連通度法在城市快速路規(guī)模預(yù)測中的應(yīng)用

王小華，王宇，呂凱

（濟南市市政工程設(shè)計研究院(集團)有限責(zé)任公司，山東濟南250101）

連通度法在城市快速路規(guī)模預(yù)測中的應(yīng)用

王小華，王宇，呂凱

（濟南市市政工程設(shè)計研究院(集團)有限責(zé)任公司，山東濟南250101）

如何確定城市快速路系統(tǒng)的合理規(guī)模，以保證城市快速路系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)與城市協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟效益的最大化，是眾多中國城市決策者和規(guī)劃者所面臨的一個重要問題?，F(xiàn)引入組合數(shù)學(xué)圖論中的連通度法，通過快速路系統(tǒng)對城市內(nèi)部主要交通集散點的連接度，進行城市快速路系統(tǒng)合理規(guī)模測算。該方法更為直觀地還原了城市快速路系統(tǒng)的功能本質(zhì)，對于不同城市規(guī)模和空間布局均具有一定的適應(yīng)性。濟南應(yīng)用實例表明，該方法的分析結(jié)果可以作為綜合確定城市快速路建設(shè)規(guī)模的一個重要參考依據(jù)，且在規(guī)劃實踐中具有良好的可操作性。

交通規(guī)劃;城市快速路;連通度法

0 引言

城市快速路概念起源于美國，建設(shè)的初衷是組織城市的過境交通和出入交通，這也組成了快速路的核心功能。我國快速路的建設(shè)從根本上講是伴隨“城市干道提級、高速公路進城、組團城市需求”的理念產(chǎn)生并發(fā)展起來的。近年來，各級城市陸續(xù)建設(shè)新城新區(qū)，也使城市快速路的規(guī)劃建設(shè)受到高度關(guān)注。誠然，城市快速路作為城市的骨架，可以有效地引導(dǎo)城市結(jié)構(gòu)的拓展，解決城市組團間的快速交通問題，引導(dǎo)城市功能的空間轉(zhuǎn)移，但快速路投資高昂且回報周期長，過度的建設(shè)規(guī)模影響城市的可持續(xù)發(fā)展。如何保證城市快速路系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)與城市協(xié)調(diào)發(fā)展，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟效益最大化，需要對城市快速路系統(tǒng)的合理規(guī)模進行判斷。

目前對于快速路系統(tǒng)合理規(guī)模的研究主要從道路容量著手，如李澤民在《淺論城市快速路系統(tǒng)規(guī)模及其規(guī)劃布局》[1]中，對規(guī)模的確定通過快速路總通行容量與規(guī)劃年末主城區(qū)預(yù)測擁有的機動車日均出行總量是否匹配來校核；胡國軍在《我國大城市快速路規(guī)模與布局研究》[2]中，采用“時空消耗法”分析快速路交通容量，從供需平衡角度確定快速路規(guī)模。由于這些方法分析過程難以把握，在城市規(guī)劃實踐中，仍大多根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》和同類城市類比進行快速路系統(tǒng)規(guī)模估算。

連通度是組合數(shù)學(xué)圖論中的概念，廣泛應(yīng)用于區(qū)域鐵路網(wǎng)或公路網(wǎng)的評價和預(yù)測。近年來，連通度法開始應(yīng)用于城市交通，用來分析城市路網(wǎng)的可靠性[3]和公交線網(wǎng)的連通性[4]。本文引入連通度法，通過快速路系統(tǒng)對城市內(nèi)部主要交通集散點的連接度，進行城市快速路系統(tǒng)合理規(guī)模的測算。同以往方法比較，連通度法的應(yīng)用更為直觀地反映出快速路系統(tǒng)的功能需求。濟南城市快速路系統(tǒng)規(guī)模測算的案例應(yīng)用表明該方法的有效性和在規(guī)劃實踐中良好的可操作性。

1 快速路規(guī)模的影響因素

一般來講，不同等級的城市對應(yīng)不同的快速路規(guī)模：小城市建成區(qū)范圍小，出行距離短，在可預(yù)測的一段時間內(nèi)不會考慮快速路系統(tǒng)的建設(shè)；大中城市經(jīng)濟活躍，對節(jié)約時間成本的需求相對迫切，應(yīng)當(dāng)建設(shè)或在規(guī)劃中預(yù)留快速路走廊，但也要根據(jù)城市用地的布局，以及出行結(jié)構(gòu)的演變確定適度的建設(shè)規(guī)模。因此，快速路規(guī)劃建設(shè)應(yīng)該更多地去適應(yīng)城市發(fā)展提出的要求[5]。

