山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響因素研究

王 菲, 邢茹茹,2, 朱 湧, 陳 寧, 楊 濤

(1.重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院, 重慶 400074; 2.山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點實驗室, 重慶 400074; 3.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067; 4.重慶零谷交通科技有限責(zé)任公司, 重慶 400064)

山地城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,城市用地通常被山脈、河流分隔成多個具有一定規(guī)模的組團,城市結(jié)構(gòu)整體呈“自由式組團”分布,道路條件較為特殊,路網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)受地形走勢影響較大,無法完全根據(jù)交通需求合理安排路網(wǎng),存在道路級配不合理、道路坡度和非直線系數(shù)較大、網(wǎng)絡(luò)連接度較低、畸形交叉口較多等問題。

路網(wǎng)容量是準(zhǔn)確掌握交通管控目標(biāo)的重要參數(shù)。研究山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量,可精確掌握山地城市區(qū)域路網(wǎng)的交通供給能力,從而制定合理有效的交通管控措施,緩解交通擁堵問題。目前,國內(nèi)外學(xué)者主要從道路條件[1-2]、交通方式[3-5]、交通管控[6-8]3個維度選取指標(biāo)分析對路網(wǎng)容量的影響程度。為篩選合理、科學(xué)的關(guān)鍵影響因素,一般選取相關(guān)賦權(quán)法。現(xiàn)階段,常用的賦權(quán)法有德爾菲法[9]、層次分析法[10]、二項系數(shù)法[11]、環(huán)比評分法[12]、主成分分析法[13]、因子分析法[14]、熵值法[15]、粗糙集法[16]等。目前未有完全通用的指標(biāo)權(quán)重確定方法,不同指標(biāo)權(quán)重確定方法的原理與思想不同,因此要依據(jù)評估對象的特點合理選擇賦權(quán)方法,以提高綜合評價的準(zhǔn)確性和有效性。

為深入刻畫山地城市路網(wǎng)特征,本文基于平原城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)和山地城市路網(wǎng)數(shù)據(jù),根據(jù)山地城市區(qū)域路網(wǎng)特征,選取具體的路網(wǎng)容量指標(biāo),并分別利用德爾菲法和層次分析法驗證指標(biāo)合理性和確定指標(biāo)權(quán)重,從而得到山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量關(guān)鍵影響因素。

1 山地城市區(qū)域路網(wǎng)特征分析

為探究山地城市區(qū)域路網(wǎng)特征,結(jié)合山地城市路網(wǎng)在布局、功能和等級結(jié)構(gòu)等方面的特征,對山地城市區(qū)域特征指標(biāo)進行系統(tǒng)研究,從道路條件、交通方式、交通管控3個方面選取山地城市區(qū)域路網(wǎng)特征指標(biāo),與平原城市區(qū)域路網(wǎng)進行對比分析。

從道路條件方面選取道路沿線開口、車道寬度、車道數(shù)、交叉口間距、道路級配、路網(wǎng)密度、網(wǎng)絡(luò)連接度、坡度、非直線系數(shù)、橫斷面形式指標(biāo);交通方式方面選取車種構(gòu)成指標(biāo);交通管控方面選取交叉口控制方式和單向通行2個指標(biāo)進行研究。

本文選取4個平原城市區(qū)域路網(wǎng)與5個山地城市區(qū)域路網(wǎng),劃定其周邊的快速路或主干路圍成的區(qū)域為研究范圍,如圖1和圖2所示。對所需特征數(shù)據(jù)進行調(diào)查、提取和處理,圍繞以上13個指標(biāo)進行對比分析如下。

(a) 北京國貿(mào)區(qū)域

(a) 重慶解放碑區(qū)域

1) 道路條件對比分析

(1) 道路沿線開口

統(tǒng)計研究范圍內(nèi)道路總長度、道路與沿線兩側(cè)相交道路或用地項目(如住宅小區(qū)、公司、學(xué)校、醫(yī)院)等形成的交織節(jié)點數(shù),兩者相除,得到道路沿線平均開口間距,其計算公式為:

