基于均衡分配模型与饱和度的路网规划方法研究-1

基于均衡分配模型与饱和度的路网规划方法研究刘乙霏 【1】 1.上海海事大学，上海，200135；2.上海海事大学，上海，200135摘 要：为解决城市路网布局是否合理问题，引入路网规划工作；阐述了路网规划的重要性、工作程序、工作原理；建立均衡交通分配模型并引入道路饱和度概念；给出 EMME 软件交通分配的流程；运用 EMME 软件进行交通分配和分配结果分析并对方案进行评价。最后，以高新区路网作为实例，对高新区路网进行分析规划。关键词：路网规划；均衡分配模型；交通分配；饱和度；EMME 软件Theoretical Analysis and Empirical Study on Optimization for Urban Road Network PlanningYifei Liu 11. Shanghai Maritime University, Shanghai, 200135; 2. Shanghai Maritime University, Shanghai,Abstract: Network Planning designed to address the reasonableness of the urban road network layout. This paper described the importance of road network planning, procedures and working principles, as well as established of equilibrium traffic assignment model and introduced the concept of saturation. The flow of traffic assignment vie EMME also Described. At last, the network of High-tech Zone was used as an example.Keyword: Network Plan/ Traffic Assignment/ Saturation/ EMME0. 引言路网规划是城市交通规划的最终立足点，城市交通规划工作中进行的大量交通调查、资料收集以及对这些信息的整理、分析和交通预测工作，再加上规划工程师对路网系统的规划构思和规划艺术，都须最后落实到路网规划上。进行路网规划的工作程序首先是进行数据收集，建立数字化的路网模型，在相关软件协助下对模型进行求解分析，最后提出修改方案并对方案进行评价。本论文将交通均衡分配模型与道路饱和度理念相结合运用到路网规划中，把目标区域路网现状年和预测年的高峰小时车辆 OD 矩阵模拟分配到路网模型之上，然后对分配了交通量的模型运用软件进行分析评价，通过分析评价的结果来发现问题，并相应地改进路网。1. 路网规划中的理论分析1) 均衡分配模型道路网流量分配道路网规划中至关重要的一个环节，是制定规划方案的一个关键技术。交通量分配即是将已经预测是出的 OD 交通量按照一定的规则符合实际地分配到道路网中的各条道路上，并求出各条道路的交通量 【1】 。OD 交通量是两点之间的交通量，即从出发地到目的地之间的交通。一般的道路网中，两点之间（即 O 与 D 之间）有很多条道路，如何将 OD 交通量正确合理地分配到 O与 D 之间的各条道路上即是交通分配模型要解决的问题。实际道路网中一般有很多组 OD，每组 OD 之间的各条路径都由很多独立的路段组成，由这些独立的路段又可以排列组合成无数条不同的路径。因此实际道路网的每组 OD 之间都有很多的路径。另外，各组 OD 之间的路径也相互重叠。由于这些原因，实际道路网的均衡远远比上述的现象要复杂。由于这种复杂性，从 1952 年 War drop【2】 提出道路网均衡的概念和定义之后，如何求解War drop 均衡成了研究者的重要课题。 1956 年， Beckmann 等提出了求均衡交通分配解的一种数学规划模型。经过 20 年之后即 1975 年才有 LeBlanc 等学者将 FrankWolfe 算法用于求解 Beckmann 模型获得成功，从而形成了现在的实用解法。这三点突破是交通分配问题研究的重大进步，也是交通分配问题的基础。交通分配与均衡都是以考虑拥挤对行走时间的影响为基础和前途的，而考虑的方法则是借助走行时间交通流量函数。即路段的走行时间与路段上通过的交通流量之间的关系函数。普通的道路走行时间交通流量函数可表达为：（1-1）()atfq式中： 通过路段 a 的所需时间；at路段 a 上通过的交通量；q对于道路走行时间函数的研究，既有通过实测数据进行回归分析的，也有进行理论研究的。其中广泛应用的是美国道路局（Bureau of Public Road， BPR）开发的函数，被称为 BPR 函数，其形式为：（1-()01()aaaqtqtC2）其中 道路 a 的交通容量，即单位时间里道路 a 可通过的最大车辆数；aC、 参数；道路 a 的自由走行时间；(0)at后来经改进的 BPR 函数为 ， 这种情况下的 是指稳定交通2.65aC量（steady state capacity） 。道路的实用交通容量小于稳定交通容量。进行交通量分配的前提条件是已知 OD 交通量、网络图和网路图中各路段的走行时间函数。EMME 分配方法是平衡分配法。均衡分配模型可以求出满足 War drop 平衡原理的路段交通量。最为常用的是 Beckmann 提出的交通量分配模型。首先，介绍模型中使用的变量：路段 上的交通量； ax单位 PCU 标准机动车通过路段 的交通阻抗（也称综合行程费用走t a行时间） ，它包含多项内容：行程时间、安全、成本和舒适程度等，但主要是指时间。通常记： ， ()atx出发地为 r，目的地为 s 的 OD 间的第 条路径上的交通流量；rskf k出发地为 r，目的地为 s 的 OD 间的第 条路径的走行时间；rsc01 变量。如果路段 在出发地为 r、目的地为 s 的 OD 间的第rsaka条路径上。