通區(qū)的出行分布矩陣，二者存在特定函數(shù)關(guān)系，如飽和度為0.75時(shí)，根據(jù)反推的分布矩陣計(jì)算得到的交通區(qū)的出行吸引量對(duì)應(yīng)的就是路網(wǎng)飽和度為0.75時(shí)的出行吸引量。

3.1 OD反推基本原理

OD反推的基本思想是根據(jù)路段交通量推算OD分布量，是交通分配的逆過(guò)程，故稱為“OD反推”。其基本原理是:設(shè)Va為路段a的交通量;Tij為i，j交通區(qū)的出行量為i，j小區(qū)間通過(guò)路段a的概率;根據(jù)路網(wǎng)交通流的守恒性，對(duì)于非零OD節(jié)點(diǎn)，其交通流的流入和流出量相等;另外，同一路段上不同斷面的交通流量都相等。由此得出通過(guò)路段交通量反推OD矩陣時(shí)的最基本的關(guān)系式［6］:

3.2 OD反推模型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)OD反推模型和方法進(jìn)行了大量研究。根據(jù)OD反推的基本原理，由最基本的關(guān)系式無(wú)法解出Tij的唯一解，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常以最優(yōu)估計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)引入一個(gè)凸目標(biāo)函數(shù)并將式中的線性方程組作為約束條件，形成一個(gè)數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題而產(chǎn)生出最優(yōu)解。不同的OD反推模型的主要區(qū)別在于凸目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造和交通分配模型的選擇(的確定過(guò)程)上，OD反推模型的一般形式如下式所示［7］:

式中，T為推算的OD矩陣，v為推算的路段流量，t為先驗(yàn)OD矩陣為路段觀測(cè)流量，γ1，γ2分別為權(quán)重系數(shù)。

3.3 OD反推參數(shù)

OD反推技術(shù)作為獲取交通區(qū)發(fā)生吸引量的主要技術(shù)手段，需要以下參數(shù):

(1)基于土地利用的交通區(qū)劃分。交通區(qū)的劃分應(yīng)根據(jù)研究范圍內(nèi)的用地規(guī)模、土地利用性質(zhì)和布局的特點(diǎn)來(lái)確定，同時(shí)考慮車(chē)流在交通網(wǎng)上的分布情況來(lái)確定邊界。交通區(qū)有兩種，在研究范圍內(nèi)劃分的交通區(qū)為內(nèi)部交通區(qū)，在研究范圍外部劃分的交通區(qū)為外部交通區(qū)，一般在研究范圍外部將貫穿研究范圍的干道作為外部交通區(qū)的質(zhì)心。

(2)路段誘增交通量。在根據(jù)路段誘增交通量推算OD矩陣時(shí)，路段交通量觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)量及其設(shè)立的位置與OD推算結(jié)果的準(zhǔn)確度之間存在著密切的關(guān)系［8］。路段誘增交通量具有方向性，一個(gè)是沿每個(gè)路段的拓?fù)淝靶蟹较蛏系闹?，另一個(gè)是沿每個(gè)路段的相反拓?fù)浞较蛏系闹?。本文OD反推中的路段流量為路段允許誘增的交通量，見(jiàn)前文分析。

(3)先驗(yàn)OD矩陣。預(yù)測(cè)的OD矩陣與先驗(yàn)OD矩陣具有基本相同的分布形式，常用的獲取先驗(yàn)OD矩陣的方法是歷史的、或抽樣調(diào)查的、或按某一種數(shù)學(xué)方法計(jì)算的，本文是根據(jù)路網(wǎng)的阻抗矩陣計(jì)算先驗(yàn)OD矩陣:

式中，tij是先驗(yàn)OD矩陣中交通區(qū)i與j之間的出行量;fij是交通區(qū)i與j之間的出行阻抗矩陣中的阻抗值。

3.4 OD反推精度檢驗(yàn)指標(biāo)

判定系數(shù)R2是測(cè)定直線回歸模型擬合優(yōu)度的一個(gè)重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下:

式中，a和b分別表示回歸直線方程y=a+bx的回歸參數(shù)。R表示OD反推精度檢驗(yàn)主要指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)，反映路段分配流量與觀測(cè)流量之間的線性相關(guān)程度。

4 基于出行吸引量的地塊當(dāng)量容積率確定

容積率是指地塊總建筑面積與用地面積的比率，是衡量建設(shè)用地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度的一項(xiàng)重要指標(biāo)。文中定義中戶型居住用地的容積率為當(dāng)量容積率，假設(shè)研究地塊的交通出行總量不變，根據(jù)交通出行率手冊(cè)［9］，其他用地性質(zhì)的容積率可以折算成當(dāng)量容積率，其折算系數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 容積率折算系數(shù)表Table 2 The conversion coefficient of plot ratio to equivalent plot ratio

交通區(qū)出行吸引量可以根據(jù)交通區(qū)內(nèi)建筑面積及單位建筑面積的出行吸引率和OD反推兩種方法來(lái)確定。OD反推方法前文已做分析，本節(jié)主要分析根據(jù)交通區(qū)內(nèi)各個(gè)地塊的建筑面積及單位建筑面積的出行吸引率計(jì)算交通區(qū)的出行吸引量，結(jié)合前文根據(jù)OD反推出的交通區(qū)出行吸引量計(jì)算出地塊的當(dāng)量容積率。OD反推的交通區(qū)i與j之間的出行量為 Tij，則:

