城市道路重要性評價方法的綜合分析

2018-08-31 05:46:14王慶國

測繪通報 2018年8期

王慶國

(武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北武漢 430065)

對城市路網中道路的重要性進行合理評價，既是交通規劃與控制等工作的基礎，也是城市多尺度建模和制圖綜合領域的一項基礎性工作。一方面，通過道路的重要性評價，將不同重要性等級的道路網絡進行合理布局與配置，可以使交通分擔關系和交通結構更加合理，增大路網的交通容量，避免因為部分重要道路的癱瘓而造成大面積的交通擁堵[1]。另一方面，城市道路網絡是城市重要的地理要素，在城市多尺度表達和制圖綜合領域，道路重要性的評價結果可以指導道路要素的多層次建模和合理取舍，以便于重要的道路和城市路網的基本結構形態能夠盡可能得到保留。因此，城市道路重要性評價的研究，能為基于路網結構的功能性研究提供準確的數據支撐,為解決交通擁堵、交通規劃、路徑導航，以及城市多尺度建模和制圖綜合等提供決策支持。

城市路網是一種復雜的空間網絡系統，包含數以百千計的網絡節點并具有復雜的內部結構。傳統的基于圖論、空間句法，以及分形理論等網絡分析方法，在用于這種具有大量節點和復雜不規則拓撲結構的網絡時，都顯得無能為力。復雜網絡理論的興起為復雜路網的研究提供了全新的視角和有力的工具，能夠將復雜網絡的微觀性態與宏觀現象進行緊密聯系。本文以復雜網絡理論為基礎，主要從道路重要性評價中道路的基本形式、道路網絡的表達、道路重要性評價的指標體系及道路重要性的評價模型幾個方面，對現有的城市道路重要性評價方法進行了綜合研究，并對其中存在的問題進行了分析。

1 道路的基本形式

道路重要性評價中采用的道路的基本形式主要有語義道路、路段及道路stroke(路段鏈)3種。

語義道路就是根據道路的某種語義屬性表征的道路。例如：基于道路名稱的命名道路；基于道路通行權利設定的單行道和雙行道等。其中，命名道路是人們在日常生活中，以及在交通工程和交通規劃等工作中，最普遍使用的道路表征形式。一般來說，語義道路只是定性地指代和區隔了不同語義屬性的道路，而沒有對其幾何與拓撲等結構特性進行表達，因而，難以進行定量的分析。而且，在道路數據采集時，常常由于各種原因，使道路的語義屬性存在缺失和錯誤。這些問題使得對語義道路重要性的評定更多的只是一種人為的主觀設定。例如，在我國現行的道路交通規劃設計相關的標準和規范中，將城市道路分為快速路、主干路、次干路和支路4級，但并未明確指出道路的分級依據，也未能建立一套定量的道路分級程序。而且，不同的標準規范對4級道路的定義甚至都不同[2]。因此，對城市道路重要性的定量分析與評價，并不適合基于語義道路的形式。

事實上，城市道路的重要性不僅取決于其自身的屬性，還更取決于其在整個路網中的結構性功能地位，以及與其他道路之間的相互關系，如：道路之間的連通關系和連接度等[3-4]。而且，道路的服務功能在很大程度上也是由其在路網中的結構功能決定的[5]。為了從結構上對路網進行定量的分析與研究，需要構建路網的拓撲表達模型，以便于刻畫和度量路網結構的拓撲性質，了解結構與功能之間的相互關系與影響，從多個角度利用多種指標分析道路在整個網絡中的地位和作用。

在常用的基于結點-弧段的路網幾何拓撲模型中，路段是道路最基本的表達單元，有唯一的編碼和相應的屬性。但是，在路網中，路段只是不同道路交叉時形成的副產品，并不是認知和功能意義上的完整道路[4]。根據心理學的研究，人們習慣于將視覺上平滑連續的路段理解為屬于同一條道路。由此，在城市道路網絡的研究中，將符合視覺感知原則的具有良好連續性的路段連接成幾何路段鏈，稱為道路stroke，作為道路的表達形式[6-8]。基于道路stroke，可以構建完整的道路幾何網絡，能方便地進行道路的幾何與拓撲特性的分析。如圖1所示，圖中左側是原始的路網模型，右側是構建的相應道路stroke。

