基于暢通可靠度的城市道路網絡改擴建優化

摘 要：為提高城市道路網絡暢通可靠度，開展基于暢通可靠度的城市道路網絡改擴建優化研究。通過城市道路暢通可靠度計算并基于暢通可靠度的道路網絡優化模型，確定道路網絡改擴建單元范圍，明確改擴建優化基本思路。根據改擴建優化后城市道路網絡性能評價可得，按照新的優化思路進行改擴建，可有效提高城市道路網絡的暢通可靠度，從根本上解決城市交通供需矛盾問題。

關鍵詞：暢通可靠度；道路網絡；改擴建

中圖分類號：U 49" " " " 文獻標志碼：A

目前我國城市道路的主要問題如下：交通網絡的等級結構不合理，造成了交通系統混亂；公路總體建設不夠完善，路網體系仍存在空白；公路的總體規劃和建設水平不高，部分公路的功能定位不清晰；公路交通安全狀況較差，主要表現為網絡結合不通暢，路段和路口的交通容量不相適應；交通運輸網絡的發展破壞了城市的歷史和文化背景；公路網的規劃與建設缺乏彈性，沒有充分考慮公路網的防災作用[1]。由于多種問題導致城市交通供需嚴重失衡，進而降低了出行品質和生活水平，因此從根本上把握問題實質并加以解決，是城市交通建設與發展的當務之急[2]。

1 城市道路暢通可靠度計算

為確保城市道路的暢通，應在對城市道路網絡進行改擴建優化前明確城市道路暢通可靠度的計算方式。該指標只有在暢通的前提條件下才具有實際意義[3]。在城市道路網絡中，該指標定義為在工作日高峰時段中，道路網絡在正常運營的情況下，交通運行狀態能夠滿足暢通條件的概率。根據上述定義，得到如公式（1）所示的暢通可靠度表達式。

φi=P{γ} （1）

式中：φi代表在道路網絡上單元i中的暢通可靠度；P{γ}代表在高峰時間內單元i找中的車輛暢通概率。

進一步得出城市道路阻塞概率，如公式（2）所示。

Pf，j=1-φi （2）

式中：Pf，j代表城市道路阻塞概率。

針對現有城市道路網絡，采用經驗統計的方式對各路段、路口的暢通可靠概率進行評估，根據路段和路口的標準判定單元是否暢通，并通過公式（3）計算單元暢通度的近似值ci。

（3）

式中：τc代表在高峰時段中路口、路段暢通的次數；τz代表總觀測次數。

在實際中，可根據調研能力適當增加觀察數量，提高評價的準確性，也可將觀察日劃分為工作日和休息日，針對每天不同的交通高峰期進行觀察，從而使對應的交通流通暢指數更有針對性[4]。在沒有任何觀察條件的情況下，可以根據交通警察和駕駛員的經驗來估算。

2 基于暢通可靠度的道路網絡優化模型

確定城市道路網絡暢通可靠度的計算標準后，將提升暢通可靠度作為城市道路網絡改擴建的優化目標，構建優化模型[5]。本文在道路網絡優化過程中將綜合考慮路網暢通可靠度和改擴建所需的資金條件，由此構建2個優化模型，一種是在總建設資金約束下的最大道路網絡暢通度，另一種是在路網暢通度最大條件下的最小總建設資金。本文選擇第一類情形，即當總投資固定時，道路網絡的通暢可靠性為最大的情形，可用公式（4）表示。

maxP（x1，x2，…，xn）

st.C（x1，x2，…，xn）≤C0（x1，x2，…，xn） （4）

式中：C代表道路網絡的改擴建費用；P代表道路網絡的暢通可靠度。

當路口或路段需要進行改擴建時，必定會產生相應的建設資金，如果某一個路口或路段不需要進行改擴建，此時改擴建費用C的取值就為0。以上模型的意義在于，在一定的資金支持下，選擇某些相對重要的道路單元，并通過某些改進措施來提升其暢通可靠度，進而提升整體網絡的暢通可靠度[6]。其基本思想包括3個部分。首先，在一定的資金約束下，選擇需要改造的一組路段和一組交叉口。其次，計算改造后的一組道路網絡中的全部路口和一組路段的暢通可靠度。最后，計算路網中各單元的暢通可靠度。為使該模型具有較好的求解效果，必須反復執行上述3個步驟，以確定最佳的改擴建方案。

