基于功能分析的城市道路網(wǎng)絡(luò)銜接評(píng)價(jià)研究

王京京,楊友林,李 輝,王東煒*

（1.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，鄭州450044；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州450001）

基于功能分析的城市道路網(wǎng)絡(luò)銜接評(píng)價(jià)研究

王京京1,楊友林1,李 輝2,王東煒*2

（1.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，鄭州450044；2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州450001）

城市道路網(wǎng)絡(luò)中，各等級(jí)道路之間銜接的合理與否直接關(guān)系到相關(guān)道路乃至整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)期望功能的實(shí)現(xiàn).本文以不同等級(jí)道路功能分析為基礎(chǔ)，提出城市綜合交通規(guī)劃的道路網(wǎng)規(guī)劃，以交通功能為主要目標(biāo)的城市道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專項(xiàng)規(guī)劃，以服務(wù)功能為主要目標(biāo)的道路網(wǎng)絡(luò)銜接規(guī)劃的總體思路.結(jié)合以概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的蒙特卡羅算法，分別計(jì)算交通功能和服務(wù)功能的系統(tǒng)可靠度，以作為不同階段道路網(wǎng)絡(luò)銜接的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并探討道路網(wǎng)絡(luò)銜接中的越級(jí)交叉問題.最后以鄭州市某區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)為例，驗(yàn)證了本文方法的可行性與適用性.

城市交通；道路功能；道路銜接；系統(tǒng)可靠度

1 引 言

《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范（CJJ37-2012）》中將我國大城市的道路分為四個(gè)等級(jí)：快速路、主干路、次干路和支路，并對(duì)各等級(jí)道路的功能進(jìn)行了闡述[1].各等級(jí)道路通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行銜接，相互協(xié)調(diào)配合構(gòu)成功能清晰明確的路網(wǎng).城市道路節(jié)點(diǎn)銜接的合理與否直接關(guān)系到相關(guān)道路及整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)期望功能的實(shí)現(xiàn).然而，在城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃過程中，許多城市往往重視擴(kuò)大路網(wǎng)的空間尺度，忽視路網(wǎng)功能結(jié)構(gòu)的改善，造成各等級(jí)道路之間銜接不盡合理，越級(jí)相交現(xiàn)象普遍存在；使得各等級(jí)道路功能紊亂，影響干路的速度和交通安全；且交通流集散過程中難以遵循由低到高再到低的道路等級(jí)切換原則，造成各等級(jí)道路之間交通流集散困難，形成路網(wǎng)系統(tǒng)的“瓶頸”.為了保證交通流在不同等級(jí)道路之間進(jìn)行有序集散，并使各等級(jí)道路能充分發(fā)揮自身的功能，在網(wǎng)絡(luò)層面上，各級(jí)道路應(yīng)根據(jù)不同層次交通需求，以及城市道路功能的要求進(jìn)行銜接組織.

已有研究主要集中于城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段的節(jié)點(diǎn)幾何設(shè)計(jì)，以及運(yùn)行管理階段的單節(jié)點(diǎn)交通設(shè)計(jì).鄧亞娟分析了快速路與常規(guī)道路的銜接問題，在對(duì)立交定位及其間距影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了立交及其出入口匝道各類最小間距的確定方法[2]；石飛以主干路和支路相交為例，探討了城市道路網(wǎng)中的越級(jí)相交問題[3]；喻偉運(yùn)用可接受間隙理論，提出了主線地面交織段的計(jì)算方法[4]；晏秋指出，出入口設(shè)計(jì)應(yīng)為快速路與其它等級(jí)道路的銜接提供基本條件[5]；Goto等提出不同功能等級(jí)的道路相交宜采用不同的交通管控形式，以充分實(shí)現(xiàn)各等級(jí)道路的功能[6].無論是在城市綜合交通規(guī)劃階段，亦或城市道路網(wǎng)絡(luò)專項(xiàng)規(guī)劃階段，針對(duì)城市道路銜接規(guī)劃的研究相對(duì)較少，尤其缺乏在功能分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行城市道路銜接方案的評(píng)價(jià).