（1）要與城市經(jīng)濟發(fā)展力相匹配。快速路的建設(shè)，歸根結(jié)底是為了保證和促進社會經(jīng)濟的發(fā)展，不同經(jīng)濟發(fā)展水平的城市對快速路規(guī)模的需求不盡相同。

（2）要與城市空間尺度、人口規(guī)模、用地布局相適應(yīng)。城市規(guī)模越大，產(chǎn)生的交通需求則越大，城市快速路規(guī)模也應(yīng)越大。而城市用地布局也影響著城市快速路的規(guī)模，一般來說，集中型城市快速路規(guī)模比較小，而分散組團型城市的快速路規(guī)模則比較大。

（3）要優(yōu)先保證城市長距離交通和對外快速進出?？焖俾返囊?guī)模要確保城市長距離交通與市內(nèi)短距離交通在空間組織上的分離，這樣才能保證整個城市道路網(wǎng)的正常運行。

（4）要與城市道路網(wǎng)規(guī)模相適應(yīng)。城市路網(wǎng)作為一個有機協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，必須具有合理的功能等級結(jié)構(gòu)和布局。快速路在整個道路網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)該有合理的定位，在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)中有適當(dāng)?shù)谋壤?/p>

（5）要與交通方式結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。在綠色交通體系的理念下，解決中長距離的快速出行方式提倡多元化，“當(dāng)斯定律”同樣適用于城市快速路，合理的建設(shè)規(guī)模應(yīng)與倡導(dǎo)的出行方式結(jié)構(gòu)相配合。

2 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模預(yù)測連通度法

連通度法也稱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模型法，是由德國卡爾斯魯厄大學(xué)W.羅伊茨巴赫和科隆大學(xué)R.維勒史教授提出的一種用于區(qū)域內(nèi)公路戰(zhàn)略規(guī)劃的計算方法，運用圖論的方法找出各規(guī)劃節(jié)點的最小生成樹，以反映網(wǎng)絡(luò)是否很好地連接了各個節(jié)點。其基本的公式為：

式中：C為規(guī)劃區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連通度；L為區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)總里程，km；H為相鄰兩節(jié)點間的平均空間直線距離，km；A為規(guī)劃區(qū)域面積，km2；N為規(guī)劃區(qū)域應(yīng)連通的節(jié)點數(shù)；ξ為非直線系數(shù)，表示路網(wǎng)各節(jié)點間實際路線總里程與直線總里程之比。

該算法實用性和有效性在實際應(yīng)用過程中得到良好的驗證，經(jīng)過公式變形，其也被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模預(yù)測，基本的表達(dá)式為：

式中：參數(shù)涵義同上。

3 連通度法在城市快速路規(guī)模預(yù)測中的應(yīng)用

從連通度法基本的表達(dá)式及所代表的涵義來看，鐵路（公路）之于城市的連接度類似于快速路之于城市內(nèi)部主要交通集散點的連接度，這與城市快速路的快速連接功能也是相符的，也就是說，該算法能反映城市快速路對于城市主要節(jié)點的連接程度，通過該公式計算的里程數(shù)可以作為綜合確定城市快速路建設(shè)規(guī)模的一個重要參考依據(jù)。從目前可以獲得的參考文獻(xiàn)中看出，該算法還未有直接應(yīng)用于城市道路建設(shè)規(guī)模預(yù)測的先例，作為從由高速公路理念演變而來的城市快速路，其連通性和高速路具有很大的相似性，可以引入該算法進行規(guī)模測算，但應(yīng)對參數(shù)進行城市化標(biāo)定。

3.1 C的取值

鐵路（公路）規(guī)模預(yù)測中：

當(dāng)C=1.0表示為樹狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點間多為2路連接。

當(dāng)C=2.0表示為方格子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點間多為4路連接；

當(dāng)C=3.14為格子加對角形結(jié)構(gòu)；

當(dāng)C=3.22為正三角形結(jié)構(gòu)，節(jié)點間多為6路連接。

可以看出，C的取值主要取決于網(wǎng)絡(luò)的布局結(jié)構(gòu)。典型的城市快速路網(wǎng)絡(luò)布局主要有環(huán)形放射式、方格網(wǎng)狀、自由式[6]，見圖1所示。

圖1 典型的城市快速路網(wǎng)布局模式示意圖

與公路網(wǎng)或鐵路網(wǎng)中線路多交匯于所要連接的城市節(jié)點不同的是，市區(qū)范圍內(nèi)較為微觀，大型出行節(jié)點多位于快速路網(wǎng)絡(luò)線路圍合區(qū)，通過其他等級的道路輔助出入網(wǎng)絡(luò)，類似于公路網(wǎng)中高速路網(wǎng)的定位。高速路網(wǎng)C＞2即認(rèn)為進入成熟狀態(tài)[7]，同理可借鑒用于城市快速路。