则 1，否则 0；rsakrsk OD 对之间的所有连接线路构成的线路集合；rsKOD 对 之间的 OD 交通量；rsqsrN：网络中节点的集合；L：网络中路段的集合；R：网络中出发地的集合；S：网络中目的地的集合；其次我们分析模型应该满足的基本约束条件。对于分配问题本身应满足的条件只有交通流守恒条件。即各 OD 间的交通量应该全部分配到网络中去。或者说 OD 间各条路径上的交通总量应等于 OD交通量。用公式则表示为：（1-3）rskfqsr,同时， ，0rskfsr,其它的约束条件则是变量之间的关系。路径交通量 与路段交通量 之间rskfax的关系式为：（1-rsakarsxf4）其次，路径的总走行时间与路段的走行时间的关系式为：， （1-rsrskakct,rsKRsS5）上述条件作为基本约束条件。用取目标函数极小值 【3】 的办法来求均衡分配的解。提出的均衡分配模型如下：min （1-0()xatd6）Subject to： （1-rskfqsr,7）（1-rsakarsxf8）（1-0rskf,9）2) 模型求解算法步骤在众多分配算法中，用户平衡分配算法是最复杂的。用户平衡分配法求解UE（user equilibrium）模型的步骤可归纳如下：Step 0：初始化。按照 ，实行一次 01 分配。得到各路段0()ata的交通流量 ，令 n1；1aXStep1：更新。令 ()naatXStep2：寻找下一步的迭代方向。按照 实行一次 01 分配，并得到一nat组附加交通流量 ；naYStep3：确定步长。求满足下式的 n()()0nnnaaaYXtYX1naStep4：确定新迭代点。令 1()nnaaStep5： 收敛性检验。如果 已满足规定的收敛准则，停止计算。1X即是要求的平衡解；否则令 nn1。1naX3) 饱和度道路饱和度反应了道路的服务水平，一般计算公式为（1-/SVC10）道路饱和度； 最大交通量； 最大通行能力S由于在实际中难以考虑到道路服务水平、拥挤程度等多方面制约因素，因此在路网规划评价中常以饱和度数值作为评价服务水平的主要指标。饱和度值越高，代表的道路通行能力越低。我国则一般根据饱和度值将道路拥挤程度、服务水平分为如下四级：一级服务水平：道路交通顺畅、服务水平好，V/C介于0至0.6之间；二级服务水平：道路稍有拥堵,，服务水平较高，V/C介于0.6至0.8之间；三级服务水平：道路拥堵,，服务水平较差，V/C介于0.8至1.0之间；四级服务水平：V/C1.0 ，道路严重拥堵，服务水平极差。2. EMME 软件实现交通分配过程路网规划中需要用到 EMME 软件。EMME 软件最初由加拿大 Montreal 大学开发，后由 INRO 咨询公司继承。该系统为用户提供了一系列内容丰富、可进行多种选择的需求分析及网络分析与评价模型 【4】 。行业中大多数高级建模师依靠可信赖的 EMME 来完成世界上许多最复杂的交通系统模型。EMME 提供有效且强大的算法，在交通模型领域内被誉为金牌标准系统。INRO 公司在平衡分配和综合多模式分配中处于领先地位，能够迎合不同用户的需求。通过项目、背景交通分析分布完成后，将交通流量分布的 OD 矩阵合并，得到一个区域预测年的全 OD 矩阵，再统一地运用 EMME 软件进行交通流量分配，得到预测年路段交通量，并以此为基础进行下一步的分析评价。EMME 软件的交通量分配具体过程如 Fig.1 所示 【5】 。路网型心，节点，连杆、路段、转弯参数停止准则方程路段延迟函数与交叉口延误将需求导入均衡分配模型路网机动车流量/机动车行驶时间矩阵：行驶时间矩阵矩阵行人与机动车 OD 需求矩阵Fig.1 EMME 软件分配流程图Fig.1 EMME distribution flow chart3. 应用实例以高新区为例Step1：高新区现状路网分析高新区内部道路结构分为快速路和高速路、主干路、次干路、支路四类。高新区快速路形成“一横（通途路）两纵（世纪大道、东外环线） ”格局。快速路和高速路是高新区与宁波市中心和周边地区连接的主要通道。路网规划需要做的工作为通过分析确定需要拓宽的道路。Fig.2 中所示路网为某高新区现状路网图。Fig.2 区域现状路网图Fig.2 Regional Road Network StatusTab.1 预测得出的该高新区 2015 年机动车高峰小时 OD 矩阵Tab.1 Derived from high-tech zones predicted in 2015 that the peak hour vehicle OD matrix90190290390490590690790890991091191291391491591691791891992092192292392490146 210 218 232 156 149 142 227 88 58 44 211 219 266 154 72 18 26 135 138 45 46 201 193 90248 86 83 90 62 59 56 90 35 22 17 83 86 105 60 28 25 21 184 184 44 73 253 259 90356 128 147 149 94 93 90 143 54 36 28 132 135 168 98 47 23 26 254 146 64 65 248 249 90437 58 62 72 44 42 43 69 25 17 13 63 65 80 48 20 41 42 178 138 71 44 270 222 90578 182 183 205 146 133 127 204 79 52 40 188 195 237 137 60 23 25 192 166 70 46 284 271 90649 116 118 132 89 96 84 140 53 35 26 131 135 158 94 39 22 35 227 141 40 36 234 247 90753 96 100 114 73 72 77 