(1)

式中:L為道路沿線平均開口間距,m;Ai為道路長度,m;Bi為道路沿線開口數(shù);n為道路總數(shù)。

實際調(diào)查結(jié)果如表1所示。將表1對應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(1),可計算得到平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域平均開口間距平均值分別為136 m和131 m。

表1 平原城市及山地城市各指標(biāo)對比

(2) 車道寬度

對研究范圍內(nèi)道路車道寬度、道路總數(shù)進行統(tǒng)計,兩者相除,得到平均車道寬度,其計算公式為:

(2)

式中:W為平均車道寬度,m;Ci為車道寬度,m。

將表1對應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(2),可計算得到平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域的平均車道寬度平均值分別為3.59 m和3.35 m。

(3) 車道數(shù)

對研究范圍內(nèi)道路長度、車道數(shù)進行統(tǒng)計,每個道路長度與車道數(shù)相乘并求和,所得結(jié)果除以道路總長度,得到平均車道數(shù),其計算公式為:

(3)

式中:K為平均車道數(shù),個;Ni為車道數(shù),個。

將表1對應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(3),可計算得到平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域的平均車道數(shù)平均值分別為3.88和3.52。

(4) 交叉口間距

對研究范圍內(nèi)兩兩相鄰交叉口之間的距離進行統(tǒng)計并取平均值,得到平均交叉口間距,其計算公式為:

(4)

式中:D為平均交叉口間距,m;Di為交叉口間距,m;d為相鄰交叉口總數(shù)。

將表1對應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(4),可計算得到平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域平均交叉口間距平均值分別為196.57 m和310.09 m。

(5) 道路級配

道路級配指不同等級的城市道路的長度比例?！冻鞘械缆吩O(shè)計規(guī)范》(CJJ 37—90)所推薦的城市道路級配比例為快速路∶主干路∶次干路∶支路=1∶2∶3∶6。

采用道路級配合理性評判系數(shù)這一指標(biāo)來評判城市道路級配的合理程度,對城市道路現(xiàn)狀級配與推薦級配進行對比,利用相對值來顯示不同等級道路充?；蛉笔У某潭?從而反映城市道路級配的合理性。道路級配合理性評判系數(shù)越小,證明現(xiàn)狀道路級配較為合理;反之則說明現(xiàn)狀道路級配不夠合理。合理性評判系數(shù)計算公式為:

(5)

將表1對應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(5),可計算得到平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域的道路級配合理性評判系數(shù)平均值分別為0.42和0.65。

(6) 路網(wǎng)密度

路網(wǎng)密度是城市內(nèi)部道路的總長度與城市用地面積的比值。在所選研究范圍內(nèi)調(diào)查路網(wǎng)密度,根據(jù)表1對應(yīng)數(shù)據(jù)可計算得到平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域的路網(wǎng)密度平均值分別為10.81 km/km2和7.08 km/km2。

(7) 網(wǎng)絡(luò)連接度

網(wǎng)絡(luò)連接度是指路網(wǎng)中所有交叉口連接的路段數(shù)與交叉口數(shù)的比值,體現(xiàn)的是路網(wǎng)的成熟度。在所選研究范圍內(nèi)調(diào)查網(wǎng)絡(luò)連接度,根據(jù)表1對應(yīng)數(shù)據(jù)可計算得到平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)連接度平均值分別為3.36和3.3。

(8) 坡度

通常把坡面垂直高度與水平方向距離的比值叫做坡度,對研究范圍內(nèi)道路的坡度進行統(tǒng)計,并取平均值,得到平均坡度,其計算公式為:

(6)

式中:P為平均坡度,%;Pi為道路坡度,%。

將表1對應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(6),可計算得到平原城市與山地城市區(qū)域的平均坡度平均值分別為1.33%和4.11%。

(9) 非直線系數(shù)

采用平均非直線系數(shù)這一指標(biāo)將非直線系數(shù)進行量化。對研究范圍道路非直線系數(shù)進行統(tǒng)計并取平均值,得到平均非直線系數(shù),其計算公式為:

