（载运工具运用工程专业论文）城市干道网改扩建布局规划决策研究.pdf

摘要 目前，城市道路的交通量与通行能力之间的矛盾与日俱增，车速低下、交通 拥堵已成为制约国内外各城市经济发展的重大顽疾。在有限的资源条件下，如何 进行现有道路网的综合系统改造，缓解交通压力，是实现城市交通可持续发展所 面临的严峻课题。 本文将城市交通网络看成是一个复杂系统，在宏观掌握城市土地利用、交通 拥堵的时空分布模式的基础上，通过调查统计和分析城市交通网络的历史和现 状，重点针对城市主干道网构建虚拟交叉点和虚拟路网。人工构造各选改扩建项 目集合，采用虚拟路网o d 反推技术，根据当前年到目标规划年的规划交通量， 推算出各年各虚拟节点间的理论出行量。利用城市路网改扩建布局规划模型，以 项目工期最长的拟改扩建路段为一阶段，计算出此阶段内虚拟路网改造的规模与 强度，然后对新虚拟路网的适应性做出评价，确定各改扩建项目的工程实施顺序， 并将其投影到现实交通网络中。在新虚拟路网的基础上重复上述工作，直到目标 规划年。 本文克服了传统研究方法缺乏系统整体性的缺点，提出分阶段、分层次、系 统性改造城市路网的思想，模拟动态规划的运作过程，为城市路网宏观一体化优 化提供理论依据和分析方法。 最后，对本文进行了总结，指出了本文的不足之处，指明了此方法的应用前 景。 关键词：城市路网改扩建；改扩建布局规划模型；虚拟路网 a b s t r a c t c u r r e n t l y , t h et r a f f i cj a mh a sb e c o m eah e a v yi l l n e s si na 1 1o ft h ew o r l dw h i c h h a sr e s t r i c tt h ee c o n o m yt od e v e l o p ：t h ec o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nt r a f f i cv o l u m ea n d c a p a c i t yo f u r b a nr o a d sg r o wd a yb yd a y , a n dt h es p e e do fv e h i d e si nu r b a ni sm o r e a n dm o r el o w h o wt or e c o n s t r u c t sa n de x t e n d se x i s t i n gr o a dn e t w o r ks y s t e m a t i c a l l y i so n ew a yt oa l l e v i a t et r a f f i cp r e s s u r ea n dr e a l i z es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fo u r u r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m b a s e do nl e a r n i n gt h ec i t yl a n du t i l i z a t i o na n dt h es p a c ea n dt i m ed i s t r i b u t i o no f t r a f f i cj a mm a c r o s c o p i c ，t h eu r b a nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kh a sr e g a r da sae o m p l e x s y s t e m t h r o u g hs u r v e y i n ga n da n a l y z i n gt h eh i s t o r ya n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no fc i t y r o a dn e t w o r k ，s o m eh y p o t h e s i z e dn o d e sa n dh y p o t h e s i z e dr o a d sh a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h et r a f f i cv o l u m ef r o mp r e s e n ty e a rt op l a n n i n gy e a r , t h eo dt r i p so f t h e s ey e a r s h a se s t i m a t e d t h el o n g e s tt i m eo f r e c o n s t r u c t i n ga n de x t e n d i n gp r o j e c ti s r e g a r d e da sas t a g e ，u s i n gt h ee x t e n d i n gm o d e lo