基于最優路權分配的交通容量分析技術研究

□ 王 波 周志華

交通問題其實就是供需關系處理問題，交通政策反映了城市的價值取向。任何城市的出行結構都是與城市所能（或者愿意）提供的服務水平相關。如果追求個人自由而不顧及整體效率，私人交通工具一定是首選（如開羅城），但通常一個有序的城市是不會完全放開交通市場，都會針對不同群體提供相應的交通服務，通過個體交通與公共交通的成本差讓那些對時間和舒適度要求不高的出行自覺選擇公共交通，為其他出行騰出空間（如目前大多國內城市）。如果這種服務水平仍不能滿意，就需擴大成本差，用強制手段進行調控，提高個體出行成本并切實解決公交服務能力（如新加坡、香港）。因此，城市選擇何種交通模式，根源是對交通自由度的接受程度，讓哪種（多大規模的）群體享有什么樣的服務，這就是城市的價值取向，任何管制措施均應在這個基礎上制定，交通也不例外。

目前，上海市、北京市的實際人口都超過2000萬，廣州市也接近1800萬。人口規模的增加意味著人均資源的減少，因此，城市所選擇的主流交通方式應該是低占有率、高集成的公交方式。世界上但凡以公交優勝戰略建城的城市均把發展常規公交作為提升城市交通水平的首要任務，地面公交比例一直占據主體地位。國內從2004年提出優先發展公共交通的政策建議，以此提升城市整體交通質量，但至今未能完全達到預期目標，即使在公交比例較高的北京（33%）、廣州（34%）等城市，道路車速也只維持在23公里/小時的水平。其原因在于公共交通的自身定位，尤其是常規公交所提供服務的質量較低，難以與小汽車形成競爭。

實踐證明，提升常規公交的競爭能力，運力是基礎，路權是關鍵，二者缺一不可。為此，有必要按照“重新劃分交通資源、確保地面公交優先”的發展思路，以城市綜合交通模型為平臺，對交通容量的計算方法進行深入研究，從出行的可控性和舒適性兩方面重新構建模型，以更好地解決道路交通資源分配問題。

一、國內外理論研究

1.研究背景

路網容量的概念最早由美國交通工程學者在20世紀50年代提出的，歷經幾十年的研究，學者們對路網容量的物理意義、研究方法都有著不同的認識，并隨著時間推進不斷調整和深入。

美國學者認為，路網容量是在路段通行能力制約下，滿足系統最優，路網所能承擔的最大交通流，通過圖論、交通分配模擬和線性規劃等方法建立不同研究模型。20世紀80年代初，法國工程師路易斯·馬尚提出了時空消耗法，認為城市路網在一定時段內的物理容量是受時間、空間限制的，路網容量是時空資源制約下路網系統所能服務的最大交通流量。

近年來，NikolasGeroliminis和CarlosF.Daganzo論證了宏觀交通流基本圖（MFD）的概念，認為路網通過的交通流量、車流密度以及路網空間平均車速三者間關系與路段有相似性，即在自由流與擁擠流區間路網同樣存在最大流量，證明了路網容量這一命題的存在性。

國內最早在1986年由長沙交通學院的木納和中國城市規劃設計研究院的關忠和根據時空消耗的概念提出了路網容量。隨后，東南大學楊濤、沈陽建筑工程學院王春生和上海海運學院周溪召也利用時空資源的概念對高峰小時交通容量進行分析推算。楊濤等人基于最大流最小割定理，將Ford-Fulkson算法進行改進，提出了衍生割集網絡極大流算法（ECS）；北京工業大學陳春妹對路網容量定義進行了梳理，根據時空消耗法構建了路網容量模型等。

2.研究方向

目前，國內外對于路網容量的研究方向和側重點各不相同。國外側重于動態容量機制下對擁堵收費政策的研究，國內規劃部門側重于交通容量下的土地開發模式研究，交管部門則關注容量限制下的機動車規模和交管辦法的研究。如前所述，交通問題的本質是公共決策問題，交通政策反映了城市價值取向，解決交通擁堵回避不了公眾的交通權益分配問題。換言之，在當前及今后資源增長受限的情況下，如何對有限的交通資源重新劃分，成為解決交通問題的關鍵?；诖?，交通容量分析也有必要反映路權分配的公共政策價值導向，即地面公共交通路權優先，以改善城市交通資源配置，提高城市交通系統運行總體水平。

二、交通容量分析方法與關鍵技術

路權分配就是道路交通資源的分配，最優的路權分配方案應該在城市交通系統所能提供的總容量的前提下通過逐步調優獲得。

1.容量定義

在既定供需基礎下，確定服務水平目標，通過模型迭代，尋找最優路權分配下單位時間內城市交通系統所能服務的最大出行量。

（1）既定供需基礎。既有道路網絡、軌道網絡和出行需求。

（2）服務水平目標。政府及大多數市民能夠接受的交通服務水平，對交通容量達到最大時的狀態進行界定，建立指標評價體系。

2.影響因素

出行服務水平是對出行全過程的總體評價，需要建立共識性的指標，融入供需平衡概念，代表整個系統的吸納能力。影響出行服務水平的指標主要有：出行的可控性（時耗）和旅途的舒適性（車內擁擠度）。社會車輛主要考慮車速水平，公共交通則還需考慮車廂擁擠度、候車時間等。最優的路權分配方案需要考慮以下因素。