(7)

式中:F為平均非直線系數(shù);Fi為非直線系數(shù)。

將表1對應(yīng)數(shù)據(jù)代入式(7),可計算得到平原城市與山地城市區(qū)域的平均非直線系數(shù)平均值分別為1.07和1.13。

(10) 橫斷面形式

采用橫斷面形式比例這一指標(biāo)將橫斷面形式進行量化,其值等于不同橫斷面形式的道路數(shù)量與道路數(shù)的比值,計算公式為:

(8)

式中:E為橫斷面形式比例;Ei為單幅路、雙幅路、三幅路、四幅路各自道路總數(shù)。

對所選城市區(qū)域的道路橫斷面形式比例進行調(diào)查,結(jié)果如表2所示。

表2 道路橫斷面比例對比 %

由表2對比結(jié)果可以看出,山地城市區(qū)域路網(wǎng)道路橫斷面中單幅路和雙幅路占比較大,易存在機非混行的現(xiàn)象,影響交通安全;而平原城市區(qū)域道路橫斷面中三幅路和四幅路占比較大。

2) 交通方式對比分析

車種構(gòu)成是指路網(wǎng)中各種車型的組成。山地城市道路坡度通常較大,不利于非機動車出行,獲取有關(guān)山地城市區(qū)域與平原城市區(qū)域在車種構(gòu)成方面的資料[17-18]可知,平原城市車種構(gòu)成包括客車、公交車、貨車、電動自行車以及自行車,山地城市車種構(gòu)成包括客車、公交車、貨車和摩托車。山地城市區(qū)域的車種構(gòu)成中,沒有電動自行車、自行車等非機動車,這與平原城市區(qū)域的車種構(gòu)成不同。

3) 交通管控對比分析

(1) 交叉口控制方式

山地城市受其特殊地形條件的影響,路網(wǎng)中信號控制交叉口的占比較大并且畸形交叉口較多,而平原城市多為混合交通運行的情況,因此兩者在信號控制交叉口方面存在明顯區(qū)別。采用信控交叉口比例這一指標(biāo)將交叉口控制方式進行量化,其值等于信控交叉口總數(shù)與交叉口總數(shù)的比值,計算公式為:

(9)

式中:G為信控交叉口比例;A為信控交叉口總數(shù);B為交叉口總數(shù)。

通過對平原4個區(qū)域、山地城市5個區(qū)域信控交叉口比例進行調(diào)查并求解均值,結(jié)果如表3所示。由表3可知,平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域的信控交叉口比例平均值分別為42%和49%。

表3 信控交叉口比例對比 %

(2) 單向通行

山地城市經(jīng)常采用單向通行的組織方式來緩解城市交通擁堵問題,采用單向通行道路長度比例這一指標(biāo)來量化單向通行指標(biāo),其值等于單向通行道路長度與道路總長度的比值,計算公式如下:

(10)

式中:I為單向通行道路長度比例;L單為單向通行道路長度,m;L總為道路總長度,m。

對所選城市區(qū)域的單向通行道路長度比例進行調(diào)查,其結(jié)果如表4所示。由表4可知,平原城市區(qū)域與山地城市區(qū)域的單向通行道路長度比例平均值分別為20%和25%。

表4 單向通行道路長度比例對比 %

2 山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響因素確定

2.1 影響因素合理性驗證

為確定山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量的影響因素,需借助賦權(quán)方法對以上分析的13個指標(biāo)進行進一步研究,并將各個影響因素的合理性和重要性進行量化,從而更準(zhǔn)確地判斷出具有山地城市區(qū)域路網(wǎng)特征的路網(wǎng)容量影響因素。

通過對德爾菲法等12種賦權(quán)方法的分析,發(fā)現(xiàn)德爾菲法對缺乏樣本數(shù)據(jù)、難以建立數(shù)學(xué)模型的實際問題特別有效,而引言中提到的13個指標(biāo)之間難以建立數(shù)學(xué)模型,因此,本文利用德爾菲法來驗證所篩選的路網(wǎng)容量影響因素的科學(xué)性和合理性。