3.2 ξ的取值

鐵路（公路）規(guī)模預(yù)測中，路網(wǎng)非直線系數(shù)為規(guī)劃區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)的變形系數(shù)，定義為各節(jié)點間實際線路總里程與直線總里程之比，它一方面與道路的路線增長系數(shù)（地形等線形設(shè)計中考慮的因素）有關(guān)，另一方面和節(jié)點分布的形態(tài)和不均勻性有關(guān)。

鐵路（公路）網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃為大區(qū)域規(guī)劃，其參數(shù)取值也趨向于宏觀性，城市內(nèi)部節(jié)點之間的相互聯(lián)系相對微觀，且城市內(nèi)部地形起伏工程措施易于處理，文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]中將變形系數(shù)取值為1，但城市內(nèi)部為減少拆遷，快速路一般沿既有次干路及以上等級的道路走向建設(shè)，因此，城市內(nèi)部取值應(yīng)為節(jié)點間由次干路及以上等級道路組成的最短路和節(jié)點直線距離的比值。

3.3 A的取值

在圖論概念中，H為節(jié)點至節(jié)點之間的直線距離。在鐵路（公路）等宏觀網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，節(jié)點均勻地分布在全域內(nèi)，最外圍節(jié)點之間的圍合區(qū)可以近似地看作是管理區(qū)，兩者面積大致相等，為簡化處理，A的取值為規(guī)劃區(qū)域面積。在城市內(nèi)部，規(guī)劃區(qū)面積和外圍節(jié)點圍合區(qū)面積相差較大，不能做簡化處理?？焖俾分饕鉀Q城市長距離的集中出行和對外交通的快速進出問題，因此，問題可分解為內(nèi)外兩部分：內(nèi)部快速聯(lián)系計算上采用連通度法估算快速路規(guī)模，A的取值為最外圍節(jié)點的圍合區(qū)域；外部快速進出可根據(jù)外圍節(jié)點與高速路之間的最短距離確定。

3.4 N的取值

在鐵路（公路）規(guī)模預(yù)測中，計算連通度時，節(jié)點應(yīng)包括首都、省會(自治區(qū)、直轄市首府)和各大經(jīng)濟中心、重要港站樞紐，以及戰(zhàn)略要地；計算省道連通度時，節(jié)點應(yīng)包括省會、省轄市、縣級市、重要港站、機場、重要經(jīng)濟區(qū)、重要旅游景區(qū)，以及重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)；計算農(nóng)村公路連通度時，節(jié)點應(yīng)包括行政村以上政府所在地、部分自然村，以及其他需要連接的節(jié)點。

而在城市內(nèi)部，就快速路本身的功能看，主要是解決居民長距離的出行問題，其連接點定義應(yīng)為長距離交通出行集中的區(qū)域，可以認(rèn)為是主要的城市中心和交通樞紐區(qū)域，熱點的選擇主要考慮商業(yè)中心、行政辦公中心、主要客運樞紐（包括鐵路、公路、航空）、主要貨運物流站或園區(qū)（包括鐵路、公路、航空）。

4 濟南案例

濟南市城市總體規(guī)劃（2006-2020）確定的中心城規(guī)劃范圍東至東巨野河，西至南大沙河以東（歸德鎮(zhèn)界），南至南部雙尖山、興隆山一帶山體及規(guī)劃的濟萊高速公路，北至黃河及濟青高速公路，面積1 022km2。規(guī)劃構(gòu)筑“三橫五縱”的快速路系統(tǒng)，以有效、快速疏解過境交通、對外交通和跨區(qū)的長距離機動車交通。其中“三橫”指濟青與京福高速公路連接線及其西向延長線、工業(yè)北路—北園大街—無影山中路及其西向延長線、經(jīng)十東路—二環(huán)南路及其西向延長線；“五縱”指二環(huán)東路、順河街高架路、二環(huán)西路、大金路和濟微路，系統(tǒng)總規(guī)模213km。用連通度法校核該規(guī)模。

大型出行節(jié)點的選取依據(jù)城市總體規(guī)劃和綜合交通規(guī)劃，主要為城市各類公共設(shè)施，包括：區(qū)級以上行政辦公中心8個；地區(qū)級以上商業(yè)中心5個；地區(qū)級以上金融中心5個；商務(wù)會展中心7個；對外大型客貨樞紐、物流園區(qū)、物流站15個；合計40個。將中心城之外節(jié)點去除、位置重合或相近的節(jié)點合并后，最終節(jié)點20處，外圍節(jié)點圍合區(qū)域面積約為560km2，見圖2、圖3所示。

