基于拓?fù)淅碚摰某鞘械缆肪W(wǎng)規(guī)劃布局模型設(shè)計(jì)

史淑雅

(天津城建大學(xué) 城市藝術(shù)學(xué)院,天津 300384)

0 引 言

城市道路網(wǎng)是由不同區(qū)位、不同等級(jí)、不同功能的道路組成的能夠保持適當(dāng)形式及一定密度水平的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)[1]。無論規(guī)模大小,城市道路網(wǎng)始終以滿足城市交通需求作為首要建設(shè)和發(fā)展目標(biāo)[2]。隨著城市化進(jìn)程的加快,道路空間格局及交通運(yùn)行特征發(fā)生了明顯改變[3]。因此,應(yīng)用智能化道路網(wǎng)規(guī)劃布局模型來維持城市道路的暢通性和安全性顯得至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[4]利用OpenStreetMap道路數(shù)據(jù)探討道路密度與類型多樣性的空間格局及相互關(guān)系。文獻(xiàn)[5]在分析矩形城市空間形狀和道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上,構(gòu)建以成本最小、居民出行時(shí)間最少為優(yōu)化目標(biāo)的矩形網(wǎng)格道路多模式布局模型。文獻(xiàn)[6]利用軌跡轉(zhuǎn)向角熱點(diǎn)分析法提取道路交叉口區(qū)域,然后采用低頻軌跡聚類法識(shí)別交叉口轉(zhuǎn)向模式,并劃分路段軌跡,對(duì)道路網(wǎng)幾何、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)建模。然而,應(yīng)用上述幾種模型后,盡管道路交通事故發(fā)生率有所降低,但城市交通供需狀態(tài)仍未達(dá)到平衡。

文獻(xiàn)[7]根據(jù)城市群公路通道特點(diǎn)量化道路結(jié)構(gòu)形式，對(duì)城市群道路進(jìn)行分類,根據(jù)銜接模式選擇模型，實(shí)現(xiàn)通道與城市交通網(wǎng)絡(luò)銜接設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[8]以街區(qū)內(nèi)部所有道路作為可選道路集,以路段飽和度超限量最小化和OD車流繞行距離最小為優(yōu)化目標(biāo),建立了街區(qū)內(nèi)部交通微循環(huán)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化雙層規(guī)劃模型。文獻(xiàn)[9]根據(jù)路段通行能力和道路網(wǎng)容量構(gòu)建了以路網(wǎng)容量最大為目標(biāo)的上層模型和隨機(jī)路徑選擇為目標(biāo)的下層模型,并利用迭代優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的求解。然而,應(yīng)用上述幾種模型后,僅在一定程度上緩解了城市道路網(wǎng)的交通擁堵壓力。

文獻(xiàn)[10]通過分析路網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)特征和城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了特征相似性度量過程,通過融入道路實(shí)體方位關(guān)系的相似度量實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)匹配規(guī)劃。文獻(xiàn)[11]在計(jì)算復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息維數(shù)和體積維數(shù)的基礎(chǔ)上,利用結(jié)構(gòu)分形維選取道路,實(shí)現(xiàn)道路網(wǎng)連通方式的多樣性規(guī)劃。盡管從道路通行特征角度來看,這2種模型的規(guī)劃合理性更強(qiáng),但應(yīng)用這2種模型后,與主干道路匹配的TPI始終不能達(dá)到預(yù)期水平,從而導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)固定路口處的車流總量難以下降。

拓?fù)淅碚撌菐缀螌W(xué)的一個(gè)分支,不受面積與距離的約束,能夠通過嚴(yán)格的非數(shù)量關(guān)系來表述空間的內(nèi)在關(guān)系,從而增強(qiáng)空間內(nèi)各元素的布局共通性和全局性。將拓?fù)淅碚搼?yīng)用于道路網(wǎng)規(guī)劃,將能進(jìn)一步平衡城市道路的供需關(guān)系。