德爾菲法具有以上優(yōu)點的同時也存在以下不足:

1) 過程復(fù)雜,耗費時間較長。

2) 專家評價帶有一定的主觀性。

3) 專家之間無法交流,造成缺乏評估尺度的一致性。

針對以上不足,本文提出以下應(yīng)對方法:

1) 及時確定參與調(diào)查的專家,提高工作效率。

2) 提前查閱相關(guān)參考資料和數(shù)據(jù),在向?qū)＜野l(fā)出調(diào)查問卷時同步提供這些資料,使專家作出評價時盡量客觀。

3) 引入“離散程度系數(shù)”這一指標(biāo)處理結(jié)果,判斷評估尺度一致性。

使用德爾菲法進行問卷調(diào)查輪次一般為2到3輪,因此本文共進行3輪問卷調(diào)查,并對問卷調(diào)查結(jié)果分析匯總。

本文采用重要程度系數(shù)Ri和離散程度系數(shù)Qi對影響因素的科學(xué)性和合理性進行判斷。在專家打分的基礎(chǔ)上,分別計算各個影響因素的重要程度系數(shù)和離散程度系數(shù)來綜合比較這2個系數(shù),并對影響因素進行篩選。

重要程度系數(shù)Ri指參與打分的全部專家對同一指標(biāo)的打分之和與該指標(biāo)應(yīng)得滿分的比值,該系數(shù)越大,說明專家認(rèn)為該影響因素重要程度越高;越小則說明專家認(rèn)為該影響因素重要程度越低。其計算式如下:

Ri=(Ni1×1+Ni2×2+Ni3×3+Ni4×4+Ni5×5)/(5×N)

(11)

式中:i為影響因素序號;Ni1～Ni5為專家對第i個影響因素打分為1分到5分所對應(yīng)的總?cè)藬?shù);N為問卷總數(shù)量。

離散程度系數(shù)Qi是判斷數(shù)據(jù)離散程度的相對統(tǒng)計量,是標(biāo)準(zhǔn)差σ與平均數(shù)μ之比,該數(shù)值越小,說明專家對該指標(biāo)的意見越一致;越大則說明專家對該指標(biāo)的分歧越大。其計算式如下:

Qi=σi/μi

(12)

由上述分析可知,應(yīng)選取Ri較大且Qi較小的指標(biāo)作為有效指標(biāo)。經(jīng)過參考相關(guān)文獻對“影響因素重要性大小”和“專家意見分歧大小”的界定,可將Ri≥0.7且Qi≤0.2的影響因素定義為有效影響因素。

通過專家反饋的調(diào)查問卷的打分情況和上述的計算公式,可計算出各指標(biāo)的重要程度系數(shù)和離散程度系數(shù),并確定出科學(xué)合理的山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響因素,即道路沿線開口、車道寬度、車道數(shù)、交叉口間距、道路級配、網(wǎng)絡(luò)連接度、坡度、交叉口控制方式和單向通行這9個指標(biāo)。

2.2 關(guān)鍵影響因素確定

層次分析法把研究對象作為一個系統(tǒng),按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進行決策,每一層的權(quán)重設(shè)置都會影響到最終結(jié)果。在每個層次中的每個因素對結(jié)果的影響程度都是量化的,可用于對無結(jié)構(gòu)特性的系統(tǒng)評價以及多目標(biāo)、多準(zhǔn)則等的系統(tǒng)評價。

本文需確定9個路網(wǎng)容量影響因素的權(quán)重,評價結(jié)構(gòu)可按照層次分析法的要求分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層;構(gòu)建判斷矩陣的數(shù)據(jù)來源為城市路網(wǎng)規(guī)劃、交通管理與控制等領(lǐng)域的12位高校教授和副教授以及相關(guān)企事業(yè)單位的專家等,專家對路網(wǎng)容量影響因素評價指標(biāo)體系和各指標(biāo)的相對重要性有著清晰的認(rèn)識。因此,本文可利用層次分析法確定山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響因素的權(quán)重。

