（交通运输规划与管理专业论文）城市路网容量研究.pdf

摘要 摘要 城市道路容量描述了道路网对交通需求的承载能力，是城市交通规划与管理及评价的一 项重要指标。城市道路网容量问题的研究，对合理确定城市的机动车发展规模、制订路网规 划方案以及拟定城市可持续的交通发展战略等方面具有重要的理论和实践意义。论文依托程 琳教授的国家自然基金项目道路交通网络空问的拥堵瓶颈识别( 5 0 6 7 8 0 3 7 ) ，以城市路 网容量问题为核心，重点从以下几方面展开研究： ( 1 ) 路网容量的概念 文中在详细总结国内外城市路网容罱的研究现状的基础上，深入分析了不同路网容量定 义的思路及相应的研究方法，爿：从交通供需平衡的角度，结合本文研究思路和方法，提出 了路网容量概念。 ( 2 ) 路网结构对路网容量的影响 城市道路网系统作为承载交通流的基础设施，其布局结构及等级配置对路网资源的有效 利用存在重要的影响。通过对起终点及o d 需求相i 司、布局结构不剐的网络进行算例对比分 析，探讨了路网布局结构对路网容景的影响，并且从道路等级的划分标准及相应功能出发， 分析了不同等级的道路及其级配结构对路网窖景旧影响。 ( 3 ) 基于交通供需平衡理论的路网容量计算方法 城市道路网络是一个随机开放的、多起终点的复杂系统，现有的路网容量研究大多将其 抽象为无向网络或固定起终点的路网以简化求解，但与实际情况存在较大差异。文中在深入 剖析应用最大流理论计算多起终点路网容景局限性的基础上，通过引入交通供需平衡理论， 提出一种适合复杂路网的路网容量计算方法，即供需平衡法。同时，论文给出了供需平衡法 的计算模型，并重点研究了该模硝的求解办法及台理性。 ( 4 ) 交通供给与交通需求耦合关系的初步探讨 城市交通供给与交通需求的耦合关系是影响路网徉最现实发挥水平的重要冈素。文中从 宏观和微观两个方面分析了路网布局结构与o d 籍求的耦合关系。建立了o d 结构差异度模 型，并研究了匹配度与路网系统的关系。l 一时，分析了交通方式结构与交通需求、城市路网 的关系，并以算例说明了不同交通方式结构对路嗣供搿状况的影响。 关键词：路网容量路网结构0 1 3 需求交通供需平衡理论耦合关系 a b s t r a c t a b s t r a c t u r b a nr o a dn e t w o r kc a p a c i t yd e s c r i b e sh o wm u c ht r a f f i cd e m a n dt h er o a dn e t w o r kc a nc a r r y i ti so n eo f i m p o r t a n ti n d e x e si nu r b a nt r a f f i cp l a n n i n ga n de v a l u a t i n g s t u d y i n go nt h ep r o b l e mo f u r b a nr o a dn e t w o r kc a p a c i t yh a ss i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lm e a n i n g si nm a k i n gc e r t a i n u r b a nr e a s o n a b l ed e v e l o p i n gs c o p eo fc a r s ，m a p p i n go u tp r o j e c to fr o a dn e t w o r kp l a n n i n ga n d s t u d y i n go u tc o n t i n u a ld e v e l o p i n gt r a f f i cs t r a t a g e me t c t h i sd i s s e r t a t i o nd e p e n d so np r o f e s s o r c h e n gl i n sn a t i o n a lo a t n r ef u n dp r o j e c t “t h ec o n g e s t i o nb o t t l e n e c k sr e c o g n i t i o no f r o a dt r a f f 五c c y b e r s p a e e ( 5 0 6 7 8 0 3 7 ) ，t a k e su r b a nn e t w o r kc a p a c i t ya sac o r ea n dm a i n l yl a u n c h e st h er e s e a r c h t oi tf r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) c o n c e p to f r o a dn e t w o r kc a p a c i t y o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gi nt h ec u r r e n tr o a dn e t w o r kc a p a c i t yr e s e a r c hs i t