f u r b a nr o a d sn e t w o r kt oc a l c u l a t et h e s c a l ea n dt h ei n t e n s i t yo fr e c o n s t r u c t i o na n de x t e n s i o no ft h i sh y p o t h e s i z e dr o a d n e t w o r ki n t h i ss t a g e t h e nt h es u i t a b i l i t yo ft h i sm e wn e t w o r kh a st ob ee v a l u a t e d f i n a l l y , t h e s ep r o j e c t s o r d e ro fr e c o n s t r u c t i n ga n de x t e n d i n gh y p o t h e s i z e dr o a d n e t w o r ka r ed e t e r m i n e d r e p e a t e da b o v ew o r kw i t l lt h en e wh y p o t h e s i z e dr o a d n e t w o r ku n t i lp l a n n i n gy e a r , t h ef i n a lp l a ni so b t a i n e d a tt h ee n do ft h i sp a p e r , i ts u m m a r i z e dt h ew h o l ec o n t e n to ft h ep a p e ra n d p o i n t e do u tt h ei n s u f f i c i e n c yo f t h ep a p e ra sw e l la st h ep r o s p e c to f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：i m p r o v i n go fu r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ；e x t e n d i n gm o d e lo fc i t y r o a d sn e t w o r k ；h y p o t h e s i z e dr o a d sn e t w o r k 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储戳：砂崎 日期：肋西年乒月乒日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 萝崤参c 切贸 一 日期：三口。g 年够月日 日期：舻中月易日 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，随着我国城市化进程的加快，城市行政区域的调整，给 城市空间的拓展和城市功能的完善提供了新的机遇，使得我国城市交通发展取得 了辉煌的成就，但同时也面临着交通出行多样化和交通需求迅速增长的挑战，交 通拥堵已成为我国大中型城市普遍存在的交通问题。如何发展城市交通，为城市 提供一个良好的交通运输系统，实现城市全面、协调、可持续发展，是保持城市 活力的关键因素。 随着我国道路交通不适应现象的加剧，拥挤堵塞，“行车难”、“走路难”已 成为全国各大城市的通病，并不断向小城市、新型城区和中心乡镇扩散蔓延，这 一现象不仅预示了我国城市道路交通将发生一种非期望的趋势，而且也标志着我 国城市生命运动已产生“病态”反应，并有低质、低效情况存在。这种非期望 的趋势，它不仅能使巍峨绚丽的场点建筑呆滞无神，亦可能使整个城市的生机与 活力受到伤害。就普通城市而言，是场点建筑赋予城市以“形体”，道路赋予城 市以“命脉”，交通赋予城市以“生命”。城市的生命运动是交通以“命脉”为载 体，做交通运动，实现场点建筑的存在价值，城市才有了生命的意义，并发挥其 应有的作用。那么没有道路交通的城市一定是一座死城，也一定是现实中不存在 的城市。而现实中虽已存在，但道路交通不畅，且有明显的“病态”反应的城市， 就一定是一座“病城”。“病城”现象它不仅延长了人们的出行时间，降低了人们 的生活效率和生存质量，增加了汽车尾气排入量及出行成本，而且它还直接损害 城市的形象的增加人们出行的危险机率和社会的不安全因素。按现行的发展趋 势，5 1 0 年或2 0 年以后，“病城”现象及产生的负面效应，将是桎梏我国城市 综合交通发展的重疾顽症。这并不是危言耸昕，现在的拥挤堵塞，也不过是近十 余年来才发生的城市交通现象，是随着我国改革开放、社会经济迅猛发展而产生 的一种“负面产品”。这种“负面产品”亦将随着我国加入1 盯o 后“正面产品” 的增加，以超同比的速度更加迅猛增长。可以预言，在今后一段时期内，交通需 求将会成指数增长，并产生一个历史上从未有过的道路交通供需失衡期。