連通度法在城市快速路規模預測中的應用

王小華，王宇，呂凱

（濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司，山東濟南250101）

連通度法在城市快速路規模預測中的應用

王小華，王宇，呂凱

（濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司，山東濟南250101）

如何確定城市快速路系統的合理規模，以保證城市快速路系統的規劃建設與城市協調發展，實現社會、經濟效益的最大化，是眾多中國城市決策者和規劃者所面臨的一個重要問題。現引入組合數學圖論中的連通度法，通過快速路系統對城市內部主要交通集散點的連接度，進行城市快速路系統合理規模測算。該方法更為直觀地還原了城市快速路系統的功能本質，對于不同城市規模和空間布局均具有一定的適應性。濟南應用實例表明，該方法的分析結果可以作為綜合確定城市快速路建設規模的一個重要參考依據，且在規劃實踐中具有良好的可操作性。

交通規劃;城市快速路;連通度法

0 引言

城市快速路概念起源于美國，建設的初衷是組織城市的過境交通和出入交通，這也組成了快速路的核心功能。我國快速路的建設從根本上講是伴隨“城市干道提級、高速公路進城、組團城市需求”的理念產生并發展起來的。近年來，各級城市陸續建設新城新區，也使城市快速路的規劃建設受到高度關注。誠然，城市快速路作為城市的骨架，可以有效地引導城市結構的拓展，解決城市組團間的快速交通問題，引導城市功能的空間轉移，但快速路投資高昂且回報周期長，過度的建設規模影響城市的可持續發展。如何保證城市快速路系統規劃建設與城市協調發展，實現社會、經濟效益最大化，需要對城市快速路系統的合理規模進行判斷。

目前對于快速路系統合理規模的研究主要從道路容量著手，如李澤民在《淺論城市快速路系統規模及其規劃布局》[1]中，對規模的確定通過快速路總通行容量與規劃年末主城區預測擁有的機動車日均出行總量是否匹配來校核；胡國軍在《我國大城市快速路規模與布局研究》[2]中，采用“時空消耗法”分析快速路交通容量，從供需平衡角度確定快速路規模。由于這些方法分析過程難以把握，在城市規劃實踐中，仍大多根據《城市道路交通規劃設計規范》和同類城市類比進行快速路系統規模估算。

連通度是組合數學圖論中的概念，廣泛應用于區域鐵路網或公路網的評價和預測。近年來，連通度法開始應用于城市交通，用來分析城市路網的可靠性[3]和公交線網的連通性[4]。本文引入連通度法，通過快速路系統對城市內部主要交通集散點的連接度，進行城市快速路系統合理規模的測算。同以往方法比較，連通度法的應用更為直觀地反映出快速路系統的功能需求。濟南城市快速路系統規模測算的案例應用表明該方法的有效性和在規劃實踐中良好的可操作性。

1 快速路規模的影響因素

一般來講，不同等級的城市對應不同的快速路規模：小城市建成區范圍小，出行距離短，在可預測的一段時間內不會考慮快速路系統的建設；大中城市經濟活躍，對節約時間成本的需求相對迫切，應當建設或在規劃中預留快速路走廊，但也要根據城市用地的布局，以及出行結構的演變確定適度的建設規模。因此，快速路規劃建設應該更多地去適應城市發展提出的要求[5]。

（1）要與城市經濟發展力相匹配。快速路的建設，歸根結底是為了保證和促進社會經濟的發展，不同經濟發展水平的城市對快速路規模的需求不盡相同。

（2）要與城市空間尺度、人口規模、用地布局相適應。城市規模越大，產生的交通需求則越大，城市快速路規模也應越大。而城市用地布局也影響著城市快速路的規模，一般來說，集中型城市快速路規模比較小，而分散組團型城市的快速路規模則比較大。

（3）要優先保證城市長距離交通和對外快速進出。快速路的規模要確保城市長距離交通與市內短距離交通在空間組織上的分離，這樣才能保證整個城市道路網的正常運行。

（4）要與城市道路網規模相適應。城市路網作為一個有機協調的系統，必須具有合理的功能等級結構和布局。快速路在整個道路網系統中應該有合理的定位，在路網結構中有適當的比例。

（5）要與交通方式結構相適應。在綠色交通體系的理念下，解決中長距離的快速出行方式提倡多元化，“當斯定律”同樣適用于城市快速路，合理的建設規模應與倡導的出行方式結構相配合。

2 網絡規模預測連通度法

連通度法也稱網絡節點模型法，是由德國卡爾斯魯厄大學W.羅伊茨巴赫和科隆大學R.維勒史教授提出的一種用于區域內公路戰略規劃的計算方法，運用圖論的方法找出各規劃節點的最小生成樹，以反映網絡是否很好地連接了各個節點。其基本的公式為：

式中：C為規劃區域內網絡連通度；L為區域內的網絡總里程，km；H為相鄰兩節點間的平均空間直線距離，km；A為規劃區域面積，km2；N為規劃區域應連通的節點數；ξ為非直線系數，表示路網各節點間實際路線總里程與直線總里程之比。

