何偉濤 王艷東▲ 宮延鵬 趙 劍
(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實驗室 武漢 430079;2.北京市測繪設(shè)計研究院 北京 100038)
城市路網(wǎng)作為現(xiàn)代都市內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)闹饕d體,在人們?nèi)粘3鲂校锪鬟\(yùn)輸?shù)确矫姘缪葜匾慕巧玔1]。各等級道路需要相互連通方能發(fā)揮最大功能[2],而斷頭路的存在一定程度上減少了交通管理的彈性空間,放大了城市交通擁堵程度,極大地制約著城市建設(shè)和交通發(fā)展[3]。設(shè)計方法評估斷頭路打通后的帶來的改善,有助于市政工程的決策,具有很好的研究意義。
路網(wǎng)在空間上分布,可以視為1種空間網(wǎng)絡(luò),即是節(jié)點(diǎn)位于1個可物理度量空間中的網(wǎng)絡(luò)[4]。路網(wǎng)評價指標(biāo)體系[5]可以分為設(shè)施評價和交通評價2個方面,路網(wǎng)設(shè)施層面考慮數(shù)量規(guī)模(路網(wǎng)密度、交叉口間距、路網(wǎng)級配)、幾何特性(非直線系數(shù)、連通度),交通層面考慮平均車速、路段飽和度、路段服務(wù)水平、整體出行時間等,已有許多學(xué)者嘗試從上述2個層面對交通更新方案進(jìn)行實證評估。胡松濤等[6]采用路網(wǎng)密度、路網(wǎng)級配、路網(wǎng)連通度對老城區(qū)交通微循環(huán)的優(yōu)化改善方案進(jìn)行評估;李妙君等[2]選擇路段負(fù)荷度、非直線系數(shù)、連接度指數(shù)作為改善瓶頸路段的評價指標(biāo);陳昕等[7]利用Vissim仿真,計算斷頭路連通前后平均隊列長度與延誤時間;Imam Muthorhar等[8]采用脆弱度指數(shù)對受火山影響區(qū)域內(nèi)的道路進(jìn)行疏散情形下的評估,并結(jié)合財政計劃對道路擴(kuò)建提出方案;Zheng等[9]利用北京市出租車GPS軌跡來檢測有缺陷的城市規(guī)劃,可以評估城市中新建的道路的有效性;Toshinari Kozasa等[10]在傳統(tǒng)Cost-Benefit Analysis的基礎(chǔ)上,考慮新建路段對周邊居民抵達(dá)公共設(shè)施的通達(dá)性變化來衡量路網(wǎng)的改善;杜佳昕等[11]利用流量加權(quán)的中介中心性來來發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)中的脆弱節(jié)點(diǎn)。
斷頭路打通對路網(wǎng)設(shè)施方面指標(biāo)的影響并不明顯,更多地體現(xiàn)在方便路網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的交流[2],本文嘗試參考交通脆弱性度量[12-13]原理計算平均路段速率變化情況來反映斷頭路打通帶來的優(yōu)化。然而現(xiàn)有交通層面的度量研究通常涉及2種情況:①已知真實流量數(shù)據(jù)作為出行需求,采用大片區(qū)路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計算,然而斷頭路打通后改善了局部路網(wǎng)微循環(huán)[6],在大規(guī)模仿真中僅體現(xiàn)為局部擾動,不僅對全局路網(wǎng)出行需求的影響不明顯,而且會造成極大的算力浪費(fèi);②根據(jù)經(jīng)驗值模擬出行需求,通常選取是同一等級的道路或者小規(guī)模區(qū)域路網(wǎng),需要針對特定路段設(shè)計開放方案,缺乏普遍適用性。
