高速公路節點重要度測算方法研究

摘要 高速公路在現代交通系統中起著至關重要的作用，節點的重要度測算對于高速公路網絡的規劃和管理具有重要意義。該研究基于加權改進模型，提出了一種新的方法來評估高速公路節點的重要度，在既有的空間加權節點度模型的基礎上，充分考慮節點流量，同時引入高速公路等級影響因子、區域發展影響因子、唯一性影響因子等3個外部環境影響因子，建立了加權改進算法的高速公路節點重要度測算方法。實例結果表明：社會經濟對節點重要度的影響較為明顯，基于加權改進模型的節點重要度測算方法在應用層面具有一定的可靠性，能夠較好地反映節點在高速公路網絡中的重要程度，該方法可為高速公路網絡的規劃和管理提供有力的決策支持。

關鍵詞 高速公路；收費站；重要度；加權算法

中圖分類號 U491 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）14-0042-04

0 引言

隨著城市化進程不斷加快和交通需求持續增長，高速公路成為連接不同區域之間的重要通道，作為路網中的關鍵節點，收費站發揮著至關重要的作用，既影響著高速路網的流量分布，也關系到高速系統的路網布局。科學評估高速路網系統中各節點的重要度，有助于交通規劃者和行業管理部門更好地了解高速路網系統中的網絡結構和節點特征，可為交通流量調控、事故預防、路網規劃等提供重要的決策依據，有效提高高速路網系統的運營效率和服務質量。

傳統的節點重要度測算方法主要是基于網絡拓撲結構的中心性指標，如來逢波等[1]從度值、平均路徑長度等方面研究我國高鐵網絡的拓撲結構及節點中心性；鄭義彬等[2]、劉立博等[3]以中心性指標等為研究對象，研究高速公路網絡節點的特性。也有部分學者從考慮屬性信息的角度出發，如宋康[4]提出將城市道路等級、路段長度和路段車道數等作為考慮節點度的重要因素，提出了基于空間加權度模型，測算城市道路網節點的重要度；馬小琦[5]選取了節點度、介數、接近度、車均延誤和平均排隊長度組成評價指標體系，在灰色關聯法和理想解法的基礎上，提出基于多模型融合的關鍵節點識別方法；張誠等[6]提出基于空間流量度的城市關鍵節點識別方法，識別路網中流量較大和結構重要的節點。也有學者從構建指標體系構建的角度出發，評估節點的重要性，ZhangL等[7]選取與交通有關的交通量、延誤、平均排隊長度等指標，構建BTH城市群交通網絡評價指標體系，利用熵權法對各指標進行權重確定，再結合理想解法計算路網節點重要度數值。

總結以上內容可知，國內外學者已提出較多經典的關鍵節點評價指標，并形成了部分較為成熟的節點重要度分析方法，但現有的研究方法也存在一定的不足：網絡拓撲結構的中心性指標通常忽視了節點的屬性信息和交通流量等因素；現有的空間加權度模型在交通領域主要應用于城市道路方向，且更多地從道路屬性進行考慮。

基于此，為更好地研究高速路網系統節點重要度，在以上方法的基礎上，該研究提出了一種基于加權改進模型的節點重要度測算方法，在綜合考慮節點的拓撲結構和屬性信息的基礎上，充分考慮交通流量、道路屬性等權重因素，同時考慮區別于城市道路網，高速公路節點受區域社會經濟活動影響較大，引入社會經濟等影響因子，以此建立一個更準確和穩定的節點重要度測算模型。

1 高速公路節點重要性

1.1 高速公路節點屬性

高速公路收費站是高速公路系統的重要一部分，與高速路網一起組成高速系統的“點”和“線”，在整個高速公路系統運行中起著關鍵節點和交通紐帶的作用。從收費站屬性來看，主要包括三個方面：（1）承擔高速公路系統流量出入功能。收費站是車輛出入高速公路系統的控制節點，收費站出入流量決定了整個高速路網的流量規模和流量分布。（2）承擔著不同高速路段的連接功能。通過收費站，車輛可以方便地進入或離開高速公路，實現不同路段之間的無縫連接。（3）承擔區域對外交通功能。收費站是城市交通和對外交通重要的銜接轉換節點，承擔著區域對外交通運輸功能，也間接反映區域社會經濟活動的活躍性。

