（交通运输规划与管理专业论文）城市道路网络功能评价理论与方法研究.pdf

摘要 城市道路网是城市运行的动脉，路网结柯决定了城市的基本格局。路网的层次 是否清晰、布局是否合理，是能否发挥城市道路资源、提高城市运行效率的决定因 素。由于缺乏科学的预见性、不合理的道路使用以及大城市道路网发展固有的阶段 性，故而，不少路网在建设过程中，既有路网功能难以得到完全发挥，许多城市交 通系统日趋紧张。在城区受经济、社会、环境制约的情况下，科学的进行城市道路 网络设计、评价和优化日益成为交通工程和交通规划领域关注的重大问题。随着我 国国民经济的迅速发展，城市居民的交通需求迅速增加，城市道路交通网络供给面 临巨大的挑战。 本文在借鉴国内外已有研究成果的基础上，主要针对如何充分发挥既有路网的 功能，使其能够最好地满足城市交通需求进行探讨，重点研究如何使一定结构的道 路网络能够适应一定城市交通需求，尽量提供高水平、高效率的交通服务，促进城 市经济、建设的进一步发展。论文研究利用车载g p s 等技术手段，获取大量的车辆 运行过程数据，分析了不同出行在不同功能层次道路上的使用比例，进而发现路网 功能存在的问题，并提出路网结构改善建议；利用浮动车( 车载g p s ) 记录车辆行 驶全过程数据，建立基于车辆行程的路网动态评价指标体系，包括动态非直线系数、 不合理切换比例等评价指标，能够更好地反映路网的实际运行绩效，并在此基础上 提出了基于路径优化的分配模型及对具体案例区域进行科学优化的建议。 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 、本文介绍复杂性研究的起源，复杂网络的构成，交通运输网络复杂性的含 义，着重阐述复杂网络及其在交通运输各领域的应用与发展。路网容量和路网通行 能力的研究现状，对路网容量计算的五种方法的优缺点均作了较详细的说明。此外， 还对复杂网络条件下车辆路径选择的研究状况进行回顾。最后，对现有研究中存在 的问题作简要的说明。 2 、本文针对城市道路网络时间和空间特性，探讨道路网络供需平衡关系，建 立基于浮动车数据的城市道路网络功能的评价指标体系，分析运用模糊评价进行路 北j ；( 1 业人学i 肇博i 学化论文 网功能评价的方法，并以北京市道路交通网络为案例，计算了道路网络评价体系中 的各项指标，分析了北京市路网结构存在的问题和对策。 3 、研究基于路径的网络匹配优化问题。论文提出基于路径优化模型的概念， 比较基于路段与基于路径模型的区别，并提出基于车道的路径选择优化思路；论文 分别建立基于车道的交叉口模型和车道模型，建立基于车道的道路交通网络模型； 然后论文还分析基于车道的交通延误模型，着重分析车道中交叉冲突和合流冲突造 成的种延误。建立了基于车道的路径优化模型，此模型以车辆行驶时间和冲突延误 最小为优化目标，针对提出的优化模型本章给出了传统求解算法和遗传算法，并通 过算例分析对基于车道的路径选择优化模型进行了验证。最后，论文在基于车道路 径选择优化模型的研究思路基础上，应用v i s s i m 仿真工具对北京市西二环快速路 车流实况进行模拟分析。 4 、从道路交通系统优化的观点和方法出发，本文认为某条道路或某个地段的 交通拥堵问题应该放到周围相关区域范围内，通过采取对区域路网整体运行功能进 行优化的策略来加以解决。并选取北京市西城区的西二环作为研究案例，采用理论 计算和仿真分析的方法，对西城区三里河路包括二环路区域范围道路网络的整体运 行功能进行优化，以实现改善西二环交通运行质量的目的。通过对实际案例的研究 说明所提策略的有效性和可行性，。 关键词：路网供需匹配；运行功能评价；基于路径车道的方式选择；通行能力 a b s t r a c t t h er o a dn e t w o r ki st h ea r t e r yo fac i t y , w h i c l af o r m s 岫c i t y s 弘喇锄aw e l l - d 0 6 m e da n d l i en e t w o r kl a y o u td e t e r m i n e s 蛔o l m a t i o n n le t t i e i e n c yo f as p e c i a lr o a dl - t w o r k i nt h es t a g e o fr o o de o n s l m t i o n , t h en e t w o r kf u n c t i o ni sd i t t i e u i tt og e tf u l l yd e s i g n e d , w h i c hm a k e st h el ：l r a 伍c o p e t a l i o l l l si n e t i l e i e n t , b c c a n s eo f 恤l a c ko f t l a es c i e n t i f i cf o a e c a s t i r r e a s o n a b l eu l t i l i z a t i o no f r o a d s d u et