考慮到路網(wǎng)作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[14-15],局部結(jié)構(gòu)上具有較明顯的集團(tuán)化特征。本文在交通度量中引入社區(qū)探測,來界定斷頭路打通場景下的交通度量計算區(qū)域,構(gòu)建斷頭路打通在路網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及交通分配層面上的優(yōu)化評估方法,引入社區(qū)探測解決對斷頭路影響區(qū)域的界定,選取用戶均衡狀態(tài)反映路網(wǎng)的路況信息,計算路段平均速率變化作為通用性評價指數(shù)。以北京市朝陽區(qū)路網(wǎng)為計算用例,分析了路段的社區(qū)特性、出行需求與評價指數(shù)的關(guān)聯(lián)。該指數(shù)可以服務(wù)于道路規(guī)劃與建設(shè),能夠滿足對亟待打通的路段進(jìn)行優(yōu)先級排序等城市管理需求。
常見的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)性研究,主要以靜態(tài)道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所具有的拓?fù)涮匦詾橹?,在此類研究中,通常根?jù)特定場景(如緊急疏散[8]、災(zāi)害天氣[12]等),根據(jù)特定路網(wǎng)設(shè)計開放方案。本文研究場景為評估斷頭路打通帶來的優(yōu)化,如果根據(jù)特定案例選取區(qū)域路網(wǎng),實現(xiàn)方式缺乏普遍適用性;如果在全局路網(wǎng)上進(jìn)行交通流量分配仿真,一方面考慮到斷頭路打通后對周邊交通的影響隨著距離增加而衰減[4],另一方面在大規(guī)模路網(wǎng)中進(jìn)行交通流量分配,仿真算法收斂較為緩慢[16]。為了解決上述問題,筆者提出基于社區(qū)探測的拓?fù)渎肪W(wǎng)社區(qū)識別方法,以節(jié)點(diǎn)和邊的拓?fù)湫再|(zhì)表征的路網(wǎng)框架,解決了交通分配的區(qū)域界定以及出行流量綁定的問題,用于支持后續(xù)路網(wǎng)交通分配。
本文研究的斷頭路通常指在某一特定中小范圍區(qū)域內(nèi)一端沒有接入其他相應(yīng)成型路網(wǎng)的道路,且該斷頭路按照市政規(guī)劃有望施工打通。在構(gòu)建路網(wǎng)優(yōu)化評估方法之前,需要先對交通網(wǎng)絡(luò)中的斷頭路段進(jìn)行識別,再與規(guī)劃道路匹配,構(gòu)建待打通路段源集。在現(xiàn)狀道路數(shù)據(jù)集中以“僅有1個懸掛點(diǎn)的路段”為拓?fù)湟?guī)則進(jìn)行篩選,將得到的路段集合,與規(guī)劃道路數(shù)據(jù)集進(jìn)行匹配?,F(xiàn)狀道路與規(guī)劃道路的匹配類似于道路的精度驗證,由于二者通常呈現(xiàn)為走向一致,而長度不一致的情況,因此不宜采用緩沖區(qū)重疊面積比等匹配指標(biāo),本文采用SM_HD距離[17]計算路段的匹配程度,SM_HD的計算見式(1)。
式中:Road1為較短道路;Road2為較長道路;v1為Road1的結(jié)點(diǎn);v2為Road2的結(jié)點(diǎn)。SMHD(Road1,Road2)表示:Road2的結(jié)點(diǎn)里找出與Road1中各結(jié)點(diǎn)最近的點(diǎn)并計算最近距離,SMHD就是所有最近距離組成的數(shù)列的中值。本文采用SMHD作為斷頭路是否與規(guī)劃道路匹配的定量指標(biāo),通過設(shè)置距離閾值,判定在閾值內(nèi)的路段為有規(guī)劃打通的斷頭路。值得注意的是,有的待打通路段之間存在銜接關(guān)系,即1組路段構(gòu)成可用的通路,因此將通過節(jié)點(diǎn)銜接的多條待打通路段視為1組待打通路段。
本文旨在借助路網(wǎng)具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的特性,通過社區(qū)探測實現(xiàn)類似圖分治策略。參考Chen等[14]提出的GN-T算法,在現(xiàn)狀路網(wǎng)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上,將路網(wǎng)劃分成多個社區(qū),大致步驟如下。
1.2.1 構(gòu)建自由通行時間與權(quán)重矩陣
根據(jù)道路網(wǎng)拓?fù)鋱D節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和邊的權(quán)重數(shù)據(jù),計算自由通行時間矩陣T和權(quán)重矩陣W,按照式(2)~(3)進(jìn)行處理。
