（交通运输规划与管理专业论文）城市路网容量扩充的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国经济水平的高速发展，城市机动车规模不断扩张，造成现有的 城市路网容量已经不能满足当前的交通需要，必须通过科学合理的方法提高 现有的路网容量，以满足当前的或者说未来一段时闻的城市交通需求，所以 对城市道路网容量的扩充进行研究具有一定的实际意义。 本文的研究以路网容量的理论体系为切入点，在以前学者研究路网容量 的基础上，提出了路网容量扩充的概念并给予了定义，同时给出了路网容量 扩充的基本步骤和程序。文章选择以改善路网道路条件作为扩充路网容量的 主要途径，以路网中的关键路段和交叉口集为对象进行容量扩充的研究，同 时给出了影响改造关键路段和交叉口的主要因素并进行了分析。接下来，在 前面对路网容量扩充分析的基础，建立了以关键路段和交叉口集为扩充对象 的路网容量扩充模型，通过模型可以定量地描述路网容量扩充的程度，给出 了算法，并进行了算例分析，结果表明模型具有较强的现实意义。 我国城市面临的交通问题日益严重，交通供需矛盾日益突出，大力推进 对道路系统的更新改造是缓解我国城市交通问题的一个最重要也是最直接的 措施。本文针对当前城市路网存在的问题，研究了城市路网改造的整体规划 方法，同时总结和提出了一些城市道路路段以及交叉口改造的总体方法和具 体措施，并对改造过程中的临时交通组织管理进行了探索性的研究。最后， 给出了一个对关键路段和路口改造次序的优化模型，并进行了简单的算例分 析。 关键词路网容量；容量扩充；路网改造；关键路段；关键交叉口 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h eh i g hl e v e lo fc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，u r b a ns c a l ee x p a n s i o n o fm o t o rv e h i c l e s ，w h i c hr e s u l t i n gi nt h ee x i s t i n gc a p a c i t yo fu r b a nr o a dn e t w o r k c a nn ol o n g e rm e e tt h ec u r r e n tt r a f f i cd e m a n d , w em 女i n c r e a s et h ee x i s t i n gr o a d n e t w o r kc a p a c i t yb ya d o p t i n gs c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lm e t h o d s ，w i l lm e e tc u r r e n t o ri nt h ef u t u r eap e r i o do ft i m em u n i c i p a lt r a n s p o r t a t i o n n e e d ，s or e s e a r c h e x p a n s i o no fc a p a c i t yo fu r b a nr o a dn e t w o r ki sav e r yp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h et h e o r e t i c a lc a p a c i t yo fr o a dn e t w o r ks y s t e mi st h ee n t r y p o i n t ，b a s e do nt h ep r e v i o u ss c h o l a r s s t u d y i n go ft h ec a p a c i t yo fr o a dn e t w o r k ， p u t t i n gf o r w a r dt h ec o n c e p to fe x p a n d i n gc a p a c i t yo f r o a dn e t w o r ka n dd e f i n i n g i t ，a tt h es a m et i m e ，g i v e nt h en e t w o r kc a p a c i t ye x p a n s i o no ft h eb a s i cs t e p sa n d p r o c e d u r e s t h ea r t i c l ec h o i c ei m p r o v e st h er o a dn e t w o r kp a t hc o n d i t i o nt ot a k e t h ee x p a n s i o nr o a dn e t w o r k c a p a c i t yt h em a i nw a y , c o n d u c t st h er e s e a r c ht a k et h e r o a dn e t w o r ke s s e n t i a lr o a ds e c t i