ot h e i m i t a t i o n si nu r b a ni 0 1 1 1 0 1 1 1 i cs c a i e s o c i a la n de n v i r o n m e n t a lc o n c o m s , d e s i g n , a l , p r a i s a l a n do p l i m i z a t i o l l lo f ar o a dn 咖 o r kh a v eb e c o m eaf o c u si ni r a t f i cm a n a g e m e n ta n dm m s p o as y s t m p l a r a l i n g g r e a t e rc h a n l l e l l g sh a v eh a p p e n e do no p e r a t i o no fa 印涮u r l m r o a dn e t w o r k 1 l l l k 瞄o n w i t hr a p i dd e v e l o l m i e n ti nu r b a n 棚s o nt h eb a s eo f f i l et - s e a r e l af i - o mo t l l c n t h i sd i l l s c l t a t i o i t lf o c u s e s0 1 1n 他f l l l f l l c t i o no f t h en 咖o r k t om tm cn e e do f t h ec i t yn a 仿cs y s t e m f o ro f f e r i n gg o o ds c l t v i c ea n dp r o m o 衄t h ed e v e l o p m e n t o f t l a ec i t y , i ti s tt of i n daw a yt on l a k l ，t h ef i l l l l c t i o no f t l a er o a dn e t w o r kt of i tt h ec i t y , is i t u a t i o mb y g p sd a t a , w ed e t e c tt h ep r o b l e mo ft h en e t w o r kf l l l n g l i o nt h r o u 曲t h ca n a l y s i so ft h e 删o n a l p t o p o 币o l lo n t h ed i f f e r e n tl e v e lo f t l a cr o a d b yn o t i n gt h ed a t ao f t l m 仃a 缸i c as e to f e v a l u a t i o ni n d e x 妇l u d i n gt h e 由m 删cn o n - l i n e a rr a t i oa n du m e a s o n a b l er a t i o no fu t i l i z a t i o ne 幻w 黼d e v e l o p e d ， w h i c hc r e f i e c tm en e t w o r k se f f i c i e n c yw e l l t l m at h eo p t i m i z a t i o np r o c e a t 地i sp u tf o r w a r d t h i sd i 骞旧e 嘶h a s8 0 鹏m a i n 自眦a 8b e l o w 1 7 i n a , f i l ep 珥 盯i n l a o d u e e st h eo r i g i l l a t i o no ft h ec o m p l e x i t yr e s e a r c h ，t h es t l r u c l m o ft h e c o m p l i e n t c dn e t w o r ka n dt h em 翱n i l l gf o rt h ec o m p l e x i t yo f t l a el l l l t 伍cn e t w o t _ k a n dt h e ne m p h a s i z e s t h ea o p y i n ga n dt b ed l 鹏1 0 p i i 豫吐o f t l a en e t w o r ki nt h ea l r c ao f t t a e 缸棚! j ca n dw i s p o f 碰o n , f r o mt l a c s t a t u so ft h ee 8 1 i t y 锄dt r a n s i ta b i l i t yo ft l a cr o o dn d n v o r k , s h o wi , u l i c t l l a re x p l n n a t i o no ft h e f i v em e