交通網絡拓撲優化在城市交通規劃中的應用

張詩蔚、齊濤

（中交城鄉建設規劃設計研究院有限公司，湖北武漢 430056）

0 引言

隨著城市化進程的加速，城市交通問題越發突出，如交通擁堵、交通事故頻發、空氣污染等，給民眾的出行和生活帶來了巨大的困擾。為了解決這些問題，需要優化城市交通規劃，改善城市交通狀況。傳統的城市交通規劃主要關注交通設施建設和交通管理方案，忽視交通網絡結構和布局優化。而交通網絡拓撲優化作為一種新興的研究領域，旨在通過優化交通網絡的結構和布局，提高交通系統的效率和可靠性。它將交通規劃與網絡科學和優化方法相結合，通過調整道路布局、交叉口設置和信號控制等手段，優化交通流動的路徑選擇和流量分配，能夠提高交通網絡的整體性能和通行效率。

1 交通網絡拓撲優化概述

1.1 交通網絡拓撲定義

交通網絡拓撲是指城市交通系統中各個交通要素之間的連接關系和布局形式，包括道路網絡、交通節點、交叉口、路段以及其他交通設施的組織和配置方式。交通網絡拓撲描述了交通要素之間的拓撲結構，即它們如何相互連接和組織在一起，形成城市交通系統的基礎架構。

在交通網絡拓撲中，道路網絡是其中最重要的組成部分，包括主干道、支路、高速公路等不同級別的道路，以及車道數、車道寬度、道路幾何形狀等參數。交通節點是道路網絡中的重要交叉點，包括交叉口、環島、立交橋等，連接不同道路段之間的交通流動。路段是道路網絡中的連續路段，用于描述道路起點和終點之間的特定路段。

1.2 交通網絡拓撲優化的目標和原則

交通網絡拓撲優化的目標是通過合理設計和調整，提高交通系統的效率、安全性和可持續性。優化的原則是在滿足城市交通需求的前提下，最大限度地減少交通擁堵、減少交通事故、提高交通運輸的效率和服務質量。具體的優化目標和原則包括以下方面。

第一，最小化交通阻塞：通過優化道路網絡的布局和容量，減少擁堵和交通阻塞現象，提高交通運輸的效率。第二，最大化交通安全：通過合理設計和管理交通節點、交叉口等，降低事故發生率，提高交通系統的安全性。第三，促進可持續交通：通過優化交通網絡拓撲，鼓勵可持續出行方式，如公共交通、非機動車，減少汽車的使用量，降低交通對環境的影響。第四，提高交通服務質量：通過合理的路網布局和交通組織，提供更高效、便捷的交通服務，滿足人們的出行需求。

2 交通網絡拓撲優化方法

進行交通網絡拓撲優化時，需要選擇適合的交通流模型和優化算法進行分析和決策。常用的交通流模型包括宏觀模型、微觀模型和混合模型。宏觀模型基于整體交通流的統計特征，可以對交通網絡的整體運行進行評估和優化。微觀模型基于個體交通行為和車輛運行過程，可以對交通網絡中具體路段和交叉口運行進行模擬和優化。混合模型則綜合了宏觀模型和微觀模型的優點，可以更準確地描述交通網絡的運行狀態和交通流動。

優化算法的選擇取決于問題的復雜性和求解效率。常見的優化算法包括線性規劃、整數規劃、遺傳算法、模擬退火算法、禁忌搜索等。線性規劃適用于簡單的優化問題，可以通過線性方程組求解最優解。整數規劃適用于具有離散決策變量的優化問題，可以求解最優的交通網絡布局和拓撲結構[1]。遺傳算法、模擬退火算法和禁忌搜索等啟發式算法適用于復雜的優化問題，通過模擬生物進化或物理退火過程搜索最優解。

3 交通網絡拓撲優化在城市交通規劃中的應用

3.1 道路網絡設計與布局優化

3.1.1 道路網格化和網格調整

在道路網格化時，需要考慮以下幾個因素。

第一，道路等級和功能。不同道路等級和功能對交通流的組織和分配有著不同的影響。主要干道和高速公路通常承擔主要交通流量，而次要道路和小街巷則提供交通連接和街區內部通行。第二，交通需求和流量分布。城市不同區域的交通需求和流量分布不均。繁華商業區、居住區、工業區等都可能存在不同的交通需求和流量密集區域。第三，土地利用和規劃。道路網格化應該與城市的土地利用和規劃相協調。不同用途的土地、建筑物和設施需要與道路網格相匹配，確保交通流能夠順暢地在網絡中流動。