o na n dt h er o a di n t e r s e c t i o nc o l l e c t i o na st h e e x p a n s i o no b j e c t ，s i m u l t a n e o u s l yh a sg i v e nt h ei n f l u e n c et r a n s f o r m a t i o ne s s e n t i a l r o a ds e c t i o na n dt h er o a di n t e r s e c t i o n p r i m a r yf a c t o ra n d h a sc a r r i e do nt h e a n a l y s i s t h e n ，i nf r o n tt ot h er o a dn e t w o r kc a p a c i t ye x p a n s i o na n a l y s i s s f o u n d a t i o n ，h a se s t a b l i s h e dt a k et h ee s s e n t i a lr o a ds e c t i o na n dt h er o a d i n t e r s e c t i o nc o l l e c t i o na st h ee x p a n s i o no b j e c tr o a dn e t w o r kc a p a c i t ye x p a n s i o n m o d e l ，m a yt h eq u o t ad e s c r i p t i o nr o a dn e t w o r kc a p a c i t ye x p a n dt h ed e g r e e t h r o u g ht h em o d e l ，h a sg i v e nt h ea l g o r i t h m ，a n dh a sc a r r i e do nt h ee x a m p l e a n a l y s i s ，f i n a l l yi n d i c a t e dt h a tt h em o d e lh a st h es t r o n gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e c h i n e s ec i t i e sa r ef a c i n gt h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u st r a f f i cp r o b l e m s ，t r a n s p o r t s u p p l ya n d d e m a n dh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l y c o n s p i c u o u s ，a n dv i g o r o u s l y p r o m o t e do nr e c o n s t r u c t i n gt h er o a ds y s t e mt oa l l e v i a t et r a f f i cp r o b l e m si n c h i n e s ec i t i e si so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dt h em o s td i r e c tm e a s u r e s a i m i n g a tt h ec u r r e n tp r o b l e m so fu r b a nr o a dn e t w o r k ，t h i sp a p e rs t u d yt h eo v e r a l l p l a n n i n gm e t h o d so fr e c o n s t r u c t i n gu r b a nr o a dn e t w o r k ，a tt h es a m et i m e ， s u m m i n gu pa n dg i v i n gan u m b e ro fs p e c i f i cm e a s u r e sf o rr e c o n s t r u c t i n gc r i t i c a l r o a ds e c t i o n sa n di n t e r s e c t i o n s a n dt h e n ，i tm a k e ss o m ee x p l o r a t o r y s t u d yf o rt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ _ - _ _ - _ - - - _ 一i m i t e m p o r a r yt r a f f i cm a n a g e m e n ti nt h er e c o n s t r u c t i o np r o c e s s f i n a l l y , i tg