基于暢通可靠度的城市道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建優(yōu)化

摘 要：為提高城市道路網(wǎng)絡(luò)暢通可靠度，開展基于暢通可靠度的城市道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建優(yōu)化研究。通過城市道路暢通可靠度計算并基于暢通可靠度的道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型，確定道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建單元范圍，明確改擴(kuò)建優(yōu)化基本思路。根據(jù)改擴(kuò)建優(yōu)化后城市道路網(wǎng)絡(luò)性能評價可得，按照新的優(yōu)化思路進(jìn)行改擴(kuò)建，可有效提高城市道路網(wǎng)絡(luò)的暢通可靠度，從根本上解決城市交通供需矛盾問題。

關(guān)鍵詞：暢通可靠度；道路網(wǎng)絡(luò)；改擴(kuò)建

中圖分類號：U 49" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前我國城市道路的主要問題如下：交通網(wǎng)絡(luò)的等級結(jié)構(gòu)不合理，造成了交通系統(tǒng)混亂；公路總體建設(shè)不夠完善，路網(wǎng)體系仍存在空白；公路的總體規(guī)劃和建設(shè)水平不高，部分公路的功能定位不清晰；公路交通安全狀況較差，主要表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)合不通暢，路段和路口的交通容量不相適應(yīng)；交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展破壞了城市的歷史和文化背景；公路網(wǎng)的規(guī)劃與建設(shè)缺乏彈性，沒有充分考慮公路網(wǎng)的防災(zāi)作用[1]。由于多種問題導(dǎo)致城市交通供需嚴(yán)重失衡，進(jìn)而降低了出行品質(zhì)和生活水平，因此從根本上把握問題實(shí)質(zhì)并加以解決，是城市交通建設(shè)與發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急[2]。

1 城市道路暢通可靠度計算

為確保城市道路的暢通，應(yīng)在對城市道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改擴(kuò)建優(yōu)化前明確城市道路暢通可靠度的計算方式。該指標(biāo)只有在暢通的前提條件下才具有實(shí)際意義[3]。在城市道路網(wǎng)絡(luò)中，該指標(biāo)定義為在工作日高峰時段中，道路網(wǎng)絡(luò)在正常運(yùn)營的情況下，交通運(yùn)行狀態(tài)能夠滿足暢通條件的概率。根據(jù)上述定義，得到如公式（1）所示的暢通可靠度表達(dá)式。

φi=P{γ} （1）

式中：φi代表在道路網(wǎng)絡(luò)上單元i中的暢通可靠度；P{γ}代表在高峰時間內(nèi)單元i找中的車輛暢通概率。

進(jìn)一步得出城市道路阻塞概率，如公式（2）所示。

Pf，j=1-φi （2）

式中：Pf，j代表城市道路阻塞概率。

針對現(xiàn)有城市道路網(wǎng)絡(luò)，采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計的方式對各路段、路口的暢通可靠概率進(jìn)行評估，根據(jù)路段和路口的標(biāo)準(zhǔn)判定單元是否暢通，并通過公式（3）計算單元暢通度的近似值ci。

（3）

式中：τc代表在高峰時段中路口、路段暢通的次數(shù)；τz代表總觀測次數(shù)。

在實(shí)際中，可根據(jù)調(diào)研能力適當(dāng)增加觀察數(shù)量，提高評價的準(zhǔn)確性，也可將觀察日劃分為工作日和休息日，針對每天不同的交通高峰期進(jìn)行觀察，從而使對應(yīng)的交通流通暢指數(shù)更有針對性[4]。在沒有任何觀察條件的情況下，可以根據(jù)交通警察和駕駛員的經(jīng)驗(yàn)來估算。