尽管入 世以后，随着融入世界经济，我国经济持续快速发展，交通供给能力有了很大的 提高，但受空间和其它条件限制，城市的交通供给不可能随着需求同比增长，绝 对性供给滞后与不足依然是城市持续性发展的障碍，拥挤堵塞办将会呈严重化趋 势。面对我国城市正当高速发展的时期，且正值改造、新建旺进之初，可调性、 第一章绪论 2 趋善性、深动性较强和目前我国已有的城市道路资源配置及交通现状，对拥挤堵 塞的的原因加以分析，并用适宜对策，避免“负面产品”的出现，避免时问和财 力的浪费，克服阻滞城市综合发展要素的产生，创造有中国特色的高效城市，已 是迫在眉睫且应尽快解决的问题。 从理论上说，导致交通拥挤堵塞的因素众多，相互影响相当复杂，但主要成 因归纳起来有四类：城市规划与布局、路网规划与交通设施布局、交通事件和交 通行为，其l | 路网规划和交通设施布局是引起交通堵塞的主要和直接原因。因此， 合理规划城市路网及相应设施、系统调整和改造原有路网是缓解交通大规模堵塞 的关键环节。本研究城市干道网改扩建布局规划决策研究正是在这样的背景 下展开的。 1 2 国内外关于路网改扩建的研究现状 路网改扩建即对原路网进行加宽改造或新建道路，其本质是交通网络的设计 问题。自1 9 7 3 年m o r l o k 首次提出交通网络设计问题以来，在国际上形成了交通 规划领域中的一个新的研究方向一一交通网络设计( n e t w o r kd e s i g n p r o b l e m ，d n p ) ，其中城市交通网络设计问题是城市交通规划中一个重要的组成部 分，指的是在有限的资金投入条件下，在考虑交通出行者行为选择情况的同时， 选择最优投资策略，通过改进现有路网上某些路段或在现有路网中增加新的路 段，以使整个网络达到性能最优的目的。北美及西欧许多学者如f r i e s z 、d a x i s 等相继对交通网络的设计问题展开了深入的定量化的研究【2 。“】，2 0 世纪9 0 年 代以后，我国的一些学者也加入了这个研究行列，为这一项新的研究领域做出了 杰出的贡献。 有关路网改扩建即交通网络设计的研究总体可分为两个阶段： 第一阶段为定性的交通网络设计，即凭感性认识和经验进行的交通网络设 计。虽然这种方法包含了定量的成分，但从整体上来说以定性为主，其主要缺陷 有：易犯头痛医头、足痛医足的错误，往往把注意力孤立地放在某个路段，而忽 视局部交通设施的改变将会导致运量的重新分布和交通流在这个网络上的重新 分配；不能保证建设资金投放到最需要的地方，也就是不能保证最大的成本效益 比；该方法亦不能准确把握规划道路的技术等级和最佳工程规模( 如车道数等) 。 第二阶段是在交通均衡理论出现后，借助此理论进行的科学的、定量的交通 网络设计。这种方法通过建立模型，模拟改扩建时各因素的变化而找出系统最优 的改扩建方案。 上述第二阶段的研究方向可分为三种形式【5 】：第一种是连续型的网络设计问 题( c n d p ) ，即改进现有路网中的某些路段的供给能力；第二种是离散型的网络 第一章绪论 3 设计问题( d n d p ) ，即在交通网络中增加新的路段：第三种是混合路网设计问题 ( m n d p ) ，即同时考虑在网络中添加新的路段和改进现有路段。其中连续型和离 散型的路网设计问题在国外都已进行了大量的研究，其成果也比较成熟，而混合 型的路网设计问题由于其求解相当复杂，因此国内外在这方面的研究成果还较 少，但是城市路网的设计问题既涉及到在现实路网中增加新的路段，又包括改善 现有路网中的某些路段，因此混合型路网设计问题能够更加现实的反映实际情 况。 而从国内学者研究的历程来看，路网改扩建大致可分为两个阶段： 第一阶段规划者所采用的方法是：在交通分配的基础上，发现现状路网对规 划年份预测流量的供需矛盾所在( 缺陷分析) ，作为现状路网的改进依据；然后 同多个规划者综合考察交通、社会、经济、地形地貌、城市风貌等各方面因素， 根据自己的感性知识和经验各自提出一套方案，这样就得到了多套方案：然后用 数学评价模型对各方案进行评价分析，选出其中最优的一个作为最终方案。这样 做的缺点是，备选的方案只有极有限的几个，而真正可行的方案有许多个甚至无 穷多个，所以即使所采用的评价模型正确，也只能在这有限的几个方案中选取而 不能全域选取，很难得到真正的最优方案；容易受长官或专家意志左右，存在较 大的主观性；该方法是一种被动的决策方法，各规划决策者都从自身所关心的利 益出发来提出规划方案，从而不能保证系统最优。 第二阶段对路网改扩建的分析方法分为三类，一类是基于路网容量和交通需 求供需矛盾的平衡分析法 6 1 。该方法以城市的交通需求为依据，始终使路网容量 与交通需求达到相对的平衡，从而建议改扩建的策略。另一类是通过路网畅通或 拥堵的概率来分析评价城市路网的适应性【”，并计算路网单元的畅通重要度，依 照重要度值确定单元改扩建项目的优先选择权。前类方法更多体现的是定性思 想；而后类方法忽略了城市建设资金的约束、任意一改扩建项目完成后对整个路 网的影响，以及交通量随时问变化而变化这一客观事实。总的说来，这两种方法 均缺乏系统整体的思想，与真正意义上的路网设计相差甚远。