圖1 道路stroke示意圖

從幾何上看，路段是路網的最小結構單元。但是，以路段作為道路的基本形式，破壞了道路的完整性。基于路段的道路重要性評價，適用于小尺度的城市局部路網微觀的精細分析，當用于城市大尺度范圍的整體路網的道路重要性評價時，則顯得過于破碎。而道路stroke作為道路的表達形式，更接近認知和功能意義的完整道路，適合于大尺度的城市路網層面的整體分析和評價。而且，大量的研究表明，即使在完全缺少路段屬性信息的情況下，僅根據道路stroke的幾何和拓撲特性也能夠推斷出道路stroke在路網中的相對重要性[4]。

綜合道路的表達形式來看，語義道路不適合于道路重要性的定量分析評價，路段的形式主要適用于城市小范圍的局部路網的精細分析，道路stroke主要適用于大范圍的城市路網的整體分析和評價。

2 道路網絡的表達

對路網幾何拓撲關系的表達主要有兩種形式：原始拓撲圖與對偶拓撲圖。原始拓撲圖將道路的交叉口或端點映射為網絡的節點，將交叉口之間或交叉口與道路端點之間的路段映射為節點之間的連線。與原始拓撲圖相比，對偶拓撲圖將路網中的每條道路映射為節點，把道路之間的連接關系映射為節點之間的連線。

原始拓撲圖能較為直觀地映射實際路網，較為完整地保留了城市路網中道路交叉口和路段之間的地理相關性，以及城市路網的整體形態特征。通過對圖中的邊加權或設定方向等，還可以直觀模擬實際路網的相關屬性和運行狀況，進行路網的功能性分析。但是，原始拓撲圖凸顯的是交叉口的主體地位，對于不同結構的路網，原始拓撲圖有可能完全一樣，使得城市路網所具有的等級層次結構，難以從本質上進行區分。而對偶拓撲圖通過節點和連線之間的角色互換，凸顯了道路在網絡中的主體功能地位，道路與道路之間的拓撲關系也更容易識別。但是，對偶拓撲圖將具有長度、寬度、方向，乃至運行狀態等屬性的道路抽象成點，使道路失去了其實際的地理意義和功能意義，因而，其主要適用于路網的結構性分析。圖2為路網的原始拓撲圖與對應的對偶拓撲圖的表示。

圖2 道路網絡的表達

3 道路重要性評價的指標體系

建立評價指標體系是道路重要性定量評價的一個基礎性步驟。

中國藥典中規定，動物試驗所使用的動物應為健康動物，其管理應按照國務院有關行政主管部門頒布的規定執行，動物品系年齡、性別、體重應符合藥品檢定要求。

在具體評價中，有些研究采用單指標評價，如文獻[3,8—12]等，有些研究采用多指標評價，如文獻[2,13—16]等。基于單指標的評價，其評價結果往往較為片面，受人的主觀認識和偏好的影響較大；而且，采用不同評價指標得到的重要性評價結果也可能存在較大差異。因此，采用多指標的評價是較為主流的方法。但無論是單指標評價，還是多指標評價，歸納起來看，評價指標大致分為兩類，一類是基于功能重要性的評價指標，一類是基于結構重要性的評價指標。

功能重要性的分析一般基于道路的交通量負載占比、路網的可靠度或運行效率等指標進行。但由于道路系統的主要功能是承載各種交通流行為，因此，其功能作用需要通過交通流行為來體現，而交通流是一個隨時間動態變化的量，受很多因素的影響。在目前的條件下，對道路功能重要性的定量化度量、計算和分析還很困難，也難以建立統一的量化指標，因此，相關研究還基本處于探索性階段。

考慮到道路的重要性在很大程度上由道路在路網中的結構重要性決定，因此，道路重要性評價目前主要基于路網的結構性指標進行分析。

在道路的結構屬性中，幾何特征和連通關系是道路的最基本、最重要的屬性，是影響路網功能的關鍵因素。因而，采用道路幾何與連通關系進行道路的重要性評價具有較高的實用性[15]。一般來講，一條道路被經過的次數越多，其作用就越大；一條道路越長，完成的空間跨越越大，其服務的范圍和吸引的交通量也越大，相應地，其重要性越高[15]。因此，在道路重要性的結構評價中，目前采用的指標體系主要包括兩個方面，一個是基于復雜網絡的度量結構重要性的節點中心性測度指標，主要包括度中心性、中介中心性和接近中心性；另一個是道路的長度。