2 基于暢通可靠度的道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

確定城市道路網(wǎng)絡(luò)暢通可靠度的計算標(biāo)準(zhǔn)后，將提升暢通可靠度作為城市道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建的優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建優(yōu)化模型[5]。本文在道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中將綜合考慮路網(wǎng)暢通可靠度和改擴(kuò)建所需的資金條件，由此構(gòu)建2個優(yōu)化模型，一種是在總建設(shè)資金約束下的最大道路網(wǎng)絡(luò)暢通度，另一種是在路網(wǎng)暢通度最大條件下的最小總建設(shè)資金。本文選擇第一類情形，即當(dāng)總投資固定時，道路網(wǎng)絡(luò)的通暢可靠性為最大的情形，可用公式（4）表示。

maxP（x1，x2，…，xn）

st.C（x1，x2，…，xn）≤C0（x1，x2，…，xn） （4）

式中：C代表道路網(wǎng)絡(luò)的改擴(kuò)建費(fèi)用；P代表道路網(wǎng)絡(luò)的暢通可靠度。

當(dāng)路口或路段需要進(jìn)行改擴(kuò)建時，必定會產(chǎn)生相應(yīng)的建設(shè)資金，如果某一個路口或路段不需要進(jìn)行改擴(kuò)建，此時改擴(kuò)建費(fèi)用C的取值就為0。以上模型的意義在于，在一定的資金支持下，選擇某些相對重要的道路單元，并通過某些改進(jìn)措施來提升其暢通可靠度，進(jìn)而提升整體網(wǎng)絡(luò)的暢通可靠度[6]。其基本思想包括3個部分。首先，在一定的資金約束下，選擇需要改造的一組路段和一組交叉口。其次，計算改造后的一組道路網(wǎng)絡(luò)中的全部路口和一組路段的暢通可靠度。最后，計算路網(wǎng)中各單元的暢通可靠度。為使該模型具有較好的求解效果，必須反復(fù)執(zhí)行上述3個步驟，以確定最佳的改擴(kuò)建方案。

3 確定道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建單元范圍

在明確基于暢通可靠度的道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)后，結(jié)合獲取的道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和交通數(shù)據(jù)，計算城市道路網(wǎng)路交通量，并通過計算結(jié)果進(jìn)一步求解暢通可靠度。對于一個城市道路網(wǎng)絡(luò)單元，需要對路段和交叉口分別進(jìn)行暢通可靠度求解。結(jié)合當(dāng)前道路網(wǎng)絡(luò)暢通可靠度現(xiàn)狀和該城市道路網(wǎng)絡(luò)的重要度，確定道路網(wǎng)絡(luò)單元修正的重要度，再結(jié)合重要度進(jìn)行排序，確定重要度最高的道路網(wǎng)絡(luò)單元，以此確定需要進(jìn)行改擴(kuò)建的最終單元范圍[7]。在這一過程中，為了確保結(jié)果的合理性，可利用遺傳算法優(yōu)化城市道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建范圍判定。在此基礎(chǔ)上結(jié)合修正單元的重要度，確定待優(yōu)化單元，提出每個單元的多個備選設(shè)計方案，并給出相應(yīng)的離散最優(yōu)參數(shù)和可選的離散數(shù)值。為便于計算，在所有單元中選取修改單元重要性最高的8個路段，將其作為研究對象，每個單元提出一個改擴(kuò)建方案。應(yīng)用遺傳算法進(jìn)行運(yùn)算后，8個路段構(gòu)成一個道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建范圍。上述過程需要在遺傳空間內(nèi)完成，因此需要結(jié)合二進(jìn)制對變量進(jìn)行編碼。假設(shè)單元n的可靠度為ψn，并存在m個可以選擇的離散值，將ψn表達(dá)為二進(jìn)制的子串形式的串長，應(yīng)當(dāng)滿足公式（5）所示的條件。

2lr≥m （5）

式中：lr代表子串形式的串長。

如果某單元的可靠度ψn包括4個可以選擇的離散值，就可以用2比特的二進(jìn)制碼00～11表示。其中，00代表第一個可選擇的離散值，01代表第二個，10代表第三個，11代表第四個。遺傳算法是一種經(jīng)過選擇、雜交和變異并反復(fù)迭代的搜索方法，通過多次演化逐步逼近最優(yōu)解，而不是剛好等于最優(yōu)解，最后得到的是滿意解，所以需要確定中止條件。通常先設(shè)定一個最大遺傳代數(shù)，經(jīng)過幾代之后，該算法的解的適應(yīng)性不能得到顯著改善時，該算法就會終止，并輸出最終的優(yōu)化結(jié)果。

