（交通运输规划与管理专业论文）基于路网服务水平的路网容量研究.pdf

摘要 本文首先对国内外路网容量的研究历史和现状进行了分析与评价，并系统分 析了路网容量的理论体系，重点探讨了路网容量的影响因素。在道路服务水平的 基础上提出了路网服务水平的概念，并对路网服务水平分级标准及路网服务水平 与路网容量的关系进行了研究，研究表明路网服务水平直接影响着路网容量的大 小。最后在路网容量双层规划模型的基础上，结合路网服务水平对路网容量的影 响，构建了基于路网服务水平的路网容量模型，模型上层为在一定路网服务水平 约束下求取路网的最大o d 需求承载量问题，下层为交通出行的择路原则满足用 户均衡的交通分配问题。根据模型下层交通需求分布模式的不同，本文又进一步 构建了基于路网服务水平的路网储备容量、极限容量和实际容量模型，并分别设 计交通分配模拟算法来求解基于路网服务水平的路网储备容量模型、遗传模拟 退火算法( g a s a ) 来求解基于路网服务水平的路网极限容量模型和路网实际容量 模型。 最后，本文将构建的三种路网容量计算模型分别应用于具体算例，并进行了 对比分析，得到了令人满意的结果。 关键词：路网容量；路网服务水平；双层规划模型：路网储备容量；路网极限容 量；路网实际容量 a b s t r a c t f i r s to fa l l ，t h ea c t u a l i t ya n dh i s t o r yo fr o a dn e t w o r kc a p a c i t yr e s e a r c ha l lo v e r t h ew o r l dh a sb e e na n a l y z e da n da c c e s s e di n t h i sp a p e r ，a n dt h e o r e t i cs y s t e mo f n e t w o r kc a p a c i t yh a sb e e ns y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fn e t w o r k c a p a c i t yh a sb e e nm a i n l yd i s c u s s e d s e c o n d l y ，t h ec o n c e p to fn e t w o r ks e r v i c el e v e l w a sp r o p o s e db a s e do nr o a ds e r v i c el e v e l ，a n dt h ei n d e xs t a n d a r d so fn e t w o r k s e r v i c el e v e la sw e l la sr e l a t i o nb e t w e e nn e t w o r ks e r v i c el e v e la n dn e t w o r kc a p a c i t y h a v eb e e ns t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h el e v e lo fn e t w o r ks e r v i c e sd i r e c t l y a f f e c t st h es i z eo ft h en e t w o r kc a p a c i t y a tl a s t ，r o a dn e t w o r kc a p a c i t ym o d e lb a s e d o nn e t w o r ks e r v i c el e v e lo nt h eb a s i so fn e t w o r kc a p a c i t y sb i - l e v e lp r o g r a m m i n g m o d e la n di n f l u e n c eo fn e t w o r ks e r v i c el e v e lo nn e t w o r kc a p a c i t yw a sc o n s t r u c t e d t h eu p p e rw a st os e e kt h em a x i m u m0 - dd e m a n dt h er o a dn e t w o r ku n d e rt h eg i v e n n e t w o r ks e r v i c el e v e l ，a n dt h el o w e rw a sat r a f f i ca s s i g n m e n tp r o b l e ma c c o r d sw i t h t h ep r i n c i p l eo ft r a v e lr o u t ec h o i c es h o u l dm e e tu s e re q u i l i b r i u m f u r t h e r m o r e ，t h e n