第三类也是基于均 衡理论的，只是在算法方面做了适当的改进和调整( 如蚂蚁算法、遗传算法等) ， 之后有学者提出混合路网的设计问题【8 9 ，即把c n d p 和d n d p 综合起来考虑，但 此研究尚不成熟，算法的有效性也相当有限。 传统的路网设计问题只能解决网络中路段的改扩建规模与强度，即只能计算 出需要新建和改造多少条路段及其技术等级和最佳工程规模( 如车道数等) ，不 能准确把握建设项目的排序，也不能对计算出的多套方案进行评价选优，对一个 庞大的改扩建工程而言是远远满足不了决策者的要求的，这就促成了路网设计问 题完成之后的另外两个研究领域，即城市路网规划建设项f i 排序研究和城市路网 第一章绪论 4 规划评价选优理论研究，这两个研究领域的实质还是路网设计问题。下面将简单 介绍近年来我国在这两个研究领域的研究现状与成果。 在改扩建项目建设序列排序问题的研究中，国内通常采用的是迫切度法和层 次分析法【邹。迫切度所描述的指标有路线重要度、路线饱和度和路线行政级别系 数等，然后将这些指标折算成改扩建项目的迫切度，依迫切度大小安排项目的改 扩建顺序。上述路网单元畅通重要度便是此类方法。层次分析法是一种定性问题 定量化分析，定性与定量相结合的决策方法。该方法用来求解服从某一总目标的 多个目标的权重，从而确定总目标的权重。但目前的研究多趋向与基于动态理论 下的改扩建项目建设序列排序。这种排序方法综合考虑了出行量随时间的变化、 任意一改扩建项目完成后对整个路网的影响、建设资金的约束等因素，更直观的 有效的反映了实际路网的变化。 由于改扩建道路是在对旧路基础上进行改造或新建，不可避免地要与原有道 路及经济环境发生种种关系，需要对方案的经济适应性、技术适应性和环境适应 性建立一个总指标进行综合评价。目前采用的方法有基本打分法、专家调查法、 层次分析法和模糊评价法等，前两种方法比较简单也很粗糙，人们更偏向于采用 后两种方法，这两种方法各有侧重点，在此不做介绍。 综上所述，城市路网的综合设计和改造是个极为庞大复杂的工程，经过数代 国内外学者呕心沥血的研究，路网设计理论逐步趋于完善，但尚存在许多未解决 的问题，例如节点分流向延误的阻抗函数、符合实际的交通均衡配流模型、混合 型路网设计的模型与算法等，这正是我们今后所要重点研究的内容。此外，我们 不能不看到，虽然在城市交通网络设计方面已经积累了不少理论研究成果，但是 交通网络设计模型和方法应用于具体实践的还不多，从理论到实践的的谁广过程 任重而道远。 1 3 选题的意义及研究方法 当前，交通运输供给能力的不足，已严重影响了社会经济发展中的旅客和各 种商品在自然空间上的合理流动，阻碍了一个国家或地区国民经济的快速发展， 成为制约一个国家或地区国民经济快速发展的瓶颈，为了克服这一瓶颈现象，就 需要增加交通运输能力，为此，必须加大对交通基础设施建设的投资力度。但目 前在世界各国中，无论是发达国家还是发展中国家，资金不足的问题都是交通运 输发展中最大的障碍之一。 为了解决交通运输发展资金短缺的问题，克服交通运输供给能力的瓶颈障 碍，就必须合理分配、用好、管好有限的资金，在资金投资决策之前，一定要全 面比较各种投资建设方案，要注意考察一定的建设资金是否能产生大的运输能 第一章绪论 力，是否能最大程度的减轻交通拥堵，是否能最大限度的方便旅客和车辆的出行， 即力争使其发挥最大的投资效益，使有限的资金投入能产生最大的经济效益、取 得最大的社会效益。 城市路网的综合改扩建是交通规划中的一个重要组成部分，如何在有限资金 的投入下，选择最优投资策略，通过调整、改造现有网络是某些路段或在现有路 网的基础上增加新的路段使整个网络达到某种性能最优的目的，从而满足人们日 益增氏的交通需求，是本论文研究的重要目标及意义。 在此宏观目标下，本文通过构建符合实际的城市虚拟路网，运用虚拟路网 o d 反推技术，获得从当前年到目标规划年虚拟节点问的o d 出行量，采用城市混 合型路网改扩建布局规划模型分层次( 从宏观到微观) 、分阶段( 从当前年到目 标规划年分为若干阶段) 、系统性对现城市路网进行综合改造，利用改扩建项目 排序模型对拟改扩建的项目进行排序，并用评价模型验证其可行性和适应性，最 终确定最优方案，以期在城市路网改扩建研究领域做出初步的探索，达到城市路 网的系统整体性和结构一体化，减少不必要的城市土地和资金浪费，切实可行的 缓解交通压力和满足交通需求。技术路线如图1 1 所示。 圈1 1 研究技术路线 f i 9 1 1 t h et e c h n i c a lr o u t eo f t h isr e s e a r c h 1 4 本课题研究的内容及技术难点 在提出总体规划目标和研究思路的基础上，本论文将主要研究内容归纳为如 下几个部分： 第一章绪论6 虚拟路网的构建及基础数据的采集； 城市路网改扩建布局规划模型的建立及相应的算法； 改扩建方案评价体系的建立、改扩建项目排序模型的构造及相应算法的 开发； 城市路网改扩建布局规划软件的编制； 应用实例实验研究。 相应的技术难点如下： 既要充分反映城市拥堵点的交通特性，又不能改变原路网的交通流特性 及交通需求行为，满足其形变质不变的城市虚拟路网的构建： 建立城市改扩建布局规划模型时如何将离散型的网络设计和连续型的网 络设计有机的整合； 改扩建方案确定后宏观与微观的协调机理，即方案由虚拟路网向实际路 网的转换； 所涉及模型的算法与软件的开发。 