該算法實用性和有效性在實際應用過程中得到良好的驗證，經過公式變形，其也被廣泛應用于網絡的規模預測，基本的表達式為：

式中：參數涵義同上。

3 連通度法在城市快速路規模預測中的應用

從連通度法基本的表達式及所代表的涵義來看，鐵路（公路）之于城市的連接度類似于快速路之于城市內部主要交通集散點的連接度，這與城市快速路的快速連接功能也是相符的，也就是說，該算法能反映城市快速路對于城市主要節點的連接程度，通過該公式計算的里程數可以作為綜合確定城市快速路建設規模的一個重要參考依據。從目前可以獲得的參考文獻中看出，該算法還未有直接應用于城市道路建設規模預測的先例，作為從由高速公路理念演變而來的城市快速路，其連通性和高速路具有很大的相似性，可以引入該算法進行規模測算，但應對參數進行城市化標定。

3.1 C的取值

鐵路（公路）規模預測中：

當C=1.0表示為樹狀結構，節點間多為2路連接。

當C=2.0表示為方格子網狀結構，節點間多為4路連接；

當C=3.14為格子加對角形結構；

當C=3.22為正三角形結構，節點間多為6路連接。

可以看出，C的取值主要取決于網絡的布局結構。典型的城市快速路網絡布局主要有環形放射式、方格網狀、自由式[6]，見圖1所示。

圖1 典型的城市快速路網布局模式示意圖

與公路網或鐵路網中線路多交匯于所要連接的城市節點不同的是，市區范圍內較為微觀，大型出行節點多位于快速路網絡線路圍合區，通過其他等級的道路輔助出入網絡，類似于公路網中高速路網的定位。高速路網C＞2即認為進入成熟狀態[7]，同理可借鑒用于城市快速路。

3.2 ξ的取值

鐵路（公路）規模預測中，路網非直線系數為規劃區域內路網的變形系數，定義為各節點間實際線路總里程與直線總里程之比，它一方面與道路的路線增長系數（地形等線形設計中考慮的因素）有關，另一方面和節點分布的形態和不均勻性有關。

鐵路（公路）網絡規劃為大區域規劃，其參數取值也趨向于宏觀性，城市內部節點之間的相互聯系相對微觀，且城市內部地形起伏工程措施易于處理，文獻[8]和文獻[9]中將變形系數取值為1，但城市內部為減少拆遷，快速路一般沿既有次干路及以上等級的道路走向建設，因此，城市內部取值應為節點間由次干路及以上等級道路組成的最短路和節點直線距離的比值。

3.3 A的取值

在圖論概念中，H為節點至節點之間的直線距離。在鐵路（公路）等宏觀網絡規劃中，節點均勻地分布在全域內，最外圍節點之間的圍合區可以近似地看作是管理區，兩者面積大致相等，為簡化處理，A的取值為規劃區域面積。在城市內部，規劃區面積和外圍節點圍合區面積相差較大，不能做簡化處理。快速路主要解決城市長距離的集中出行和對外交通的快速進出問題，因此，問題可分解為內外兩部分：內部快速聯系計算上采用連通度法估算快速路規模，A的取值為最外圍節點的圍合區域；外部快速進出可根據外圍節點與高速路之間的最短距離確定。

3.4 N的取值

在鐵路（公路）規模預測中，計算連通度時，節點應包括首都、省會(自治區、直轄市首府)和各大經濟中心、重要港站樞紐，以及戰略要地；計算省道連通度時，節點應包括省會、省轄市、縣級市、重要港站、機場、重要經濟區、重要旅游景區，以及重點鄉鎮；計算農村公路連通度時，節點應包括行政村以上政府所在地、部分自然村，以及其他需要連接的節點。

而在城市內部，就快速路本身的功能看，主要是解決居民長距離的出行問題，其連接點定義應為長距離交通出行集中的區域，可以認為是主要的城市中心和交通樞紐區域，熱點的選擇主要考慮商業中心、行政辦公中心、主要客運樞紐（包括鐵路、公路、航空）、主要貨運物流站或園區（包括鐵路、公路、航空）。

4 濟南案例

濟南市城市總體規劃（2006-2020）確定的中心城規劃范圍東至東巨野河，西至南大沙河以東（歸德鎮界），南至南部雙尖山、興隆山一帶山體及規劃的濟萊高速公路，北至黃河及濟青高速公路，面積1 022km2。規劃構筑“三橫五縱”的快速路系統，以有效、快速疏解過境交通、對外交通和跨區的長距離機動車交通。其中“三橫”指濟青與京福高速公路連接線及其西向延長線、工業北路—北園大街—無影山中路及其西向延長線、經十東路—二環南路及其西向延長線；“五縱”指二環東路、順河街高架路、二環西路、大金路和濟微路，系統總規模213km。用連通度法校核該規模。