i v e sa r e c o n s t r u c t i o no r d e r o p t i m i z a t i o n m o d e lf o rc r i t i c a lr o a ds e c t i o n sa n d i n t e r s e c t i o n s ，a n das i m p l en u m e r i c a le x a m p l ei sa n a l y z e d k e y w o r d sc a p a c i t y o f r o a d n e t w o r k ；e x p a n d i n gc a p a c i t y ；r o a dn e t w o r k r e c o n s t r u c t i o n ；c r i t i c a lr o a ds e c 毫i o n s ：c r i t i c a li n t e r s e c t i o n s 西南交通大学曲南父嗵大罕 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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不胁，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ) 学位论文作者签名：歇元竞 日期：2 u o t7 o 指 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的 个 和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 在对路网容量研究的基石出上，提出了路网容量扩充的广义和狭义 的定义，并以狭义的路网容量扩充定义作为本文的研究前提；对路网容 量扩充的对象进行了系统分析，选取了以关键路段和交叉口集为扩充对 象进行研究，同时给出了影响改造关键路段和交叉口的主要因素并进行 了分析。 2 在交通分配模拟法确定出关键路段和交叉口的前提下，以改造资 金投入最少和获得社会时间经济效益最多为目标函数，建立了对关键路 段和交叉口集的路网容量扩充模型。在e c s 方法确定关键路段和交叉口 的前提下，给出了如何在投入资金的限制下，使路网容量扩充到最大值 的理想模型。 3 针对当前城市路网存在的问题，研究了城市路网改造的整体规划 方法，同时总结和提出了些城市道路路段以及交叉口改造的具体措施。 给出了改造过程中的临时交通组织管理方法，在最后给出了个对关键 路段和路口改造次序的优化模型。 学位论文作者签名：张元瓦 日期t ，7 7 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 改革开放以来，随着我国城市化进程的加快，城市经济和社会活动日益 繁荣，现代城市经济突飞猛进。2 0 世纪8 0 年代，我国经济的年平均增长率 在6 以上，到2 0 世纪9 0 年代持续超过1 0 。进入2 1 世纪，在经济高速增长 的形势下，城市交通发生了前所未有变化。同时，经济的发展，促动了城市 结构的变迁，引起了出行方式的转变和更具多样化，使得交通供给与需求的 矛盾日益突出。城市的交通设施的时空资源是有限的，随着汽车保有量的直 线上升，使人类在享受汽车文明的同时，付出层出不穷的交通问题所带来的 惨痛代价是必然的。纵观世界上的发达国家，在其经济高速发展进程中，都 曾经历过交通拥堵、交通事故陡增的阶段，这是历史发展的一个必然阶段“哪。 因此，有效的城市交通对实现城市的功能和促进城市社会经济的发展有着至 关重要的意义。 交通需求的倍增，使得城市交通的矛盾得到了前所未有的激化，其中存 在的一些问题是：是不是交通管理者一旦发现道路网中的某些路段或者路口 发生了较严重的交通供给不满足交通需求的时候就要对其进行改造呢? 在总 体容量不足的情况下，应当对路网的哪些局域部分进行改造、扩充? 拓宽的 宽度应该是多少才合适? 在改造的过程中又应该如何对临时的交通进行组织 管理呢? 改造的先后顺序怎么确定? 等等，这些问题都涉及到城市道路网容 量定量化以及其扩张方案的这个基本问题。 事实上，当前的多数大城市的交通建设者和管理者在短时间内对一些交 通拥堵比较严重的路段或者路口所采取的直接措施一般都是进行路面的扩 宽、分隔带的重新划分、改为立体交叉等等一系列针对道路自身物理条件进 行改善的行为。但是这些改造的路段或者交叉口仅仅是局部的、孤立的，对 其中的一些路段或者交叉口进行改造不一定能起到较好地缓解交通压力的作 用。只有通过科学的计算方法得到那些应该进行改造的路段或者交叉口，然 后对其进行合理的改造才能使交通供给得到一个较大的提升。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 课题研究意义 几乎每个城市每天都在施工，进行着对该城市道路的新建或者旧道路的 扩宽、改造工作，通过对城市道路网容量扩充进行研究，可以使得这些工作 更加科学合理，有了一个量化的标准，从而可以从提高关键路段或者交叉口 实际通行能力方面，使得路网的容量得到提升，让交通供给更加充裕。 路网容量扩充的研究目的是在找出关键路段( 路口) 的前提下，如何对 路网进行改造，以达到我们需要得到的路网容量、投资资金以及社会时间经 济效益等方面的最优值。