117 43 28 22 108 109 136 79 32 24 20 164 162 62 54 285 286 9084 9 9 11 7 7 7 13 4 3 2 11 12 14 8 3 38 10 89 146 45 45 240 190 90960 140 141 159 106 110 102 171 74 47 36 172 179 201 125 46 19 39 148 140 37 47 205 215 91051 118 121 138 92 93 89 149 61 44 34 149 158 175 109 39 36 40 183 126 46 37 296 252 91143 72 75 84 55 58 54 91 37 26 22 91 97 109 70 24 63 52 271 153 67 87 325 376 9120 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 91358 136 140 159 104 108 102 171 70 48 37 172 190 204 128 45 33 18 224 198 38 68 268 265 9140 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9150 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 91639 91 94 105 70 73 68 114 48 32 24 114 123 135 84 30 18 19 125 113 24 38 158 161 9178 63 67 93 94 84 39 70 23 31 82 59 58 65 63 33 33 0 33 35 54 51 54 51 9185 47 31 51 89 84 37 93 21 27 72 79 74 78 76 41 0 45 47 48 49 57 48 41 91921 156 139 202 174 176 86 160 38 74 173 155 199 217 164 135 131 128 114 122 119 128 137 133 92017 136 106 176 174 150 91 213 57 73 189 215 214 217 212 163 131 141 143 145 149 111 143 127 9217 45 42 55 63 56 29 49 15 21 43 58 62 69 57 35 33 26 26 38 33 15 27 37 9226 44 42 63 65 52 21 62 17 22 46 48 45 46 53 35 34 30 36 30 38 34 34 37 92313 97 96 129 101 108 56 126 33 43 103 121 121 118 119 82 77 73 69 75 65 86 79 77 92417 110 131 177 159 164 78 169 46 63 163 177 162 161 160 114 101 107 103 100 98 101 97 102 Step2：交通分配运用 EMME 软件将 Tab.1 中的 OD 矩阵分配到现状路网上，得到 2015 年的预测流量在现状路网上的分布情况。如 Fig.3 所示。Fig.3 2015 年预测流量在现状路网的分布图Fig.3 2015 traffic forecast in the status quo in the distribution network由 Fig.3 看出，该路网中，黄色、蓝色和绿色阴影区块内及周边道路流量相比其他区块要大很多。这是因为在这些区块中，断头路与堵头路的比例相比其他区块要高。如果没有及时建设足够的道路，当流量增大到一定程度时，就会造成这些区块内部和周边道路的交通阻塞。因此，要在这些区块内新建道路。Step3：对规划路网进行饱和度分析增加新建道路后，2015 年规划路网如 Fig.4。Fig.4 2015 年规划路网图Fig.4 Planning Road Map 2015进一步通过 EMME 软件得出饱和度在 0.8 以上的路段，如 Fig.5 所示。Fig.5 饱和度超过 0.8 以上路段Fig.5 Saturation of more than 0.8 or more sections由 Fig.5 可以判断出，需要根据实际情况对饱和度超过 0.8 的路段进行改造或拓宽。Step4 方案评价改造拓宽后，运用 EMME 中的“方案比较”功能，得到 2015 年预测流量在规划路网与现状路网上的流量分布对比图，如 Fig.6。Fig.6 2015 年预测流量在规划路网与现状路网上的流量分布对比图Fig.6 2015 forecast traffic situation in the planning of road network and traffic distribution online comparison chart可以发现规划后，各主干路、次干路的交通流量分布逐渐均衡。从南北向来看，杨木碶路、创苑路、冬青路、剑兰路、梅墟路等道路交通量分布较为均衡，分流效果明显。东西方向的菁华路、光华路、扬帆路、新晖路、盎孟港路等次干路交通流量分布比较均衡，起到了较好的分流作用。同时整个路网流量也比较分散。4. 总结城市道路网络作为城市运作和发展的大动脉和骨架，在城市规划中占有举足轻重的作用；一个城市路网规划的优势，决定了这个城市发展形态的优劣。交通路网的改善方案可以通过 EMME 软件进行分析和评价。它为制定出更合理的改善方案提供了有效的技术支持。尤其是新出的 EMME/3，克服掉了之前操作界面不友好的确定，功能更加强大。但是，路网规划的约束条件是十分复杂的，要结合具体问题具体分析。不仅要考虑道路周边地块的用地性质、投资限制等其他众多因素，还要给每一条道路配以合理的红