基于ISM模型的地下環形隧道通行能力影響因素研究

肖新波 馬 騰 焦宇帆 胡美娜

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢 430010； 2.長安大學運輸工程學院 西安 710064)

近年來，隨著城市化的快速發展，土地利用趨于飽和與交通擁堵日益嚴重相沖突、車輛運行帶來的噪聲和廢氣污染等問題難以解決，同時，在地下空間規模化發展、軌道交通快速發展的多重背景下[1]，人們逐漸將目光轉向地下交通，這促進了地下道路建設的迅速發展。地下環形隧道(以下簡稱地下環隧)作為城市地下空間開發的重要組成部分，其建成與使用能夠打造立體化城市交通網絡，減少道路系統的功能重疊，提升區域交通的暢通性、便捷性。同時，地下環隧可以與城市大型地下車庫之間設有連接通道，這也為解決中心城區停車難的問題提供了新的手段。對于節約土地資源、打造高質量城市用地屬性有著極為重要的意義[2]。

目前，國內外學者在城市道路、高速公路的通行能力方面已有不少的研究，大多從交通環境[3-4]、人為因素[5]、交通管理[6]、氣候條件[7]等方面著手，深入分析其對道路通行能力的影響程度及相互關系。但對城市地下環隧的研究并不深入，尤其是在地下環隧的通行能力方面。

開展地下環隧通行能力影響因素的研究有利于從全局角度著眼影響因素-通行能力的關系，研究地下環隧運行狀況與通行能力，對提高地下環隧的服務水平與提升駕駛員滿意度具有重要的現實意義，除此之外，探究影響地下環隧通行能力因素的主次關系也有利于為地下環隧的設計提供參考。

解釋結構模型(interpretative structural modeling,ISM)又被稱為ISM分析法，是John.N.Warfield在1973 年為了分析經濟系統而開發的分析方法，可以解決復雜的系統問題[8]。引入ISM模型可將系統復雜的影響因素間關系進行定性分級分層，解釋各影響因素間的相互影響、相互制約、相互聯系。本文采用ISM分析法，對城市地下環隧通行能力的影響因素進行歸類和分析，解釋各影響因素之間的相互關系及其影響程度，以期提高城市地下環隧的通行效率。

1 地下環隧的主要影響因素

地下環隧作為一個完整的交通系統，主要包括出入口、隧內路段、轉彎路段和服務接入點及各段連接處，而對城市地下環隧通行能力影響因素的分析是一個復雜的過程。目前，地面道路通行能力的影響因素一般選取道路、交通、控制、環境條件等。道路條件通常是指道路的幾何特征，包括車道數、側向凈寬、平縱線形等；交通條件則是指道路交通特征，包括車型比例、交通流量等；控制條件是指道路交通管制設施的形式和設置，比如，交通信號的設置、標志標線的設置、車道的使用管理等；環境條件大多指氣候條件、光照環境等等。考慮到地下環隧與地面道路的差異性，引入地下環隧出入口數量、服務區接入點車道長度等作為其通行能力的影響因素。在參考國內外有關地下隧道、高速公路隧道等文獻[9-10]的基礎上，通過與交通規劃與設計專業技術人員及有關專家的溝通和交流，確認了影響城市地下環隧通行能力的主要影響因素，詳見表1。

表1 城市地下環隧通行能力的主要影響因素

以上影響城市地下環隧的因素體系中，部分因素之間存在相互影響、相互制約的關系。如車道數與出入口數量的增加可吸引更多的車輛進入地下環隧，而車輛數的增加引起流量的增加，當地下環隧的車輛數達到一定程度時，會引起交通流密度過大，從而引起車速的降低，造成延誤。眾多影響因素之間的關系復雜模糊，很難對其進行準確的描述，而ISM模型可有效地解決此類問題。

分析各影響因素之間的相互關系，建立關聯模型，ISM分析法常使用V、A、X、O來表示其相互聯系的方向性，并建立二元關系表。其中：V為該行代表的影響因素影響該列代表的影響因素；A為該行代表的影響因素受該列代表的影響因素的直接影響；X為該行與該列代表的影響因素直接存在相互影響的雙向關系；O為行與列代表的影響因素直接不存在關聯。地下道路影響因素二元關系表見表2。

表2 地下道路影響因素二元關系表

2 建立ISM模型

將二元關系表轉化為鄰接矩陣A，轉換原則為：當表2中元素為V時，aij=1且aji=0；當元素為A時，aij=0且aji=1；當元素為X時，aij=aji=1；當元素為O時，aij=aji=0，另外對角元素為0。轉化結果如下列矩陣A所示。

鄰接矩陣表示的是各因素之間的直接影響關系，將鄰接矩陣A根據布爾運算規則，迭代終止條件如下。

令A(1)=A+E，A(2)=(A+E)2，…，A(K)=(A+E)K。

當A(K+1)=A(K)≠A(K-1)時，迭代終止，此時可得到可達矩陣M。

在可達矩陣M中，若mij=1(或mji=1)，表示行對列(或列對行)有直接或間接影響，若mij=0(或mji=0)則表示行對列(或列對行)相互獨立無影響關系，依據ISM的規范方法，要確定區域內要素所處的層次地位，即級位劃分，首先需要進行區域劃分。得到每個元素的可達集R(Si)、先行集A(Si)、共同集C(Si)。在對城市地下環隧通行能力影響因素的可達矩陣進行分析后，得到該系統各要素的可達集、先行集、共同集表見表3。