本课题相较路网容量的研究既有更丰富的又有一些 不同的研究意义。其对研究的意义可从以下几方面反映： ( 1 ) 衡量社会经济、环境及交通系统发展的协调性。交通系统的外部环 境是指社会经济系统和环境系统。社会经济系统是交通系统强大的推动力， 在很大程上决定了交通流的流量、流向和出行方式。社会经济系统的发展刺 激决定了交通系统的发展方向、规模和出行方式，而交通系统则为这些交通 的实现提供了保障，它的发展影响着社会经济系统的发展速度和规模，也影 响着城市整体环境的质量，因此说社会经济系统、环境系统和交通系统有着 相互促进、相互制约的关系。因此城市道路网容量扩充的研究能够体现社会 经济、环境系统制约下的交通发展态势。 ( 2 ) 对交通规划的重要意义。城市路网容量扩充方案的确定在城市交通 规划决策中是相当重要的。通过对路网容量扩充的研究，可以确定整个城市 的关键路段和关键的交叉口，寻找出路网的薄弱环节( 即需要改造的关键路 段和交叉口) ，有针对性的对其进行改造，明确路网的薄弱环节，确定路网的 布局结构和技术等级，以此作为交通规划、设计及交通设施配置的理论依据。 城市路网新建、改造是一个需要大量投资、不断持续的过程，只有对现有路 网的交通特性有了精确把握，才能使道路网的规划和管理有针对性，达到预 期效果。国外专家也曾说过，我国目前大部分城市道路空间没有得到充分利 用，通过功能改造和技术挖潜，容量可提高3 0 5 0 。，。因此，为了得到一个 最优的路网规划方案，研究路网容量扩充，是非常有意义的。 另外，现有的众多的交通工程论著，对路段与交叉口的通行能力的研究 较为成熟，对路网容量的研究也比较多，也形成了一些比较好的方法，但是 将路段和交叉口的通行能力的研究与路网容量的研究结合起来进行定量分析 的论著不多。同时，以往一些较成熟的容量扩张理论，由于交通运输网络的 特殊性质也运用不到城市路网容量扩充的问题上来。本文的研究对将传统成 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 熟的容量扩张理论引入到交通运输网络中来起到一个启示意义。 ( 3 ) 对道路改造的临时管理的重要意义。城市路网容量扩充的研究不仅 要在规划方案层次进行论述，而且还要在对扩张方案已经确定下来的情况下， 探讨需要扩充的道路在新建或改造的过程中在管理方面的方法和建议。比如： 施工过程中的临时交通管理、安全管理、施工次序管理、施工环境影响管理 等等。只有在新建或改造道路的过程中进行了科学的管理，才能更快、更好 地完成工程，也能节约更多成本，减少对周围交通出行以及居民日常生活的 影响。 因此，路网容量扩充的研究对指导确定整个城市合理的发展规模和制定 可持续发展的交通战略有重要理论和实践意义，为制定有效的城市交通规划 与交通管理措施指明了方向。 1 3 国内外相关研究现状分析 1 3 1 国内外路网容量研究现状分析 路网容量扩充研究是以路网容量研究为基础的，而路网容量研究的一些 方面也反映出交通供给与需求的均衡问题，研究成果较多和应用较普遍的以 美国、法国和日本为代表。最早从新古典经济学中分化出来，而将路网的出 行路径与出行时间在路网上加以描述的是w a r d r o p 原则，并在1 9 5 2 年率先明 确了交通量在网络分配方面的问题，为后续研究人员提供了思路。1 9 5 6 年， 美国普林斯顿大学教授f 0 r d ，l r j r 和f u k e r s o n ，d r 基于图论，针对运输 网、通信网、电网等一类带普遍意义的容量问题，提出了网络流模型，并于 1 9 6 2 年首先给出了求解网络最大流的第一个算法标号法，开拓了用数学网 络理论来研究运输系统的思路拍，。l i d a ( 1 9 7 2 ) 提出了一个基于增长分配技术 的确定路网容量的启发式算法，即根据最新的弧流率所确定的弧的行驶时间， 采取一个较为合适的比例，将o d 矩阵一次次的分配到路网上去，当有路段 达到其通行能力时，分配终止，通过计算饱和弧所构成的割集之和来确定路 网容量n ，。随后，日本京都大学饭田恭敬教授在所著的交通工程学中提 出了著名的交通量分配法，并利用该方法计算了路网容量m 。 前面的这些学者的思路基本上都是后者以前者的研究为基础，逐步继承 并发展，但是在2 0 世纪6 0 年代初，法国的工程师路易斯马尚第一个提出 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 了“城市空间和时间消耗 的概念，他将城市路网假设成具有时空属性的一 个容器，把城市路网的容量看作这个容器的总容量，把每个交通体每次出行 的个体交通资源消耗量的和确定为路网的容量。这种算法在各个方面都是一 种全新的理论，不同于此前的路网容量研究，为研究路网容量开辟了一条新 的思路恻。 到2 0 世纪9 0 年代前，除“时空消耗论的少数研究者外，大部分交通 工程师计算路网容量的方法都是在假设单位o d 矩阵可以表示出目标需求模 式结构的情况下，按照固定的路径选择比例，运用图论或线性规划的处理手 段确定出路网容量。但是，随着对路网容量研究的深入，交通工程师们发现， 路网容量是一个包括人流在内，出行延误和费用将随着流量的增加而增长的 一种物理实体。