平原城市的空間結(jié)構(gòu)可分為多中心式、方格網(wǎng)式、環(huán)狀放射式和軸線關(guān)聯(lián)式4種模式。在環(huán)狀放射式布局模式中各元素的連通性和全局性最強(qiáng)。因此,為進(jìn)一步有效緩解平原城市交通壓力,參考環(huán)狀放射式布局思路,引入拓?fù)淅碚?在彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中,通過計(jì)算城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度、確定規(guī)劃容量等方式,建立一種新的城市道路網(wǎng)規(guī)劃布局模型,再通過模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn),突出說明該新型布局模型的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 城市道路網(wǎng)形態(tài)

基于拓?fù)淅碚摰某鞘械缆肪W(wǎng)形態(tài)研究包含彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度確定、道路聚集系數(shù)計(jì)算3個(gè)步驟,具體處理方法如下。

1.1 彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是城市道路網(wǎng)規(guī)劃布局模型建立的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),由一個(gè)核心點(diǎn)和多個(gè)次級(jí)道路節(jié)點(diǎn)共同組成,呈放射式形態(tài)。如圖1所示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),可將該結(jié)構(gòu)中的“O”節(jié)點(diǎn)作為該城市的中心地標(biāo),“A～J”節(jié)點(diǎn)分別代表10個(gè)不同的次級(jí)道路節(jié)點(diǎn)。為增強(qiáng)城市道路網(wǎng)內(nèi)部的布局共通性,每個(gè)道路節(jié)點(diǎn)都向外發(fā)散9條連通路徑,分別與除中心節(jié)點(diǎn)“O”以外的次級(jí)道路節(jié)點(diǎn)相連,由此形成一個(gè)全面規(guī)劃的彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)[12]。對(duì)于其他形式的彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)來說,中心節(jié)點(diǎn)“O” 所處位置也可適當(dāng)發(fā)生改變。

圖 1 城市道路彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Elastic topological network of urban road

1.2 城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度

城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度是確定彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)聚集能力的重要參考指標(biāo),對(duì)于平原城市道路網(wǎng)來說,相鄰道路節(jié)點(diǎn)間的連線長(zhǎng)度就是相鄰節(jié)點(diǎn)間路徑長(zhǎng)度的最小值。而經(jīng)過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中心點(diǎn)“O”的對(duì)位道路節(jié)點(diǎn)連線長(zhǎng)就是城市網(wǎng)規(guī)劃路徑長(zhǎng)度的最大值。對(duì)于放射式城市道路網(wǎng)來說,垂直鄰位道路節(jié)點(diǎn)間的連線長(zhǎng)就是城市網(wǎng)規(guī)劃路徑長(zhǎng)度的最小值,斜向?qū)ξ坏缆饭?jié)點(diǎn)間的連線長(zhǎng)就是城市網(wǎng)規(guī)劃路徑長(zhǎng)度的最大值[13-14]。

在彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,假設(shè)lmin代表道路節(jié)點(diǎn)間的最短連線長(zhǎng)度,lmax代表道路節(jié)點(diǎn)間的最長(zhǎng)連線長(zhǎng)度,t代表城市道路網(wǎng)中的連接拓?fù)湎禂?shù),聯(lián)立上述物理量,可將城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度表示為

(1)

式中:χ為城市道路網(wǎng)的規(guī)劃布局系數(shù);p為道路節(jié)點(diǎn)間的車流量平均值。

1.3 道路聚集系數(shù)