e t w o r kr e s e r v ec a p a c i t y ，u l t i m a t ec a p a c i t ya n dp r a c t i c a lc a p a c i t ym o d e l sw e r e c o n s t r u c t e db a s e do nn e t w o r ks e r v i c el e v e la c c o r d i n gt od i f f e r e n tt r a f f i cd e m a n d d i s t r i b u t i o np a t t e r n si nt h el o w e r t h et r a f f i ca s s i g n m e n ts i m u l a t i o na l g o r i t h ma n d c o m b i n a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h ma n ds i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h m ( g a s a ) w e r e s e p a r a t e l yd e s i g n e dt os o l v ec o n s t r u c t e dm o d e l sa b o v e e v e n t u a l l y ，t h et h r e ec o n s t r u c t e dr o a dn e t w o r kc a p a c i t yc a l c u l a t i n gm o d e l sw e r e a p p l i e dt oc o n c r e t ee x a m p l e s s a t i s f a c t o r yr e s u l t sa r eo b t a i n e dt h r o u g ha n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n k e yw o r d s ：c a p a c i t yo fr o a dn e t w o r k l l e v e lo fn e t w o r ks e r v i c e ；b i l e v e l p r o g r a m m i n gm o d e l ；n e t w o r kr e s e r v ec a p a c i t y ；n e t w o r k u l t i m a t ec a p a c i t y ；n e t w o r kp r a c t i c a lc a p a c i t y l i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：专烟林 日期：弦牌r 月彤日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：杰炳抓 导师签名： 圆 - _ 日期：少，晦 日期：必留l , 1 年， j 月以日 r 月“日 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 问题的提出 改革开放以来，随着国民经济的高速发展和城市化进程的加快，我国机动 车拥有量及道路交通量急剧增加，由此带来了大范围的交通堵塞以及交通事故 的增加、环境污染的加剧和能源供应的紧张。交通问题已经成为我国国民经济 进一步发展的瓶颈问题和事关可持续发展的全局性问题。随着城市道路交通量 的日益增加和交通问题的日益严重，对城市道路网的研究工作也变得愈来愈紧 迫了。现状路网的服务水平如何，究竟什么样的路网可以满足实际不断增长的 交通需求，现状路网可承载的最大交通量到底是多少，路网上哪些路段是现状 路网的瓶颈，究竟应该如何改善现状路网等成为目前亟待解决的问题。 城市路网服务水平和路网容量分别反映城市路网的运营状况和总体建设 水平，它们既是分析城市路网供需非均衡程度的前提条件和决定投资的决策指 标，也是城市路网规划及城市总体规划中的一项基础资料。只有对现状路网的 交通特性有了精确把握，才能使城市路网的规划和管理有目的性和针对性，并 使之达到预期的最佳效果。这种在给出路网结构以及各种通行能力的条件下， 确定整个路网所能承载的最大交通量问题，一直是路网规划与管理所面临的问 题。通过实际调查来获得此资料的方法，不仅要花费大量的人力、物力和财力， 而且由于工作量巨大，其结果可靠性较低，核查困难，具有较大的滞后性。因 此，国内外学者和专家都致力于寻求一种有效的理论和方法，以期用经济、便 捷的方法获取所需资料及结果。这样，对路网容量的研究工作就广泛开展起来 了。 。城市路网容量不同于以往的路段与交叉口的通行能力。路段与交叉口的通 行能力在交通工程学经典理论中己有准确的定义和较为完善的计算方法，而城 市道路网络作为一个完整的、不可分割的系统，其容量并非是各路段与交叉口 通行能力的简单累加。