式中:i和j為路網(wǎng)拓?fù)鋱D中的2個路段相連的不同節(jié)點(diǎn);length(i,j)為連接節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的路段長度,km;speed(i,j)為連接節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的路段限速,km/h;levelmax為不同道路等級路段限速最大值,km/h;levelmin為不同道路等級路段限速最小值,km/h;對道路等級level進(jìn)行歸一化處理,分別獲得路段的自由通行時間矩陣T,T=(tij);tij為連接節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的路段自由通行時間,min;權(quán)重矩陣W,W=(wij);wij為連接節(jié)點(diǎn)i到j(luò)的路段權(quán)重。
1.2.2 模塊度評優(yōu)
模塊度作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)劃分的評判標(biāo)準(zhǔn),通過計算在道路網(wǎng)絡(luò)中連接社區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)相同類型節(jié)點(diǎn)的路段的比例,減去在道路網(wǎng)絡(luò)中具有相同社區(qū)結(jié)構(gòu)劃分但節(jié)點(diǎn)之間隨機(jī)連接的相同數(shù)量的期望值獲得。可以根據(jù)模塊度最優(yōu)的劃分結(jié)果將路網(wǎng)劃分成多個聯(lián)系緊密的社區(qū)集團(tuán),模塊度計算見式(4)[14]。
式中:p和q為互異的社區(qū)結(jié)構(gòu);cpq為路網(wǎng)路段中連接社區(qū)結(jié)構(gòu)p中的節(jié)點(diǎn)和社區(qū)結(jié)構(gòu)q中的節(jié)點(diǎn)的這部分路段的中介中心性均值;Wpq為社區(qū)結(jié)構(gòu)p和q之間的路段所有權(quán)重系數(shù)的平均值;Ap為連接到社區(qū)結(jié)構(gòu)p中節(jié)點(diǎn)的路段的加權(quán)分?jǐn)?shù),取值范圍為[0,1]。模塊度Q值越接近1,表示網(wǎng)絡(luò)劃分出的社區(qū)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度越強(qiáng),即劃分質(zhì)量越好,因此可以通過最大化模塊度Q來獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)劃分。路網(wǎng)社區(qū)劃分示意見圖1,路網(wǎng)被劃分成由A~I(xiàn)編號的多個社區(qū)。
圖1 路網(wǎng)社區(qū)劃分示意Fig.1 Community division of road network
1.2.3節(jié)點(diǎn)劃分
道路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中,1個或少數(shù)幾個節(jié)點(diǎn)或連線的失效會通過節(jié)點(diǎn)之間的耦合關(guān)系引發(fā)其他節(jié)點(diǎn)也發(fā)生失效,進(jìn)而產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)[18-19],最終導(dǎo)致相當(dāng)一部分節(jié)點(diǎn)甚至整個網(wǎng)絡(luò)的崩潰。跨社區(qū)的路段節(jié)點(diǎn)理論上具有更高的中介中心性,與社區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)相比更難被替代,容易引發(fā)級聯(lián)效應(yīng),是值得關(guān)注的道路節(jié)點(diǎn)。本文對路網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分,旨在交通流量分配中結(jié)合節(jié)點(diǎn)隱含的拓?fù)涮匦?,來評估路段的重要性。