t t l o d sa b o u th o wt oc a l c u l a t et t a ec a i m i t yo f t t l en o t w o r k f i n a l l y , t h er e s e a r e l lo f t l a es e l e c t i o o o f t l ”r o u t ei si n t r o d u c e da n d8 0 1 1 1 1 er , r o b l e i no f t h er e t r c l ai ne x i s 咖i sm a d eo u tb r i e f l y s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h ci 1 眦w o r kt i m ea n ds p a c ed 柚哦w 钯蹦t h ed i 目s 删o nc o m a t l 燃心砖 e v a l u a f i o n a li n d e xs y s t e mo nf l o a tc d a l at od i u s 8 山cr dn e t w o r kb a l a n c er c l a t i o m h i po f s u p p l y i n g 柚dd 即明n d i n 参w i t ht h ee x a m p l eo fb e i j i gr o a dn e t w o r k , c a l c u l a t e st h ei n d e x e so ft l a e e v a l u a t i o ns y s t e m , a n a l y s e st h ei t sp r o b l e m sa n dp o l i c i e s t h i r d l y , t h et h e s i sd e f i n e st h er o u t el 啕s c do p t i m i z i n gm o d c t , l i n k 捌柚dr o u t e - b m c dm o d e l s h o s e d0 1 1 i n 协髓鲥砸锄dr o u t ed e t a i l s a n a 1 y s c s 场l l 【- b a s e dt r a t 山i k l ym o d e l ，e s o e c i a l l yt h e c o n f l i c t s 1 1 砖l i n k - - b a s e d 叩恤i i i ：d n gm o d e lr e d u c e st h et r a v e lt i m e 柚dc o t l f l i c td e l a y , w i t ht r a d i t i o n a l 蛐dh e r e d i t a r i l ya l g o r i t h ma n dv i s s ms o l l w a r e , s i n m l a t 目t h ew e s tz , d 她r o a dv e h i c l e sf l o w s i t u a t i o n m 北京t _ 业人学丁学博i 学位论文 f i n a l l y , t h ep a p e ra d v a n c e s i n t e g r a t e dp o l i c yf o rar e g i o n a ln e t w o r ko p e r a t i o n i nt h ep a r t , a f r a m e w o r kh a sb e e nd e s i g n e dt oa l l e v i a t e 灯a 币cc o n g e s t i o nt h r o u g ho p t i m i z i n gr e l a t i v er o a dn e t w o r k o p e r a t i o ni nas a m p l ea mi nb e i j i n g o nt i l eb a s eo f s u r v e ya n da n a l y s i so f t h i sa r e at r a f f i co p e r a t i o n a n dt h ep r o b l e m so fo t h e rr o a d si nt h i sa r e a , e s p e c i a l l yt h ew e s tu r b a ne x p r e s s r i n gr o a d , t h i s d i s s e r t a t i o nd e s i g n st w od i f f e r e n tm e t h o d so fc h a n g i n gr o u t ec o n s i d e r i n gt h er o a dn e t w o a , t h e n c o l n p a l t h