第二章虚拟路阿构建与其基础数据采集 第二章虚拟路网构建与其基础数据采集 7 在前一章里，本文提出了课题研究的总体目标( 即有效利用的限的投资建设 资金而获得最大的城市交通运输能力) 和具体研究思路( 即分层次、分阶段、系 统性) ，其中，城市虚拟路网的构建与其基础数据是后续研究工作的基础分析平 台，直接关系到最终改扩建方案的优劣。无疑，城市虚拟路网与其基础数据愈符 合实际，考虑的因素越仝面，得到的改扩建方案也就越精确，这点是很重要的， 也是本文研究的重中之重。 众所周知，城市主干路网是城市交通运输大动脉，是连接各不同土地功能和 区与区之间重要的通道，但同时，城市主干道也是负荷最重、饱和度最大、交通 堵塞最严重的道路，缓解城市主干道的交通压力，疏通“大动脉”的堵塞，是减 轻大中型城市交通拥堵、保持城市活力的根本。鉴于此，本文将研究重点放在城 市主干道上，重点针对城市主干道构建城市虚拟路网。 2 1 城市路网虚拟的必要性 就网络本身而言，城市路网由连接城市的外围路网和城市内部的主干道、次 干道及支路组成，网络错综复杂、等给结构不一，再加上我国特有的历史原因与 前期城市规划的不合理，城市土地功能亦很模糊，直接对整个城市交通网络及各 路段逐一分析既不切实际也不易实现，而且单单从微观上加以解决，不从宏观上 加以控制，给出的道路网结构调整和改造方案效果也有限。 就计算可行性而言，如此庞大的网络，如此复杂的交通行为，如此众多的交 通产生点、吸引点和与实际路网相关的数据，且不谈交通调查的困难度，现在的 计算机计算起来也是相当困难的。 综上所述，通过对城市实际路网的高度抽象与虚拟，简化路网，建立与实际 路网本质上相同的城市虚拟交叉点和虚拟路段，是分析并找出城市路网本质缺 陷、确定改扩建方案的一般方法，有效的避免了实际路网的复杂性和计算水平限 制所带来的困难，降低了分析难度、提高了计算效率。 2 2 城市路网虚拟方法及其基础数据标定 2 2 1 城市虚拟路网构建方法 为了方便对交通网络的数学化处理，首先必须把交通网络抽象化，一般地， 第二章虚拟路网构建与其基础数据采集 用图论中的“图”表示交通网络比较方便。在抽象简化城市路网的过程中，应当 充分考虑城市土地功能的利用、地形地貌( 如山川、河流、隧道、桥梁及铁路等) 、 城市行政区域的划分、区域交通量的吸引范围及重点拥堵模式( 拥堵点、拥堵线 及拥堵面) 等，将城市某个或若干交叉点、路段、区域( 例如c b d 等) 或任意点、 线、面的组合虚拟成一个节点，相邻节点间的各条主干道及重要路段( 即对主干 道或者节点交通影响比较大的路段) 虚拟为一条虚拟路段。当所分析的城市与城 市外围交通联系紧密且对城市交通影响较大时，可把外围区域亦做为若干个虚拟 节点与城市虚拟路网中其它虚拟节点相连，由此构建出整个城市虚拟路网g 。 城市路网虚拟的目的是从宏观和中观层面解析城市交通网络的本质结构缺 陷，进而在微观领域加以调整和改造，故而城市虚拟路网与现实路网比较起来， 根据城市的交通网络规模，节点数太少则虚拟路网过于笼统模糊，不足以揭示其 内在的主要矛盾与冲突，很难从本质上加以把握；节点数太多则虚拟路网则显得 过于复杂，主要矛盾不突出，不仅给计算带来了困难，而且可能会引起决策上的 误导。总之，城市路网的虚拟要遵循以下三条原则： 科学性原则所虚拟的城市交通网络必须科学的、合理的、客观的反映城 市交通网络的技术性能、交通流与拥堵模式的特性、交通网络的需求行为，满足 其形变而质不变的要求。 系统性原则城市现实路网是个宏观的有机系统，任何轻微的改变都可能 引起整个系统本质的变化，虚拟路网中任何的改动也要尽可能的与现实网络的变 化相适应。 独立性原则旦城市路网虚拟完成，它便成了一个封闭的系统，与外界 毫无联系。 在三条原则的指导下，构建出既要充分反映城市堵塞点的交通特性，又不能 改变原路网交通流特性及需求行为，满足其形变而质不变要求的城市虚拟路网是 后续工作的基础，直接关系到全局和整个分析结果，必须严格加以论证。另外值 得格外注意的是，本文以城市主干道为研究对象，在建的主干道也应在路网虚拟 时的考虑之列。 2 2 2 虚拟路网基础数据采集 城市路网虚拟完成以后，另一项目极为复杂而繁重的任务便是虚拟路网上基 础数据的采集，如何将现实路网上的基础数据真实客观的投影到虚拟路网上，将 直接影响到虚拟路网上的交通行为即交通个体的路径选择、o d 出行量、改扩建 的规模与强度决策等是否与实际路网相符合。 根据本课题要求，现实路网的基础数据包括路段交通量与年增长系数、道路 第二章虚拟路网构建与其基础数据采集9 车道数及其通行能力、路段自由走行时间( 阻抗值) 、投资系数( 路段双向各增 加一个车道所需要的资金投入) 、年预算总投资额与增长系数等。 各路段上的交通量是在单位时间内通过道路上某一地点的车辆数，本论 文中的交通量是指实际观测沟通量或规划年的规划交通量，都是根据标准车型换 算后的当量交通量。 道路上行驶的各型车辆，由于其车型、外廓尺寸和行驶速度不同，对道路的 占用和使用效率会不一样。为了对车辆进行统一定性定量，以便能准确评价道路 通行能力、实现科学交通管理和分析道路交通问题，将不同车型的交通量换算成 标准车型的交通量，这一工作称为车辆当量换算。