道路聚集系數(shù)是用于表征彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中布局節(jié)點(diǎn)聚集程度的指標(biāo),既能表示中心節(jié)點(diǎn)與次級(jí)道路節(jié)點(diǎn)間的連接概率,也能表示相鄰及相對(duì)道路節(jié)點(diǎn)之間的連接概率。在已知城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度的情況下,道路聚集系數(shù)同時(shí)受到道路節(jié)點(diǎn)間拓?fù)湟?guī)劃行為和布局協(xié)調(diào)性的影響[15-16]。道路節(jié)點(diǎn)間拓?fù)湟?guī)劃行為也叫道路節(jié)點(diǎn)間的連接制約作用,通常情況下,每個(gè)道路節(jié)點(diǎn)可向外延伸的連接通路數(shù)量不固定,出于方便考慮,單通道節(jié)點(diǎn)、多通道節(jié)點(diǎn)可出現(xiàn)在同一彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)之中。布局協(xié)調(diào)性描述了城市道路網(wǎng)所具有的綜合規(guī)劃能力,隨著彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中次級(jí)道路節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,整個(gè)城市網(wǎng)內(nèi)部的布局協(xié)調(diào)性也會(huì)逐漸加強(qiáng)[17]。假設(shè)i代表道路節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)湟?guī)劃行為量,w代表城市網(wǎng)路徑的布局協(xié)調(diào)系數(shù),聯(lián)立式(1),可將彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的道路聚集系數(shù)表示為

(2)

式中:e為彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的單通道節(jié)點(diǎn)數(shù)量;u為彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的多通道節(jié)點(diǎn)數(shù)量;λ為城市道路網(wǎng)內(nèi)的車輛流動(dòng)系數(shù)。

2 道路規(guī)劃布局

在城市道路網(wǎng)中,各級(jí)道路間的比例關(guān)系應(yīng)按照“主干路→次干路→支路”逐級(jí)呈正金字塔結(jié)構(gòu)排列,才能實(shí)現(xiàn)各級(jí)道路間的功能協(xié)調(diào)、合理。為此,在城市道路網(wǎng)形態(tài)拓?fù)淅碚摰闹С窒聵?gòu)造逐級(jí)路網(wǎng),繼而根據(jù)交通個(gè)體時(shí)空消耗量、路網(wǎng)布局控制系數(shù)、車流干擾量計(jì)算道路規(guī)劃容量,在此基礎(chǔ)上考慮實(shí)現(xiàn)道路布局供需平衡,結(jié)合之前所得的道路聚集系數(shù)、城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度完成對(duì)城市道路網(wǎng)規(guī)劃布局模型的設(shè)計(jì)。

2.1 逐級(jí)路網(wǎng)構(gòu)造

在拓?fù)淅碚撟饔孟?逐級(jí)路網(wǎng)構(gòu)造需要遵循以下規(guī)律:同等重要的2個(gè)城市道路節(jié)點(diǎn)需要在遵循彈性拓?fù)渚W(wǎng)構(gòu)造原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃連接。無法直接相連的城市道路節(jié)點(diǎn),不能忽視道路聚集系數(shù)的作用而強(qiáng)行連接[18-20]。逐級(jí)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,根據(jù)道路節(jié)點(diǎn)重要度等級(jí),可將城市道路網(wǎng)內(nèi)部的通路分為必要連接(圖2中綠色部分)、非必要連接(圖2中紅色部分)2類。

圖 2 逐級(jí)道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Step-by-step road network structure

在一個(gè)完整的城市道路網(wǎng)內(nèi)部,至少存在一個(gè)閉合的必要節(jié)點(diǎn)連接通路?？紤]車輛行駛的安全性,非必要連接通路不可單獨(dú)閉合,必須保證其包含于必要連接通路內(nèi)部,且2條相鄰?fù)烽g的車輛行駛方向必須實(shí)時(shí)相反[21]。對(duì)于丁字路口或城市斷頭路來說,則可根據(jù)布局路徑的長(zhǎng)度數(shù)值,構(gòu)建成全新的彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。

