基于ISM模型的地下環(huán)形隧道通行能力影響因素研究

肖新波 馬 騰 焦宇帆 胡美娜

(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢 430010； 2.長安大學(xué)運(yùn)輸工程學(xué)院 西安 710064)

近年來，隨著城市化的快速發(fā)展，土地利用趨于飽和與交通擁堵日益嚴(yán)重相沖突、車輛運(yùn)行帶來的噪聲和廢氣污染等問題難以解決，同時(shí)，在地下空間規(guī)?；l(fā)展、軌道交通快速發(fā)展的多重背景下[1]，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向地下交通，這促進(jìn)了地下道路建設(shè)的迅速發(fā)展。地下環(huán)形隧道(以下簡稱地下環(huán)隧)作為城市地下空間開發(fā)的重要組成部分，其建成與使用能夠打造立體化城市交通網(wǎng)絡(luò)，減少道路系統(tǒng)的功能重疊，提升區(qū)域交通的暢通性、便捷性。同時(shí)，地下環(huán)隧可以與城市大型地下車庫之間設(shè)有連接通道，這也為解決中心城區(qū)停車難的問題提供了新的手段。對于節(jié)約土地資源、打造高質(zhì)量城市用地屬性有著極為重要的意義[2]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在城市道路、高速公路的通行能力方面已有不少的研究，大多從交通環(huán)境[3-4]、人為因素[5]、交通管理[6]、氣候條件[7]等方面著手，深入分析其對道路通行能力的影響程度及相互關(guān)系。但對城市地下環(huán)隧的研究并不深入，尤其是在地下環(huán)隧的通行能力方面。

開展地下環(huán)隧通行能力影響因素的研究有利于從全局角度著眼影響因素-通行能力的關(guān)系，研究地下環(huán)隧運(yùn)行狀況與通行能力，對提高地下環(huán)隧的服務(wù)水平與提升駕駛員滿意度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，除此之外，探究影響地下環(huán)隧通行能力因素的主次關(guān)系也有利于為地下環(huán)隧的設(shè)計(jì)提供參考。

解釋結(jié)構(gòu)模型(interpretative structural modeling,ISM)又被稱為ISM分析法，是John.N.Warfield在1973 年為了分析經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)而開發(fā)的分析方法，可以解決復(fù)雜的系統(tǒng)問題[8]。引入ISM模型可將系統(tǒng)復(fù)雜的影響因素間關(guān)系進(jìn)行定性分級分層，解釋各影響因素間的相互影響、相互制約、相互聯(lián)系。本文采用ISM分析法，對城市地下環(huán)隧通行能力的影響因素進(jìn)行歸類和分析，解釋各影響因素之間的相互關(guān)系及其影響程度，以期提高城市地下環(huán)隧的通行效率。

1 地下環(huán)隧的主要影響因素

地下環(huán)隧作為一個(gè)完整的交通系統(tǒng)，主要包括出入口、隧內(nèi)路段、轉(zhuǎn)彎路段和服務(wù)接入點(diǎn)及各段連接處，而對城市地下環(huán)隧通行能力影響因素的分析是一個(gè)復(fù)雜的過程。目前，地面道路通行能力的影響因素一般選取道路、交通、控制、環(huán)境條件等。道路條件通常是指道路的幾何特征，包括車道數(shù)、側(cè)向凈寬、平縱線形等；交通條件則是指道路交通特征，包括車型比例、交通流量等；控制條件是指道路交通管制設(shè)施的形式和設(shè)置，比如，交通信號的設(shè)置、標(biāo)志標(biāo)線的設(shè)置、車道的使用管理等；環(huán)境條件大多指氣候條件、光照環(huán)境等等?？紤]到地下環(huán)隧與地面道路的差異性，引入地下環(huán)隧出入口數(shù)量、服務(wù)區(qū)接入點(diǎn)車道長度等作為其通行能力的影響因素。在參考國內(nèi)外有關(guān)地下隧道、高速公路隧道等文獻(xiàn)[9-10]的基礎(chǔ)上，通過與交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)專業(yè)技術(shù)人員及有關(guān)專家的溝通和交流，確認(rèn)了影響城市地下環(huán)隧通行能力的主要影響因素，詳見表1。

