沈山高速公路局域路網拓撲結構構建及承載能力分析

冷 雪,任俊達

(1.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166;2.遼寧省交通建設投資集團有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

沈山高速公路是國家高速公路網京哈高速公路中連通東北與華北、華中、東部沿海地區的交通運輸大動脈,承擔東北地區80%的進出關通道交通量,是遼寧省境內交通量最大的公路運輸走廊。高速路網交錯縱橫,各道路的幾何條件各不相同,道路之間的連接關系和各交通關鍵節點的交通流運行特性復雜,很難根據實際路網情況對路網的交通運行狀態和通行能力、承載能力進行分析。文章通過建立沈山高速局域路網拓撲結構,采用區域路網容量模型,對沈山高速公路局域路網承載能力及運營風險飽和度進行詳細研究。

1 沈山高速局域路網拓撲結構構建

基于路網的拓撲結構,可以更好地分析路網的交通流運行特性和OD分布,這也是后續進行路網運營風險飽和度計算和構建路網承載能力計算模型的基礎[1]。在拓撲結構圖中,相鄰且具有相同OD選擇的城市會簡化為同一個拓撲圖上的節點,路網中的各條道路也被簡化為直線直接連接各OD點,無需考慮道路幾何條件對交通運行狀態的影響,也無需考慮OD點內部交通流的相互影響,便于分析路網特性。目前,拓撲結構相關理論可分為圖論基本概念、復雜網絡基礎理論、復雜網絡基礎模型等[2],而將交通運輸網絡抽象為復雜網絡模型的方法主要為原始法和對偶法。文章采用原始法建立沈山高速公路路網拓撲結構圖,根據遼寧省各城市之間的OD數據,將遼寧省分成表1所示的交通小區。

表1 遼寧省各城市拓撲結構節點劃分

由于沈山高速公路各路段均為雙向通車路段,構建的高速公路拓撲結構圖中的各條邊均為雙向,因此可表示為無向圖。某些區域內高速公路相交的節點間距離較短,相對于整個道路網絡與其他節點的影響較小,因此在構建高速公路拓撲結構圖時,對于某些相交節點,可以合并成1個節點,通過邊與其他節點相連。基于上述原因,根據實際情況將小區1-4合并為1個節點(沈陽),小區7-8合并為1個節點(盤錦),小區9-14合并為1個節點(錦州),小區15-22合并為1個節點(葫蘆島),小區23-25合并為1個節點(鐵嶺)。建立圖1所示沈山路網拓撲結構圖,圖1中,節點旁編號表示節點包含的OD小區編號,路徑上標注的數字表示兩節點間路段的實際距離。

圖1 沈山路網拓撲結構圖

2 局域路網承載能力計算

目前,局域路網承載能力計算模型可分為區域路網基本容量模型和區域路網極限容量模型。計算過程中,需要給出局域路網拓撲各小區之間的OD數據以及各OD點之間的距離矩陣。為便于程序計算,將合并后的各OD點間的距離計作0,將無道路連接的OD點間的距離計作10000,由此可以得到路網各節點的OD矩陣和距離矩陣。表2和表3為計算所用的部分矩陣表。

表2 沈山路網各節點間OD矩陣(部分)

表3 沈山路網各節點間距離矩陣(部分)

由于數據量大,采用Matlab編程計算,分別運用區域路網基本容量模型和區域路網極限容量模型計算整個路網不同的V/C(0.4、0.6、0.8、1.0),分別表示整個路網所處不同服務水平的基本承載能力和極限承載能力。由于沈山高速連接省界至沈陽,因此還需統計這一路段的承載能力。

要計算改擴建影響路網的容量和省界至沈陽段路網容量,只需確定路網范圍內包含的OD對。整個路網計算完成后,將OD對間的交通量相加,即可得到所需路網范圍的容量。

其中,省界至沈陽段包含的OD對有:(6,7-8),(7-8,9-14),(9-14,15-22)。影響路網范圍包含的OD對有(6,7-8),(7-8,9-14),(9-14,15-22),(33,34),(34,35),(35,36),(32,33),(1-4,32),(5,32),(1-4,5),(7-8,28),(9-14,34)。部分計算結果見表4和表5。

表4 基于路網基本容量模型的承載能力計算

表5 基于路網極限容量模型的承載能力計算

由于沈山高速影響區域路網,無法獲得部分道路現狀流量數據,無法針對區域路網承載力進行分析。因此,選取省界至沈陽段的部分重要路網進行分析。在路網中,省界至沈陽段道路包括沈山高速、G102、S308和S102。部分重要路網的現狀交通量數據見表6。

表6 省界至沈陽路段道路狀況

表6數據均為單向日交通量,而路網承載能力計算得到的結果為雙向每小時交通量。為簡化計算,假設道路現狀雙向流量相同,則可計算得到省界至沈陽段路網現狀路網的平均小時交通量:

將省界至沈陽段的計算結果匯總至表7。

表7 計算結果匯總

3 結論

(1)省界至沈陽段的現狀交通量已超過目標V/C為0.6時的路網極限容量,尚未達到0.8時的路網基本容量。如路網整體保持在二級服務水平,路網容量不足,說明現狀較多路段的服務水平已低于二級服務水平。

(2)如路網均保持三級服務水平,路網極限容量大于現狀交通量。因此若要保證路段正常通行,在整體達到三級服務水平的條件下,路網中還需承擔一定交通量。V/C為0.8時,該道路還可承擔的極限交通量為5000輛/小時,無需大規模分流。