鉴于此，建立一套较为完善的、适合我国城市道路系统 及交通系统的路网容量研究方法是十分必要的。 1 1 2 课题研究来源 本课题的研究内容来源于国家自氟、学基金资助项目“非均衡城市交通规 划理论与方法研究 ，项目编号：5 0 5 7 8 0 1 9 。 1 2 课题研究意义 城市路网服务水平反映路网的营运状况，城市路网容量描述路网对交通需 求的处理能力，它们是城市交通规划与评价的一项重要指标。基于路网服务水 平的路网容量的确定可以为城市交通运输规划、交通管理、交通控制及交通设 计工作提供基础数据及量化的理论依据，路网容量的研究是完善交通工程理论 不可或缺的一个重要组成部分，对于提高交通规划与交通管理的科学性，使现 有的交通设施发挥最大作用，促进城市、社会、环境与交通系统的协调发展具 有重要的意义。 ( 1 ) 体现供给系统与社会、经济活动系统是否平衡 城市交通供给系统是一个由许多功能复杂的子系统组成的动态大系统，各 个子系统都有其特定的功能和结构，同时，其功能的发挥又是在其它子系统的 配合下得以发挥的。城市供给系统与社会经济系统紧密相关，社会经济活动 系统是供给系统强大的推动力，在相当程度上决定了交通流的流量、流向和方 式。人们会根据自身的出行目的、经济条件及所具有的交通信息采用一种自身 认为效益最佳的出行方式，这种个体出行汇集而成道路网上的交通流。社会经 济系统的发展刺激决定了交通供给系统的发展方向、规模和方式，而交通供给 系统则为这些交通的实现提供了保障，它的发展影响并制约着社会经济系统的 发展速度和规模，也影响着城市环境系统的质量。 可以通过三个基本变量定义系统：t 一供给系统，a 一活动系统，即社会 和经济活动模式，f 一供给系统中流的模式，即起点、终点、路线和通过系统 的客货流量。在这些变量中存在三种关系，如图1 1 所示。 图1 1 供给系统、活动系统和流三者之相互关系 如上图所示，供给系统将影响社会经济系统的增长和变化方式，社会经济 系统的改变反过来将引起供给系统的改变，它们是相互作用、相互制约、相互 影响的关系。本论文要研究的路网容量在某种程度上讲是衡量一定交通状态下 城市道路交通设施供给能力大小的一个特征性指标，因此为了保证交通供给系 统与社会经济系统的均衡发展，对路网容量研究是非常必要的。 ( 2 ) 交通规划及路网改造方案的指标 城市路网容量是城市交通规划与评价的一项重要指标。现有道路网所能承 载的最大交通量问题，是城市路网交通规划的最基础资料。只有对路网容量有 一个精确的把握，才能做出路网规划及改造的最佳方案。路网容量的分析和评 估对路网规划与改造的重要性体现在以下几点： 1 ) 通过对路网容量的分析和计算，判断城市路网的饱和度、潜力及规划、 改扩建路网的最大容量。 2 ) 通过对路网容量的研究，明确路网的薄弱环节，确定路网的布局结构 和技术等级。 3 ) 确定整个城市的关键路段和关键的交叉路口，作为交通枢纽的规划、 设计及交通设施配置的理论依据。 4 ) 寻找路网的薄弱环节( 即需要改造的关键路段和交叉路口) ，有针对性 的对其进行改造，从而提高整个路网的容量。 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 乜1 。城市路网新建、改建是一个 需要大量投资、不断持续的过程。一个最佳的建设和改造方案，必将是在固定 的投资额下、能使城市交通网络的总体容量得到最大扩充的方案。这一切的实 现都要依靠准确分析、测定路网容量这一决策性的指标来完成。因此，为了得 到一个最优的路网规划及改造方案，研究路网容量，是非常有意义的。 ( 3 ) 完善交通流理论 从2 0 世纪5 0 年代起，对网络流的研究己经开始。但是，以往的研究主要 是将路网的路段和交叉口孤立起来进行研究，着重于研究路段和交叉口的通行 能力，而忽略城市路网的整体性和系统性，路网的通行能力只在交通流理论 中略有提及。路网容量并不是路段和交叉口的通行能力的简单相加。国内外在 利用网络流理论，对现代城市的交通状况进行分析评价，优化城市路网等方面 取得了一些进展，但现有的路网研究模型同实际路网相差较大，其检验和评价 系统又还不完善，依然存在诸多问题。因此，对路网容量的研究工作可以进一 步完善和发展交通流理论。 ( 4 ) 丰富城市交通管理手段 一个良好的路网容量计算模型可以帮助我们分析给定路网在既有的o d 出 行需求前提下还可以承受多少出行量，为我们制定准确的交通流控制措施以及 在宏观方面的交通需求管理提供重要的信息( 比如说拥挤道路收费定价以及交 通流的控制措施等) 。此外根据路网容量及一个城市机动车在一天内的出行比 例，可以确定出一个城市在路网结构形式、城市规划及发展规模的约束下的机 动车发展规模，再根据交通方式分担比例，预测城市私人小汽车允许拥有量、 城市出租车发展规模等。并且根据城市路网规模与该城市实际的机动车规模的 对比结果，可以确定出路网设施的储备容量，从而为交通管理部门提供缓解交 通状况措施的理论依据。 3 ( 6 ) 城市停车场建设的需要 对路网容量的研究，有利于各大城市特别是大城市中心区停车场配建指标 的确定。