本文擬基于不同等級(jí)道路功能，提出道路網(wǎng)絡(luò)交通功能和服務(wù)功能的基本概念，以基于蒙特卡羅模擬的系統(tǒng)可靠度為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，定量化分析城市道路網(wǎng)絡(luò)銜接，并結(jié)合單元概率重要度的計(jì)算，提出相應(yīng)的改善建議.目前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度常用的求解方法主要有解析法和模擬法.解析法采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)可靠度進(jìn)行分析，包括窮舉法、最小路法、最小割法及相應(yīng)的不交化方法等.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，易出現(xiàn)組合爆炸問題.而蒙特卡羅模擬法通過構(gòu)造符合一定規(guī)則的隨機(jī)數(shù)來解決數(shù)學(xué)上的各種問題，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜、積分維度較高時(shí)，是一種非常有效的求解網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度的數(shù)值解的方法.

2 城市道路網(wǎng)絡(luò)功能界定與銜接規(guī)劃要求

不同的規(guī)劃階段，有其不同的功能目標(biāo).城市道路網(wǎng)的規(guī)劃以城市總體規(guī)劃為上位，涵蓋綜合交通規(guī)劃的道路網(wǎng)規(guī)劃，以及城市道路網(wǎng)專項(xiàng)規(guī)劃.城市總體規(guī)劃和綜合交通規(guī)劃的道路網(wǎng)規(guī)劃，主要確定道路網(wǎng)絡(luò)的骨架，對(duì)快速路、主干路及次干路的線路走向、布局形式等進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃[7].由快速路、主干路、次干路所構(gòu)成的干路網(wǎng)絡(luò)主要承擔(dān)過境、出入境及城市組團(tuán)間的大流量交通，是聯(lián)系各分區(qū)、組團(tuán)間和各類城市用地的快速通道，強(qiáng)調(diào)大流量與快速，即宜以完成交通功能為其主要目標(biāo).該階段干路網(wǎng)的交通功能可界定為由快速路、主干路和次干路銜接構(gòu)成的路網(wǎng)為大流量交通提供快速通過的能力.

在進(jìn)行銜接規(guī)劃時(shí)，快速路與相同等級(jí)的快速路和低一等級(jí)的主干路相連接，實(shí)現(xiàn)交通流方向的轉(zhuǎn)換及交通流的匯集與疏散；主干路與同等級(jí)的主干路、高一等級(jí)的快速路及低一等級(jí)的次干路相連接，主干路將次干路上的交通流匯集到快速路，并將快速路上的交通流分散到次干路；次干路與同等級(jí)的次干路、高一等級(jí)的主干路相連接，實(shí)現(xiàn)交通流的轉(zhuǎn)換和主干路上交通流的集散.

城市道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)專項(xiàng)規(guī)劃和控制性詳細(xì)規(guī)劃階段，重點(diǎn)基于城市總體規(guī)劃和綜合交通規(guī)劃階段的干路網(wǎng)絡(luò)，對(duì)支路進(jìn)行補(bǔ)充規(guī)劃.支路為片區(qū)或組團(tuán)內(nèi)的低速交通提供生活性服務(wù)，強(qiáng)調(diào)交通的方便可達(dá)，故該階段的路網(wǎng)規(guī)劃由快速路、主干路、次干路和支路構(gòu)成，并以完成所構(gòu)成道路網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)功能為主要目標(biāo)；即由快速路、主干路、次干路和支路銜接構(gòu)成的路網(wǎng)應(yīng)能夠提供良好出入通達(dá)服務(wù)的能力.支路與高一等級(jí)的次干路及同等級(jí)的支路相銜接，實(shí)現(xiàn)交通流的轉(zhuǎn)向與集散.

為了保障各類交通流由低一級(jí)道路向高一級(jí)道路有序匯集，并由高一級(jí)道路向低一級(jí)道路有序疏散，銜接規(guī)劃時(shí)宜盡量避免各等級(jí)道路的越級(jí)交叉現(xiàn)象.

3 基于蒙特卡羅的城市道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度

城市道路網(wǎng)絡(luò)銜接規(guī)劃的重點(diǎn)在于各條道路平行或者交叉，通過路段和節(jié)點(diǎn)（即交叉口）單元，組織構(gòu)成道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).路網(wǎng)可靠度是可靠性理論在道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用，考慮路段和節(jié)點(diǎn)單元可靠度，從整體、系統(tǒng)的角度對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究.結(jié)合城市道路網(wǎng)絡(luò)功能界定，提出交通功能的系統(tǒng)可靠度為由快速路、主干路和次干路構(gòu)成的干路網(wǎng)在規(guī)定的時(shí)間和條件下，完成快速通過能力的測度；由快速路、主干路、次干路、支路構(gòu)成的路網(wǎng)系統(tǒng)的服務(wù)功能為在規(guī)定的時(shí)間和條件下，完成出入通達(dá)服務(wù)能力的測度.采用以概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的蒙特卡羅仿真模擬，進(jìn)行兩個(gè)功能系統(tǒng)可靠度的計(jì)算，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度和單元重要度的分析，評(píng)價(jià)路網(wǎng)銜接方案.