2.2 規(guī)劃容量

城市道路網(wǎng)規(guī)劃容量是交通布局容量的引申概念,是指在固定的道路交通環(huán)境下,連接通路在單位時(shí)間內(nèi)(1 min)所能容納的最大車流量數(shù)值,易受到交通個(gè)體時(shí)空消耗量、路網(wǎng)布局控制系數(shù)、車流干擾量3項(xiàng)物理指標(biāo)的影響[22]。交通個(gè)體時(shí)空消耗量是描述城市道路網(wǎng)擁堵程度的關(guān)鍵指標(biāo),用d表示。在拓?fù)淅碚撟饔孟?d對(duì)路網(wǎng)規(guī)劃容量起到正向促進(jìn)作用。路網(wǎng)布局控制系數(shù)可表示為μ,隨道路聚集系數(shù)的增大,μ會(huì)出現(xiàn)明顯縮小的變化趨勢(shì),對(duì)路網(wǎng)規(guī)劃容量起到負(fù)向促進(jìn)作用。車流干擾量可表示為S,是指單位時(shí)間內(nèi)通過城市道路節(jié)點(diǎn)的無關(guān)車輛數(shù)值,對(duì)路網(wǎng)規(guī)劃容量起到負(fù)向促進(jìn)作用。在上述物理量的支持下,聯(lián)立式(2),可將城市道路網(wǎng)的規(guī)劃容量計(jì)算結(jié)果表示為

(3)

式中:εmin代表路網(wǎng)布局規(guī)劃的最小實(shí)施權(quán)限;εmax代表路網(wǎng)布局規(guī)劃的最大實(shí)施權(quán)限;S′代表單位時(shí)間內(nèi)通過城市道路節(jié)點(diǎn)的規(guī)劃記錄車輛數(shù)值。

2.3 布局供需平衡

道路網(wǎng)布局供需平衡是基于拓?fù)淅碚摰某鞘械缆肪W(wǎng)規(guī)劃布局模型設(shè)計(jì)過程的末尾處理環(huán)節(jié)。簡(jiǎn)單來說,供需平衡就是將擁堵處的車輛分流至非擁堵處,再通過合理規(guī)劃,使得整個(gè)城市道路網(wǎng)的布局合理性不斷提升[23],布局供需平衡流程如圖3所示。

圖 3 布局供需平衡流程圖Fig.3 Flow chart of supply and demand balance of layout

分析圖3,可根據(jù)道路節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)占用狀態(tài),預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的車流通行量,再將這些數(shù)據(jù)作為制定全新路網(wǎng)布局計(jì)劃的參考條件[24]。通常情況下,布局供需平衡過程需要采集道路聚集系數(shù)、城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度、道路規(guī)劃容量等數(shù)值,并核對(duì)彈性拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實(shí)際搭建模型的方式,確定現(xiàn)有布局形式的薄弱點(diǎn)所在,再加大力度對(duì)該處所擁堵的車流進(jìn)行疏導(dǎo),以達(dá)到最大化緩解交通壓力的目的。

至此,完成布局結(jié)構(gòu)的搭建及對(duì)各項(xiàng)規(guī)劃參數(shù)的計(jì)算,在拓?fù)淅碚撛瓌t的支持下,實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市道路網(wǎng)規(guī)劃布局模型的設(shè)計(jì)。

3 模型應(yīng)用與檢測(cè)

為驗(yàn)證基于拓?fù)淅碚摮鞘械缆肪W(wǎng)規(guī)劃布局模型的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,在Linux系統(tǒng)中設(shè)計(jì)如下檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

3.1 方法與環(huán)境

在Linux系統(tǒng)中模擬某城市網(wǎng)中的車輛行進(jìn)情況,并將本文模型作為實(shí)驗(yàn)組,將傳統(tǒng)的基于泛在位置數(shù)據(jù)的城市道路網(wǎng)精細(xì)規(guī)劃模型作為實(shí)驗(yàn)組,在既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi),以主干道路TPI和固定路口處車流總量為實(shí)驗(yàn)測(cè)試指標(biāo),分析實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組相關(guān)指標(biāo)的具體變化情況。

實(shí)驗(yàn)過程如下:分別將實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組檢測(cè)元件接入Linux系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)道路聚集系數(shù)、道路規(guī)劃容量、城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度等指標(biāo)參量,使單位時(shí)間內(nèi)的車輛布局形式逐漸趨于穩(wěn)定,根據(jù)各項(xiàng)系數(shù)間的限定關(guān)系確定主干道路TPI、固定路口處車流總量的實(shí)際變化趨勢(shì)。