既有路网应配建多少停车位才能满足路网中运营车辆的停车需要，又 不会造成对资源的浪费，停车场又该设置在什么位置才是最合理的，做到停车 场的建设与路网容量达到统一平衡，一直是交通工程师关心的问题。对路网容 量的研究是停车场研究的理论基础。 综上所述，对路网容量进行深入的研究和分析，对我国交通事业的发展具 有重大的理论和实践意义。 1 3 路网容量研究历史与现状 1 3 1 国外研究历史与现状 早在2 0 世纪5 0 年代初，国外的一些学者就开始了对路网容量问题的探讨， 研究思路是按照从简单到复杂的规律进行的。他们从最简单的单起终点路网容 量入手，分析路网容量的概念，确定出路网在每条弧有一个容量限制的条件下， 从一个起点到另一个终点在不超过任何弧容量的前提下，最大能分配的交通量 即路网容量口。但是很明显，实际道路上的交通流不可能从同一起点出发到同 一终点终止，所以交通工程师们不能接受简单的单起终点路网容量概念下的计 算结果。随后，交通工程师们针对面临的问题从路网的拓扑结果入手，力图将 多起终点的实际路网通过某种手段抽象成起终点唯一的网络结构，从而建立一 种简单多起终点路网容量的确定方法。其后，交通工程师们发现实际的道路网 不仅起终点不唯一，而且不能简单地处理成单起终点的网络，又加之每一起终 点的选择是随机的，从而使他们意识到必须用解决非线性的、随机开放的、多 起终点的复杂系统的方法才能处理这个问题。 按照这种认识过程，交通工程师们在不同的时期提出了不同的分析方法。 首先在1 9 5 2 年，b e e k m a n n 在他的论文中提到用连续的运输系统表示法来表示 路网：其次1 9 5 6 年，美国普林斯顿大学最为著名的运筹学教授f o r d l r j r 和 f u l 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，提出了网络最大流模型，并于1 9 6 2 年给出了求解网络最大流的第一 算法一标号法，自此人们越来越关注用数学网络理论来研究运输系统，并就此 提出了许多计算路网容量的数学模型和模拟方法：接下来，b u c h a n a n 和s m e e d 在一项伦敦的课题研究中解决了网络物理与环境的通行能力之间的关系h 钉； 不久，日本的山村信吾和三好逸二也开始对路网进行研究，并且两人分别在 ：土 木学会上发表了关于路网最大通行能力的文章，此时有关路网容量的研究还 比较肤浅。但到了2 0 世纪7 0 年代，路网容量研究取得了突飞猛进的进展。首 先在1 9 7 2 年，i i d a 提出了一个基于简单增长分配技术的确定路网容量的启发 4 式的算法哺1 。这种算法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 矩阵一次次地分配到路网上去，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求取路网容量，而与此 同时，日本京都大学工学院教授饭田恭敬先生发表了名为道路网最大容量评 价法的文章，提出了利用交通量分配计算路网容量的方法：接着在1 9 7 3 年，r u i t e r 和s a f e r m o s 分别又提出了离散的网络模型，由于这类模型主要用于 分析那些相对简单、起终点和道路有明确规定的网络，不适合分析起终点和路 网密度较大的城市道路网络。所以s t e l l a c c a f e r m o s 在1 9 7 7 年提出了运输网 络的连续模型，该模型是假设交通流在整个运输网络上是连续分配的前提下， 保证流量守恒和用户平衡的一套全新的模型。而后，西班牙的工程师也对该问 题产生兴趣，于是在l9 8 2 年8 月在法国的斯特拉堡举行的第十四届国际交通 工程与安全研究周中，西班牙工程师a s ro d r i g u l y 依据网络分析理论，从规 划的角度对路网容量进行研究，但它的研究较为肤浅，没有找到解决问题的途 径，接着在1 9 8 9 年，m a s u y a 和s a i t o 从网络本身的物理结构出发，即考虑只 有路段和交叉口的通行能力是制约路网达到极限的条件，假设交通供给分布均 匀且充足的条件下，利用图论中最小割最大流定理和线性规划的方法确定出路 网达到极限时的容量。 上述这些学者的思路基本上具有一定的承接性，但是与此不同的是，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了“城市空间和时 间消耗 的概念，他将城市的这种基础设施一路网假设成具有时空属性的一个 容器，根据这个容器总的时空量与每个出行者出行一次所消耗的时空量，确定 出整个路网的容量。这个网络容量无论在概念上还是在理论上，都不同于此前 的路网容量，从而为探索路网容量开辟了一条新的思路。 