表1 城市地下環(huán)隧通行能力的主要影響因素

以上影響城市地下環(huán)隧的因素體系中，部分因素之間存在相互影響、相互制約的關(guān)系。如車道數(shù)與出入口數(shù)量的增加可吸引更多的車輛進(jìn)入地下環(huán)隧，而車輛數(shù)的增加引起流量的增加，當(dāng)?shù)叵颅h(huán)隧的車輛數(shù)達(dá)到一定程度時(shí)，會引起交通流密度過大，從而引起車速的降低，造成延誤。眾多影響因素之間的關(guān)系復(fù)雜模糊，很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，而ISM模型可有效地解決此類問題。

分析各影響因素之間的相互關(guān)系，建立關(guān)聯(lián)模型，ISM分析法常使用V、A、X、O來表示其相互聯(lián)系的方向性，并建立二元關(guān)系表。其中：V為該行代表的影響因素影響該列代表的影響因素；A為該行代表的影響因素受該列代表的影響因素的直接影響；X為該行與該列代表的影響因素直接存在相互影響的雙向關(guān)系；O為行與列代表的影響因素直接不存在關(guān)聯(lián)。地下道路影響因素二元關(guān)系表見表2。

表2 地下道路影響因素二元關(guān)系表

2 建立ISM模型

將二元關(guān)系表轉(zhuǎn)化為鄰接矩陣A，轉(zhuǎn)換原則為：當(dāng)表2中元素為V時(shí)，aij=1且aji=0；當(dāng)元素為A時(shí)，aij=0且aji=1；當(dāng)元素為X時(shí)，aij=aji=1；當(dāng)元素為O時(shí)，aij=aji=0，另外對角元素為0。轉(zhuǎn)化結(jié)果如下列矩陣A所示。

鄰接矩陣表示的是各因素之間的直接影響關(guān)系，將鄰接矩陣A根據(jù)布爾運(yùn)算規(guī)則，迭代終止條件如下。

令A(yù)(1)=A+E，A(2)=(A+E)2，…，A(K)=(A+E)K。

當(dāng)A(K+1)=A(K)≠A(K-1)時(shí)，迭代終止，此時(shí)可得到可達(dá)矩陣M。

在可達(dá)矩陣M中，若mij=1(或mji=1)，表示行對列(或列對行)有直接或間接影響，若mij=0(或mji=0)則表示行對列(或列對行)相互獨(dú)立無影響關(guān)系，依據(jù)ISM的規(guī)范方法，要確定區(qū)域內(nèi)要素所處的層次地位，即級位劃分，首先需要進(jìn)行區(qū)域劃分。得到每個(gè)元素的可達(dá)集R(Si)、先行集A(Si)、共同集C(Si)。在對城市地下環(huán)隧通行能力影響因素的可達(dá)矩陣進(jìn)行分析后，得到該系統(tǒng)各要素的可達(dá)集、先行集、共同集表見表3。

表3 ISM模型的可達(dá)集、先行集與共同集

級位劃分的基本方法是：找出整個(gè)系統(tǒng)要素集合的最高級要素后，將該要素所在的行和列劃去，再求得剩余要素集合中的最高要素。依此類推，直到確定出最低一級要素集合。依照級位劃分的方法，求得城市地下環(huán)隧通行能力影響因素系統(tǒng)的級位劃分結(jié)果為：L1={S1，S2，S3}，L2={S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10，S12}，L3={S11}。依據(jù)上述的分析結(jié)果，建立城市地下環(huán)隧通行能力影響因素多級遞接結(jié)構(gòu)模型，該模型中影響因素多級遞接結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 城市地下環(huán)隧通行能力影響因素多級遞接結(jié)構(gòu)圖

3 ISM模型分析與建議

由圖1可知，城市地下環(huán)隧的影響因素體系可分為3層。這3個(gè)層級反映了地下環(huán)隧影響因素之間的關(guān)系，根據(jù)層級關(guān)系可將其劃分為車流特性因素、環(huán)境因素與天氣因素，具體分析如下。

3.1 ISM模型分析

第一層的車流特性條件包括車速、流量與密度3個(gè)因素。地下環(huán)隧作為一個(gè)完整的交通流系統(tǒng)，交通流三要素是直接衡量地下環(huán)隧通行能力的指標(biāo)，同時(shí)在很大程度上，速度、密度與流量之間的關(guān)聯(lián)與制約關(guān)系也使地下環(huán)隧的通行能力變化復(fù)雜。