基于路網(wǎng)拓?fù)潆A段的單元可靠度確定城市綜合交通規(guī)劃階段和城市道路網(wǎng)絡(luò)專項(xiàng)規(guī)劃階段的單元可靠度，即：考慮各結(jié)構(gòu)形式（車道數(shù)、路幅數(shù)、車道寬度、節(jié)點(diǎn)形式）對(duì)于不同等級(jí)道路功能所貢獻(xiàn)的可靠度能力，在拓?fù)潆A段單元可靠度基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的增益.

3.1 路段單元可靠度

影響路段單元可靠度的結(jié)構(gòu)形式因素主要有車道寬度、車道數(shù)和路幅數(shù).隨著車道寬度和車道數(shù)的增加，路段通行能力提高，單元可靠度得到增益.以車道寬度3.0 m對(duì)應(yīng)的通行能力為基數(shù)，采用PARAMICS進(jìn)行仿真模擬，其它車道寬度下的通行能力相對(duì)于其的增加比率作為增益.車道數(shù)的增益取值依據(jù)與車道寬度同理.同時(shí)，隨著路幅數(shù)的增加，車輛行駛速度增加[8]，通行能力提升，考慮不同路幅數(shù)的影響趨勢，進(jìn)行相應(yīng)的可靠度增益取值.各因素對(duì)應(yīng)的可靠度增益值如表1–表3所示.

在拓?fù)潆A段單元可靠度的基礎(chǔ)上，分別對(duì)車道寬度、車道數(shù)和路幅數(shù)關(guān)于路段單元可靠度的功能增益進(jìn)行取值，得到路段單元的可靠度

式中 Ri——路段的單元可靠度；

r0——拓?fù)潆A段單元可靠度，值為0.5[9]；

?W——車道寬度對(duì)應(yīng)的可靠度增益值；

?N——車道數(shù)對(duì)應(yīng)的可靠度增益值；

?D——斷面形式對(duì)應(yīng)的可靠度增益值.

表1 路段車道寬度的可靠度增益Table 1 Gain of reliability values of lane width

表2 路段單向車道數(shù)的可靠度增益Table 2 Gain of reliability values of number of lanes (one direction)

表3 路段路幅數(shù)的可靠度增益Table 3 Gain of reliability values of road sections

3.2 節(jié)點(diǎn)單元可靠度

交叉口節(jié)點(diǎn)單元可靠度主要受到各進(jìn)口道的車道轉(zhuǎn)向功能分布、寬度、數(shù)量的影響.與路段單元可靠度增益的取值類似，分析各因素對(duì)于交叉口通行功能的增益程度，進(jìn)行相應(yīng)的取值如表4–表7所示.

各轉(zhuǎn)向可靠度的取值表達(dá)式為

表4 各流向不同車道寬度的可靠度增益值Table 4 Gain of reliability values of lane width at different turns

表5 左轉(zhuǎn)車道數(shù)對(duì)應(yīng)的可靠度增益值Table 5 Gain of reliability values of number of left-turn lanes

表6 直行車道數(shù)對(duì)應(yīng)的可靠度增益值Table 6 Gain of reliability values of number of straight lanes

表7 右轉(zhuǎn)車道數(shù)對(duì)應(yīng)的可靠度增益值Table 7 Gain of reliability values of number of right-turn lanes

3.3 道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度

設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各單元的可靠度為pi(i=1,2,3,…,n)，對(duì)每一單元產(chǎn)生0–1間均勻分布的隨機(jī)數(shù)ri(i=1,2,3,…,n)，當(dāng)ri＞pi，則認(rèn)為單元失效，反之則單元可靠.根據(jù)單元的失效情況，判斷網(wǎng)絡(luò)源點(diǎn)O和匯點(diǎn)D是否依然連通.每次試驗(yàn)產(chǎn)生一批隨機(jī)數(shù)并判定一次連通性.當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)N足夠大時(shí)，即可求得源點(diǎn)O和匯點(diǎn)D之間的可靠度為

式中 N′——源匯對(duì)wk連通的試驗(yàn)次數(shù).