总之，截至1 9 8 9 年，除以路易斯为代表的少数交通工程师外，大部分的 交通工程师都认为路网容量就是在弧通行能力已知的条件下，一个网络所能处 理的最大可能o d 流量之和，其处理方法就是在假设单位o d 矩阵( 所有进入 的o d 之和1 ) 可以表示出目标需求模式的结构的情况下，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，路网容量问题不是简单地研究一个纯粹的 物理实体的问题，它是一个包括人流，而且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阴3 。这种实体内的使用者的路径选择行为和整个路网上 拥挤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。这样就萌生了用二次数学 规划的方法去描述网络通行能力问题并研究各种不同的算法求解所得模型的 想法旧1 0 1 。于是在1 9 9 2 年，a s a k u r a 和k a s h i w a d a n i 建立起第一个关于平衡路 网容量问题模型并给出相应的算法。1 9 9 3 年，他们又提出了相应的算法一模 5 拟分配法，其原理就是假定一个已知的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，行驶时间就设为无穷大。 当任意一对o d 对之间的行驶时间无穷大时，分配终止，就可以获得最大容量。 之后，很多交通工程师们从w a r d r o p 第一原理入手，提出了较为完善的平衡路 网的概念。l9 9 5 年a k a m a t s u 和m i y a w a k i 用过饱和流量公式来计算平衡路网 的容量1 。1 9 9 7 年b e l l 调查了交通限制、道路费用及通行能力之下的网络平 衡之间的关系，同年，w o n g 和y a n g 又将路网容量的概念应用到交通信号控制 问题中去n 钉。 由于以上这些方法提供的路网容量多是路网这种物理结构所提供的最大 流量，而没有考虑路网的服务水平，因此上述方法的计算值只能是路网容量的 一个上限值。鉴于此，2 0 0 0 年h a iy a n g ，m i c h a e lg h b e l l ，q i a n gm e n g n 3 1 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、环境通行能力甚至将排队长度作为路网容量的约束条 件，从而提出了双层规划模型法( 即两层极值法) ，这种方法既考虑了路网的 物理容量又考虑了用路者的均衡( 用路者出行费用最小) 。这种模型是当今确 定路网容量的最新模型。 1 3 2 国内研究历史与现状 1 9 9 5 年，中国城市交通发展战略研讨会提出的“北京宣言 明确指出：“指 导与中国当前社会经济发展相适应的城市交通规划、管理和运行的五项指导原 则中的首要原则就是城市交通的规划和设计应以人为本，城市交通的根本 目的是完成人和物的移动，而不是交通个体的移动一n 钔。人和物的移动一到 底是指路网在单位时间完成的客运量、货运量还是客运周转量、货运周转量? 该宣言并没有明确指出。 东南大学的王炜教授据此推断，得到关于城市交通系统总体容量的定义为 “在一定的约束条件下，一个城市交通系统所能容纳的人和物的运输量 【i 钉， 除了步行交通外，人和物的移动均需通过车辆来运输，由此衍生出以车辆为对 象的交通容量概念，即“在一定的约束条件下，城市交通系统所能容纳的车辆 数。一 同济大学的杨东援教授认为路网容量分析是指交通网络在一定的条件和 要求下所能容纳的最大交通量n 引，可进一步分为宏观层次和中观层次。宏观层 次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，主要用于分析战略规划阶段或交通发展战略问题。 而中观层次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。对于宏观层次的交通网络容量分析，主要是建立在微观的车 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 6 的车辆数。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网络容量问题。这个定 义较好地结合了研究路网容量的目的性与层次性，考虑了不同层次的路网容量 的影响因素，具有较强的可操作性与实用性，个人认为该定义中的中观层次的 路网容量还可进一步细分为中观层次与微观层次。 北京城市规划设计研究院的全永粲教授认为城市道路设施的时空资源，在 一定的时期内它是有限的、相对稳定的，每一个交通需求都在这一特定的时间、 空间资源内占用其一部分n7 1 。因此，这些设施在一定的时间、空间内所能容纳 的交通需求是极其有限的。宏观地讲，理论路网容量就是城市道路设施在理想 状况下单位服务时间所能容纳的最大车辆数，它与道路设施时空总资源和交通 个体时空消耗有关，即理论路网容量等于道路设施时空总资源除以交通个体时 空消耗u 引。车辆在行驶中占用一定的道路净空面积，在一次出行时间内以动态 方式占用一次，每辆车出行使用的道路面积在单位服务时间内又可提供给其他 车辆重复使用，即道路设施时空总资源等于道路机动车道总长度( 或面积) 乘 以单位时间。