綜合運輸體系下城市公路網絡布局方法研究

2014-11-17 02:42:42姜鎮

交通運輸研究 2014年13期

姜鎮

（太倉市公路管理處，江蘇太倉 215400）

0 引言

近年來，我國城際高速鐵路、城市軌道交通、水運等運輸方式快速發展，要形成良好的綜合運輸局面，就要求公路運輸與其他方式密切配合，通過合理銜接，形成現代化的綜合運輸體系，充分發揮各種交通運輸方式的優勢，通過和多種運輸方式的集成提高綜合效率[1]。

公路交通機動、靈活的運輸特點決定了它在綜合交通體系中的重要作用，其布局既要考慮與其他運輸方式站場的有效銜接，又要保證良好的路網可達性。因此，有必要對已有的公路網布局方法進行研究完善，使之與發展綜合運輸體系的要求相適應。

1 公路網絡布局方法概述

目前，具有代表性的公路網布局規劃理論與方法主要有五類：四階段法、總量控制法、交通區位法、節點布局法和動態規劃法[2][3][4]。

（1）四階段法

通過發生量和吸引量預測、OD分布預測、運輸方式分擔預測和交通量分配，預測得到區域路網交通量，以此作為路網布局設計的主要依據，對規劃方案進行評價和比選。其有效性較多依賴于現狀OD分布的準確性，分析結果強調以改善交通運行狀況為目的進行網絡和線路規劃。

（2）總量控制法

在分析現狀路網和交通特征的基礎上，根據社會經濟發展狀況和運輸量的變化特征，得出公路網建設總規模，再以路網規模總量為約束條件，根據區域內社會經濟發展和生產力分布特點，求解最優路網。這種方法研究區域的綜合經濟規模分布與運輸網絡形態之間的關系，是一種定性與定量分析相結合的規劃方法。

（3）交通區位法

從經濟地理出發，研究規劃區域的交通區位線，即交通現象在地理上的高發地帶的原理線，根據交通區位線網絡，結合交通節點情況、地理約束條件等因素，確定交通運輸線走向。根據產業社會背景及交通吸引特征，研究交通線的運輸方式配置，確定公路路線。

（4）節點布局法

通過分析路網節點和選擇節點間路線形成規劃路網的布局，其核心是通過對交通、經濟要素的綜合考慮建立節點重要度模型和節點間連線重要度模型，以此作為網絡布局的依據。這種方法能夠比較好地解釋土地利用、交通需求與交通設施之間的關系。

（5）動態規劃法

通過建立以運輸成本等為目標函數、以路網規模和資金為約束條件構成的優化模型，根據規劃目標，研究多種可能方案，將各種方案輸入模型，選擇適當的優化算法，求解優化模型，獲得實現優化目標的路網布局方案。

2 綜合運輸體系下城市公路網布局方法

綜合運輸體系是指在社會化的運輸范圍內和統一的運輸過程中，按照各種運輸方式的技術經濟特點，形成分工協作、有機結合、布局合理、聯結貫通的交通運輸綜合體，它是社會經濟發展到一定階段的產物，是為防止各運輸方式間過度競爭、某種運輸方式的壟斷、避免重復建設和不合理利用導致運輸資源的巨大浪費，而發展起來的概念。在構建綜合運輸體系的背景下，公路網布局規劃有了以下的改變：

（1）與其他運輸方式的線路和場站緊密銜接，起到集散客流，服務貨運的重要作用；

（2）線路等級級配合理，網絡可達性佳，充分發揮公路運輸機動靈活的優勢。

為適應構建綜合運輸體系背景下公路網布局的變化，本文采用基于節點布局法，通過公路網路線重要度密度得到基礎網絡布局，以路網可達性邊際效益最優為目標，得到城市公路網絡布局。

2.1 節點的選取

節點指一個區域交通需求的代表點，相應區域的經濟、人口、交通都集中在節點上，故節點也是路網規劃中需要連接的點。首先對規劃區域進行調查，調查內容包括該地區的經濟、人口、資源和交通情況，以確定哪些地點作為路網規劃的節點[5]。節點選取是城市公路網布局的第一步，節點選取的正確與否直接影響城市公路網布局方案。節點選取過粗，會造成局部區域的可達性差，無法實現公路運輸“門到門”的服務特點；節點選取過細，會使研究工作過于繁雜。城市公路網規劃應以區域內的片區（組團）、重要綜合交通樞紐、主要產業園區為節點，盡量符合行政區范圍，以減少資料調查整理的難度。

2.2 公路網布局方案初擬

在對城市經濟現狀、交通現狀以及城市的發展思路與規劃進行充分調研的基礎上，分析現狀路網與發展需要的差距，同時考慮構建綜合運輸體系的要求，按照以下三種承擔不同功能的公路類型來進行城市公路網絡布局方案的初擬。