在国外，一般采用小客车为标 准车型：在我国，一般公路和二级汽车专用公路采用中型载货汽车为标准车型， 对于高速公路和一级汽车专用公路、城市道路采用小客车为标准车型，在交通管 理方面均以小客车为标准车型。 公路车辆当量换算系数 按交通量负荷与公路设计技术等级划分要求的车辆换算体系，分为以小客车 为标准的和以中型载货汽车为标准的两类，交通部标准公路路线设计规范规 定两类的换算系数如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1以小客车为标准的车辆换算系数 t a b 2 1t h ev e h i c l e sc o n v e r s i o nf a c t o ra c c o r d i n gt oc a r 车辆类型 车辆换算系数车辆类别车辆换算系数 小客车 1 o中型载货汽车、大客车 2 0 摩托车 1 o 大型载货汽车、公共汽车 2 o 吉普车 1 o 带挂车载货汽车、铰接公共汽车 3 0 小型载货汽车 2 0 表2 2以中型载货汽车为标准的车辆换算系数 t a b 2 2t h ev e h i c l e s c o n v e r s i o nf a c t o ra c c o r d i n gt om e d i u mv a n 车辆类型车辆换算系数车辆类别车辆换算系数 中型载货汽车 1 o 小客车、吉普车、摩托车 0 5 带挂车载货汽车、铰接公共 1 5 、兽力车 2 o 汽车 大型载货汽车、大客车、小 人力车 0 5 1 10 一 型载货汽车、拖拉机 自行车 0 1 城市道路车辆换算系数 第二章虚拟路嗣构建与j 慕础数据采集1 0 我国城市道路设计一般以小客车为标准车进行换算，但对于中小城市、小客 车比例很小时可以普通汽车为标准换算，换算系数如表2 3 所示。 表2 3以中型载货汽车为标准的车辆换算系数 t a b 2 3t h ev e h i c l e sc o n v e r s i o nf a c t o ra c c o r d i n gt om e d i u mv a n 小客车普通汽车铰接车说明 1 01 52 0 道路路段 o 6 7 1 0 1 3 3 中小城市适用 1 01 42 0 环形平面交叉口 0 81 01 3 中小城市适用 信号管制交叉口 1 01 62 5 注：小客车包括：吉普车、2 t 货车；普通汽车包括：载重4 t 左右卡车、单节大客车、 电车；铰接车包括：铰接公共汽车、电车、大型平板车、拖挂卡车等。 国外车辆当量换算简介 各国对车辆当量换算一般是以通行能力分析计算或交通规划为目的，均以小 客车为当量标准车。表2 4 和表2 5 分别选摘英国和日本的车辆当量换算系数值。 表2 4英国公路车辆换算系数 t a b 2 4r o a dv e h i c l e sc o n v e r s i o nf a c t o ro fe n g l a n d 车型公共汽车中、重型卡车轻型卡车、小汽车摩托车自行车 系数 2 2 51 7 51 o o o 3 7 0 2 0 表2 5英国公路车辆换算系数 t a b 2 5r o a dv e h i c l e s c o n v e r s i o nf a c t o ro fj a p a n l 车型轻骑、摩托小型货车、公共汽车小汽车普通汽车大型货车、公共汽车 i 系数 0 81 5l - o 1 91 9 道路车道数在本文指单向所有车道数之和。 各路段的通行能力通行能力按作用性质可分为三种，即基本通行能力、 可能通行能力和设计( 或实用) 通行能力，本论文中的通行能力均指设计通行能 力，城市路段一条车道的设计通行能力计算公式如下： 虬= a o - 3 6 0 0 h , ( 2 1 ) 。 式( 2 1 ) 中，3 6 0 0 曩为一条车道可能的通行能力，其中 0 为某路段一条车道的 设计通行能力，为机动车道通行能力的道路分类系数，主干道为0 8 0 ，鬼为 连续车流平均车头问隔时间。那么某条路段的通行能力等于车道数乘以一条车道 第二章虚拟路网构建与其基础数据采集 的设计通行能力，也可从城市道路设计规范中查出一定车道数的主干道的通 行能力。 当本市没有连续车流平均车头间隔时间的观测值时，可能通行能力可采用表 2 6 的数值： 表2 6一条车道可能的通行能力 t a b 2 6t h ep o s s i b l ec a p a c i t yo fal a n e 计算行车速度( 1 ( i n h ) 5 04 0 3 02 0 l可能通行能力( p c u h ) 1 6 9 01 6 4 01 5 5 01 3 8 0 各路段上的车辆自由走行时间为路段的长度除以此路段上车辆的自由 流速度。 投资系数增加此路段一个车道所需要的建设资金投入。 各增长系数可根据历史和现状数据预测得出。 