e s et w om e t h o d sa c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i o no f m a i n l yu t 墒co dp o i n t s k e y w o r d s ：m a t c ho fn e t w o r ks u p p l ya n dd e m a n d ；o p e r a t i o n a lf u n c t i o ne v a h l a 矗 r o u t e l a n e - b a s e dm o d a lc h o i c e ；t r a n s p o r tc a p a c i t y 北京r 业人学t 学博i 学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名。即枷警嗍。叫洲 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 戳：讨括孙燧轹 同期工7 t - 、弓i 1 1 选题背景 第1 章绪论 城市交通系统是城市运行的动脉，交通网络结构影响城市的基本格局，交通系 统运行决定着城市的运行效率。随着我国国民经济的迅速发展、城市化水平的不断 提高，城市地区居民的交通需求增长迅速，大城市中心区道路交通供给总体不足的 基本格局已经形成。 从城市道路交通角度来看，一个层次清晰、功能明确、利用合理的城市路网， 是充分发挥城市道路资源、提高城市运行效率的重要基础和保障；而功能混乱、结 构散乱的不合理道路系统必然会影响交通流的顺畅，降低道路的服务水平。 不过，大城市的道路网都是在特定的历史渊源下发展起来的。不少城市路网在 建设过程中，或由于手当时当地条件的限制，或由于对发展过程缺乏科学的预见性， 致使路网结构不尽合理；加上道路使用上存在的各种不合理，可能导致既有路网功 能难以得到完全发挥，其具体表现就是城市交通系统运行不畅，交通系统服务水平 低下。因此，对城市道路网络进行科学的规划与设计、对给定路网的使用进行适当 引导和管理已经成为交通工程和交通规划领域关注的重大问题。 以北京市为例，2 0 0 5 年中心城主要道路高峰小时平均负荷度为o 如，较2 0 0 3 年路网整体负荷水平上升了o 0 2 ，中心城道路交通进一步恶化，道路交通状况不容 乐观。北京市各快速路及主干道的道路流量不断攀升，运行速度逐渐降低，从2 0 0 1 年到2 0 0 5 年，二环路全日平均流量增加了7 3 7 0 3 辆，增幅约6 5 ，日均速度下降了 7 8 k m h ；三环路全日平均流量增加了1 0 8 4 6 8 辆，增幅约1 0 9 ，日均速度下降了约 0 3 k m h 。北京市中心城东西和南北方向核查线日交换交通量由2 0 0 2 年的3 5 3 9 万 辆日增加到2 0 0 5 年的5 0 7 9 万辆日，近三年共增4 3 5 ，平均年递增高达1 2 8 。 可见，进入新世纪以来北京市城市交通需求增长幅度和速度是空前的。 根据统计，截至2 0 0 5 年底，北京市城镇道路总里程为4 4 2 5 公里，道路利用情 况如表1 1 所列，其中使用比例是指出行调查中使用各等级道路的出行数占调查出 北京i 业人学i 学博l ：学位论文 行数的比例。 表1 1j t 京市各级道路利f j 率 t a b l e1 - iu t i l i t yo f h i e r a c h i c a lr o a d si na e i j i n g 路网层次快速路主干道次干道支路 道路里程( 比例)2 3 9 ( 5 4 1 1 0 6 8 ( 2 4 1 、 11 0 6 ( 2 5 o ) 2 0 1 2 ( 4 5 5 、 使州比例 6 3 4 9 1 4 7 5 6 3 9 5 未_ i j 比例 3 6 6 8 6 2 4 4 6 0 5 使朋的距离 1 8 33 6 01 1 8 6o 5 l 上述调查中，快速路主要是承担区际运输，目前城市中心区的交通主要依靠主 干路来完成，其使用比例较高，次干道略低，而目前支路未使用的比例达到6 0 以 上，说明北京市区支路的利用率处于相当低的水平。椐我们开展的另一项抽样调查 表明：北京市目前一次出行平均距离为7 8 k m ，其中主干道完成部分占4 6 ，快速 路占2 3 ，次干道占2 4 ，支路仅占7 。过量( 占总量的6 9 0 ) 的交通主要由主 路和快速路( 约占道路总罩程2 9 5 ) 上，多数支路处于利用率极低的状态，整个 路网的总体潜力没有得到充分发挥。 关于城市( 特别是大城市) 道路网络的研究，有以下两个基本问题需要讨论； 首先，如何根据不同城市特定的资源与需求状况，确定由不同层次道路组成的 路网的合理结构。这种合理的路网结构的确定既要考虑城市发展的总体规划，又要 适应城市综合交通结构的要求，并保证对交通需求提供设定的服务水平，以引导城 市的发展。 其次，对于科学合理地制订给定城市道路网络的使用计划和相关方案，以保证 充分发挥既有路网的功能特点，并提供各种交通需求以尽可能好的服务水平。 