这种实体内的使用者的路径选择行为和整个路网上o d 分配 的情况对路网容量的影响是不可忽略的。同时，越来越多的研究者发现o d 需求模式对于确定正确的路网容量也是极其重要的。这样，就出现了利用二 次数学规划的方法去解决网络通行能力问题的思路n ，。 进入2 0 世纪9 0 年代初期，一些日本的交通工程师提出了交通模拟分配 法，其原理就是假定一个己知的o d 模式，每一步将一定比例的总需求分配 到道路网上去，每条路一旦达到它的通行能力，就不再分配，当分配不能够 进行下去时，终止，就可以获得最大路网容量。 1 9 9 9 年h a iy a n g ，m i c h a e l ，g t h b e l l ，q i a n gm e n g 将交通分布和分配模型 合并，将出行者的路径选择和目的地一并考虑，同时把每条路的物理通行能 力、环境通行能力甚至排队长度作为路网容量的约束条件，从而提出了两层 极值法喇。 我国对路网容量的研究工作开展较晚。因此，对路网容量的研究是从广 义和狭义两方面同时开展起来的，但在借鉴外国成果的同时，仍然处于应用 已有成果对我国现状路网进行研究的探索之中。在1 9 8 6 年由长沙交通学院的 木纳和中国城市规划设计研究院交通所的关忠和利用马尚的“时空消耗”概 念，提出了道路占用量和城市交通容量的概念旧，。随后，东南大学的杨涛、 沈阳建筑工程学院的王春生及上海海运学院水管系的周溪召也都利用“时空 资源 的概念对交通空间容量就高峰小时情况进行分析和推算，得到了修正 系数不同的理论计算公式，同济大学杨东援也对这些方法作了一定的概括和 总结”。同时，根据经典道路通行能力的概念，有些学者将路网容量定义为 路网的通行能力。在这个概念下，杨涛等人基于图论中的最大流最小割定理， 将f o r d f u l k s o n 算法进行改进，提出了适于确定规划路网容量的方法，而且 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 针对城市路网的每个节点都可能成为源点和储点，并且是随机的的特点，提 出了衍生割集网络极大流算法( e c s ) ，确定出抽象成无向图的路网容量，并 给出了计算机程序n ”。华南理工大学交通工程系的许伦辉又从便于计算的角 度，提出了路段通行能力约束下路网最大交通量的确定方法n 帕。随后，北方 交通大学的高自友、同济大学的杨东援和大连理工学院的傅白白等人从系统 的角度出发，提出了满足用户平衡和系统平衡的路网容量确定方法和理论模 型，这些模型也是基于图论中的最大流最小割定理射。长沙理工大学况爱武 等基于均匀分布的路段容量，分析了退化路网中路段行程时间的随机变动， 构建了概率用户均衡交通分配模型c a a - , a l 。东南大学教授程琳教授在分析城市道 路交通网络o d 结构特征的基础上，提出表达道路网络容量的基本思想和模 型，阐明了基于不同因素影响的网络容量建模嘲。此外，湖南大学的李硕与 黎莉提出了一种区域公路网总容量的基本理论及计算模型，根据公路网交通 流量的构成分别将其划分为过境流、出境流、入境流和境内流四种分别计算 嘲。大连海事大学的丁以中也对路网容量进行了一定程度的研究，在他的交 通运输网络规划一书中除上述方法还提到了用于计算广义路网容量的供应 分析法和面积比法。供应分析法是以路网中的机动车道总长度和在交叉口每 条车道的通行能力为主要依据来推算路网容量的一种方法；面积比法是以机 动车总面积和机动车每次平均占用车行道面积为主要依据推算的一种方法 o 国内外路网容量的计算方法归纳起来主要可划分为六种：时空消耗法、 线性规划法、交通分配模拟法、割集法、狭义路网容量分析法和供应分析法。 总的说来，国内的方法与国外大致相同，尽管在名称及算法上有些差别， 但在理论上基本上没有创新。每种方法都提出了相应的理论算法，但是由于 交通系统的复杂性，各种模型考虑的因素都有其自身的局限性和适用范围， 所以各种方法的近似结果还不是很令人满意。至今为止，仍然没有一个完善 的算法可以应用到实际的路网当中去。 1 3 2 国内外网络容量扩张研究现状分析 在国际上已经有很多关于网络容量扩张优化的文献。而在网络容量扩张 理论中有一类非常重要的模型就是网络瓶颈容量扩张模型。z h a n g 等( 2 0 0 1 ) 给出了一类瓶颈容量扩张的一般模型，对很多性质相近瓶颈容量扩张模型进 行了归纳和总结，并给出了统一算法啪。z h a n g 等( 2 0 0 2 ) 5 , - j - - - g _ 匕瓶颈容量扩张 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 模型给出了一个强多项式算法，对一类瓶颈容量扩张一般模型的一般算法进 行了改进。m a s u d a 等( 2 0 0 2 ) 研究了具有一般拓扑结构退化网络中的瓶颈容 量扩张模型留，。c r o x t o n 等( 2 0 0 3 ) 薤j 最小费用流模型的混合整数规划模型与成 本是非凸分段线性函数的模型及其算法进行了比较研究，并指出了两者之间 的转化联系嗍。b u r k a r d 等( 2 0 0 坩对瓶颈容量扩张模型中权重减少的一般模 型和算法进行了研究嘲。同年，o b e r m a 研究了减少一个给定树的边用来减 少最短树的权值的问题，并证明该问题有强多项式解法嘲。