u a t i o ni nt h e d o m e s t i ca n df o r e i g nc i t i e si nd e t a i l , t h i sd i s s e r t a t i o nh a st h o r o u g h l ya n a l y z e dt h ed i f f e r e n tr o a d n e t w o r kc a p a c i t yd e f i n i t i o ni d e aa n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s e a r c ht e c h n i q u e ，a n dp u tf o r w a r da r e l a t i v ep r e f e r a b l er o a dn e t w o r kc a p a c i t yc o n c e p tt h a ts u i t st h er e s e a r c hi d e aa n dm e t h o do ft h i s p a p e r ( 2 ) r o a dn e t w o r ks t r u c t u r ei n f l u e n c eo nr o a dn e t w o r kc a p a c i t y t h eu r b a nr o a dn e t w o r ks y s t e mi st h ei n f r a s t r u c t u r eo fc a r r y i n gt r a n s p o r t a t i o nf l o w s ，i t s s t r u c t u r ef e a t u r eh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h er o a dn e t w o r kr e s o u r c e su s ef a c t o r t h i sp a p e rh a s d i s c u s s e dt h er o a dn e t w o r kl a y o u ts t r u c t u r ei n f l u e n c eo nt h er o a dn e t w o r kc a p a c i t yt h r o u g ha c o m p u t a t i o n a le x a m p l ec o n t r a s ta n a l y s i so ft w or o a dn e t w o r k sw i t ht h es a m es t a r t - e n dp o i n t sa n d o dd e m a n ds t r u c t u r e , d i f f e r e n tl a y o u ts t r u c t u r e i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ed i f f e r e n t g r a d er o a d sa n di t sp e r c e n t a g ei n f l u e n c eo nt h er o a dn e t w o r kc a p a c i t yb ys t u d y i n go ut h er o a d g r a d e sd i v i s i o ns t a n d a r da n dc o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n ( 3 ) r o a d n e t w o r kc a p a c i t y c o m p u t a t i o n a l m e t h o d b a s e do n b a l a n c e t h e o r y t h eu r b a nr o a dn e t w o r ki sas t o c h a s t i co p e n i n gc o m p l e xs y s t e mw i t hm a n ys t a r t - e n dp o i n t s ， t h ee x i s t i n gr o a dn e t w o r kc a p a c i t yr e s e a r c hm o s t l ya b s t r a c t si tf o ran e t w o r kw i t h o u td i r e c t i o no r w i t hf i 】【e ds t a r t - e n dp o i n t st os i m p l i f ys o l u t i o n , w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o mt h ea c t u a ls i t u a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o nh a sa n a l y z e