表3 ISM模型的可達集、先行集與共同集

級位劃分的基本方法是：找出整個系統要素集合的最高級要素后，將該要素所在的行和列劃去，再求得剩余要素集合中的最高要素。依此類推，直到確定出最低一級要素集合。依照級位劃分的方法，求得城市地下環隧通行能力影響因素系統的級位劃分結果為：L1={S1，S2，S3}，L2={S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10，S12}，L3={S11}。依據上述的分析結果，建立城市地下環隧通行能力影響因素多級遞接結構模型，該模型中影響因素多級遞接結構圖見圖1。

圖1 城市地下環隧通行能力影響因素多級遞接結構圖

3 ISM模型分析與建議

由圖1可知，城市地下環隧的影響因素體系可分為3層。這3個層級反映了地下環隧影響因素之間的關系，根據層級關系可將其劃分為車流特性因素、環境因素與天氣因素，具體分析如下。

3.1 ISM模型分析

第一層的車流特性條件包括車速、流量與密度3個因素。地下環隧作為一個完整的交通流系統，交通流三要素是直接衡量地下環隧通行能力的指標，同時在很大程度上，速度、密度與流量之間的關聯與制約關系也使地下環隧的通行能力變化復雜。

第二層級因素眾多，主要包括：側向凈空、光照、服務接入點車道長度、出入口數量、車型比、曲率、車道數、信號燈設置，此類因素包括道路條件、管制條件、交通條件等，為了能夠更好地對其進行分析，將其統一歸類為環境條件。第二層級的影響因素一旦被確定，交通設施的通行能力即可確定，任一環境因素的改變都會引起地下環隧通行能力的改變。

第三層級影響因素為天氣，將其歸類為氣候條件。地下環隧不同于傳統的城市道路與高速公路，地下環隧呈現的是狹窄的視覺空間，出入口內外行車環境與亮度的變化，以及“黑洞效應”與“白洞效應”的發生會引起駕駛者生理心理行為的變化，從而引起駕駛行為的改變。微觀交通行為的變化引起宏觀交通流的變化，從而對通行能力產生影響。另外，雨雪天氣下地下環隧進出口處受坡度的影響，安全性降低，駕駛員趨于降低進入地下環隧的速度，此時更容易發生擁堵，造成延誤。

由上述分析可見，ISM模型將影響地下環隧通行能力錯綜復雜的因素進行了有效劃分，將其分為3個層級，每個層級包含的指標代表的含義不同，其影響地下環隧的通行能力的程度及原理也不同。第一層級的影響指標通過控制地下環隧的動態車輛輸入，直接影響整個地下環隧的通行能力，而第二層級則聚焦于環境影響，通過影響駕駛員駕駛行為而間接改變地下環隧通行能力。第三層級的影響機制附著于第二層級的同時，具備其特殊性。

3.2 建議

1) 通過使用ISM模型，對影響地下環隧通行能力的因素進行分層，整體而言，第一層級的影響最直接最主要，因此在對地下環隧整體通行能力進行控制時，第一層級指標的重要度最高。

2) 對地下環隧交通流三要素的分析與判斷，得出地下環隧交通流運行狀況最佳的車速、密度與流量，并以此作為交通管制手段的依據之一，通過限速限行、優化地下環隧及其上游的信號燈相位設置、改變地下環隧上游綠波帶等手段，使地下環隧中的交通流處于和諧高效的運行狀態中。

3) 在設計城市地下環隧時，充分考量環境因素對其通行能力造成的影響，充分挖掘地下環隧交通基礎設施的潛力，最大程度為駕駛員提供最佳的駕駛環境，在保障安全的前提下，使地下環隧的實際通行能力最接近理想通行能力。

4) 在考慮氣候條件對地下環隧造成的影響時，可將不同天氣情況下最佳光照強度進行量化，通過對地下環隧出入口處光照的智能調節，降低“黑洞效應”“白洞效應”對駕駛員視覺改變造成的影響，使出入口段的車流運行狀況更加穩定。

4 結語

本文對城市地下環隧影響因素間關系進行探究，通過定性描述二元影響關系與矩陣定量分析的方式建立ISM模型，將12個影響因素分為3個層級：車流特性條件、環境條件和氣候條件，并構建層次遞階結構圖。結果表明，交通流三要素為地下環隧通行能力的直接體現，而環境條件與氣候條件造成的影響也是不容忽視的。為進一步證實各影響因素對地下隧道通行能力的影響并獲得定性影響程度指標，尤其是針對車速、密度與交通量等因素，下一步的研究可以利用實際調查所得的地下環隧數據，建立通行能力影響模型，從而為地下環隧的設計及管制手段提供可靠的決策基礎。