層次分析法除了以上優(yōu)點和適用性,也存在以下不足:

1) 判斷矩陣的構(gòu)建結(jié)果受人的主觀意識影響較大。

2) 因素過多時,數(shù)據(jù)計算量大。

針對以上不足,本文提出以下應(yīng)對方法:

1) 邀請對本文研究內(nèi)容較為熟悉的專家參與問卷調(diào)查,并對所構(gòu)建的判斷矩陣進行一致性檢驗。

2) 本文研究9個影響因素,計算量較大,借助軟件Yaahp可提高計算效率。

通過對山地城市區(qū)域路網(wǎng)特征分析可知,山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響因素為道路沿線開口、車道寬度、車道數(shù)等9個影響因素,可分為道路條件和交通管控。利用層次分析法建立山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響因素評價指標(biāo)體系,并確定關(guān)鍵影響因素。

1) 建立層次結(jié)構(gòu)

將所選的9個影響因素分別編號,構(gòu)建一個層次分析法所需的層次結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 層次結(jié)構(gòu)

2) 構(gòu)造對比判斷矩陣,計算影響因素的相對權(quán)重

建立山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響因素的比較判斷矩陣。本文將所選取的9個影響因素分類為道路因素和管制因素,并對這些影響因素的權(quán)重進行問卷調(diào)查與分析,得到相應(yīng)的判斷矩陣。

對道路因素和管制因素的權(quán)重進行問卷調(diào)查,分析得出判斷矩陣,并計算各影響因素的相對權(quán)重,如表5所示。

表5 總目標(biāo)層下的判斷矩陣A-B

由表5可知,總目標(biāo)層下的判斷矩陣的一致性檢驗結(jié)果小于0.1,滿足一致性要求。因此,得到準(zhǔn)則層和方案層各指標(biāo)的初始權(quán)重,如表6所示。

表6 各影響因素初始相對權(quán)重

由表6初始權(quán)重分析結(jié)果可知,交叉口控制方式、道路沿線開口、車道數(shù)、交叉口間距等因素的影響較大。計算總目標(biāo)下各影響因素的相對權(quán)重:

Wci=Wi×Wa

(13)

式中:Wi為準(zhǔn)則層中各影響因素的相對權(quán)重;Wa為方案層中各影響因素的相對權(quán)重。

根據(jù)公式(13)得到本文所選取的影響因素在總目標(biāo)下的相對權(quán)重,如表7所示。

表7 總目標(biāo)下各影響因素相對權(quán)重

將各影響因素相對權(quán)重按從大到小的順序列出,結(jié)果如表8所示。

表8 各影響因素權(quán)重排序

表8為利用層次分析法得到本文所選取的山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響因素的權(quán)重,按權(quán)重大小排序得來。取前5位影響因素,即交叉口控制方式、道路沿線開口、車道數(shù)等因素作為影響山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量的主要因素。

3 結(jié)論

本文首先對所研究的路網(wǎng)容量定義進行闡述,進而對山地城市區(qū)域的路網(wǎng)特征進行分析,從道路條件、交通方式、交通管控3個方面選取13個路網(wǎng)特征指標(biāo),利用層次分析法與德爾菲法確定了影響山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量影響的關(guān)鍵因素,并得出如下結(jié)論:

1) 通過對比分析平原城市與山地城市13個路網(wǎng)特征指標(biāo),利用德爾菲法對這13個指標(biāo)的科學(xué)性和合理性進行驗證,結(jié)果表明其中共有9個有效影響因素,分別為:道路沿線開口、車道寬度、車道數(shù)、交叉口間距、道路級配、網(wǎng)絡(luò)連接度、坡度、交叉口控制方式和單向通行。

2) 利用層次分析法確定9個有效影響因素的權(quán)重,并將權(quán)重較大的5個影響因素,即交叉口控制方式、道路沿線開口、車道數(shù)、交叉口間距和車道寬度確定為山地城市區(qū)域路網(wǎng)容量的關(guān)鍵影響因素。