節(jié)點(diǎn)劃分方式見圖1,路網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)被劃分成樞紐節(jié)點(diǎn)(入境節(jié)點(diǎn)可視為特殊的樞紐節(jié)點(diǎn))、普通節(jié)點(diǎn),其中樞紐節(jié)點(diǎn)是連接不同社區(qū)路段的節(jié)點(diǎn)(入境節(jié)點(diǎn)可視為域外駛?cè)肷鐓^(qū)的入口點(diǎn)),普通節(jié)點(diǎn)則為社區(qū)內(nèi)路段的節(jié)點(diǎn)。
1.2.4 路段-社區(qū)匹配
在模塊度最優(yōu)的約束下,可知每組待打通路段所在的社區(qū)為該組路段打通后影響最大的路段集合??紤]到出行需求通常不只發(fā)生在1個社區(qū)內(nèi)部,可能是通過跨越數(shù)個社區(qū)從而實現(xiàn)的,假定有1個出行需求需要從節(jié)點(diǎn)1到達(dá)節(jié)點(diǎn)4,其最優(yōu)路徑已用“途徑”標(biāo)識,見圖1,該路徑經(jīng)過節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3,也就是說該出行從社區(qū)C內(nèi)部出發(fā),通過社區(qū)E到達(dá)社區(qū)H內(nèi)部,社區(qū)E內(nèi)部的斷頭路打通與否對該出行需求的影響會直接反映于節(jié)點(diǎn)2至節(jié)點(diǎn)3的路徑選擇,同時也表明當(dāng)社區(qū)E作為中介社區(qū)時,出行需求的流量必然通過樞紐節(jié)點(diǎn)2與3。如果待打通路段不一定位于某1個社區(qū)內(nèi)部,而是連接2個社區(qū),則視該組待打通路段匹配的社區(qū)為由2個社區(qū)組合而成。圖1中社區(qū)A與社區(qū)E之間有1組跨社區(qū)的待打通路段,本文將社區(qū)A與社區(qū)E的組合社區(qū)視為該組待打通路段所在社區(qū),并且連接社區(qū)A與社區(qū)E之間樞紐路段節(jié)點(diǎn)在該算例中被視為普通節(jié)點(diǎn)。通過將待打通路段與所在社區(qū)進(jìn)行匹配,可以對通過模擬社區(qū)內(nèi)樞紐節(jié)點(diǎn)間2次流量分配差異來評估斷頭路打通后帶來的優(yōu)化。
通過模擬斷頭路打通前后交通分配達(dá)到交通均衡時的狀態(tài),計算二者差異,并評估優(yōu)化效果。使用文中的提出的路網(wǎng)框架作為交通分配的前提,通過對路網(wǎng)隱含的社區(qū)以及樞紐節(jié)點(diǎn)的關(guān)注,結(jié)合了道路流量與路網(wǎng)拓?fù)涮匦?,通過縮小運(yùn)算集的方式將斷頭路打通帶來的優(yōu)化放大到社區(qū)尺度下并克服了仿真收斂慢的缺點(diǎn)。
為了獲知每組斷頭路打通前后的用戶均衡差異,選取所在社區(qū)樞紐節(jié)點(diǎn),對互異節(jié)點(diǎn)兩兩構(gòu)建OD點(diǎn)對并賦予出行需求,進(jìn)行2次流量分配,具體實現(xiàn)步驟如下[20]。
步驟1。采用最常見的BPR阻抗函數(shù)來構(gòu)造出行時間成本函數(shù),計算見式(5)。
式中:β和n為函數(shù)的阻抗系數(shù),默認(rèn)取值為0.15和4;lengtha為路段a的長度,km;speeda為路段a的限速,km/h;ta為路段a自由通行下的時間,min;xa為通過路段a的車流當(dāng)量,pcu;ca為路段a的車流的通行能力,pcu;Ta為在一定車流當(dāng)量xa,道路通行能力為ca下通過路段a的時間,min。
步驟2。根據(jù)設(shè)置的出行需求,使用連續(xù)平均法,根據(jù)初始交通時間集合進(jìn)行隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)配流,令s=1得到路段流量集合。
步驟3。更新交通時間,令
步驟4。確定搜索方向,根據(jù)當(dāng)前路段交通時間集合進(jìn)行隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)配流,得到輔助路段交通流量集合。