s o k r u m k e 给出 了两个改进的网络流模型，并对一些网络改进问题给出了启发式算法臼”。 z h a n g , j 和y a n g , c 对一类的网络瓶颈扩张问题给出了强多项式算法嘲。在 z h a n g ，j 的研究基础上，杨超等考虑了在预算和瓶颈容量限制下的网络扩张问 题，同样地给出了多项式的算法矧。国内，王洪国等将杨超等的网络瓶颈模 型加以扩充，解决了无向网络容量扩张和有向网络容量扩张的问题，他们引 入了固定扩张费用的概念( 3 4 - s 1 。杨晓光在网络扩张的过程中，引入了多个范式 的问题，巧妙地构造了网络模型来解决网络优化问题，并给出了相应的算法 嘲。 由于交通运输网络的特殊性质，要将成熟的一般网络瓶颈容量扩充的模 型运用到交通运输网络中是有很大难度的，因为在一般的网络瓶颈容量扩充 的研究中，网络容量一般被定义为以下几种：任意两节点间的路的容量的最 小值；把生成树中各边的瓶颈容量定义为生成树的容量，网络的容量定义为 所有生成树中容量的最大值；从源点到汇点的最大流的流量定义为网络的容 量；把生成树的容量定义为生成树的所有弧的容量之和，把网络的容量定义 为所有生成树的容量的最大值。总结起来一般是网络中一条边或者一颗生成 树的容量，而根据前面对路网容量的定义可以看出两者之间有着很大的差别， 但是也并不是不能联系起来，如果能将一般网络瓶颈容量扩充的模型引入到 交通运输网络中来解决城市路网容量扩张的问题将会使问题得到更加科学的 解决，遗憾的是到目前为止还没有将这一成熟的理论运于解决路网容量扩张 的问题的研究。 1 4 本文研究的主要内容及技术路线 本文研究的主要内容有： ( 1 ) 路网容量计算方法研究。文章在对已有的路网研究进行综述之后， 根据计算路网容量方法的不同特点，选取了两种计算路网容量的方法：衍生 一西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 割集法和交通分配模拟法，找出关键路段和交叉口。 ( 2 ) 提出了路网容量扩充的概念并给予了定义，给出了其影响因素和扩 充的对象，同时还给出了路网容量研究的步骤以及基本程序。 ( 3 ) 路网容量扩充模型的研究。根据上阶段的两种计算方法得到了关键 路段，建立了通过改变关键路段和交叉口的几何特征，定量的研究容量扩充 的模型。根据模型，进行了算例分析，并计算。 ( 4 ) 总结并提出了一些城市道路改造的具体措施及临时交通组织管理方 法，给出了关键路段和交叉口的改造次序优化模型。 本文研究的技术路线如图1 - 1 所示： 路网的结构 参数 交通运行状 ；冬 确定关键路 段及交叉r n 二耍二 扩充关键路 段及交叉r n 的容量 二互二 确定扩充方 案 道路网改造 具体措施 改造中的交 通组织 图1 - 1 研究技术路线 路段改造顺 序 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章城市路网容量扩充的基本理论 2 1 城市道路网描述 城市道路系统的形成与城市发展水平是一致的，城市道路系统随着城市 的发展而发展。由于社会与自然条件、经济条件、建设条件的不同，各城市 道路系统的发展也不相同。我国城市道路网可分为方格式、对角线式、放射 式、放射环形和自由式五种基本形式。 2 1 1 方格式 又称棋盘式，是城市道路网的基本图式。我国许多古老城市大多是方格 式的道路系统。方格式道路系统划分的用地多为长方形，即每隔一定距离设 一条干道，干道间再设次要道路，分为大小适当的街道，规划这种道路系统 比较简单。它的优点是：街道整齐方正，有利于布置建筑，也易于识别方向。 缺点是对角两点之间的交通必须绕行很多路程，非直线系数( 或称交通曲度 系数，是两点间经过道路的实际运输距离与空间直线距离的比值) 较大，增 加市内两点之间的行程时间。由于道路都是直线方格，当自然地形起伏多变 时，就难以适用这种形式，城市的交通分散到所有的道路上，造成道路主次 功能不明确，交叉口多，影响了行车通畅。因此，这种形式的道路系统，一 般适用于小城市，在大中城市中最好与其他形式混合使用。亦可结合其他形 式用于城市中某些个别区域的小范围内。 2 1 2 对角线式 该方式是对方格式道路网的改进形式。对角线式是在方格式道路网上增 加对角线干道。这能消除方格形对角线间的交通不便，并且增长了临街建筑 的长度，但由于对角道路所产生的三角形街坊，不利于布置建筑，而且增加 了许多复杂的交叉口，也不利于交通组织。 2 1 3 放射式 这也是我国城市道路网的基本图式。规划时先确定市中心和区中心位置， 然后围绕中心，布置放射形干道，这种道路系统，市中心与郊区以至各区中 心之问都有短捷的交通联系，道路干线与次要道路分工明确。但这种组织形 一西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 式的道路网一般多成锐角相交，往往有四条以上的道路相交于一点，增加交 通组织和管理上的困难，城市边缘的交通不便，街道的形状不规则，影响建 筑物的布置。因此，放射形道路网亦不宜单独使用。 2 1 4 放射环形 这种方式是对放射式路网的改进和完善。在放射式道路系统e 增加环形 干道建立与放射性干道之间的联系。像蜘蛛网一样，可以把原来向市中心聚 集的交通疏散到中心区的外围环路上。这种道路网，交通通畅，路线曲直均 有，较易适应自然地形。