3 確定道路網絡改擴建單元范圍

在明確基于暢通可靠度的道路網絡優化目標后，結合獲取的道路網絡數據和交通數據，計算城市道路網路交通量，并通過計算結果進一步求解暢通可靠度。對于一個城市道路網絡單元，需要對路段和交叉口分別進行暢通可靠度求解。結合當前道路網絡暢通可靠度現狀和該城市道路網絡的重要度，確定道路網絡單元修正的重要度，再結合重要度進行排序，確定重要度最高的道路網絡單元，以此確定需要進行改擴建的最終單元范圍[7]。在這一過程中，為了確保結果的合理性，可利用遺傳算法優化城市道路網絡改擴建范圍判定。在此基礎上結合修正單元的重要度，確定待優化單元，提出每個單元的多個備選設計方案，并給出相應的離散最優參數和可選的離散數值。為便于計算，在所有單元中選取修改單元重要性最高的8個路段，將其作為研究對象，每個單元提出一個改擴建方案。應用遺傳算法進行運算后，8個路段構成一個道路網絡改擴建范圍。上述過程需要在遺傳空間內完成，因此需要結合二進制對變量進行編碼。假設單元n的可靠度為ψn，并存在m個可以選擇的離散值，將ψn表達為二進制的子串形式的串長，應當滿足公式（5）所示的條件。

2lr≥m （5）

式中：lr代表子串形式的串長。

如果某單元的可靠度ψn包括4個可以選擇的離散值，就可以用2比特的二進制碼00～11表示。其中，00代表第一個可選擇的離散值，01代表第二個，10代表第三個，11代表第四個。遺傳算法是一種經過選擇、雜交和變異并反復迭代的搜索方法，通過多次演化逐步逼近最優解，而不是剛好等于最優解，最后得到的是滿意解，所以需要確定中止條件。通常先設定一個最大遺傳代數，經過幾代之后，該算法的解的適應性不能得到顯著改善時，該算法就會終止，并輸出最終的優化結果。

4 改擴建優化后的城市道路網絡性能評價

如何評估現行城市道路交通運輸網絡的運作情況、存在的問題和潛在的發展空間；如何對路網規劃進行評估，以適應未來不斷增加的交通需求；如何對交通規劃的執行進行反饋與檢查，是對城市道路交通進行管理、調整、規劃時必然面臨的問題。

基于總體層面分析，城市道路交通系統的運行狀況是由2個因素決定的，一個是時間因素，另一個是空間因素。如果把時、空結合在一起，會形成一個四維空間，因此可將城市道路交通網絡看作四維空間里的一個“容器”。道路網絡改擴建優化效果的評估是在綜合考慮城市、人、社會和經濟等多方面交通需求的情況下，分析道路提供服務與其承載容量間的矛盾關系。為確保相關工作的規范性，可以從靜態、動態和綜合角度進行道路網絡綜合性能評價，性能評價與分析架構如圖1所示。

在上述內容的基礎上，應明確城市道路網絡的發展水平，從總體層面上反映城市交通的適應性，即交通網絡與城市規模、居住人口、社會經濟發展水平的關系。交通網絡是城市建設與發展中的主干，也是城市發展中的必要條件，是保障社會經濟體制正常運行并滿足居民生活、工作和娛樂的必要條件。因此，進行改擴建優化后城市道路網絡性能評價時，必須綜合考慮影響城市道路網絡的各方面因素，設計城市道路網絡性能評價指標集合，如圖2所示。

明確城市道路網絡性能評價指標后，從城市發展宏觀角度綜合評估道路網絡布局質量，綜合評估理論框架如圖3所示。

在上述內容的基礎上，應遵循性能評價中定量與定性相結合的原則，在考慮各項指標影響的情況下描述評價指標間點、線、面關系，如圖4所示。

以某城市道路為例，綜合上述各項指標，對各條路進行改擴建優化前、后暢通可靠度計算，計算過程參照上文中的公式（1），并將計算后的結果進行量化，結果見表1。

對試點城市的編號道路路口進行暢通可靠度評估，其結果見表2。

5 結語

在城市快速發展和道路高速建設過程中，城市交通問題日益受到重視。為全面落實并推進此項工作，本文進行了此次研究，并得出如下結論。

綜合表2可以看出，優化前道路交通暢通可靠度評估等級為B～F，即城市道路交通網絡綜合情況較差，道路車輛經常發生擁堵。而優化后道路交通暢通可靠度評估等級為A，即按照本文方法進行道路網絡改擴建優化，可提高道路交通暢通可靠度評估等級，在保證道路交通車流量穩定且幾乎不存在擁堵問題的基礎上，為出行群體提供更良好的駕駛與行車體驗。希望通過此次研究能提供一些切實可行的辦法，在一定程度上改善、優化城市道路網絡，保證群眾日常交通需求。

參考文獻

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