步驟5。更新路段流量,令
求出新的交通流模式,判定收斂準(zhǔn)則為整體出行時間成本下降小于一定閾值,如果算法收斂則終止。
極端情況討論。當(dāng)特定路段打通與否不改變出行流量的分配,即通過打通路段的流量為0,可以令統(tǒng)計的路段數(shù)僅為有流量經(jīng)過的路段,表示當(dāng)路段無實際通行能力時,對路網(wǎng)運(yùn)行無影響。
本文使用斷頭路打通前后路網(wǎng)中路段平均速率的變化來反映網(wǎng)絡(luò)效率的相對提升,路網(wǎng)平均速率計算見式(8)。
式中:A為路段的集合;xa路段a上的車流當(dāng)量,pcu;Ta為通過路段a的時間成本,min;N為在此次流量分配中車流量大于0的路段的總數(shù),條;e為用戶均衡狀態(tài)的路段平均速率,pcu/min。據(jù)此計算評價指數(shù),見式(9)。
式中:Ib為斷頭路b的評價指數(shù),%;e為現(xiàn)狀路網(wǎng)下的路段平均速率,pcu/min;e′為在路網(wǎng)中更新斷頭路b對應(yīng)的待打通路段后的路段平均速率,pcu/min。在給定的城市交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,整個交通網(wǎng)絡(luò)的效率為路段上平均單位時間內(nèi)的車流,表示路網(wǎng)在給定出行需求下被利用的效率。
使用朝陽區(qū)中心區(qū)域路網(wǎng)數(shù)據(jù),包括8個街道的現(xiàn)狀路網(wǎng)數(shù)據(jù)集和規(guī)劃路網(wǎng)數(shù)據(jù)集,現(xiàn)狀道路路段共計1 321條,規(guī)劃道路路段共計2 065條,路網(wǎng)的空間分布見圖2。
圖2 朝陽區(qū)道路網(wǎng)Fig.2 Road network of the Chaoyang district
根據(jù)CJJ37—1990《城市道路設(shè)計規(guī)范》和GB/T 51328—2018《城市綜合交通體系規(guī)劃規(guī)范》,對不同道路等級的路段設(shè)定相應(yīng)的限速及通行能力,見表1。
表1 道路通行參數(shù)設(shè)定Tab.1 Road traffic parameter setting
根據(jù)1.1中的計算流程,得到對應(yīng)規(guī)劃的待打通路段空間分布見圖3,共40組待打通的斷頭路。根據(jù)社區(qū)探測的結(jié)果,包括10組跨社區(qū)的待打通路段以及28組社區(qū)內(nèi)待打通路段,其中2組待打通路段由于打通后不構(gòu)成新的通路而視為空白對照組。
圖3 待打通路段空間分布Fig.3 Spatial distribution of dead-end roads to be connected
根據(jù)1.2中的計算流程,對朝陽區(qū)中心區(qū)域路網(wǎng)進(jìn)行社區(qū)劃分。見圖4,隨著迭代次數(shù)的增加,路網(wǎng)的模塊度也隨著增加,迭代次數(shù)為18時,模塊度達(dá)到最優(yōu),選取該結(jié)果作為計算輸入,見圖5,得到19個社區(qū)。
圖4 社區(qū)探測迭代過程Fig.4 Iterative process of community detection
圖5 社區(qū)探測模塊度最優(yōu)結(jié)果Fig.5 Optimal results of community detection modularity
OD點(diǎn)對出行需求選取了900,1 800,2 700,3 600 pcu這4組值,用于比較不同出行需求下打通特定路段后的路段平均速率變化;BPR函數(shù)的阻抗系數(shù)β和n采用默認(rèn)值0.15和4;MSA算法的迭代結(jié)束條件為時間成本下降小于1%。結(jié)果見圖6,表示4種出行需求下,不同組斷頭路打通后的路段平均速率變化,其中第6組和第23組為空白對照組。
圖6 4種出行需求下的評價指數(shù)Fig.6 Evaluation indices of four travel demands
3.6.1 出行需求