本文的研究将在兼顾第一类问题的同时，重点研究第二类问题。重点探讨如何 使一定结构的道路网络能够适应一定城市交通需求，以提供高水平、高效率的交通 服务，促进城市经济与交通建设的进一步发展。 2 第1 章绪论 1 2 中国城市道路交通现状 1 2 1 道路建设情况 我国城市道路建设速度在进入2 l 世纪后明显加快，表1 2 为北京和广州2 0 0 0 年至2 0 0 4 年道路长度和面积的统计的数据。 表1 22 0 0 0 2 0 0 4 年北京、广州的道路建设概况 道路长度( k m )道路面积( 万m s ) 北京 广州北京 广州 2 0 0 0 焦2 4 7 l2 0 5 33 5 0 23 2 4 0 2 0 0 1 位 2 4 9 34 2 1 03 7 0 l5 8 9 9 2 0 0 2 年 2 5 0 44 4 4 73 8 5 76 1 9 4 2 0 0 3 正3 3 4 74 5 7 14 3 1 56 5 6 3 2 0 0 4 矩4 0 6 44 8 6 47 2 8 77 7 0 6 数据来源：广州纾济统计年鉴中国统计出版社 中国城市统计年鉴国家统计局城市杜会经济调查队编中国统计出版牡 北京统计年鉴2 0 0 1 - 2 0 0 5 从表l - 2 中可以看出，2 0 0 0 - 2 0 0 4 年的5 年问，北京、广州的道路长度分别增 长了6 4 4 7 和1 3 6 9 2 ，道路面积分别增长了1 0 8 0 8 和1 3 7 8 4 。道路建设速度 加快一方面是由于经济发展迅速，带动了交通需求的迅猛增长；另一方面也表明原 有的城市道路基础设施已经无法满足日益增长交通需求，整个交通基础建设处于供 不应求的阶段，并且这种趋势仍在持续。相应而来的一个问题是要解决交通供需平 衡问题，即通过基础实施建设和交通结构优化来实现城市道路网络功能的充分、高 效地发挥。 1 2 2 城市交通结构演变 在过去的2 0 年中，我国城市化处于快速发展过程中，各大城市经济迅速发展， 需求增长明显，城市整体结构发生巨大变化。作为其中一个重要组成部分，城市交 通结构也产生了相应的变化。表1 - 3 和表i _ 4 别列出了1 9 8 6 年前后和2 0 0 3 年前后 我国部分大城市交通结构构成数据。 3 表l 一3 我围部分人城市的历史交通结构数据( ) 统计 交通方式 城市轨道常规 年份私家车白行车步行山租车摩托车其它 交通交通 北京 1 9 8 62 8 2 26 2 6 6 o 3 5 8 8 l 上海 1 9 8 6 3 6 1 2 4 23 6 3o 2o i3 1 r 州 1 9 8 4 1 9 3 7 3 4 0 53 9 1o 2 70 3 76 8 4 郑州 1 9 8 72 2 36 3 0 53 2 9 5 o 0 6 o 3 l1 4 k 沙 1 9 8 32 5 23 1 4 3 9 24 2 i i 家庄 1 9 8 65 1 35 7 83 3 8 9o o lo 1 63 o l i ：海城i 仃综合交通规划f 苫息阿，h t t p ：l v “v ws c c t p i g o v c n c h n c o m t e m t b 6 h u n 城i “交通h t t p ：w w w c h i n a u t cc o r n d a t a i n d e xa s p 上海统计人学城f f f 规划设；f 研究院长沙市城市交通规划专题撤告，1 9 9 9 年东南大学交通学院， 郑州i f j 现状交通渊a 分析报告，2 0 0 1 年3 月 田锋，我国人城市客运交通结构发展模式研究东南人学博士论文，2 0 0 2 年 表1 - 4 我国部分人城市的近年交通结构数据( ) 交通，c r 式 城市统计年份轨道 步行自行车摩托车私家车公交乍出租车其它 交通 北京 2 0 0 03 3 o3 9 o2 13 21 2 41 5 1 6 上海 2 0 0 42 9 22 5 25 21 6 0 5 22 5 ，“州 2 0 0 34 5 7 5i o 9 l7 3 82 4 92 6 8 5o 6 3o 8 2 郑州 2 0 0 03 0 6 04 8 7 05 3 61 1 46 4 71 8 l5 9 2 长沙1 9 9 84 8 4 02 3 2 05 4 01 6 2 01 4 05 4 0 l i 家庄 1 9 9 83 3 6 45 4 3 84 4 92 9 21 5 03 0 7 数据束源：同f ：表i - 3 。 如果将表1 3 中视为历史数据，表l - 4 视为现状数据，从上述两个表的对比分 析中，可发现过去近2 0 年来我国城市交通结构变化具有如下特点： ( 1 ) 非机动化交通方式出行的比例整体呈明显下降趋势，这也说明我国多数 城市已经步入快速机动化时期，城市道路交通机动化出行程度逐渐提高，意味着城 市道路网络将承受更多的机动化交通负荷，交通结构将发生重要变化。表1 5 列出 了我国大城市非机动化出行比例的变化数据。 从表1 5 中可以看出，北京非机动化出行有较大增长，长沙出现微量增长外， 其它城市的非机动化水平都星下降趋势，其中广州、郑州的下降幅度超过了1 0 。 ( 2 ) 公共交通方式出行比例整体呈下降之势，这说明经济发展过程中体现个 性特征的个体化交通方式的需求在增长，这种增长在不同城市存在差异。表l - 6 给 4 第1 章绪论 出了我国部分大城市公交车出行比例的变化情况 表l - 5 我国部分大城市非机动化出行比例的变化( ) 城市北京上海 j i 州 郑州长沙 石家庄 历史数据 6 2 6 66 0 57 3 1 59 67 0 69 1 6 9 现状数据 7 2 95 4 45 6 6 57 9 37 1 68 8 0 2 增量l o 3 6 6 1 1 6 51 6 7 1 o 3 6 7 注。各城市数据年份分别为；北京( 1 9 8 6 与2 0 0 0 ) 、l ：海( 1 9 8 6 与2 0 0 4 ) ， 广州( 1 9 8 4 j2 0 0 3 ) 、郑州( 1 9 8 7 与2 0 0 0 ) 、长沙( 1 9 8 3 与1 9 9 8 ) ) ， 石家庄( 1 9 8 6 j1 9 9 8 ) ) 数据来源：同表l - 3 表i - 6 我国部分大城市公共交通出行比例的变化( ) 城市 北京上海广州郑州长沙 石家庄 历史数据 2 8 2 2 3 6 1 1 9 3 72 2 32 5 25 1 3 现状数据 1 5 51 6 o 2 6 8 5 6 4 71 6 2 2 9 2 增量 1 2 7 2_ 2 0 17 。4 84 2 4- 9 o- 2 2 l 注t 同表i 5 ；数据来源：同表l - 5 表1 6 的数据表明，除广州和郑州的公交出行比例有所增加外，其它城市均呈 现下降趋势，并且公共交通出行所占比例总体上处于较低水平。总体上看，过去2 0 年来，尽管机动化水平在提高，但公交方式不仅未能吸引非机动化交通方式转移出 来的一部分交通量，而且本身所承担的出行比例也出现了一定程度的下降，主要原 因是一方面由于公共交通发展中存在的问题，如服务水平难以达到经济增长后的需 求，公交受到了来自于其它交通方式尤其是私人机动化交通出行的强力冲击；另一 方面是因为需求特性的变化，如经济增长后对可达性要求的提高等，这些特性恰是 交通个性化的重要表现。此外，城市交通系统中缺乏大运量快速轨道交通的支持， 导致公交车在与其它交通方式竞争中处于劣势。 ( 3 ) 出租车和摩托车出行比例迅速增长。出租车与摩托车是两种重要而特殊 的机动化出行方式，也是城市机动化过程中的私家轿车的过渡方式，它们正好可以 满足经济增长水平尚未达到私家车阶段前的出行个性化的需求。表1 7 是我国部分 大城市出租车和摩托车出行比例变化情况。 从表1 7 中的数据可以看出，与历史数据比较，出租车和摩托车出行比例增长 很大，呈现出高增长率的发展势头( 若排除一些城市对出租车、摩托车限制政策的 5 北京r 业人学1 学博t 学位论文 影响，增长幅度还会更高) ，与非机动化交通、公交车出行比例的下降形成了鲜明 的对比，这表明在国民生活水平逐步提高的同时，对更快、更便捷、更舒适的交通 方式的需求也越来越强。 表1 7 我国部分人城市出租车和摩托车出行比例的变化( ) 城市北京上海j - 州 郑州长沙石家庄 历史数据 o 3 50 30 6 4 0 3 7 0 1 7 现状数据 1 56 9 41 1 0 77 1 76 85 9 9 增量 1 1 56 6 41 0 4 36 86 85 8 2 注：阀表i 5 ；数据来源；问表1 5 ( 4 ) 城市轨道交通已经成为各城市改善道路交通拥挤状况、提高公共交通方 式市场份额的重要手段。发达国家地区的城市交通发展经验表明，轨道交通和私人 小汽车交通是稳态和亚稳态交通结构的代表性交通方式，体现着更优的生活质量和 更高的运输效率。目前，我国已经有北京、上海、广州、天津、大连、长春、武汉、 重庆、深圳、南京等十余个城市拥有轨道交通系统，另外十余个城市正在规划建设 轨道交通，轨道交通正逐渐成为城市交通出行的重要方式；在特大城市，轨道交通 将成为大城市公共交通系统的骨干方式。 ( 5 ) 道路交通结构不稳定。从上述数据分析中可以发现，我国不少大城市交 通结构正在发生明显变化，这种变化的背景却是复杂的、非渐进式的。一些城市出 现反复变化现象，它表明我国城市交通结构并未发展成熟，其发展过程仍受到来自 经济发展、交通政策等多方面的影响。表1 8 列出了上海市1 9 8 6 - 2 0 0 4 年间交通结 构的变化数据。 表! - 8 上海市交通结构的变化数据( ) 统计交通力武 年份轨道交通 公交车 私家车白行车 步行出租车 库托车其它 1 9 8 6 3 6 12 4 23 6 30 2o 13 1 1 9 9 50 7 81 5 1 44 1 2 53 3 1 61 0 462 6 3 1 9 9 8i 7 81 5 3 32 8 8 94 1 5 61 0 65 8 87 2 8 2 0 0 42 51 6 o2 5 22 9 25 25 2 数据束源：l 海城市综合交通规划仿息嘲th t t p ：w w w 。