3.2 主干道路TPI

主干道路TPI可反應(yīng)城市道路網(wǎng)中的交通擁堵水平,是綜合反映城市道路網(wǎng)暢通或擁堵的概念性指數(shù)值,其取值范圍為0～10。通常情況下,TPI數(shù)值水平越低,說明城市道路網(wǎng)交通暢通度越高。表1反映了50 min的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi),實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組主干道路TPI的具體變化情況。

分析表1可知,實(shí)驗(yàn)組主干道路TPI始終保持階段性上升的變化趨勢(shì),整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中共出現(xiàn)2次穩(wěn)定狀態(tài),全局最大值為0.27;對(duì)照組主干道路TPI呈現(xiàn)出先穩(wěn)定上升再小幅度波動(dòng)的變化態(tài)勢(shì),全局最大值可達(dá)到0.42,與實(shí)驗(yàn)組TPI極值相比增加了0.15。綜上可知,應(yīng)用基于拓?fù)淅碚摰某鞘械缆肪W(wǎng)規(guī)劃布局模型可有效提升主干道路TPI水平,對(duì)緩解路網(wǎng)交通擁堵水平起到了明顯的促進(jìn)作用。這是因?yàn)楸疚哪Ｐ鸵詮椥酝負(fù)渚W(wǎng)絡(luò)為規(guī)劃依據(jù),在確定道路路徑長(zhǎng)度的同時(shí)計(jì)算道路聚集系數(shù),從而有效平衡了城市道路的供需關(guān)系,緩解了城市道路擁堵情況。

表 1 主干道路TPI數(shù)值對(duì)比

3.3 固定路口處的車流總量

以60 min作為檢測(cè)時(shí)長(zhǎng),記錄實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組固定路口處車流總量的變化情況,實(shí)驗(yàn)詳情如表2所示。

表 2 固定路口處車流總量對(duì)比Tab.2 Comparison of total traffic flow at fixed junctions

分析表2可知,除第5 min外,對(duì)照組車流量始終低于實(shí)驗(yàn)組,全局最大值僅達(dá)到106輛,明顯低于實(shí)驗(yàn)組的最大值141輛。綜上可知,應(yīng)用基于拓?fù)淅碚摰某鞘械缆肪W(wǎng)規(guī)劃布局模型,能夠有效實(shí)現(xiàn)增大固定路口處車流總量數(shù)值的目的。這是因?yàn)楸疚哪Ｐ驮谕負(fù)淅碚撟饔孟?構(gòu)建了逐級(jí)道路網(wǎng)結(jié)構(gòu),結(jié)合交通個(gè)體時(shí)空消耗量、路網(wǎng)布局控制系數(shù)和車流干擾量3項(xiàng)物理指標(biāo)計(jì)算道路規(guī)劃容量,從而保證道路布局的供需平衡,增加路口車流總量。

4 結(jié) 語(yǔ)

與原有的道路網(wǎng)布局方法相比,本研究設(shè)計(jì)的新型城市道路網(wǎng)規(guī)劃布局模型在拓?fù)淅碚摰闹С窒?確定了城市網(wǎng)路徑長(zhǎng)度和道路聚集系數(shù),又按照逐級(jí)路網(wǎng)的構(gòu)造需求,并根據(jù)交通個(gè)體時(shí)空消耗量、路網(wǎng)布局控制系數(shù)和車流干擾量完成了布局供需的平衡與處理,使得應(yīng)用該模型后,城市道路網(wǎng)中的交通擁堵程度得以降低,且固定路口處車流總量有所增加。

在接下來的研究中,將進(jìn)一步對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化,在對(duì)道路進(jìn)行合理規(guī)劃布局的基礎(chǔ)上,增加道路交通量預(yù)測(cè)和控制過程,以期更有效調(diào)控道路交通運(yùn)行狀態(tài)。