第二層級因素眾多，主要包括：側(cè)向凈空、光照、服務(wù)接入點(diǎn)車道長度、出入口數(shù)量、車型比、曲率、車道數(shù)、信號燈設(shè)置，此類因素包括道路條件、管制條件、交通條件等，為了能夠更好地對其進(jìn)行分析，將其統(tǒng)一歸類為環(huán)境條件。第二層級的影響因素一旦被確定，交通設(shè)施的通行能力即可確定，任一環(huán)境因素的改變都會引起地下環(huán)隧通行能力的改變。

第三層級影響因素為天氣，將其歸類為氣候條件。地下環(huán)隧不同于傳統(tǒng)的城市道路與高速公路，地下環(huán)隧呈現(xiàn)的是狹窄的視覺空間，出入口內(nèi)外行車環(huán)境與亮度的變化，以及“黑洞效應(yīng)”與“白洞效應(yīng)”的發(fā)生會引起駕駛者生理心理行為的變化，從而引起駕駛行為的改變。微觀交通行為的變化引起宏觀交通流的變化，從而對通行能力產(chǎn)生影響。另外，雨雪天氣下地下環(huán)隧進(jìn)出口處受坡度的影響，安全性降低，駕駛員趨于降低進(jìn)入地下環(huán)隧的速度，此時(shí)更容易發(fā)生擁堵，造成延誤。

由上述分析可見，ISM模型將影響地下環(huán)隧通行能力錯(cuò)綜復(fù)雜的因素進(jìn)行了有效劃分，將其分為3個(gè)層級，每個(gè)層級包含的指標(biāo)代表的含義不同，其影響地下環(huán)隧的通行能力的程度及原理也不同。第一層級的影響指標(biāo)通過控制地下環(huán)隧的動態(tài)車輛輸入，直接影響整個(gè)地下環(huán)隧的通行能力，而第二層級則聚焦于環(huán)境影響，通過影響駕駛員駕駛行為而間接改變地下環(huán)隧通行能力。第三層級的影響機(jī)制附著于第二層級的同時(shí)，具備其特殊性。

3.2 建議

1) 通過使用ISM模型，對影響地下環(huán)隧通行能力的因素進(jìn)行分層，整體而言，第一層級的影響最直接最主要，因此在對地下環(huán)隧整體通行能力進(jìn)行控制時(shí)，第一層級指標(biāo)的重要度最高。

2) 對地下環(huán)隧交通流三要素的分析與判斷，得出地下環(huán)隧交通流運(yùn)行狀況最佳的車速、密度與流量，并以此作為交通管制手段的依據(jù)之一，通過限速限行、優(yōu)化地下環(huán)隧及其上游的信號燈相位設(shè)置、改變地下環(huán)隧上游綠波帶等手段，使地下環(huán)隧中的交通流處于和諧高效的運(yùn)行狀態(tài)中。

3) 在設(shè)計(jì)城市地下環(huán)隧時(shí)，充分考量環(huán)境因素對其通行能力造成的影響，充分挖掘地下環(huán)隧交通基礎(chǔ)設(shè)施的潛力，最大程度為駕駛員提供最佳的駕駛環(huán)境，在保障安全的前提下，使地下環(huán)隧的實(shí)際通行能力最接近理想通行能力。

4) 在考慮氣候條件對地下環(huán)隧造成的影響時(shí)，可將不同天氣情況下最佳光照強(qiáng)度進(jìn)行量化，通過對地下環(huán)隧出入口處光照的智能調(diào)節(jié)，降低“黑洞效應(yīng)”“白洞效應(yīng)”對駕駛員視覺改變造成的影響，使出入口段的車流運(yùn)行狀況更加穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文對城市地下環(huán)隧影響因素間關(guān)系進(jìn)行探究，通過定性描述二元影響關(guān)系與矩陣定量分析的方式建立ISM模型，將12個(gè)影響因素分為3個(gè)層級：車流特性條件、環(huán)境條件和氣候條件，并構(gòu)建層次遞階結(jié)構(gòu)圖。結(jié)果表明，交通流三要素為地下環(huán)隧通行能力的直接體現(xiàn)，而環(huán)境條件與氣候條件造成的影響也是不容忽視的。為進(jìn)一步證實(shí)各影響因素對地下隧道通行能力的影響并獲得定性影響程度指標(biāo)，尤其是針對車速、密度與交通量等因素，下一步的研究可以利用實(shí)際調(diào)查所得的地下環(huán)隧數(shù)據(jù)，建立通行能力影響模型，從而為地下環(huán)隧的設(shè)計(jì)及管制手段提供可靠的決策基礎(chǔ)。