在進行網格調整時，需要考慮以下幾個方面。

第一，道路容量和流量平衡。通過調整道路的寬度、車道數和交叉口設置等，提高道路的通行能力，確保道路容量與流量之間平衡。合理的容量和流量平衡可以避免擁堵和交通瓶頸的發生。第二，路段連接和交叉口設計。優化路段之間的連接方式和交叉口設計，減少轉彎沖突和交通沖突，提高交通流的通行效率和安全性。第三，網格單元大小和形狀。根據交通需求和流量分布，調整網格單元的大小和形狀，使得交通流在網格內能夠更加順暢地流動。合理的網格單元大小和形狀可以減少車輛行駛距離和時間，提高交通效率[2]。第四，道路交叉口信號控制。對于擁擠和繁忙的交叉口，可以考慮使用信號控制來調節交通流量。通過合理的信號配時和交叉口的信號燈設置，可以優化交通流的通行順序和流量分配，減少交通阻塞和延誤。

3.1.2 路段容量和流量平衡優化

路段容量和流量平衡優化是為了提高道路網絡的交通效率和流暢性。在進行路段容量和流量平衡優化時，需要考慮以下幾個方面。

第一，道路幾何特征優化。道路的幾何特征包括道路寬度、車道數、車道寬度等，這些參數直接影響道路的通行能力。通過合理設計和優化道路的幾何特征，可以提高道路的通行能力，增加車輛流量的容納量。

第二，信號控制優化。信號控制是調節道路交通流量的重要手段，通過合理設置信號燈的時序和周期，可以優化交通流分配，減少交通阻塞和擁堵。采用智能化的信號控制系統，結合實時交通數據，可以進一步提高信號控制的精度和效果。

第三，路段流量監測和調控。通過安裝交通流量監測設備，實時監測道路的交通流量情況。根據監測數據，及時調控交通流量，通過引導交通流向、調整車道分配等措施，平衡各個路段的交通流量，避免某些路段出現過載和擁堵的情況。

第四，路段容量評估和擴容規劃。定期進行路段容量評估，根據交通需求和流量預測，制訂合理的擴容規劃。通過增加車道數、拓寬道路等措施，提高道路的容量，以適應未來的交通流量增長。

3.2 公共交通網絡優化

3.2.1 公交線路規劃和站點布局優化

在公交線路規劃時，需要綜合考慮以下幾個方面。

第一，乘客需求分析。通過乘客出行調查和數據分析，了解乘客的出行模式、目的地和出行量，確定不同區域的交通需求，有助于確定線路的起始點、終點和線路長度。

第二，區域特點和交通需求。考慮城市的地理、經濟和人口分布特點，以及各個區域的發展規劃和交通需求[3]。重點考慮人口密集區、商業中心、學校和醫院等重要區域，確保公交線路能夠覆蓋這些關鍵區域。

第三，道路網絡和交通流量。評估城市的道路網絡情況，包括道路容量、道路等級和道路擁堵情況。結合交通流量數據，選擇適合的道路和道路段，確保公交線路通行暢順。

第三，站點設置和布局。根據乘客的出行需求和交通流量分布，合理設置公交站點。站點之間的距離應適中，以方便乘客步行和換乘，減少出行時間。同時，還要考慮站點的容量和設施，以提供舒適的候車環境。