dd e f i c i e n c yo fu s i n gt h em a x i m u mf l u x - m i n i m u mc u tt h e o r e mt o c o m p u t et h er o a dn e t w o r kc a p a c i t y , a n dp u tf o r w a r dam e t h o dc a l l e ds u p p l y d e m a n db a l a n c e m e t h o dw h i c hc a nb eu s e dt os o l v ec o m p l i c a t e dr o a dn e t w o r kc a p a c i t yb a s e do nt h e t r a n s p o r t a t i o ns u p p l y - d e m a n db a l a n c et h e o r y a tt h es a m et i m e ，am o d e lo f t h i sm e t h o dh a sb e e n i n t r o d u c e da n dt h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e do nt h es o l u t i o nm e t h o da n df e a s i b i l i t yo f t h em o d e l ( 4 ) c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no f t r a n s p o r t a t i o ns u p p l ya n dt r a n s p o r t a t i o nd e m a n d t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o no f t r a n s p o r t a t i o ns u p p l ya n dt r a n s p o r t a t i o nd e m a n di sai m p o r t a n t l i 东南大学颈上学位论文 f a c t o rw h i c ha f f e c t st h ed i s p l a y i n gl e v e lo fr o a dn e t w o r kc a p a c i t y t h i sd i s s e r t a t i o n h a s a n a l y z e dt h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nr o a dn e t w o r kl a y o u ts t r u c t u r ea n do ds t r u c t u r e f r o mm a c r o s c o p i ca n dm i c r o s c o p i ca s p e c t s ，a n ds t u d i e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e i rm a t c hd e g r e e a n dt h er o a dn e t w o r ks y s t e m a p a r tf r o mt h a t ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sa n a l y z e dt h er e l a t i o n so f t r a n s p o r t a t i o nm o d e ss t r u c t u r e ，t r a n s p o r t a t i o nd e m a n ds t r u c t u r ea n dr o a dn e t w o r ks y s t e m , a n d e x p l a i n e dd i f f e r e n tt r a n s p o r t a t i o nm o d e ss t r u c t u r ei n f l u e n c eo nt h er o a dn e t w o r ks u p p l y a n d d e m a n dc o n d i t i o nt h r o u g hac o m p u t a t i o ne x a m p l e k e yw o r d s ：r o a d n e t w o r kc a p a c i t y , r o a dn e t w o r ks t r u c t u r e ，o dt r a n s p o r t a t i o nd e m a n d ， t r a n s p o r t a t i o ns u p p l y d e m a n db a l a n c et h e o r y ，c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n i i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，l l l j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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。 