見表2,在較小出行需求,即每組起終點(diǎn)配有900 pcu的情況下,無論是中介中心性較強(qiáng)的跨社區(qū)路段還是中介中心性較弱的社區(qū)內(nèi)路段,路段打通前后平均速率變化百分比均值都小于<0.6%,表明在較小出行需求下,路段打通對路網(wǎng)整體帶來的優(yōu)化并不明顯,且較小出行需求下,跨社區(qū)路段的打通可能會帶來負(fù)面的影響。由于本文旨在評估斷頭路打通帶動周邊的路段參與流量分配的影響程度,并非衡量打通后對某一特定出行需求的改善,即便時間成本下降,也不一定反應(yīng)路網(wǎng)整體協(xié)作性的加強(qiáng)。
其次,2 700 pcu場景下的平均速率變化百分比均值小于1 800 pcu及3 600 pcu的場景下的均值,表明此類指數(shù)與出行需求并非簡單的線性關(guān)系。已有研究表明,此類指數(shù)具有拐點(diǎn)[20],在一定的流量需求下,打通路段的通行能力、限速等相關(guān)參數(shù)提高到一定程度時,將不會帶來更顯著的影響,尋求打通路段等級與流量相匹配,將會使道路修建的投入產(chǎn)出達(dá)到最優(yōu)化。
3.6.2 路段拓?fù)涮匦?/p>
路網(wǎng)的交通特性及結(jié)構(gòu)特性間的聯(lián)系還有待探討[13],已有研究[11]通過采用流量加權(quán)的中介中心性來結(jié)合結(jié)構(gòu)和交通特征,本文也采用類似的探究視角進(jìn)行分析。構(gòu)建的評價指數(shù)表征路網(wǎng)的交通特性,而待打通路段是否跨社區(qū)隱含了路段中介中心性強(qiáng)弱的拓?fù)涮匦浴R妶D7及表2,對10組跨社區(qū)的斷頭路以及28組社區(qū)內(nèi)部斷頭路的評價指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。對于跨社區(qū)斷頭路,在1 800,2 700,3 600 pcu的出行需求場景下,跨社區(qū)路段的平均速率變化均值(3.097%,1.833%,2.633%)和整體分布都大于社區(qū)內(nèi)路段均值(2.077%,1.785%,2.041%)和整體分布,表明打通中介中心性較強(qiáng)的路段更能夠帶動路網(wǎng)整體協(xié)作性的加強(qiáng),在市政工程中應(yīng)該優(yōu)先考慮打通跨社區(qū)路段。
表2 評價指數(shù)統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of evaluation indices
圖7 跨社區(qū)路段與社區(qū)內(nèi)路段評價指數(shù)小提琴圖Fig.7 Violin chart of evaluation indices for cross-and intra-community road sections
針對缺乏斷頭路打通場景下通用的路網(wǎng)優(yōu)化評估方法這一問題,本文基于場景特點(diǎn)以及路網(wǎng)的拓?fù)浜徒煌ㄌ卣?,提出了結(jié)合社區(qū)探測和交通分配的路段評價指數(shù)的定義與計算方法,并以北京市朝陽區(qū)為算例,利用現(xiàn)狀和規(guī)劃路網(wǎng)數(shù)據(jù)分析了本方法的特性,提出的評價指數(shù)同時考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)與車流量的情況,主要具有2個方面特點(diǎn)。
1)采用社區(qū)探測類似圖分治的策略,保證單個算例能夠匹配對應(yīng)參與計算的路段集合,使得交通分配能快速收斂,而且能同一尺度下放大斷頭路打通帶來的優(yōu)化。
2)交通分配的過程反映的是局部區(qū)域的通行情況,受路段容量、限速等因素影響。通過賦予路網(wǎng)“社區(qū)”的概念,一方面契合了斷頭路對交通影響的局部性,另一方面結(jié)合路段隱含的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性,能夠更好地評價路段的重要程度。
本文未應(yīng)用真實出行需求進(jìn)行優(yōu)化評估,未來可引入真實出行需求進(jìn)行實驗與分析;斷頭路的成因較為復(fù)雜,斷頭路打通在現(xiàn)實情況下會受到投資額度的約束,需要考慮周邊土地的利用模式,以及周邊居民對于城市道路工程的輿情。