大型出行節點的選取依據城市總體規劃和綜合交通規劃，主要為城市各類公共設施，包括：區級以上行政辦公中心8個；地區級以上商業中心5個；地區級以上金融中心5個；商務會展中心7個；對外大型客貨樞紐、物流園區、物流站15個；合計40個。將中心城之外節點去除、位置重合或相近的節點合并后，最終節點20處，外圍節點圍合區域面積約為560km2，見圖2、圖3所示。

圖2 選取的節點圖

圖3 外圍節點圍合區圖

節點之間的最短路的距離之和為3 882km，節點之間的直線距離之和為3 342km。則變形系數均值為1.162，外圍節點至最近的快速路的最短距離之和約為18km，見圖4、圖5所示。

圖4 次干路及以上等級路網中節點之間的最短路圖示

圖5 節點之間的直線距離圖示

套用連通度算法公式，以連通度為2進行計算，規劃快速路系統規模為L=123×2+18=264（km），也就是說為實現中心城范圍內大型公共設施的快捷聯系和對外交通的快速進出所需的快速路建設規模至少應達到264km，其中123km即為連通20個出行節點所需的網絡最小生成樹的長度。與總體規劃提出的建設規模相比，該值超出約14%。

5 結語

節點模型法以圖論為基礎，從布局的角度考慮路網規模，可以撇開G D P、人口等經濟因素，避免了繁瑣的計算過程。其難點在于，路網連通度的確定及出行節點的選取。

關于城市內道路網絡連通度的選擇，目前國內沒有開展此方面的研究，公路網評價中一般認定為目標值，而高速公路網C＞2即可認為網絡進入成熟狀態，但城市內道路層次較多，快速路與其他道路的接駁性較強，該值可結合城市經濟強度、整體路網的連通性，以及小汽車出行特性進行詳細研究，適當調整。

節點的選取以區域內城市節點的類比性選擇城市內大型公共設施，偏于定性，若具備詳細的城市交通調查資料，以文獻[8]中的大型出行集散點作為節點的做法從交通工程學的角度看更為科學。

作為應用嘗試，將公路網規模預測連通度法引入城市內部。作為測算快速路網規模的一種方法，具備一定的實效性。結合城市交通特性進行參數的標定和定性分析，可以作為校核城市快速路網規模的一種手段。

[1]李澤民.淺論城市快速路系統規模及其規劃布局[J[.武漢城市建設學院學報，1997,14（3）：1-4.

[2]胡國軍.我國大城市快速路規模與布局研究[D].南京：東南大學，2005.

[3]廖涌泉.基于道路連通度的路網可靠度分析方法[J].交通運輸工程與信息學報，2011，（2）：30-34.

[4]陳燕.中等城市常規公交線網連通度計算方法[J].交通科技與經濟，2007，（5）：82-83.

[5]王建輝.城市快速路布局合理性評價研究[J].中國水運，2008，8（6）：209-211.

[6]王有為.特大城市快速路網結構研究[A].中國大城市交通規劃研討會論文集[C]2011：352-357.

[7]金晨光.河南省高速公路網規模分析研究[J]。。TECHNOLOGYAND MARKET，2011，18（6）.

[8]馬超群.利用客流集散點網絡連通度推算軌道交通線網合理規模[J].鐵路運輸與經濟，2009，31（4）：73-76.

[9]孫慧娟.城市快速路路網布局方法探討——以西安市快速路路網規劃為例[D].西安：長安大學，2010.

四川17個交通重點項目集中開工總投資760億元

2017 年二季度四川省交通重點項目集中開工動員活動近日在德陽舉行，17個公路水路重點項目集中開工，總投資760億元。

17個項目包括4條高速公路、11個普通國省道項目和2個水運項目，涉及五大經濟區的15個市州。其中，高速公路項目有德陽至都江堰高速（又稱“三繞北”）、敘永至威信高速、成資渝高速、成樂高速公路擴容，既有環形線路，也有出川通道，項目的建成將改善區域交通條件，激發區域經濟活力。國省道項目分布在成都、巴中等6個市（州），既有經濟干線項目，又有旅游公路、扶貧公路項目，將進一步促進旅游資源開發，帶動扶貧攻堅。水運項目中：虎渡溪航電樞紐是岷江干流彭山至樂山段航電開發的第三個梯級，將助力構建區域公鐵水航無縫對接的現代綜合交通運輸體系，服務四川自貿試驗區和天府新區建設；志城作業區散貨泊位工程可有效降低宜賓港腹地散貨物流成本，提高港口競爭力。

今年一季度，四川全省共促成總投資750億元的19個交通重點項目落地。前4月交通建設完成投資403億元，全省高速公路通車總里程已突破6 600km。

U491

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1009-7716（2017）06-0051-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.014

2016-04-26

王小華(1983-)，男，山東德州人，碩士，工程師，注冊城市規劃師，注冊咨詢工程師(投資)，研究方向：交通運輸規劃與管理。