（1）通達路

承擔主要的過境交通和城市對外交通，提升城市的交通區位和投資環境，帶動城市的發展。

（2）通道路

城市各片區之間的通道，加強各片區之間的聯系，產生整個城市經濟發展的內聚效應。

（3）聯網路

銜接其他運輸方式的線路和場站，形成協調發展的綜合運輸網絡。

2.3 重要度分析

2.3.1 節點重要度分析

節點重要度是判斷路網節點重要程度的指標，可選取人口、地區生產總值、工業產值、運輸量、商品零售總額等指標進行定量化分析，計算模型如下：

式中：Zi為節點i的重要度；ak為第k項指標的權重，通過主成分分析法確定；Rk為本節點的第k項指標值；Rˉk為規劃區域所有節點的第k項指標平均值；n為選取的指標個數。

2.3.2 路線重要度分析

路線構成路網中兩個節點之間連通路徑，路線重要度受到其連接的節點重要度、地理位置等因素的影響，本文定義路線重要度為：

式中：LZa為節點i， j之間路線a的重要度；Zi,Zj為節點i， j的重要度； f(Rij)為節點i， j之間的交通阻抗，Rij與距離、時間有關。

2.4 公路網重要度密度最優樹求解

定義路線重要度密度為路線重要度與其長度的比值，即：

式中：LDa為路線a的重要度密度；LZa為路線a的重要度；La為路線a的長度。

以路線重要度密度作為各路線的權重，通過Kruskal算法求解公路網路線重要度密度最優樹。Kruskal算法的基本思想為：假設有N個節點，選擇無向加權連通圖中權值最小且不和已選擇的邊形成圈的邊，并將其添加到邊集E中；否則就選擇下一條邊，直到邊集E中有N-1條邊為止[7]。而以路線重要度密度為權值的公路網絡布局規劃選擇權值最大為最優樹的邊，因此，公路網絡重要度密度最優樹的求解步驟為：

（1）初始化節點集A={φ}，邊集E={φ}，所有邊的權值的和WT=0；

（2）將所有的邊按路線重要度密度權值按從大到小的順序排列，記為E′；

（3）選擇在邊集E′中重要度密度權值最大的，且不和邊集E中的邊構成圈的邊eij，若其滿足 WT+LDij≤WT+LD′ij（eij是連接節點i和 j的邊，LDij是邊eij的路線重要度密度權值，LD′是沒有被選擇邊中的任意一邊的路線重要度密度權值），則將節點i和 j中沒有在點集A中的點添加到A中，并將邊eij添加到邊集E中；否則不選擇這條邊；

（4）重復第3步直到節點集有N個頂點，邊集中有N-1條邊，即可得到公路網絡密度最優樹的布局。

2.5 基于可達性的公路網絡布局完善

2.5.1 可達性分析

網絡可達性能夠反映公路網絡中各節點間交通的便捷程度，是表示公路網特性的一個重要指標，通常由節點可達性來表征。節點可達性主要反映公路網中某一節點與其他各節點間的相互關系，反映該節點對外交通聯系的便捷程度，體現該節點在路網中的地位。節點之間不同的路線等級和連接方式都將使便捷程度（即可達性）有所變化，因此節點可達性可作為判斷方案優劣性的依據[8]。

（1）節點可達性分析

從節點可達性的定義上來看，節點之間的路線等級以及路線的連接方式是影響可達性的兩個方面。在路線的連接方式上，兩個節點之間可以直接連接，也可以通過其他節點迂回建立起連接，節點之間的實際里程越大，可達性就越小。因此，用兩個節點之間的實際里程與直接相連時的里程的比值來反映可達性；在路線等級上，不同的路線等級決定了車輛的行程時間，在節點交通需求及路線長度一定的情況下，路線等級越高，服務質量和服務水平越好，車輛的行程時間越少，可達性就越大。綜上所述，節點可達性模型為：

式中：Ai為節點i的可達性；Lij為節點i，j之間的公路線路長度；LA為公路網的總里程長度；Rij為節點i，j之間的交通阻抗。

（2）公路網絡可達性分析

考慮節點重要程度不同，以節點重要度為權重，將公路網中所有節點的可達性的加權求和值作為公路網絡的可達性，即：

式中：Anet為公路網絡可達性；Ai為節點i的可達性；Zi為節點i的重要度。

上述模型中，Anet數值越大，可達性越差。

2.5.2 公路網絡布局的完善

前面求解出來路線重要度密度最優樹，記其線路集為E，對應的網絡可達性為，以其作為城市公路網絡布局的基礎邊，與初擬的公路網絡布局方案（記其線路集為G）進行比較，得出未納入最優樹的線路集（G-E）。對于這些線路，按照通達路、通道路和聯網路三個層次，以路線重要度密度為標準由大到小進行排序，記此序列為r(k)，逐一將其納入到公路網絡布局方案中，每納入一條新的線路，計算路網可達性，記為，若＜，則將該線路納入到線路集E中，升級一次路網布局，重新計算線路集E中對應的網絡可達性；否則不選擇該線路，直至序列r(k)序完結。

隨著路網規模的增加，路網可達性的值總是在減小，但是減小的幅度越來越小，因此，選擇可達性數值降低幅度開始不顯著的線路集E作為城市公路網最佳布局。在此過程中，還應以根據社會經濟發展狀況和運輸量的變化特征預測得到的公路網建設總規模為約束條件。