交通个体时空消耗为车辆一次出行占用的道路时空资源数额。交 通个体时空消耗等于车头时距乘以平均出行时间或等于平均出行距离除以路 段通行能力。理论路网容量与道路设施供应规模、车辆平均出行距离、路段通 行能力三因素有关。 北京工业大学的陈春妹在其博士论文中研究了城市路网的机动车容量。她 是遵循“时空消耗 的思路进行研究，并且参照道路能行能力定义中将道路通 行能力定义为基本通行能力与设计通行能力，设计通行能力是在基本通行能力 的基础上根据实际情况进行修正的思维方式将路网容量定义为理想路网容量 与实际路网容量两个概念n 引。理想路网容量：是指在理想的道路和交通条件下， 交通个体遵循出行费用最小的原则，路网按照与土地使用、客货交通源集散点 的分布相匹配的布局模式，在合情合理的条件下，在单位时间内所能服务的最 大标准车辆数。实际路网容量：以理想路网容量为基础，对与上述不符的道路、 交通、交通个体选择原则、路网布局匹配程度、路网拓扑结构等条件进行修正， 所得结果为符合实际路网各种条件的容量值。 东南大学的陈学武在其博士论文中提出了基于路网服务水平概念的路网 总体容量计算模型，该模型求算的关键是确定不同路网服务水平下各级道路的 车流密度，并综合城市环境容量在生物学和环境科学中的概念，给出了城市交 通系统环境( 车辆) 容量的定义。陈学武第一次提出了路网服务水平的概念乜们， 将路网容量与路网服务水平对应起来，这是一个很大的进步，但仅仅用v c 作为路网服务水平的唯一评价指标显得不尽合理，路网服务水平的评价有待更 进一步的研究。 同济大学的丁卫成在其硕士论文中也从理论与实际两个角度对路网容量 7 进行了定义，指出计算路网容量必须考虑路网的服务水平，并将路网中的车辆 平均行驶速度作为路网服务水平的评价指标，将路网的交通状态划分为畅通交 通、一般交通、拥挤交通三个层次心。文中的路网理论容量定义为：路网内路 段实际通行能力与路段长度乘积之和或所有交叉口的实际通行能力之和称为 路网理论交通容量。路网实际交通容量为：在一定的路网交通管理水平和一定 的路网交通服务水平条件下，在单位时间内该道路网络内运行的车辆行驶里程 ( p c u 车公里) 或运行车辆总数。 同济大学的王作杰在其硕士论文中从道路供应与交通需求两个角度提出 了路网容量的定义，分为基于设施意义的路网容量与基于o d 分布的路网容量 两个定义心幻。基于设施意义的路网容量是指在一定的道路网络结构、交通管理 条件下城市道路网络系统单位时间内所能容纳的最大车辆数，也就是城市道路 设施在理想条件下单位时间里理论上的最大供应量。基于o d 分布的路网容量 指在特定的道路交通条件下，交通个体遵循出行费用最少原则，路网按照与土 地使用、客货交通源和集散点的分布相匹配的布局模式，单位时间内在路段通 行能力的约束下、并满足路网系统最优的情况下，路网实际能承担的最大交通 流量。 哈尔滨工业大学的杨晓萍其硕士论文中以图论中的网络极大流理论为基 础，借鉴国内外已有的研究成果，运用交通仿真、定量和定性分析相结合的研 究方法，对城市道路网容量及其主要影响因素进行了系统的分析和研究，发现 交通需求与道路网的不合理匹配是导致网络有缝的根本原因心钉。为此，提出了 从调整o d 需求着手，使有缝网变成无缝网的思路，并通过一个图例进行了 验证。然后，给出了理想o d 矩阵和可行理想o d 矩阵的定义，在此基础上， 建立了理想条件下城市道路网容量的计算模型并给出了例题。此外，提出了考 虑路网服务水平的城市道路网容量的计算思路以及将上述方法应用于评价道 路网设计方案的思想。 总体来说，国内的方法基本属于延续国外的方法，与国外的方法都大同小 异。在理论上基本没有创新。虽然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尚不能十分全面，所以各种方法的 近似结果还不能很好的与实际情况相吻合。因此从理论上寻找确定路网容量的 方法具有重大的意义。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 本文在总结国内外路网容量已有研究方法基础上，从分析路网服务水平入 手，将路网服务水平与路网容量双层规划模型相结合，建立了基于路网服务水 8 平的路网储备容量模型、基于路网服务水平的路网极限容量模型及基于路网服 务水平的路网实际容量模型三种路网容量计算模型，并用相应算法对所建模型 进行求解，最后，通过具体算例对模型和算法进行分析验证。 论文后续章节的安排如下： 第二章介绍路网容量的基础理论，提出本论文研究的路网容量定义，并重 点分析影响路网容量的相关因素及国内外已有的路网容量研究方法。 第三章在对城市道路服务水平进行分析的基础上，从网络的角度，提出路 网服务水平的概念并对其进行分析，并重点研究路网服务水平与路网容量的关 系，分析路网容量计算必须考虑路网服务水平的原因。 第四章在已有路网容量双层规划模型的基础上，考虑路网服务水平对路网 容量的影响，建立基于基于路网服务水平的路网储备容量、路网极限容量和路 网实际容量模型，并且分别设计了与三个模型相对应的求解算法，对所建立的 模型进行求解。 