呻g o v c n c h n c o 删h u n 从表1 - 8 中可以看出，上海市交通结构的变化并不是呈现单调递增或是单调递 6 第1 章绪论 减的趋势，中间出现了波动的过程，例如，自行车和步行比例出现了先增长后减少 的过程，并且波动幅度很大；公交车出行比例则呈现先减少后增长的趋势，但波动 幅度不明显。这些数字表明：我国大城市交通结构中，机动化的替代方案还不稳定， 短期内可能难以形成成熟、稳定的城市交通结构。 1 2 3 城市道路网路评价过程 城市道路网络的功能分析是一个复杂的过程，它主要包括两个方面：一是评价 的基础数据，即如何获取道路网络运行的基础数据；而是功能评价的方法，即如何 判断道路网络功能发挥的水平。根据研究的环境条件，本文采用基于浮动车的动态 数据收集技术作为研究的基础，并提出了路网评价的宏观和中观思路。 ( 1 ) 动态数据采集技术 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国从2 0 世纪7 0 年代开 始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进 行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。在我国交通运输 和道路工程中，g p s 技术的运用已经开始得到重视和发展，并开始步入深层和普遍 运用阶段。为研究人员掌握更多、更有效的基础数据信息提供了技术保障，同时也 为研究人员提供了更加科学的优化路网的途径和手段。 国外基于g p s 检测数据有许多方面的应用，主要可归纳为以下三类：一是利用 浮动车采集数据为路网动态信息实时预测提供数据基础，或者作为主干道运行状况 的实时测量手段；第二类是用于探测路网交通事件的发生，如排队的发生或者监测 到交通事故；第三类是将检测数据作为某些路段或者高速公路的旅行时问预测的数 据基础。 浮动车记录数据的收集技术有两种主要方式：一类是基于空间分布的方式，如 按一定的间隔在道路旁设立信标，另一类是基于时间分布的方式，即车辆按一定的 时间间隔传输数据。9 0 年代中期的浮动车数据采集研究都集中在信标采集系统，近 几年，随着g p s 系统的价格下调，越来越多人开始将研究兴趣转移到后一类浮动车 数据采集技术。 浮动车采集数据有许多方面的应用，主要可归纳为以下三类：一是利用浮动车 7 北京i 业人学i 。学博i 学位论文 数据为路网动态信息实时预测提供数据基础，或者作为某一条主干道运行状况的实 时测量手段；第二类是用于探测路网交通事件的发生，如排队的发生或者监测到交 通事故；第三类是将浮动车数据作为某些路段或者高速公路的旅行时间预测的数据 基础。 在数据采集系统开发方面，国外已有应用浮动车检测技术方面的研究和应用， 如英国的浮动车数据系统、日本名古屋的出租车系统等，但它们主要是用于检测交 通事件或导航信息发布。美国芝加哥市在9 0 年代中期就开发的大型i t s 系统 a d v a n c e ( a d v a n c e dd r i v e ra n dv e h i c l ea d v i s o r yn a v i g a t i o nc o n c e p t ) ，近期的包括 荷兰鹿特丹市的p r e l u d e p r o j c c t ，以及英国的r o a d t r a f f i c a d v i s o r ( r t a ) 系统。 利用车载g p s 可以记录车辆行驶的全过程，进一步地，利用车辆在不同等级道 路上的行程作为的路网功能评价的基础，可以较好地反映了路网的实际运行状况， 进而可以分析出城市道路网在使用过程中存在的问题。作者结合自身工作组织丌发 的基于出租车的车辆出行数据采集系统，既可以用于城市道路网运行评价，也可以 获取车辆出行o d 数据，为城市规划和交通管理部门提供了一整套廉价、方便、可 靠的新方法。 ( 2 ) 道路网络评价方法 传统上，国内对城市道路网的评估主要是从路网空间尺度( 如道路长度、密度、 面积率等) 、通行能力、车流量和速度等指标方面展开的，不过，仅通过这些指标 难以判断不同等级道路是否承担了其规划赋予的承担不同出行的功能。近年来，我 国交通专家在城市路网评价方面提出了一些改进思路，主要侧重点体现在以下两方 面：一方面是对城市路网评价的指标体系进行了改进，提出了一些新型的指标，如 考虑城市总体水平的相对性指标；结合车辆出行o d 数据的动态指标，路网交通状 况的交通质量指标等；另一方面是在处理指标的评价上采用了一些新方法，如模糊 数学，层次评价法( a h p ) 等。 虽然在国内交通运输领域对城市路网评价已经进行过大量的研究，但目前还没 有专门针对城市路网的上述功能层次的使用状况进行考察分析方面的研究。总的来 看，我国城市路网分析评价较多采用传统的基于静态路网数据的指标评估方法，即 考虑了路网的一些静态固有特征，如路网长度，路网面积、路网密度、非直线系数 3 第l 章绪论 等，这些指标可以考察路网结构的水平。不过，静态数据难以满足更深入、更细致 的路网功能评价需要。