4 改擴(kuò)建優(yōu)化后的城市道路網(wǎng)絡(luò)性能評價

如何評估現(xiàn)行城市道路交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作情況、存在的問題和潛在的發(fā)展空間；如何對路網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行評估，以適應(yīng)未來不斷增加的交通需求；如何對交通規(guī)劃的執(zhí)行進(jìn)行反饋與檢查，是對城市道路交通進(jìn)行管理、調(diào)整、規(guī)劃時必然面臨的問題。

基于總體層面分析，城市道路交通系統(tǒng)的運(yùn)行狀況是由2個因素決定的，一個是時間因素，另一個是空間因素。如果把時、空結(jié)合在一起，會形成一個四維空間，因此可將城市道路交通網(wǎng)絡(luò)看作四維空間里的一個“容器”。道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建優(yōu)化效果的評估是在綜合考慮城市、人、社會和經(jīng)濟(jì)等多方面交通需求的情況下，分析道路提供服務(wù)與其承載容量間的矛盾關(guān)系。為確保相關(guān)工作的規(guī)范性，可以從靜態(tài)、動態(tài)和綜合角度進(jìn)行道路網(wǎng)絡(luò)綜合性能評價，性能評價與分析架構(gòu)如圖1所示。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)明確城市道路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展水平，從總體層面上反映城市交通的適應(yīng)性，即交通網(wǎng)絡(luò)與城市規(guī)模、居住人口、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的關(guān)系。交通網(wǎng)絡(luò)是城市建設(shè)與發(fā)展中的主干，也是城市發(fā)展中的必要條件，是保障社會經(jīng)濟(jì)體制正常運(yùn)行并滿足居民生活、工作和娛樂的必要條件。因此，進(jìn)行改擴(kuò)建優(yōu)化后城市道路網(wǎng)絡(luò)性能評價時，必須綜合考慮影響城市道路網(wǎng)絡(luò)的各方面因素，設(shè)計城市道路網(wǎng)絡(luò)性能評價指標(biāo)集合，如圖2所示。

明確城市道路網(wǎng)絡(luò)性能評價指標(biāo)后，從城市發(fā)展宏觀角度綜合評估道路網(wǎng)絡(luò)布局質(zhì)量，綜合評估理論框架如圖3所示。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，應(yīng)遵循性能評價中定量與定性相結(jié)合的原則，在考慮各項(xiàng)指標(biāo)影響的情況下描述評價指標(biāo)間點(diǎn)、線、面關(guān)系，如圖4所示。

以某城市道路為例，綜合上述各項(xiàng)指標(biāo)，對各條路進(jìn)行改擴(kuò)建優(yōu)化前、后暢通可靠度計算，計算過程參照上文中的公式（1），并將計算后的結(jié)果進(jìn)行量化，結(jié)果見表1。

對試點(diǎn)城市的編號道路路口進(jìn)行暢通可靠度評估，其結(jié)果見表2。

5 結(jié)語

在城市快速發(fā)展和道路高速建設(shè)過程中，城市交通問題日益受到重視。為全面落實(shí)并推進(jìn)此項(xiàng)工作，本文進(jìn)行了此次研究，并得出如下結(jié)論。

綜合表2可以看出，優(yōu)化前道路交通暢通可靠度評估等級為B～F，即城市道路交通網(wǎng)絡(luò)綜合情況較差，道路車輛經(jīng)常發(fā)生擁堵。而優(yōu)化后道路交通暢通可靠度評估等級為A，即按照本文方法進(jìn)行道路網(wǎng)絡(luò)改擴(kuò)建優(yōu)化，可提高道路交通暢通可靠度評估等級，在保證道路交通車流量穩(wěn)定且?guī)缀醪淮嬖趽矶聠栴}的基礎(chǔ)上，為出行群體提供更良好的駕駛與行車體驗(yàn)。希望通過此次研究能提供一些切實(shí)可行的辦法，在一定程度上改善、優(yōu)化城市道路網(wǎng)絡(luò)，保證群眾日常交通需求。

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