1.2 高速公路節點重要性影響因素

基于上述節點三方面的功能屬性分析，該研究從流量屬性、路段屬性、區域屬性三個維度考慮節點重要性的影響因素。

1.2.1 流量屬性

流量規模直接反映了收費站的實際通行需求，也可以作為衡量該收費站所承載交通負荷的重要指標，大流量收費站往往需要具備較高的通行能力和高效的運營管理。因此流量規模是評估收費站在高速網絡中的重要性的關鍵指標。

1.2.2 路段屬性

高速公路的功能定位決定了其在交通運輸系統中的戰略重要性，一般來說，高速公路分為國家高速和省級高速，國家高速一般連接重要的戰略區，省級高速公路主要服務于省內的區域運輸需求。不同等級高速公路路段上的收費站在承擔的戰略重要度上也存在差異。

1.2.3 區域屬性

經濟社會活躍性較高的區域，往往具有較高的社會重要性和戰略地位，在高速公路系統中，收費站布局往往會考慮區域差異性和發展潛力，換言之，即收費站節點所在區域可以在一定程度上反映收費站在高速公路系統中的重要性。

綜上，如表1所示，該文從流量屬性、路段屬性、區域屬性三方面考慮，選取了流量規模等五個與收費站節點重要度影響程度較高的指標。

2 高速公路節點重要度模型構建

2.1 空間加權度模型

傳統的節點度無法充分區分空間網絡節點的重要性。因此，WanN等[8]提出了一種空間加權節點度模型，其考慮了道路等級和道路長度。這種空間加權節點度模型不僅能夠反映節點所連接的道路數量，還融入了道路的地理信息，從而更準確地刻畫了節點的重要性。通過該節點度模型，可以更好地理解空間網絡中節點的特性和節點之間的連接關系。該模型公式如下：

其中，ec為連接節點i的邊數; ct和lt分別為與節點i相連的第t條鏈路的等級和長度；lmin和lmax分別為整個網絡中所有鏈路長度的最小值和最大值；是特定區域中鏈路長度重要性的權重系數。

該模型的物理含義是連接到節點的連邊數，鏈路等級和每條鏈路的長度是計算網絡節點度時應該考慮的因素，各因素對節點度的相對重要性可以反映在權重系數中。一個較小的值表示鏈路長度對節點度的貢獻不大。

2.2 空間加權度改進模型

2.2.1 改進指標

基于N.Wan的空間加權模型，將路段數量、路段長度作為節點重要度測算的重要因素，此做法比較符合城市道路的路網特征，相較于高速公路網，連接收費站節點的公路數量單一，路段長度過長，因此路段屬性并非高速節點重要度測算的關鍵因素。因此該文提出，在計算高速路網節點重要度時，將路段長度屬性指標改進優化為流量屬性指標，同時增加高速等級、社會經濟等能體現節點區域重要性的改進指標。

2.2.2 影響因子

基于上述考慮，提出改進的修正因子，將高速公路等級影響因子、區域經濟發展影響因子、唯一性影響因子等引入高速公路節點重要度模型，影響因子表述如下：

高速公路等級影響因子α1，不同等級的高速體現不同的節點重要度，國家高速公路的戰略地位一般高于省級高速公路。因此設定公路節點相連的國家高速Lg，賦予權重w=0.8；設定省級高速Ls，賦予權重w=0.6。

區域發展影響因子α2，以縣級行政區為切入單位，將對象節點所在區域的常住人口和GDP，與高速路網節點所在區域的常住人口最大值和GDP最大值相比，得到受區域社會經濟影響的節點重要度區域經濟影響因子。

唯一性影響因子α3，區域內收費站數量的多少決定了收費站節點在區域的替代性，以縣級行政區為研究單位，收費站節點的數量越多，越容易在區域內找到替代的收費站，唯一性因此降低，由此設定區域內收費站數量為節點重要度唯一性影響因子。

2.2.3 改進模型

該文提出在N.Wan的空間加權模型的基礎上，將高速公路等級影響因子、區域發展影響因子、唯一性影響因子等考慮在內，結合節點流量屬性，提出改進的高速公路節點重要度測算模型，改進后的模型如下：

其中，N id為高速公路節點重要度，n為i收費站對應區域的收費站數量，Ei為i區域內的GDP，Pi為i區域內的人口，Emax為所有研究區域中GDP的最大值，Pmax為所有研究區域中人口規模最大值，vi為i節點的進出流量綜合，vmax為所有節點的最大流量值，vmin為所有節點中的最小流量值，wi為連接高速的等級權重。