随着智能交通系统技术的不断发展，利用浮动车系统( p r o b e v e h i c l es y s t e m ) 采集交通动态数据( 如旅行时间、旅行速度等) 的概念越来越被人 们所接受。本文通过路网运行动态数据的收集来分析和评价路网功能，相比在道路 基础设施设置线圈、感应器、闭路电视等获得相类似数据的数据采集方式而言，浮 动车书记采集系统一方面不仅具有更大的灵活性和数据精确度，另一方面也有很大 的成本优势。 1 3 本文的主要研究内容 1 3 1 论文的研究思路 城市道路网络功能分析与评价是一个复杂的交通问题，难以通过一篇论文来全 部完成。为确保取得研究成果，本文将重点放在作者目前有条件开展研究的几个主 要问题上，这些条件包括： 约8 0 0 0 辆g p s g i s 浮动车采集的动态数据库； 近年来开展的关于北京市道路网络使用分析专项研究与分析数据； 北京市局部道路网络功能运行分析与研究数据； 论文前期开展的关于车流成分的调查与分析成果。 本文研究的详细技术路线如图l - l 所示。 l 基于g p s ，g i s 技术的浮动车动态交通数据采集j 上上 l g p s 数据库建立ll g i s 数据库建立 l + 山 l 城市网络复杂性描述l 陬市交通网络时窄特征研究| 匿于车道的道路网络模到 0 上上 j 城市道路网络评价方法研究ii 基于路径的城市路网匹配优化研究j l i - i 北京市路网评价与优化案例研究l 图1 - 1 论文研究的技术路线及基本流程 f i g m 1 - 1r e s e a r c hl o g i ca n df l o wc h a r to f t h ed e u e r t i o n 9 根据研究资源条件，本文的核心问题选定为城市道路网络的复杂性和时空特性 分析、路网功能的宏观评价、基于车道交通网络模型和路径选择优化模型，最后运 用上述成果对北京市部分路网进行案例研究。 1 3 2 论文内容及结构 根据以上研究计划，本论文主要内容分为以下4 部分： ( 1 ) 城市道路网络研究分析与评述( 第二章) 。根据国内外有关城市道路网络 功能分类、路网复杂性、路网容量等方面的研究成果，对我国目前道路网络功能运 用状况进行了分析与总结，指出了目静道路网络功能分析理论与实践中存在的问 题，结合论文研究的基础工作对路网评价方法和动态数据采集技术进行了介绍与评 述。 ( 2 ) 城市道路网络功能分析与评价( 第三章) 。重点针对道路网络运行状态， 研究了道路网络时间与空间特性和基于质量内涵的网络供需平衡特点，探讨了一定 需求条件下充分发挥城市路网功能的理论、方法与技术，提出了评价指标体系和具 体评价模型；利用北京市浮动车动态采集数据，对北京市道路网络功能进行了示范 性的评价。 ( 3 ) 基于路径的路网容量匹配优化模型( 第四章) 。本章主要探讨了基于路段 和基于路径网络分配模型的利弊，在基于路径模型的思路下，建立基于车道的城市 道路网络匹配模型，构建了以出行时间和冲突延误最少为目标的基于车道的路径选 择的微观优化模型。本章还对建立的优化模型给出了传统算法和遗传算法两种求解 算法。考虑到模型求解的复杂性，论文给出了利用仿真软件进行优化的思路，并以 北京市西二环官园桥南至阜成门立交桥北之间的道路为案例进行了仿真分析。 ( 4 ) 城市道路网络运行功能优化案例研究( 第五章) 。针对前文提出的网络功 能评价方法和路网容量匹配优化模型，以北京市三里河地区为对象，建立了整体仿 真模型；通过对仿真结果的分析，验证了本文提出的功能评价方法和基于车道的路 径选择优化模型在充分发挥道路网络功能、提高网络运行效率方面具有积极作用。 1 0 第l 章绪论 论文还从运营管理角度总结提出了利用浮动车数据优化路网功能、促进路网效 率提高，以达到提高城市交通系统整体服务水平、促进城市发展的目标以及改善北 京市路网功能的部分方法与措施。 第2 章城市道路网络研究现状 城市道路网络的形成有两个重要的基础：一是历史渊源，二是交通需求及其变 迁。道路网络产生于特定城市环境下的需求，服务于城市特定时期的需求。城市道 路网络与城市资源水平的协调发展，以及高质量地满足城市交通需求、促进城市经 济发展与居民生活水平的提高，道路网络功能研究的要点。本章重点评述了国内外 城市道路网络研究的现状，从理论与实践两个方面分析了道路网络规划及运行中存 在的功能问题。 2 1 城市道路网络分类研究 1 9 3 3 年雅典宪章明确指出，“交通是城市四大功能之一，城市道路功能 不分是城市交通面i 临的重要问题，街道需要进行功能分类，其中车辆的行驶速度是 道路功能分类的依据”。1 9 7 7 年1 2 月通过的马丘比丘宣言 2 1 对雅典宪章4 0 多年的实践做出评价，认为实践证明“把交通看成为城市基本功能之一，道路应按 功能性质进行分类，改进交叉口设计等”是正确的，而且将继续起作用，可见实行 道路功能分类是城市道路规划的一项重要工作。 城市道路网络的根本功能是为社会经济发展服务，承担着城市的客、货运输。 不同道路在城市道路网络中的地位与作用有着显著不同，在社会经济发展中所具有 的功能也不同。城市道路网络整体效率的提高与功能的发挥，不仅取决于城市道路 总罩程的大小，还在很大程度上取决于内部层次结构的