研究生签名：孟f 玺亟日期：堑堕：丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究牛院办理。 虢弛臌名：丝叩帅 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 城市交通是城市生活的命脉，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 发展起着至关重要的作用。近几年来，随着国民经济的增长及城市化进程的加快，城市居民 出行总量迅速增加，个体出行机动化程度越来越高。由此造成请多城市交通问题，主要表现 为：机动车数量急剧增长。道路建设难以适应超常增长的需要；交通拥挤严重，尤其 是高峰时段拥挤路段比例不断增加；交通安全问题突出，交通事故率和交通死亡率居高 不下；交通引起的环境污染问题大气污染和噪声污染严重危害人体健康；交通对 土地、燃料等资源的消耗逐年增加，造成能源危机， 据国务院发展研究中心预测，中国将进入汽车拥有率迅速上升时期，到2 0 1 0 年，汽车 保有量达到7 1 6 7 万辆，年平均增长1 5 2 ，轿车保有量达2 0 7 0 万辆，年平均增长1 6 3 蝌“。 届时，我国城市交通将面临更加严峻的考验。 针对以上问题，我国各级政府和职能部门在交通规划与管理工作中做出了极大的努力， 力图为广大市民营造出安全、畅通、规范、有序，和谐的交通环境。许多大城市不断修建道 路、改造交叉口，道路交通设施的数颦和质罱都有了较大的改善。交通供给能力显著增强， 在一定程度上缓解了交通拥堵问题。然1 酊道路容景f 内扩充在满足既有交通需求的同时进 一步诱发了更大的交通需求，道路交通问题仍非常严重。我国城市近几十年的发展经验表明： 城市空间资源是有限的，可用于道路设施建设的土地面积也是有限的，而交通需求则随着社 会经济的发展趋于无限增长，因而我国各大城市交通供给和交通需求不平衡、不协调的状况 还是日益凸现。 城市道路网的交通体系能否正常运转，归根到底是交通供给与交通需求之问的平衡问 题，为根本解决交通供给和交通需求之问f j 矛盾，确定城市交通设施的合理规模，保障城市 交通的可持续发展，不但要重视城市交通需求管理，更需要对城市道路网容景问题进行深入 的分析与研究。 城市道路网总容量反映了城市道路网的总体建设水平交通的供给能力，它既是衡量 道路交通供需平衡、决定投资方向的决策指标。也是城市总体规划以及城市道路网规划中的 一项基础资料和重要决策指标。通过城市路网容景问题的研究，可以正确地评价城市道路的 交通负荷度，找出现有道路网或某些路段及交叉口存在的问题，提出改进方案或措施，为道路 改扩建提供科学依据；通过城市路网容景问题的研究，可以对城市交通系统的供求平衡进行 分析，进而指导、确定城市机动车合理的发展规模，为交通需求管理提供理论依据。因此， 这种在给出道路网络结构以及各路段通行能力的条件下，确定整个道路网络所能承载的最大 交通量问题，是城市路网规划和交通管理_ t 作中的一项需要重点解决的问题。 研究中发现，城市路网容量作为一个衡最路网系统服务能力的指标，其大小不仅与城市 东南大学硕i ：学位论文 道路网的建设规模有关，与路网结构、0 1 3 需求结构、交通方式结构及它们之间的协调关系 也有重要关联。因此，只有对现有路网的交通特性有了精确把握，深入分析结构问的关系及 其对路网容量产生的影响，才能正确理解交通供给与交通需求问的内在联系，从而有效控制， 引导交通需求。使城市道路网络资源得到充分的利用，以有效缓解城市交通拥堵问题。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究状况 美国是对路网容量研究最早的国家。研究初期路网被简化成一个单起终点的网络，而 路网容量就是在不超过任何路段窖景的前提下，从一个特殊的起点到另一个特殊的终点，最 大能分配的交通量口】。 随着研究的深入，交通t 程师们意识到道路网络是一个非线性的、随机开放的、多起终 点的复杂系统于是从系统最优的角度出发，建立了新的路网容最的概念，即路网容量是在 路段容量的制约、并满足路网系统最优的情况下，路网所能承担的最大交通流量口j 。 按照这种认识过程，交通丁稃师们在不同时期提出了不同的分析方法。1 9 5 6 年，美国 普林斯顿大学的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1 4 j ，并r1 9 6 2 印给出求解网络最大流的第一算 法标号法，自此，人们越来越关注用数学网络理论来研究运输系统，井就此提出了许多 计算路网容量的数学模型和模拟的办法肛l ：六十年代，日本的山村信吾和三好逸二开始对路 网容量进行研究，并于1 9 6 2 年分别在土术学会上发表了关予路网最大通行能力的文章； 随后。