設(shè)系統(tǒng)中含nOD個(gè)源匯對(duì)，并記系統(tǒng)可靠度為PS，則

式中 αk——第k個(gè)源匯對(duì)的可靠度在系統(tǒng)中的權(quán)重，.

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，各單元的貢獻(xiàn)不同，某些單元的改變對(duì)系統(tǒng)可靠度的影響會(huì)很大，而另一些單元的改變可能不會(huì)對(duì)系統(tǒng)可靠度產(chǎn)生較大影響.通常采用重要度來衡量單元對(duì)系統(tǒng)可靠度的影響程度，具體的單元重要度計(jì)算可通過可靠度隨機(jī)抽樣試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)[10].

4 實(shí)例分析

選擇鄭州市某一區(qū)域內(nèi)的路網(wǎng)，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，獲取各路段和節(jié)點(diǎn)屬性特征的數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行各路段和節(jié)點(diǎn)單元相應(yīng)的可靠度取值.

4.1 路網(wǎng)銜接現(xiàn)狀分析

對(duì)該區(qū)域內(nèi)的快速路、主干路和次干路構(gòu)成的干路網(wǎng)的交通功能進(jìn)行分析，含34個(gè)相交節(jié)點(diǎn)和55條路段.采用C++語言進(jìn)行程序編寫，計(jì)算得到交通功能的系統(tǒng)可靠度為0.737 79.其前30階單元概率重要度云圖如圖1所示.顏色越深，單元重要度越大.

為對(duì)比分析支路節(jié)點(diǎn)的存在對(duì)交通功能的損失作用，在干路網(wǎng)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充區(qū)域路網(wǎng)中的干路網(wǎng)與各支路的銜接節(jié)點(diǎn)（不計(jì)支路有關(guān)的路段單元），構(gòu)建虛擬路網(wǎng)，含78個(gè)節(jié)點(diǎn)和98條路段（圖2）.計(jì)算得到該虛擬路網(wǎng)此時(shí)的系統(tǒng)可靠度為：0.521 44，比干路網(wǎng)交通功能的系統(tǒng)可靠度下降30%.與支路相交的各節(jié)點(diǎn)的存在導(dǎo)致干路網(wǎng)交通功能降低，并使得各單元的重要度重新進(jìn)行分布.

圖1 干路網(wǎng)前30階段單元重要度云圖Fig.1 Road segments with first 30 component probabilistic importance(present traffic function)

圖2 虛擬路網(wǎng)前50階段單元重要度云圖Fig.2 Road segments with first 50 component probabilistic importance(present hypothesized road network)

虛擬路網(wǎng)前50階單元重要度的云圖如圖2所示.編號(hào)為45的單元為主干路桐柏南路上的路段，其交通功能重要度比其相鄰路段的重要度要低，是因?yàn)橹鞲陕飞洗嬖诰幋a43和44的兩個(gè)相鄰的與支路相交形成的節(jié)點(diǎn)單元，影響了編碼為45的主干路路段單元交通功能的發(fā)揮.此外，路段單元38和39為主干路桐柏南路上的路段，單元65為次干路工人路上的路段，圖2中顯示的路段65的交通功能重要度比路段38和39的交通功能單元重要度要大，而理論上主干路的交通功能應(yīng)比次干路重要，該矛盾主要是由于越級(jí)節(jié)點(diǎn)37存在造成的.

計(jì)算區(qū)域路網(wǎng)服務(wù)功能的系統(tǒng)可靠度時(shí)，重點(diǎn)描述支路與主干路越級(jí)銜接構(gòu)成的節(jié)點(diǎn).由快速路、主干路、次干路、支路整體構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中含90個(gè)節(jié)點(diǎn)和150條路段，服務(wù)功能的系統(tǒng)可靠度為0.675 43.與虛擬路網(wǎng)的系統(tǒng)可靠度相比，提高了30%.即支路路段單元的增加，改善了路網(wǎng)的可達(dá)性，增加了整體的服務(wù)功能.其前60階單元重要度云圖如圖3所示.路網(wǎng)中服務(wù)功能單元重要度較大的路段單元有49、50、51、52、63、64、65、66、67、68等，這些路段主要為路網(wǎng)中的次干路和支路，符合相應(yīng)道路等級(jí)的服務(wù)功能的實(shí)現(xiàn).此外，編號(hào)為137、165、164、197、189的路段單元在路網(wǎng)服務(wù)功能中的重要度也較大，這幾個(gè)路段單元均為主干路，其服務(wù)功能重要度較大，與其道路等級(jí)的交通功能實(shí)現(xiàn)相沖突.究其原因，主干路桐柏南路和秦嶺路方向上相平行的支路較少，且桐柏南路上與支路相交的節(jié)點(diǎn)較多，造成短距離出行需求的交通流選擇桐柏南路出行，使其承擔(dān)了服務(wù)功能的作用.