（1）時耗。人的一天活動可以做如下簡單分配：8個小時工作學習、8個小時睡眠、餐飲和家務等日?；净顒?個小時、娛樂休閑2～2.5個小時，那么花費在交通上的時間大約在1.5～2個小時。如果超過這個限制，其他生活需求將受到壓制，生活質量下降。另外，有學者從交通的角度對居民出行時耗進行了研究，時耗與城市規模相關，出行時耗占日常時間比例相對穩定，一次出行最大時間有容忍上限，其中特大城市約為60分鐘。

（2）小汽車與公交車時耗比。公交優先實質上是在系統最優前提下，公共交通通過管理從小汽車那里取得應得的道路資源，在一定服務水平下，二者的時耗比越低，公交發展水平越高。國內學者對此有過專門研究，得出公交與平均出行時耗比在1.15～1.56倍之間。

（3）車廂擁擠度。與小汽車相比，公共交通要具備一定的競爭力，必須對現有擁擠度的標準適當提高。建議結合城市實際情況自行確定（如5人/平方米），在容量測算時，該指標作為初始值輸入，用擁擠分配模型對溢出客流進行二次加載。

3.分析過程

容量涵蓋了交通供需關系，用來運算的模型不能僅局限于設施物理容量，應考慮供應與需求的匹配關系和系統服務水平的認定?？煽紤]在傳統的綜合交通模型基礎上搭建，讓交通容量的研究從實驗室中走出來，進入應用領域?？傮w技術流程如圖1所示。先設定初始公交運力和路網（路權）方案，再逐步調整交通需求、路權分配等，其中由于對路權的分配涉及到實際可行性的判斷，需要人工加以檢驗后再納入循環迭代?？傮w上有兩個判斷過程：①檢驗平均時耗。不達標時對可變地區開發規模進行調整（人口、就業），重新納入循環迭代。②檢驗地面公交與小汽車時耗比。不達標時調整公交路權和運力，納入循環測試。通過上述過程的不斷調整優化，最終獲得在指定服務水平下的矩陣總量、方式結構、路權分配方案和用于啟動相關措施的車速閾值，以上過程構成了容量測算的核心內容。

4.關鍵技術

（1）公交車道的車速標定。本次研究對現狀各類公交車道（路中和路側公交專用道、混行車道）分別選取不同路段進行了車速調查，其結果見表1所列，以此納入模型中標定公交車速。

圖1 基于最優路權分配的交通容量分析技術流程

表1 公交車道車速標定

（2）公交車道形式的甄選方法。公交車道形式一般有3類：路中（BRT）專用道、路側專用道和混行車道。在模型中，尋找最優的路權分配就是對公交車道形式的不斷調整。選取公交車速低于城市期望速度（17公里/小時）的道路作為調整對象，調整次序如下：①若不是公交專用道（混行車道），調整為路側專用道。②已是路側專用道，且公交客流≥2萬（人·次）/小時，調整為路中專用道。③已是路中專用道，不作調整。在模型給出的專用道方案基礎上，經人工介入判斷可行后納入模型循環測試。

（3）在公交分配過程中引入擁擠分配方法。在實際生活中，乘客會根據公交車的滿載情況選擇線路或班次，而以往一般的公交模型并沒有考慮這個因素，主要側重于對路徑的搜索。本次研究引入擁擠模型，先設定車廂的標準容量（5人/平方米），在容量限制下通過公交擁擠分配獲得未加載矩陣，轉入下一次分配，未能上車的乘客總候車時間可通過公式計算：總候車時間＝（未加載客流×發車間隔＋小時消散能力）/2。

（4）引入停車泊位供給作為方式選擇的重要因素。在實際出行中，車位因素（有無車位、停車費用、停車位供需比等）是決定出行方式時的重要因素，本次研究對原有綜合交通模型進行了改進，在方式選擇時引入車位因素進行控制。泊位規模首先作為輸入條件介入交通主方式的劃分，當動態交通經過循環迭代后達到飽和時，再反饋實際對應的泊位規模，形成動態與靜態聯動的模式，彌補動態交通需求不能反映靜態供給的不足。并且，引入尋找車位時間作為小汽車出行的時間懲罰。小汽車出行綜合成本可通過下式計算：小汽車出行綜合成本＝出行時間＋（里程費用＋路橋費＋停車費）/每小時時間價值×60/載客率+小汽車尋找車位時間。當車位超過實際需求時，出行者是否選擇個體方式取決于對時耗的判斷。

廣州市在新一輪總體規劃中明確提出了建設公交都市的目標。本次研究按照基于最優路權分配的交通容量分析計算方法，提出在大力建設地鐵的前提下，到2020年地面公交仍然作為城市公共交通的主體，在主城區公交專用道444公里方案基礎上進一步擴充公交優先網絡（新型有軌電車＋快速公交BRT＋公交專用道），計劃在2020年規模達到800公里左右。通過模型測試，地面公交與社會車輛的合理路權分配應該由現狀的12∶88增加到25∶75，公交車速將由現狀15公里/小時升至17公里/小時，此時廣州市主城區干道平均車速將維持在23～25公里/小時左右水平，主城區交通運作將處于一個較為理想的狀態。

近10年來，國內城市相繼掀起地鐵建設的熱潮，希望通過地鐵來緩解地面交通壓力，而逐漸忽略了地面公交建設。地面公交以其靈活、便捷在3類主要交通方式（地鐵、小汽車、公交車）中占有重要作用，且直接參與同個體交通的路權競爭。落實公交優先政策，地面公交是最好的切入點，只有從根本上提升公交競爭力，才是當前特大城市交通問題的解決之道。（作者單位：廣州市交通規劃研究所）