京都大学的饭田恭敬教授对路网通行能力进行了较为深入的研究，并于1 9 7 2 年提出 了利用交通量分配法计算路网辑景的方法【6 1 ；与此同时，l i d a 提出了一个基于简单增长分配 技术确定路网容量的启发式算法 t j ，该方法的产生结束了路网容最只能从理论上研究，而无 法计算出来的历史；1 9 7 3 年，r u i t e r j n s a f e r m o s 分别提出了离散的网络模卵，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 集度较大的城市道路网络：于是，s t e l l a cd a f e r m o s 在1 9 7 7 年提山了运输网络的连续模! i ! ， 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，保证流爱守恒和用户平衡的一 套全新的模型；1 9 8 2 年，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，但未找到解决问题的途径；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，假设交通供给充足且分布均匀，利用图论中最大流最小荆定理和线性规划方法来 计算路网达到极限时的容最。 上述方法多从网络本身的物理结构来考虑路网容最，并具有一定的承接性。与此不同的 是，在八十年代初，法幽的工程师路易斯马尚第一个提出了“城市空间和时间消耗”的概念捧】t 即将城市道路网想象成具有时空属性的一个容器。根据这个容器的总时空量和每个出行者出 行一次所消耗的时空景，确定摧个路网的窖景。该方法无论在概念上还是理论上，都不同于 2 第一章绪论 此前的路网容量，从i | 】为探索路网容最开辟了一条新的思路。 随着研究的进一步深入，越来越多的交通研究者发现用户的路径选抒行为和路网系统中 拥挤路段对路网容量的影响是不可忽略的，o d 需求模式对于确定正确的路网容量极为重要， 于是萌生了用二次数学规划的方法去描述网络容量模型及相应的算法。1 9 9 2 年，a s a l 【m 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晟的问题模型并给出了相应的算法 9 1 ，并于1 9 9 3 年和1 9 9 5 年又分别提出了模拟分配法和用过饱和流最公式来计算平衡路网的容量的方法 ”o 】；1 9 9 9 年，h a i y a n g ，m i c h a e l g h b e l l ，q i a n g m e n g 将交通分布和分配模烈合并。并将出行 者的路径选择和目的地一并考虑，i j 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，从而提出了两层板值法。 同时，在已有研究方法的基础上。针对不同交通条件限制下的路网容量研究也较多，如： h a i y a n g ( 2 0 0 0 ) 研究了考虑路网服务水平条件下的路网容置l z j ；m l t a m ( 2 0 0 0 ) 研究了在 道路容量和停车空间的约束下的最大机动年拥有晕【i l 】；y e g e ( 2 0 0 3 ) 研究了出行信息服务 水平影响下的路网备用容景1 1 日；s c w a n g ( 1 9 9 6 1 9 9 7 ) 0 i 入了备用容最的概念，研究了考 虑信号控制的路网容量i 0 4 1 ；w a e l h ( 2 0 0 4 ) 利用神经网络技术估算交织段的交通容量。 1 2 2 国内研究状况 我国对路网容量豹研究相对较晚，“时空消耗法”是我国研究路网容量采用的第一种方 法。最早是在1 9 8 6 年由睦沙交通学院的术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“时空消耗慨念，提出了道路占用量和城市交通容量。随后，东南大学运输工程研 究所的杨涛等专家利用“时空资源”的概念对交通空间辑景就高峰小时情况进行分析和推算， 提出了城市道路网广义容景概念和相应的计算公式r l 。上海海运学院周溪召，同济大学刘 灿齐和杨佩昆，从时空消耗的概念出发，对上海市道路网的时空资源进行了标定并运用跟 驰理论，对一般地面道路和高架道路分别研究了其理论动态极限容罱和考虑交叉口等因素下 的极限容量。刘灿齐还就相邻信号交叉u 问路段的交通窖最进行了研究1 1 9 1 。北京工业大 学陈春妹在其博士论文中运用随机效用理论来描述路径选抒行为，在此基础上，探讨了车辆 在路网上的平均行驶时间并运用最优化和跟驰理论建立了理想条件下路网临界速度模型 | 2 0 , 2 1 1 。 同时，根据经典道路通行能力的概念，部分学肯将路网容景定义为路网的通行能力。在 这个概念下，杨涛将f o r d f u l k s o n 网络极大流模型0 i 入到运输网总体容最分析中，并对该模 型迸行了改进f 2 2 1 ，并基于最大流最小制定理，针对城市路网的每个节点都可能成为发点和 收点、随机开放的特点，将路网抽象成无向网络，提出了解决无向网络最大流问题的衍生割 集极大流算法( e v o l v i n gc u ts e tm e t h o d ，简称e c g , 法) t s j 。 