式中，A為研究范圍路段集合，xa為a路段飽和度，Na為a路段通行能力，f(xa，Na)表示基于路段流量求解OD反推模型，模型的求解較為繁瑣，實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)建模及求最優(yōu)解的方法往往效率不高，由于交通規(guī)劃軟件如transCAD已集成了OD反推模塊，且求解效率也較高，建議利用OD反推技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行求解［4］。文章直接運(yùn)用transcad的OD反推模塊，研究地塊的出行吸引量T可表示為:

根據(jù)交通區(qū)內(nèi)建筑面積及單位建筑面積的出行吸引率計(jì)算的地塊出行吸引量T′由下式確定:

式中，y為地塊當(dāng)量容積率，S為地塊用地面積，λ為單位建筑面積出行吸引率，ε為隨機(jī)項(xiàng)，R2為擬合優(yōu)度。由T′=Tij可以確定地塊的當(dāng)量容積率。具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 基于OD反推的合理土地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度方法的技術(shù)路線Fig.1 The technical route of land development intensity based on OD estimation

5 案例

本文以合肥市政務(wù)區(qū)某項(xiàng)目地塊(下文簡(jiǎn)稱“項(xiàng)目”)為例，項(xiàng)目容積率為2.8。項(xiàng)目地處合肥市城市政務(wù)文化新區(qū)核心區(qū)域，北臨環(huán)圣支路，南依祁門(mén)路，東臨茂蔭路，西臨匡河路。

在研究范圍內(nèi)劃分6個(gè)內(nèi)部交通區(qū)，8個(gè)外部交通區(qū)，研究地塊周邊路網(wǎng)的背景交通量和理想路段交通量，如表3，其中允許誘增交通量結(jié)合項(xiàng)目周邊道路運(yùn)行質(zhì)量結(jié)合文獻(xiàn)［5］確定。

表3 項(xiàng)目周邊路網(wǎng)交通參數(shù)表Table 3 The road network traffic parameter around the project

根據(jù)上文分析，將允許誘增交通量作為OD反推中的路段交通量，通過(guò)OD反推得到項(xiàng)目周?chē)肪W(wǎng)達(dá)到D級(jí)服務(wù)水平的臨界值時(shí)交通小區(qū)的OD矩陣，如表4。

表4 交通小區(qū)的小汽車(chē)OD矩陣分布表Table 4 The car OD distribution matrix of a traffic zone

假設(shè)路段機(jī)動(dòng)車(chē)的流量為小汽車(chē)的流量，小汽車(chē)的出行比例由城市的出行結(jié)構(gòu)確定，地塊的用地面積和小汽車(chē)的出行分擔(dān)率見(jiàn)表5。由居民出行率手冊(cè)住宅(中戶型)的晚高峰人流量與建筑面積的公式可知，晚高峰人流量=0.0062×建筑面積+16.23，R2=0.669，其中建筑面積為用地面積與平均容積率的乘積。

表5 地塊面積與小汽車(chē)相關(guān)參數(shù)Table 5 The plot area and the related parameters of a car

項(xiàng)目投入使用后，對(duì)其影響范圍內(nèi)的路段交通量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)得到的交通流參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 項(xiàng)目投入使用后周?chē)肪W(wǎng)交通量對(duì)比表Table 6 The road network traffic around after the input of the project

由表6可知，項(xiàng)目投入正常使用以后，影響范圍內(nèi)道路的實(shí)際調(diào)查交通量與本方法得到的交通量之間的誤差最大值為10.96%，誤差相對(duì)較小。根據(jù)各類(lèi)建筑交通出行率指標(biāo)計(jì)算的地塊總的交通出行吸引量不大于地塊內(nèi)部各個(gè)交通區(qū)的出行吸引量之和，由表4可知，項(xiàng)目產(chǎn)生的出行吸引量應(yīng)小于424 pcu/h，根據(jù)表5的出行結(jié)構(gòu)，可以解得項(xiàng)目產(chǎn)生的人流量應(yīng)小于2745人次/h，由晚高峰人流量 =0.0062 ×建筑面積 +16.23，R2=0.669，解得地塊當(dāng)量容積率為2.747，與項(xiàng)目容積率2.8相符，說(shuō)明該計(jì)算方法可行。

6 結(jié)論

目前大多數(shù)規(guī)劃設(shè)計(jì)者確定容積率時(shí)主要考慮經(jīng)濟(jì)、地塊區(qū)位等因素或者依靠自己的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地塊周邊道路網(wǎng)的交通服務(wù)水平重視不夠。文章從城市交通可持續(xù)發(fā)展的角度分析實(shí)際道路的交通負(fù)荷，通過(guò)OD反推技術(shù)，結(jié)合地塊的各類(lèi)建筑交通出行率指標(biāo)來(lái)確定地塊的當(dāng)量容積率，并給出其他用地性質(zhì)容積率換算成當(dāng)量容積率的折算值，確定了路網(wǎng)飽和度與當(dāng)量容積率關(guān)系的方法，通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證了方法的可靠性。對(duì)于交通出行率手冊(cè)中未涉及到的用地，其容積率折算值需要大量調(diào)查后才能獲得。

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