4.2 路網(wǎng)銜接狀況改善方案評(píng)價(jià)

綜合現(xiàn)狀的交通功能和服務(wù)功能的系統(tǒng)可靠度，在對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行改善方案設(shè)計(jì)時(shí)，以提高路網(wǎng)的服務(wù)功能為目的，同時(shí)盡量減少對(duì)路網(wǎng)交通功能的影響，考慮對(duì)路網(wǎng)中的越級(jí)道路相交節(jié)點(diǎn)37和45進(jìn)行禁直、左交通管理，同時(shí)打通路網(wǎng)中存在的支路斷頭路.重新計(jì)算得到改善后的路網(wǎng)服務(wù)功能的系統(tǒng)可靠度為0.726 84.改善后路網(wǎng)的服務(wù)功能系統(tǒng)可靠度相對(duì)于原路網(wǎng)提高了7.6%，該方案僅針對(duì)路網(wǎng)中的兩個(gè)路段和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改善，其系統(tǒng)可靠度的提高比例相對(duì)而言是比較可觀的.其前50階單元重要度云圖如圖4所示.與圖3相比，服務(wù)功能重要度大的單元大都分布在支路與次干路上，且分布更為均勻.

為判斷改善方案對(duì)于交通功能的影響，消除虛擬路網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)37和45，計(jì)算得到系統(tǒng)可靠度為0.553 29，比之前亦提高了6.1%.改建后路網(wǎng)交通功能及服務(wù)功能均有所改善.

圖3 現(xiàn)狀服務(wù)功能前50階段單元重要度云圖Fig.3 Road segments with first 50 component probabilistic importance(present service function)

圖4 改善后服務(wù)功能前50階段單元重要度云圖Fig.4 Road segments with first 50 component probabilistic importance(after improvement,service function)

5 研究結(jié)論

在城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的不同階段，針對(duì)不同等級(jí)道路的銜接組織評(píng)價(jià)進(jìn)行定量化研究，對(duì)于城市道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)的完善和實(shí)現(xiàn)具有重要作用.本文以功能分析為基礎(chǔ)，提出道路網(wǎng)絡(luò)交通功能和服務(wù)功能系統(tǒng)可靠度，研究城市道路網(wǎng)絡(luò)銜接的評(píng)價(jià)方法；結(jié)合單元重要度，判識(shí)各路段單元功能的實(shí)現(xiàn)程度.鄭州市某區(qū)域路網(wǎng)現(xiàn)狀銜接和改善設(shè)計(jì)的案例表明，該方法不僅可以對(duì)城市道路網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀進(jìn)行定量和對(duì)比分析，還可以對(duì)相應(yīng)的改善措施進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià).從而為道路網(wǎng)絡(luò)功能的優(yōu)化提供建議和參考.

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Urban Road Network Junction Evaluation Method Based on the Functional Analysis

WANG Jing-jing1,YANG You-lin1,LI Hui2,WANG Dong-wei2
（1.Henan Urban and Rural Planning and Design Institute Co.,LTD,Zhengzhou 450044,China; 2.School of Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China）

Whether the junction between different grades of roads is reasonable is directly related to the realization of the desired function of the road network.Based on the functional analysis,this paper puts forward the evaluation method of road network junction planning.At the stage of urban integrated transportation planning,the main goal is to provide the traffic function;while for the stage of urban road network special planning,it is to guarantee the service function.Using Monte Carlo simulation method,the system reliability of traffic function and service function are calculated,which are considered as the main evaluation indexes of road network junction schemes.The leapfrog cross-cutting problem is also discussed. Finally,a regional road network of Zhengzhou city is taken as an example for application,to testify the feasibility and rationality of the proposed method.

urban traffic;road function;road junction;system reliability

1009-6744（2015）01-0212-06

：U491.1

：A

2014-08-18

：2014-10-15錄用日期：2014-10-22

國家自然科學(xué)基金（51278468）.

王京京（1987-），女，河南周口人，助理工程師，碩士. ＊

：dongweiwang@zzu.edu.cn