以路網的拓撲對偶圖為基礎，參考文獻[17]，各指標分別定義如下：

(1) 度中心性：指圖中與某一節點直接相連的節點數。節點的度中心性值越大，表明與其連接的道路越多，其連通性越強，重要性越高。

(2) 中介中心性：指拓撲對偶圖中所有節點對之間的最短路徑經過某節點的比例。節點的中介中心性值越大，表示通過該節點的最短路徑越多，其在整個網絡中的橋梁和樞紐作用越明顯，其重要性越高。

(3) 接近中心性：指拓撲對偶圖中一個節點到其他所有節點的距離平均值的倒數。與度中心性相比，接近中心性可描述節點與非直接相連的節點的接近程度，其值越大，表明該節點的影響及服務范圍越廣，重要性等級越高。

(4) 道路的長度：指拓撲對偶圖中兩個節點之間最短路徑的長度，用Dij表示。如果兩節點之間不存在路徑，則Dij→∞。

4 道路重要性的評價模型

單指標的評價方法相對簡單，主要是確定評價指標值。相對于單指標的評價方法，在多指標評價方法中，建立道路重要性評價模型的一個關鍵問題是建立各評價指標的權重系數計算模型。

確定權重系數的方法最基本的有兩種：一是功能驅動的賦權法；二是差異驅動的賦權法[18]。

功能驅動的賦權法一般根據決策者或專家對各評價指標相對重要程度的認識來確定權重系數，其主觀性較強。這種主觀定權方法雖然能夠充分利用專家的專業知識和經驗，但確定的權值可能因為專家主觀偏好的不同而不同[19]。而且，當某個評價指標對各被評價對象的取值都差不多，那么，即使這個指標非常重要，它對評價結果也沒有什么價值，因而應用中的局限性很大[18]。差異驅動的賦權法認為指標的權重由各指標在被評價對象間的變異程度和對其他指標的影響程度來確定。指標在各被評價對象間變異程度越大，對其他指標的影響程度越大，則其權重越大，反之則小[18]。這種賦權法主要根據數據之間的關系來確定權重，具有較強的數學理論依據。

城市路網作為一種復雜網絡系統，形式變化多樣，進行道路重要性評價時，單純依靠主觀的知識和經驗對各評價指標進行定權存在很大的局限性和困難，而以客觀定權法為基礎確定各評價指標的權重較為合理可行。

常用的客觀賦權法主要有標準差法、離差最大法、熵值法等。但是，這幾種方法只是考慮了各個評價指標自身在不同被評價對象間的變異程度，對各評價指標間的相互影響沒有考慮，因此，其計算的權重所使用的信息不夠全面。文獻[13]和[20]等以基本的客觀賦權法為基礎，通過改進，建立了顧及指標相關性的權重計算方法。其基本計算模型在此不做贅述，具體可參見文獻[13]和[20]。

顧及指標相關性的權重計算方法既考慮了各指標在各被評價對象間的變異程度對權重的影響，又顧及了各個指標之間的相關性影響，使用的信息比較全面和完整，能夠對各個指標的影響進行全面權衡，是一種較理想的權重確定方法。

在權重確定的基礎上，可以通過加權綜合建立道路重要性的評價模型。線性加權綜合模型為

(1)

式中，α0為一個常數；ωi為第i個指標的權重；χi為第i個指標值；n為指標個數。

5 結語

本文以復雜網絡理論為基礎，從多個方面對現有城市道路重要性評價方法進行了綜合研究和分析。隨著應用需求和相關技術的發展，現有研究還需要在以下幾個方面繼續深入：

(1) 建立城市道路重要性在宏觀層面與微觀層面的統一分層評價模型。現有的道路重要性評價模型要么以路段作為評價單元，要么以道路stroke作為評價單元，將兩者相互割裂，或者混為一談。但是，從宏觀的城市層面看，道路stroke才是實現城市路網功能的基本實體單元，路段只是構成道路stroke的一個結構單元，路段重要性不能代表其所在的道路stroke的重要性；而從微觀的局部層面看，構成同一道路stroke的不同路段在路網中所承擔的結構功能和交通功能也存在明顯差異，因而其重要性也不同，道路stroke的整體重要性無法區隔構成其結構的各個路段的重要性的差別。因此，完備的道路重要性評價模型，應該是從道路stroke層級到路段層級的統一的分層評價模型。只有建立統一的分層評價模型，才能根據研究和應用的需要提供更精準的評價結果。