主要缺点是放射道路与环形道路的交通流量不均衡， 同时路线弯曲不易识别方向。由于环形路与直径线相比路线距离远，环形+ 放射道路网增加环路尤其是外环的吸引力，必须提高环路的等级，保证车流 速度。这种式样大多用于人城市，国外采用的较多。 2 1 5 自由式 这种道路以结合地形为土，路线弯曲，无一定的几何图形，主要优点是 可以很好地结合自然地形。但路线弯曲不易识别方向，比较紊乱，有很多交 叉口，并有许多不规则形状的街道，影响建筑物的布置。这种形式多适用于 自然地形条件复杂的地区和城市，如重庆、青岛等阳。 城市道路网作为一种网络系统，有比较常用的描述方式。它可以根据不 同的要求，抽象为各种不同的网络，在城市道路网络图中最常用的是将道路 网络抽象为图，即将道路交叉口及大集散点抽象为节点( 交叉口可以转化为 图中的路段来处理) ，节点与节点之间的连线为城市道路，称之为边，每条边 连接两个节点，而每个节点可以连接两条或更多条边。根据不同的目的，边 可以是有向的( 有向的边通常称为弧) ，也可以是无向的，还可以是混合向的。 我们知道，运输网络，特别是公路网和城市道路网，每个路段一般是双 向的。对于单向街道，往往有很接近的对向平行街道与之相配。因此常将运 输网络抽象为无向路网。无向网络的定义与有向网络基本一致，所不同的是 有向网上每条线是有方向的，称之为弧，而无向网上每条线是无向的，称之 为边。对于后者，相应的从起点到终点的每条路径也是无向的。正因为这样， 每条路径的两个端点既可作为起点，也可作为终点。此外，还可以根据路段 和交叉口的资料给网络赋权，它可以是点权，也可以是边权，其权重可以是 距离、时间、费用等。本文所提及的主要指边权，即路段的通行能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 路网容量的定义 路网容量扩充的研究必须建立在对路网容量研究的基础上，到目前为止， 对路网容量研究的学者有很多，但并没有得到一个为大多数人认可的权威的 定义，这为路网容量扩充的研究带来了不小的麻烦。虽然如此，但是总的说 来对路网容量的定义都分为两种观点，其一是将经典的道路通行能力概念引 到网络上，即城市道路网狭义总容量( 也叫路网通行能力或路网最大流) ：在 某段时间内道路网的断面可能通过的最大交通个体数量；其二是从广义的时 空资源消耗的概念出发，考虑以单位交通体一次出行平均需要占用城市道路 空间、时间量嗍。随着路网容量研究的不断进展，这两种观点也越来越得到 绝大多数学者和专家的认可。 本文主要利用狭义路网容量来进行后面的研究和分析，在后面的研究中 均简称为路网容量。其定义表述如下：在一定的道路条件、交通条件、道路 运行状态和环境制约下，在单位时间内路网断面可能通过的最大交通个体数 量。这些路网断面的选取不同，所获得的路网容量不同，关于断面选取的形 式将在后面通过分析后给出。 2 3 路网容量的分类 通过对路网容量历史的研究与分析可知，各位学者对路网容量的认识并 不一致，他们根据各自不同的研究目的和研究理论提出的路网容量的定义也 各不相同，而这些不同的定义与研究方法又对应着不同层次和不同类型的交 通问题，我们不能简单评价谁对谁错、孰优孰劣，它们各自有着自己的适用 范围，这从另外一个侧面说明了路网容量研究的复杂性与必要性。在对各位 学者的研究进行梳理的基础上，下面尝试着对路网容量进行分类与归纳。 2 3 1 按照研究层次的不同分类 按照研究层次的不同分为三类：微观层次路网容量、中观层次路网容量 和宏观层次的路网容量。微观层次路网容量指路网的某一截面的最大通行能 力，它采用最大流最小割定理或采用交通分配模拟法，将o d 交通量分解逐 步分配到路网上去，找出路网的关键截面的通行能力即为路网的容量，微观 层次的路网容量主要用于确定路网的关键路段和交叉口，为路网改造提供依 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 据。中观层次路网容量指需要进一步考虑交通流空间分布特征，研究具体交 通网络方案所能够容纳的交通量。中观层次的交通网络分析问题需要限定某 些交通流以特定的节点为起终点，因而是一个相互间保持一定比例关系的多 种流的网络容量问题。中观层次的路网容量主要为路网设计、交通管理、交 通设计工作提供基础数据及量他的理论依据。宏观层次路网容量指仅考虑交 通网络的总体规模所对应的交通容量，而不考虑具体的交通分布空间和时间 形态特征的影响，主要用于分析战珞规划阶段或交通发展战略问题。对于宏 观层次的路网容量分析，主要是建立在车辆时间与空间动态间距分析的基础 上，而后研究一定规模的交通网络能够容纳的车辆数。 2 3 2 按照研究对象的不同分类 按照研究对象的不同分为：高速公路网路网容量、公路网路网容量和城 市道路网路网容量。高速公路网路网容量是指控制出入的全封闭的高速公路 不受侧向混行交通的干扰和交叉口通行能力的制约的网络容量。公路网路网 容量指的是一般公路要考虑侧向混行交通的干扰和平面交叉口通行能力的制 约条件下的道路网络容量。城市道路路网容量指的是交通流构成复杂、交叉 口间距密集、交通干扰严重、受路段和交叉口通行能力制约的城市道路网的 网络容量。 2 3 3 按照服务对象的不同分类 按照服务对象的不同分为人容量和交通个体容量。