路段一 b ) 图2 1 a ) 实际路段；b ) 虚拟路段 f i 9 2 1 a ) e x i s t i n gr o a d s ：b ) h y p o t h e s i z e dr o a d 在将实际城市路网数据转化为虚拟路网数据时，设实际路网的交通量、车道 数、通行能力、车辆自由走行时间和投资系数分别为x 、y 、c 、t 、g ，虚拟路 网相关变量为z 、y 、c 、r 、g ，如图2 1 所示，假设节点1 到节点2 有三条 实际主干道( 图2 1 a ) ，进行路网的抽象时，将这三条主干道虚拟成一条( 图 2 1 b ) ，则虚拟路网上相关的基础数据计算公式如下： 交通量虚拟路段的上的交通量应为与之相对应各实际路段上的交通量 之和，即： z = 一+ 毪+ 毛 ( 2 2 ) 虚拟路段车道数( 即投资决策变量) 虚拟路段的车道数也应为与之相对 应各实际路段车道数之和，即： y = 咒+ y 2 + 乃 ( 2 3 ) 第二章虚拟路网构建与其基础数据采集 1 2 通行能力根据城市道路设计规范和对应的车道数可得到相应实际路 段的通行能力，虚拟路段上的通行能力应为与之相对应各实际路段通行能力之 和，即： c = q + c 2 + 巳 ( 2 3 ) 自由走行时间虚拟路段上的自由走行时间应为与之相对应各实际路段 上车辆自由走行时间的加权值，即： r ： 墨 + 兰垒 + 兰生 ( 2 4 ) x a + x 2 + 为而+ x 2 + x 3x l + x 2 + x 3 投资系数路网虚拟、抽象完成以后，为了计算的准确性，各条虚拟路段 上的投资系数应为相对应各条实际路段的投资系数的平均值，即： g = ( g l + 9 2 + 9 3 ) 3 ( 2 5 ) 值得注意的是：调查或计算数据应尽可能的准确，确保后续工程计算的顺利 展开，交通量、通行能力、自由走行时间、投资系数等参数的物理量纲分别为辆 d , 时( p c u h ) 、辆d , 时( p c u h ) 、分钟( m i n ) 、万元，其中车道数无物理量纲。 2 3 本章小结 在本章中，介绍了城市路网虚拟在整个课题研究中的重要性，并分析了简化、 抽象城市路网的必要性，重点描述了城市路网的虚拟方法及其基础数据的标定原 则。 第三章虚拟路网改扩建布局规划模型与算法 第三章虚拟路网改扩建布局规划模型与算法 城市道路网的改扩建其着眼点不是单独的一个点或者一条线，而是将整个城 市交通网络全盘考虑，是属于中观层面的交通网络设计。它主要回答的问题是： 对己存在的交通网络上，哪些路段应该增加通行能力，就提高到什么水平，还应 该添加哪些新和路段，新添加的路段应该具备多大的通行能力，对尚未存在的交 通网络，新的路网应该是什么规模、何种形态。如果说传统交通规划理论的调查、 分析、预测都只是发现问题，那么城市道路网改扩建( 或路网设计) 就是最终解 决问题的方案设计过程。 鉴于所研究问题的困难性、复杂性，决定了城市虚拟路网改扩建模型必定是 众多分支模型及算法的组合体。 3 1 模型构造总体思路 在第二章里，根据城市交通网络实际情况并结合本课题研究的总体目标和具 体研究思路，构建出了城市虚拟道路网并标定了其路网结构参数，针对此虚拟网 络，首先确定道路网改造的规划年限，运用虚拟路网0 d 反推技术推算从当前年 到目标规划内各年虚拟路网各节点问的0 d 出行量；设虚拟路网中任意一条路段 均为备扩容路段，无路段连接的任意两节点间的“真空地带”为备选新建路段， 采用虚拟路网改扩建模型，根据投资建设资金约束，确定虚拟路网的改扩建规模 ( 所有现有路段的改造强度、各新建路段的建设强度以及所有需改扩建路段的条 数) ；利用评价模型评价所确定改扩建项目的合理性和适应性，如果合理则接收 这一方案，将其投影到现实路网中( 由中观层面进入微观层面) ，并以排序模型 对项目工程进行施工顺序的排序，如不合理则改变相关参数重新转入路网改扩建 规模的计算。在这些改扩建路段中，以项目： 期最长的年限为第一阶段，规划完 成以后转入第二阶段( 即第一阶段的后一年) 的规划，重复虚拟路网改扩建模型、 评价模型和排序模型直至达到目标规划年。为了更具体的说明问题，城市路 网改扩建布局规划模型的运算步骤叙述如下( 参考图3 1 ) ： 第1 步：路网的虚拟。运用第二章的内容对城市路网进行高度虚拟和抽象， 并对标定其结构参数； 第2 步：求o d 出行量。令规划年限为n ，阶段数f = 1 ，第f 阶段的年限为m ， 如2 年为一阶段，利用虚拟路网o d 反推技术求第i 阶段各年的o d 出行量； 2 - - 1 ：确定路网改扩建的强度与规模。采用城市路网设计模型计算出新增路 段和改造路段的条数与通行能力： 第三章虚拟路网改扩建布局规划模型与算法1 4 2 2 ：第i 阶段方案评价。构建城市路网合理性和适应性的评价体系对新路 网进行评价，如满足评价要求则转入2 3 ，否则，改变计算参数，转入2 1 重 新计算。 图3 1 总体思路流程图 f i 9 3 1t h ef l o wc h a r to fo v e r a l lm e n t a l i t y 第三章虚拟路网改扩建布局规划模型与算法1 5 2 3 ：工程项目排序。运用工程项目排序模型对需要改扩建的虚拟路段按阶 段系统最优进行排序，并投影到现实路网中确定真实路段的改扩建顺序。 2 4 ：第i 阶段完成。