第四，換乘的便利性。在線路規劃中，要注意考慮換乘點和換乘方式。合理設置換乘站點，提供足夠的換乘時間和便利的換乘條件，以方便乘客出行，減少換乘時間。

3.2.2 公交換乘設計和優化

在進行公交換乘設計和優化時，需要考慮以下幾個方面。

第一，選擇合適的位置作為換乘節點。通常選擇在重要的交通樞紐、商業中心、居民區或其他交通需求密集的區域。這些位置通常是交通流量較大且交通方式多樣的地方，以滿足乘客的出行需求[4]。第二，根據乘客的換乘需求和出行模式，設計合理的換乘設施布局。包括設置換乘站臺、換乘通道、換乘指示牌、導向標識等，以引導乘客準確地找到換乘位置，提供清晰的換乘指引。第三，合理安排換乘時間。考慮不同線路的發車間隔和運行時間，以便乘客能夠順利完成換乘。換乘時間應充分考慮乘客的步行距離和換乘時間，避免過長的等候時間或換乘時間過短。第四，為了提供良好的乘車體驗，換乘設施應考慮乘客的舒適性。例如，在換乘站臺提供座椅、遮陽設施和避雨設施，確保乘客在等候過程中能夠得到舒適的環境。第五，為乘客提供準確的換乘信息和指引。通過在換乘節點設置信息屏幕、導向標識、語音廣播等方式，以便乘客能夠了解到達目的地的最佳換乘路線和時間。

3.2.3 公交優先策略和調度優化

公交優先策略和調度優化是通過交通管理措施和技術手段，提高公交車輛的運行效率和行駛速度[5]。公交優先策略包括專用公交道、公交專用信號、公交車道等，可以使公交車輛優先通行，減少其他車輛引起的延誤。調度優化則是通過合理的公交車輛調度和運營計劃，提高公交車輛的班次頻率，減少等候時間，提供更加可靠的公交服務。通過公交優先策略和調度優化，可以提高公交的運行效率和乘客的出行便利。

3.3 多模式交通網絡優化

3.3.1 非機動車和步行網絡規劃優化

非機動車和步行網絡規劃優化旨在改善城市中非機動車和步行者的出行環境，提供安全、便捷和連貫的通行條件。以下是具體的優化措施和方法。

第一，在城市規劃和道路設計中，應充分考慮非機動車和步行者的需求。優化非機動車和步行網絡規劃，包括規劃和建設騎行道、人行道、步行街等非機動車和步行者的專用通道。這些通道應設計合理，寬度適宜，能夠容納大量的非機動車和步行者，并與其他交通設施相連，形成便捷的交通網絡。

第二，為了提高非機動車和步行者的安全性，需要在道路上設置相應的安全設施和交通標識。例如，設置人行橫道、人行天橋、人行地下通道等，確保行人安全過街；設置非機動車道的分界標線、導向標識和交通信號燈，引導非機動車和汽車分流、交叉行駛。

第三，優化非機動車和步行網絡規劃，還包括合理設置非機動車停車設施和步行者換乘設施。在重要的交通節點、商業區和居民區周邊，設置充足的自行車停車架、共享單車停放點、步行者換乘點，方便非機動車和步行者停車和換乘。

3.3.2 公共交通與非機動車接駁優化

公共交通與非機動車接駁優化旨在提高乘客在使用公共交通時，與非機動車接駁的便利性和效率[6]。以下是具體的優化措施和方法。

第一，在公交站點周圍合理設置非機動車的停車設施，如自行車停車架、共享單車停放點等。這些設施應位于公交站點附近，方便乘客停放自行車、共享單車等非機動車，并能夠輕松與公交系統接駁。

第二，為方便乘客進行公共交通與非機動車的換乘，可以在公交車站附近設置交通換乘設施，如非機動車道與公交車道銜接、步行道與公交車站銜接等，使乘客方便地從非機動車上下車，快速出入公交車站。

第三，通過信息共享和整合，提供準確、實時的公共交通和非機動車信息，方便乘客出行規劃和接駁，包括公交線路和站點信息、非機動車停車位的實時信息、換乘指引和路線規劃等。乘客可以通過手機應用程序、電子顯示屏、路邊標識等渠道，獲取所需的信息。

4 結語

綜上所述，交通網絡拓撲優化能夠為城市交通規劃提供重要的方法和手段，為構建宜居、綠色、智慧的城市交通環境，提供科學的支持和指導。通過合理規劃道路布局、交叉口設計和公共交通網絡，以及優化非機動車和步行網絡，可以實現城市交通系統高效運行、多模式交通整合和可持續發展，為民眾提供更加便捷、安全和環保的出行方式。