人容量是指道路网 在一定时间内，一定的约束条件下，最大运送的旅客数量。这里运输的旅客 可以分为两部分：一是通过人行道运送的旅客；二是通过机动车、非机动车 运送的旅客。交通个体容量是指道路网在一定时间内、一定的约束条件下， 容纳( 或通过) 的最大非机动车、机动车的数量。文献 3 9 1 , - - - , 4 1 将货物单独 作为一种服务对象，笔者认为货物始终是以人或者车为载体，所以不将货物 作为一种单独服务对象来分析。 2 3 4 按照研究时段的不同分类 按照研究时段的不同分为：高峰时段路网容量和平峰时段路网容量。高 峰时段路网容量是指把高峰小时作为计算路网容量的时间段，来计算单位时 间内通过路网断面的最大交通个体数。一般来说，研究路网的容量都应该将 时间段选取为高峰时段，只有高峰时段的交通需求量满足了，路网容量扩充 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 的研究才有实际意义。 从研究层次上，本论文研究的城市路网容量为微观层次路网容量；从研 究对象上，本论文研究的路网容量为城市道路网容量；从服务对象上，本论 文研究的路网容量为交通个体容量。从研究时段上，本论文研究的城市路网 容量为高峰时段的终两容量。 2 4 影响路网容量的主要因素 2 4 1 路网的道路条件 路网的道路条件是指道路的几何组成条件，这些条件包括交叉口、路段 通行能力全部的影响因素，例如车道宽度，车道分布，侧向余宽，路面状态， 线形等。交叉口、路段作为道路网络中最基本的物理元素，他们通行能力的 大小直接关系着总的路网容量的大小，这些因素对单个交通设施的通行能力 造成影响后，必然会对路网造成影响。 2 4 2 城市布局与路网结构的合理配置程度 路网容量大小不仅与道路设施的等级和数量相关，还跟交通需求分布形 态与路网结构的匹配程度相关。城市的布局在城市交通方面来说主要决定了 客、货源的集散点，如果城市的布局不合理，造成客、货源集散点与路网结 构不能够得到合理的配置，使得路网结构与交通需求在空间出现较大的不一 致，将会对实际的网络容量造成巨大影响，从而导致道路通行能力不能充分 发挥，大大降低实际的路网容量。在由城市布局决定的一定交通需求空间分 布条件下，如何选择与之相适应、相协调的路网布局形式，最大限度利用已 有道路设施，降低交通个体出行对道路资源的占用，是提高城市交通系统总 体容量的关键性因素之一。 2 4 3 路网布局及等级结构的影响 研究表明，不同的路网布局形式对交通需求的承载能力是不一样的，甚 至差别很大。城市快速路、主干路、次干路和支路等不同类型的道路在城市 道路网络中起着不同的作用。快速路主要为城市过境交通和进出城市交通快 速疏散服务，主干路主要为城市大区( 各功能分区) 之间的交通服务，次干 路主要为交通小区之间的交通服务，支路主要为交通小区内部交通服务。每 一西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 一等级的道路都有服务于更高等级道路的功能，为更高等级道路起集散作用。 道路网络等级结构是否合理，直接影响着路网功能的发挥，进而影响着城市 交通系统的总体容量。“道路功能不分，路网级配不合理 是我国现阶段许多 大城市“交通日益紧张、路网效能低下 的主要原因之一。例如快速路中混 行相当比例的短歪骞交通，短距离交通不仅增加了道路的v c 比，而且短距 离交通的频繁进出必然影响快速路的功能发挥；另一方面，若城市中有相当 数量的长距离交道，而缺乏相应的联系干道( 快速路、主干路) ，则路网效率 也必然降低。因此，道路功能的有效发挥依赖于道路网络等级级配的合理化。 2 4 4 交通个体的路径选择行为 该因素是所有影响因素中最难掌握的一个，尽管交通个体的出行选择受 经济、时间等因素的影响较大，可以通过诱导进行预测控制等，但由于每一 个用路者在出行过程中获得的交通信息不同、出行习惯不同及对同一路径的 行程时间认识不同，导致交通个体的路径选择行为是一种随机，模糊的行为， 同时也带有较强的主观性质。那么由此行为产生的交通分布必然也是一种随 机的分布。对同一个路网，如果这种分布与路网结构匹配得好，那么路网的 实际容量就会大大接近路网的理想容量；反之，由于某些道路的通行能力不 能充分发挥，进而会大大降低实际的路网容量。所以，将交通个体的路径选 择行为作为影响路网容量的关键因素。 2 4 5 交通流特性 道路上车流的车种构成对路网容量的影响可以通过不同交通条件下的道 路通行能力差异反映出来。我国城市道路上人、车混行，机动车与非机动车 混行，机动车中快速车与慢速车混行的混合交通流构成特性导致交通效率低 下，已成为不争的事实。理论和实践均证明，在同样的道路网络条件下，不 同的交通流构成对应着不同的以车辆为对象的交通容量。一定道路网络对应 着一定的车辆容量，由于不同交通工具的额定载客人数( 或吨位) 的差异， 各种交通方式运送单位乘客( 货物) 为对象的道路交通系统容量就随着交通 方式结构的变化而变化，当大运量的公共交通方式分担出行量比重增大时， 路网容量就增大；反之，当小运量的个体交通方式分担的出行量比重增大时， 则路网容量就会减小。 2 4 6 路网服务水平 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 路网服务水平反映了路网的运行状态。在特定