判断柏+ + 慨+ 是否等于n ，如果是，计算停 止，得到规划方案1 ，转入下一步计算，否则令i = f + l ，转入步骤二。 第3 步：是否得到更多方案? 如果是，则改变虚拟路网结构参数或者重新抽 象城市路网，转入步骤l ，否则，计算停止。 虚拟路网改扩建布局规划模型所涉及的分支模型和算法非常多，总体流程为 城市虚拟路网的构造及其基础结构数据的标定0 d 迭代反推模型改扩建 布局规划模型( 包括b e c k m a n n 模型和c n d p 模型) 评价模型改扩建项目 排序模型，其中包括的算法有：最短路径算法、多路径概率分配模型、o d 迭代 反推算法、f r a n k - - w o lf e 算法、全有全无分配法、n e w t o n 算法、分解平衡优化 算法( e d 0 ) 等，各算法之间既相互串联，也相互镶嵌，组成一个复杂的循环体。 3 2 改扩建布局规划模型及相应算法 从上述总体思路流程图和本章第一节的介绍中得知，城市交通网络改扩建布 局规划模型由o d 迭代反推模型、带预算约束的交通网络设计模型、评价模型和 工程项目排序模型组成，本小节将以计算的先后顺序重点介绍改扩建布局规划模 型的理论依据和其算法。 3 2 i 虚拟路网0 d 反推技术 求o d 出行量的传统方法是0 d 调查，而这项工作是相当费时费力的，据有人 统计，在作实际交通规划项目时，o d 调查和统计所花的费用要占项目全部费用 的1 2 甚至更多。众所周之，通过对各路段的实时监控路段上的交通量是很容易 得知的，能否通过由o d 出行量求路段交通量的逆过程( 即交通分配) 来出路段 交通量反推0 d 出行量呢? 答案是肯定的。事实上，o d 出行量反推不仅操作简单、 费用较少、统计精度易于控制，并且理论和现实上都具有很强的可行性，特别是 随着智能交通( i t s ) 技术的发展，其可行性和实用性会进一步增强。 已有的由路段交通量推算o d 出行量的理论方法概括起来可分为参数估计法 和矩阵估计法( 以最大熵、最小信息法、均衡法和统计估计法为主) ，以及运用 神经网络技术等。本文采用迭代反推的算法，它不仅概念清晰、算法简单，而且 比其它算法更简单明了、容易理解、掌握。 虚拟路网0 d 反推的出发点即获得各虚拟路段上交通量的来源及去向，其依 据是o d 出行量与路段上交通量的基本关系： 第三章虚拟路网改扩建布局规划模型与算法 1 6 = ( p ：) ( 3 1 ) 厅 式( 3 1 ) 中，虚拟路段o ，) 上的规划交通量； 四维流率矩阵，即起点r 到终点s 的路段( f ，d 上的流率； g 。起点，到终点s 的出行量。 可见，0 d 反推技术的核心是此四维流率矩阵的计算过程，其值取决于交通 分配的方法，不同的交通分配模型对应不同的四维流率矩阵。四维流率矩阵是否 符合实际、与路段规划交通量是否匹配将对推算0 d 出行量产生非常重要的影响。 四维流率矩阵的计算方法 所谓流率矩阵，指的是出行者从起点到终点的行驶过程中，选择虚拟路网中 各条虚拟路段的比率。由于出行者的路径选择涉及到个人行为，通常出行者都是 在不确定的信息下通过主观判断进行路径的选择，因此建立具有普遍性的路径选 择模型用于计算流率矩阵相当困难，本文采用多路径概率模型。 ， 多路径概率模型是这样描述的：第一，假定出行者不是在起点，就决定选择 哪条路径，而是在出行过程的每个节点都做一次关于下步选择哪条路段的选择， 即真正选择的不是路径而是路段：第二，出行者在一个节点处选择路段时，并不 是以该节点为起点的每条路段都是被选择对象，只有那些所谓的“有效路段”才 可能被选择到。其中有效路段的定义是，当路段o ，_ ，) 的上游节点f 比下游节点，离 起点，近，而且i 比，离终点s 远，则称该路段为有效路段，一系列的有效路段组 成了有效路径。 根据l o g i t 模型的有效路径原理，对d a i l 算法( 或其改进算法) 稍加改造 便可方便的求出四维流率矩阵p ! ，其算法如下： 第一步：初始化。找有效路段和有效路径。 分别计算从起点r 和终点s 到所有节点的最小自由走行时问( 参考最短路径 算法，即f l o y d w a r s h a l l 算法) ，分别记之为，和j o ) ；设口为离开节点i 的 路段另一个端点的集合，为进入点i 的另一个端点的集合。对每条路段( f ，_ ，) 计 算“路段似然值”： i e x p b ，( ，) 一r ( o f ( ，) 】 l ( i ，_ ，) = 若r ( f ) s ( _ ，) ( 3 2 ) 1 0其它情况 l 第二步：向前计算路段的权重。 从起点，开始，按，( f ) 的上升顺序依次考虑每个节点，计算离开它的所有的 路段的权重。对节点i ，路段( f ，j ) 的权重为 第三章虚拟路两改扩建布局规划模型与算法 1 7 f l ( i ，)若i = r 以，) 2 三( f ，) 研沏，o 其它情况 v j q ( 3 3 ) 当f = s 时停止计算。 第三步：向后计算起点r 到终点s 的各路段上的流率。 从s 点开始，按s ( j ) 的上升顺序依次考虑每个节点_ ，计算进入它的所有路 段的流率，对路段( f ，) ，它的流率为 p ( i ，_ ，)