圖2 選取的節(jié)點圖

圖3 外圍節(jié)點圍合區(qū)圖

節(jié)點之間的最短路的距離之和為3 882km，節(jié)點之間的直線距離之和為3 342km。則變形系數(shù)均值為1.162，外圍節(jié)點至最近的快速路的最短距離之和約為18km，見圖4、圖5所示。

圖4 次干路及以上等級路網(wǎng)中節(jié)點之間的最短路圖示

圖5 節(jié)點之間的直線距離圖示

套用連通度算法公式，以連通度為2進行計算，規(guī)劃快速路系統(tǒng)規(guī)模為L=123×2+18=264（km），也就是說為實現(xiàn)中心城范圍內(nèi)大型公共設(shè)施的快捷聯(lián)系和對外交通的快速進出所需的快速路建設(shè)規(guī)模至少應(yīng)達(dá)到264km，其中123km即為連通20個出行節(jié)點所需的網(wǎng)絡(luò)最小生成樹的長度。與總體規(guī)劃提出的建設(shè)規(guī)模相比，該值超出約14%。

5 結(jié)語

節(jié)點模型法以圖論為基礎(chǔ)，從布局的角度考慮路網(wǎng)規(guī)模，可以撇開G D P、人口等經(jīng)濟因素，避免了繁瑣的計算過程。其難點在于，路網(wǎng)連通度的確定及出行節(jié)點的選取。

關(guān)于城市內(nèi)道路網(wǎng)絡(luò)連通度的選擇，目前國內(nèi)沒有開展此方面的研究，公路網(wǎng)評價中一般認(rèn)定為目標(biāo)值，而高速公路網(wǎng)C＞2即可認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)進入成熟狀態(tài)，但城市內(nèi)道路層次較多，快速路與其他道路的接駁性較強，該值可結(jié)合城市經(jīng)濟強度、整體路網(wǎng)的連通性，以及小汽車出行特性進行詳細(xì)研究，適當(dāng)調(diào)整。

節(jié)點的選取以區(qū)域內(nèi)城市節(jié)點的類比性選擇城市內(nèi)大型公共設(shè)施，偏于定性，若具備詳細(xì)的城市交通調(diào)查資料，以文獻(xiàn)[8]中的大型出行集散點作為節(jié)點的做法從交通工程學(xué)的角度看更為科學(xué)。

作為應(yīng)用嘗試，將公路網(wǎng)規(guī)模預(yù)測連通度法引入城市內(nèi)部。作為測算快速路網(wǎng)規(guī)模的一種方法，具備一定的實效性。結(jié)合城市交通特性進行參數(shù)的標(biāo)定和定性分析，可以作為校核城市快速路網(wǎng)規(guī)模的一種手段。

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四川17個交通重點項目集中開工總投資760億元

2017 年二季度四川省交通重點項目集中開工動員活動近日在德陽舉行，17個公路水路重點項目集中開工，總投資760億元。

17個項目包括4條高速公路、11個普通國省道項目和2個水運項目，涉及五大經(jīng)濟區(qū)的15個市州。其中，高速公路項目有德陽至都江堰高速（又稱“三繞北”）、敘永至威信高速、成資渝高速、成樂高速公路擴容，既有環(huán)形線路，也有出川通道，項目的建成將改善區(qū)域交通條件，激發(fā)區(qū)域經(jīng)濟活力。國省道項目分布在成都、巴中等6個市（州），既有經(jīng)濟干線項目，又有旅游公路、扶貧公路項目，將進一步促進旅游資源開發(fā)，帶動扶貧攻堅。水運項目中：虎渡溪航電樞紐是岷江干流彭山至樂山段航電開發(fā)的第三個梯級，將助力構(gòu)建區(qū)域公鐵水航無縫對接的現(xiàn)代綜合交通運輸體系，服務(wù)四川自貿(mào)試驗區(qū)和天府新區(qū)建設(shè)；志城作業(yè)區(qū)散貨泊位工程可有效降低宜賓港腹地散貨物流成本，提高港口競爭力。

今年一季度，四川全省共促成總投資750億元的19個交通重點項目落地。前4月交通建設(shè)完成投資403億元，全省高速公路通車總里程已突破6 600km。

U491

B

1009-7716（2017）06-0051-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.014

2016-04-26

王小華(1983-)，男，山東德州人，碩士，工程師，注冊城市規(guī)劃師，注冊咨詢工程師(投資)，研究方向：交通運輸規(guī)劃與管理。