3 實例應用及分析

研究實例選取浙江省高速公路，涉及轄區所有高速公路共計455個收費站。根據改進后的空間加權模型，計算各節點的高速公路等級影響因子、區域發展影響因子、唯一性影響因子，分別如圖1、圖2、圖3所示：

基于上述分析，得到高速公路節點重要度結果，并將其排序：節點重要度排名靠前的分別為杭州市的杭州收費站、半山收費站，紹興市的諸暨北收費站，寧波市的朝陽收費站、東錢湖收費站、慈溪收費站、掌起收費站、寧波新區西收費站、觀海衛收費站，溫州市的樂清北收費站；節點重要度排名靠后的分別為衢州市的常山收費站、東案收費站，溫州市的文成收費站、泰順收費站，麗水市的景寧收費站，溫州市的西坑收費站，麗水市的東坑收費站，衢州市的馬金收費站、開化南收費站，溫州市的靈昆收費站。

如圖4，顯示了重要度靠前的前十個收費站經濟因子、等級因子和唯一性因子，經濟因子分布在（0.6～1.0）；等級因子8個分布在（0.8），2個分布在（0.6）；唯一性因子分布在（0.2～0.4）、（0.4～0.6）、（1）。可以得出，在節點重要度模型中，經濟因子對重要度結果的影響較大，基本要求處于0.6及以上。

如表2、表3所示，重要度排名前十的基本分布在以杭州、寧波為代表的經濟較發達的區縣市，重要度排名后十的基本分布在以衢州、麗水、溫州為代表的區縣市。可以得到區域對重要度結果的影響較大。

4 結論

（1）改進后的空間加權模型，不僅考慮了流量指標對節點重要度的影響，同時還考慮了高速公路行政等級、區域社會經濟發展以及區域是否可替代等外部環境因素對節點重要度的影響，對評價收費站節點重要度顯得更為全面和準確。

（2）實例分析結果表明，經濟因子、等級因子和唯一性因子對節點重要度影響程度不一。重要度排名靠前的十個節點，對應的社會經濟影響因子均較大，處于0.6及以上，且基本為國家高速公路，但對唯一性要求相對較低。

（3）實例分析結果證明，改進后的空間加權模型所得到的節點重要度結果與傳統認知結果較符合，重要度排名靠前的基本分布在以杭州、寧波為代表的浙北區域，重要度排名靠后的基本分布在以麗水、衢州、溫州等為代表的浙南區域，也進一步驗證了社會經濟對節點重要度的影響較大。

5 結束語

在高質量、高效率出行的需求日益增強的背景下，高速公路仍將是承載群眾出行的重要方式，收費站作為高速路網的重要節點，在面對資金、土地等要素壓力的持續加大條件下，精細化規劃和建設顯得尤為重要。該文基于大量的數據和分析，構建了高速路網節點的重要度模型，從流量規模、經濟因子、等級因子和唯一性因子等多維度計算得到了全省高速路網收費站節點的重要度結果，可為行業主管部門科學規劃建設高速公路網提供相關決策支持。

參考文獻

[1]來逢波，許冰，續穎，等.高鐵復雜網絡拓撲特征及節點中心性研究[J].山東大學學報（工學版），2022（6）：14-22.

[2]鄭義彬，蔡航鵬，賴偉偉，等.基于復雜網絡的湖北省高速公路網特性分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2021（5）：31-37.

[3]劉立博，邱興宇.鄭州城市圈高速路網節點度中心性分析[J].工程與建設，2020（5）：816-819.

[4]宋康.城市路網節點重要度測算方法研究[D].北京：北京交通大學，2018.

[5]馬小琦.城市道路交通網絡關鍵節點識別方法研究[D].吉林：吉林大學，2022.

[6]張誠，汪成銀，陳志偉，等.基于空間流量度的城市路網關鍵節點挖掘方法[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2021（6）：28-35.

[7]ZhangL， ZhangX， YuanS， etal. Economic，Social，and Ecological Impact Evaluation of Traffic Network in Beijing–Tianjin–Hebei Urban Agglomeration Basedon the Entropy Weight TOPSIS Method[J]. Sustainability， 2021（4）：1862.

[8]WanN， ZhanF， CaiZ. Aspatially Weighted Degree Model For Network Vulnerability Analysis[J]. Geo-spatial Information Science， 2011（4）：274-281.

收稿日期：2024-02-20

作者簡介：鄭淑妮（1993—），女，碩士，工程師，研究方向：交通運輸規劃與管理。

基金項目：浙江省交通運輸廳科技計劃項目“全省綜合交通運輸通道配置和網絡優化技術研究”（2023001）。