一 第五章将所建立的路网容量模型应用于一个典型的试验网络，应用所设计 的算法进行求解，对所建立的模型和算法进行分析验证。 第六章对论文进行总结，指出将来研究方向。 1 4 2 技术路线 本文在大量查阅国内外文献基础上，综合运用交通工程学、交通系统工程、 运筹学以及计算机交通仿真软件辅助手段，采用分析与算例相结合的方法来开 展本论文的研究工作，本文的技术路线如图1 2 所示： 9 图1 2 论文的技术路线 l o 第二章路网容量基础理论与分析方法 2 1 城市路网的描述与结构分析 2 1 1 城市路网系统描述 网络一词被广泛地用于描述各种有形的物理或无形的信息结构。物理结构 如街道与交叉口，电话线与交换站；信息结构如信息流与收发单位。网络一般 包含两个基元，即节点集合和连接节点的弧的集合乜们【2 引。 城市路网含街道和交叉路口，车辆在网络上行驶。作为一种网络系统，城 市路网有几种常用的描述方式乜们乜7 1 。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，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。其简化形式如图2 1 所示。 2 1 a 无向路网 2 1 b 有向路网 2 1 c 混合路网 图2 1 简化的路网形式 2 1 2 城市路网结构分析 城市路网系统是为适应城市发展、满足城市用地和城市交通以及其它需要 而形成的c 2 s 。在不同的社会经济条件、自然条件、历史条件和建设条件下，各 城市路网系统形成了不同的结构布局模式。常见的城市道路网络布局有棋盘形 ( 方格形) 、带形、放射形、放射环形等四种类型乜钔： ( 1 ) 棋盘形道路网 棋盘形道路网又称方格形道路网( 如图2 2 所示) ，由城区或郊区纵横交 错的道路组成。这种网络形态具有布局严整、简洁，有利于建筑物布置，方向 性好，网上交通分布均匀，交叉口交通组织容易等优点；其缺点是非直线系数 大，通达性差，过境交通不易分流，对大城市进一步发展不利。 刊 一 i l _ | 一手 i _ 柚 l= l 卫_ _ i i1 图2 2 棋盘形路网图 ( 2 ) 带形道路网 带形道路网( 如图2 3 所示) 的显著特征是全市大部分的交通量基本上沿 着一条狭长的交通走廊分布，建筑物沿交通轴线两侧铺开，公共交通布置在主 要交通干道范围内，横向主要靠步行或非机动车，有利于公共交通布线和组织， 但容易造成纵向主干道交通压力过大，不易形成市中心。 - i mi ll ：_ 图2 3 带形路网图 ( 3 ) 放射形道路网 放射形道路网( 如图2 4 所示) 的交通干线以市中心为形心向外辐射，城 市沿对外交通两侧发展，形成“指状刀城市。这种布局具有带形路网布局的优 点，同时缩短了郊区到市中心的距离；缺点是中心区对外围区的交通吸引能力 过强，中心区交通压力过大，边缘区之间交通联系不畅，过境交通难以分流。 图2 4 放射形路网图 1 2 ( 4 ) 放射环形道路网 放射环形道路网( 如图2 5 所示) 是由中心城区向外辐射的道路，辅以呈 环状的绕城道路组成。这种网络布局具有通达性好、非直线系数小、有利于城 市扩展和过境交通分流等优点，一般用于大城市；其缺点是如果将过多的放射 线引向市中心，会造成市中心交通过分集中。 v 辩佤 楚纵 图2 5 放射环形路网图 各种类型的路网在空间布局与出行特点上各有利弊。从路网通达性和路网 的非直线系数两个指标来看，环形放射式路网通达性最好，出行费用也最小。 在城市路网不断发展的今天，路网已经不再依据单一模式发展，都趋向混合式 路网发展，因此结构上不断趋于合理。 一个城市的土地利用模式和土地功能布局，决定着一个城市的路网布局结 构，路网布局模式与城市土地利用模式匹配得好，路网功能将发挥得更好，路 网容量将大大增加。因此城市路网容量研究与城市路网结构分析及城市路网设 计相结合是十分有意义的。路网容量研究可以用于评价现有基础设施满足交通 需求的程度，以判别是否需要进行改善；评价各项改善措施的改善效果，以确 定最优的方案；根据预期的交通需求和服务水平，确定实现交通供需平衡的最 佳交通模式，确定新增的基础设施的规模。 2 2 路网容量的概念 2 0 世纪6 0 年代中期，b u c h a n a n ( 19 6 3 ) 和s m e e d ( 1 9 6 6 ) 在伦敦交通研 究例会上提出了路网容量概念，同时也提出了在环境约束条件下的路网容量概 念，随后各国交通工程师对路网容量展开了全方位的研究。 2 2 1 路网容量的定义 一个好的路网容量的定义应该做到采用的定义清楚但条件不苛刻，方便以 后的计算，而又与以后的计算方法无关。现有的各种路网容量的定义是根据各 自不同的研究目的和研究理论提出的，路网容量的定义各不相同，存在着种种 问题： ( 1 ) 路网容量的定义含糊不清且不统一，这样各种方法计算出来的结果 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，不具有可比性，无法比较哪个方法更好； ( 2 ) 对影响路网容量的因素考虑不全，建立模型的准确性与实用性差： ( 3 ) 有些模型中的参数带有主观性或不易测量，使得得出的结果有较大 的误差。 根据上文界定的研究范围，本文在对路网容量进行定义时考虑以下的因 素： ( 1 ) 考虑交通流空间分布特征，研究具体交通网络方案所能够承载的交 通流量： ( 2 ) 考虑路网结构布局与客货交通源集散点的分布相匹配的程度； ( 3 ) 考虑交通出行者的路径选择行为； ( 4 ) 考虑路网的服务水平。 本文的路网容量定义表述如下： 路网容量是指在特定的道路交通条件下，交通个体遵循出行费用最少原 则，路网按照与土地使用、客货交通源和集散点的分布相匹配的布局模式，单 位时间内在给定路网服务水平条件下，路网实际所能服务的最大交通流量。在 考虑路网服务水平对路网容量的影响及交通需求分布模式的不同，本文又进一 步提出了三种不同情况下的路网容量概念，并构建了相应数学模型，具体描述 见第四章内容。 2 2 2 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。 ( 1 ) 按照研究层次的不同分为三类：宏观层次路网容量、中观层次路网 容量和微观层次的路网容量口们。 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，主要用于分析战略规划阶段 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 1 4 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。 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化的理论依据。 微观层次路网容量指路网的某一截面的最大通行能力，它采用最小割最大 流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“蜂腰截面的通行能力即为路网的通行能力，微观层次的路网容量主 要用于确定路网的瓶颈路段，为路网改造提供依据。 ， ( 2 ) 按照外部约束条件的不同分为三类：物理容量、环境容量与经济容 量。 物理容量是指在边的物理能力制约下的网络容量。也就是说路网不仅应满 足整个路网快速、便捷的完成客货运输，而且要保证重点区域( 诸如c b d 地 区) 或重点地点( 如重点路段及交叉口) 具备一定的服务水平。基于此，从物 理容量的角度具体地解释路网容量为道路网在一定路网服务水平下所能承担 的最大交通量。 。 环境容量是指在环境制约条件( 例如：废气、噪声的限制) 下的路网容量， 环境制约条件的主要表现形式为：道路沿线环境控制和区域环境控制。道路网 在这种条件的约束下，可以保持居民活动与城市环境之间的和谐。 经济容量是指根据合理经济运行费用确定的边的通行能力制约下的网络 容量。 ( 3 ) 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、受交叉口通行能力制约的城市道路网的网络容量。 ( 4 ) 按照服务对象的不同分为：人容量、货物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。 货物容量是指道路网在一定时间内、一定的约束条件下，最大运送的货物 数量。 1 5 交通个体容量是指道路网络在一定时间内、一定的约束条件下，容纳( 或 通过) 的最大自行车、机动车或列车的数量。 2 2 3 路网容量的量纲 路网容量作为一个评价指标，与其它指标一样是具有量纲的，但根据不同 的研究层次、研究目的和研究理论提出的路网容量的定义各不相同，而这些不 同的路网容量的定义便又对应于不同的量纲。 在宏观层次讨论路网交通个体容量时，仅考虑交通网络的总体规模所对应 的交通量，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 析战略规划阶段或交通发展战略问题，如政府部门用于控制机动车拥有量，这 时主要考虑的是在一定的路网规模、一定的经济与环境制约下能容纳的机动车 总数，为交通管理部门制订宏观的交通政策服务，这时路网容量的量纲应该为 p c u o 中观层次路网容量需要进一步考虑交通流空间分布特征，研究具体交通网 络方案所能够承载的交通量，它必须考虑路网布局与客货交通源集散点的分布 相匹配的程度，考虑出行者的路径选择行为，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化的理论依据，这时路网容量的量纲应该为 p c u h 或p c u k m h 。 微观层次路网容量指路网的某一截面的最大通行能力，它采用最小割最大 流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“蜂腰一断面即为路网的通行能力，微观层次的路网容量主要用于确定 路网的瓶颈路段，为路网改造提供依据，这时路网容量的量纲应该为p c u h 。 从研究层次上，本论文研究的城市路网容量为中观层次路网容量：从外部 约束条