从路网容量的计算角度出发，东南大学陈建凯，湖南大学尹娟、张样在他们的硕士论文 中，分别从不同方面完善了城市路网广义窖景的计算理论 2 3 2 4 矧。湖南大学的李硕等人提出 了路网狭义总容量的理论及模刑口“。东南大学的牟旭宏从不同等级道路晌| 容j 罩分析入手。 提出了城市道路网容景的粗略计算办法【”j ， 3 东南大学硕士学位论文 从系统论的角度出发，北京交通大学高自友、宋一凡将网络备用能力的概念用1 ：连续平 衡网络设计问题中，一方面通过设置信号使交通衙求得到最大可能的提高；另一方面提高道 路的容量以提高路网容量【”2 9 。同济大学的杨东援等人，提出了满足用户平衡和系统平衡的 路网容量确定方法i ”。 综上所述，国外对路网窑= 单= 的研究较早，并取得了较大的研究成果：我国对整个道路网 的容量研究始于8 0 年代，主要是在借鉴外国成粜的基础上进行研究而且各种方法多是从 理论上进行分析，由于各种条件的限制，很难真正心用到实际道路网中去水解路网容量。并 且我国的经济水平、o - d 矩阵的分布、道路系统的结构、交通组成和车辆运行特性、运行方 式等与国外存在较大的不同。因此，在对我幽城市道路网容量进行研究的同时，不仅要借鉴 国外的研究成果，而且要在适用于我国路网的前提下，大胆创新，建立适合我国国情的、切 实可行的方法 1 3 路网容量的概念及研究方法 1 3 1 路网容量的概念 路网容量是交通容量延伸出的一个概念。在交通系统中，除了步行者之夕 ，人和物的移 动需要通过交通个体( 自行车、小汽车、摩托车、地铁列车、公交车，货车等等) 来运输。因 此，在交通容量的基础上衍生出以交通个体为对象的交通容营即为路网容量，其可以用来反 映交通供给和需求的状况，进而用于评价交通系统的运行质毒。 路网容量的概念有 j d - - j ：传统的路段和交叉u 的通行能力的概念，它是将交通系统放到更 符合实际的环境中进行全面、系统的考虑。根据研究方法和应用角度的不同。学者们对路网 容量做了不同的定义。 ( 1 ) 不同外部约束条件对应的路网容量定义p ”。 物理容量：道路网在一定服务水平下所能承担的最大交通量。 环境容量：在道路沿线的环境制约和道路周围区域环境的制约下，道路网所能承担 的最大交通量。 经济容量：根据经济效率，资金约束下确定的道路通行能力制约下的交通容量。 ( 2 ) 不同实践群体对应的路网容量定义旧： 对于交通管理部门，路网容量大多是指整个路网在某一时刻或时间段所能容纳的人 和物的最大交通量； 对于交通研究者，路网容量是指定时间问隔内，通过某一断面的最大交通量，以 此来评价某路段的饱和度和服务水平； 对于道路使用者，路网辑景土要是指某路段某时刻占用道路的午辆数，以此来反映 拥挤度和排队时间。 4 第一章绪论 ( 3 ) 不同假设条件对应的路网容量定义： 备用路网容量( r e s e r v ec a p a c i t y ) 【1 2 1 ：在一定的道路交通条件和路段容量限制条件 下，路网所能容纳的最大的额外交通需求量。该定义忽略了每一o d 对间的人口数量，人口 收入、可选择的路径条数及经过的交叉口数等因素差别对o d 交通量的影响，假设每一o d 对 间的交通量具有相同的增长系数，并通过求解最大的增长系数。求得路网所能容纳的最 大交通需求总量( + 1 ) ； 最大路网容量( j l “j a t ec a p a c i t y ) 3 3 1 ：在一定的道路交通条件和路段容景限制条件 下，整个路网系统所能容纳的最大交通量。该定义以使所有o d 对问的流罱和最大为目标， 允许每一o d 对具有不同的增长系数。并假设路网中所有的交通个体都按照用户最优原则选 择路径，较适用于一个新开发的城市或城| ； ( ； 实际路网容量( p r a c t i c ec a p a c i t y ) 3 3 】：在一定的道路交通条件和路段窖景限制条件 下，路网所能容纳的现有o d 需球量与额外需求最和的最大值。该定义以额外o d 需求量的最 大化目标，允许每一o d 对具有不同的增长系数，i ：假设现有交通需求分布不变额外增加 的需求量按照用户最优原则选择路径，一般应用j ：已存在的城市道路网。 至今为止，路网容量仍没有一个统一的定义，较为常见的主要有以下两种提法：一是从 广义的时间与空间消耗的概念出发，考虑以个人或车辆一次出行平均需要占用的城市道路空 间、时间量；二是将经典的道路通行能力和相关的图论概念引入到网络上，即城市道路网的 狭义总容量( 也叫路网通行能力或路网最大流) 。 本文以狭义路网容最的研究为基础，基于交通供需平衡理论，提出路网容量定义如下： 理想路网容量：在一定的道路网络结构，交通管理与管制条件、路段通行能力制约下， 当交通供给和交通需求刚好达到平衡的理想状态时，即路网结构与。i ：地使用客货交通源和 集散点的分布，交通方式结构与城市路网系统、交通需求达到最佳匹配时，所对应的最大 o d 需求总量即为理想的城市道路网彝量。 实际路网容量：实际的路网容景是以理想路网窖景为基础，对上述不符的道路、交通及 路网结构、交通结构、交通需求同匹配程度等条件进行修正，所得到的符合实际路网各种条 件的容量值。 1 3 2 路网容量的研究方法 国内外研究学者对路网容置采用的研究方法有所不同，归纳起来大致可划分为5 种；时 空消耗法、线性规划模型法、割集法、交通分配模拟法和狭义路网容量分析法诩。 ( 1 ) 时空消耗法 对于城市道路设施来说，在一定时期内资源是育限的，相对稳定的。交通流中的某个交 通个体会占用道路设施一定的时间和空问，而其他交通个体只能使用除此之夕 的时空资源， 于是产生了时空消耗法。根据空问维数不吲，分为一维模利和_ 维模烈。 该方法比较充分地考虑了交通载体与交通个体之问的容芾平衡关系，概念清晰，形式简 东南人学硕士学位论文 单，与经典的道路通行能力是一致的，并且在处理路网总时空资源和交通个体时空资源时兼 顾了动态和静态两方面的纠素：但从实用角度讲，部分关键参数目前还只能通过调查的方法 获得，没有理论的依托，而且交通系统本身具有随机性和非线性所以基于“时空消耗”理论 建立的路网容量模型实用性与准确性都还有待改进。 ( 2 ) 线性规划模型法 这种模型的目标是计算在路段容量限制下，路网的最大流量。基于该理论建立的模型较 多，但按照约束条件的不同，可以分为两类：给定弧容最并指定o d 问路线情况下的最 大流；双层规划模型。 线性规划法可以对路径选择进行处理，与时空消耗法相比，可以用数学公式表达，但由 于种种行为的随机、复杂性，这些以一段时问内采集的数据为基础，基于研究者本身因素提 出的公式，其计算结果具有很强的研究者倾向，不能保证与交通个体实际的路径选择一致； 该模型是一个非凸规划模弛，无法从数学上确定出精确解，一般都是通过一些方法进行近似 求解 ( 3 ) 割集法 窖8 集法是针对简化成图( i n - 向图或无向图) 的路网，运用图论的相关理论与方法，计算 最大运输量。按照不同的路网简化形式，已建立了两种模砸：修正模玳和衍生割集网络极大 流模型，它们都是依据最大流最小割定理获得的。当可以确定收点集与发点集时，应用该方 法将会求得较为满意的结果，而且有利予找到瓶颈路段，对路网进行优化和调整，以达到增 大路网容量的目的。但由j ：实际路网是一个多起点、终点，随机开放的复杂系统，要想采用 图论的最大流最小割定理，就必须指定发点集和收点集，并将实际的路网抽象成一个单起， 终点的理想图，这样求解的网络最大流很难与实际路网完全吻合。那么如何简化路网及如何 寻找路网的最小割集是这种方法的关键。 ( 4 ) 交通分配模拟法 该方法的基本原理是将o d 交通景：采用i a ( i n c r e m e n t a l a s s i g n m e n t ) 逐步分配到路网上， 每次分配都是以前一次分配为基础( 即将该次分配罩加上去) ，有弧达到饱和时，就将其 删除，当网络被分割成两部分时。所对应的分割线即为最小割集，此时的累加流景即为路网 容量。 本算法是一种将交通分配和图论结合起来的算法，所以具有两种算法的优点和缺点。该 模型的主要问题在于：由于交通个体路径选择行为是一种随机行为，因而i a 分配结果很难 与实际交通形成的o d 分布相同，使模帮欠去了正确的根基：该模型没有考虑对迂研路线的 限制，因而会由于包含了不合理迂同衙过大估计辑景。 ( 5 ) 狭义路网容量模型 该模型计算的是在选定时间段内城市道路网所能通过的最大车辆数。基本思路是将路网 流量分为：过境流、出境流、入境流和境内流4 种。其中，入境流和境内流采用一般的四阶 段法求其最大流，而过境流和出境流在路段通行能力去掉入境流和境内流的分配交通量之后 6 第一章绪论 的剩余能力约束的条件下，按照线性规划法，求解最大流。最后将这4 种流的分配结果累加 即得所求路网容量。实际上，该办法是线性规划法和交通分配模拟法的组合，因而既具备了 两种方法的优点，也存在着两种方法中尚未解决的问题，仍需进一步深入研究。 通过上述路网容量研究方法的分析可以看出。现有的各种方法都存在优点与不足。一般 来讲，从理论研究角度出发。根据不同的网络特点和研究目的可选用合适的方法进行理论分 析；但从应用角度出发，对于城市复杂的路网系统来说。各种方法的实用性和准确性还有待 进一步改进。更重要的是，面对道路资源有限、交通供需矛盾这一现实背景，这些路网容量 的计算方法仅限于在路网建设规模和机动车发展数量等方面的宏观指导，缺少对交通需求的 引导。很难保证所求的路网窖罱可以得到充分的发挥。 因此，本文将研究种能够通过引导交通需求来提高路网资源利用率的路网容量计算方 法，使其既可以应用于复杂路网的容量求解问题。又可以更具体的对交通规划和管理工作进 行指导。 1 4 研究内容 ( 1 ) 路网容量的概念 路网容量作为城市道路系统规划与管理工作的重要决策和评价指标，其研究一直备受关 注。但由于研究者对于路网容景的理解不| 一。至今为止还没有一个统一的路网容量概念。因 而论文参考前人定义的概念结合本文的研究思路和方法，提出了相心的路网容罱定义。 ( 2 ) 路网结构对路网容量的影响 城市路网系统作为承载交通流的基础设施。其结构特点对：路网资源帕利用率具有重要 的影响。文中主要从路网的布局结构和等级结构两方面研究其对路网容最产生的影响，从而 在路网窖量利用充分性的方面为城市路网规划建设提供理论依据。 ( 3 ) 基于交通供需平街的路网容量求解方法 城市道路网络是人流、物流、车流运行的载体，是随机开放的、多起终点的复杂系统， 为了简化道路网络研究的复杂性，很多专家将城市路网抽象为无向网络或同定起终点并转化 为单起终点的网络，从面庸用最大流最小剃定理来求解城市路网窖罱为使城市路网容晕研 究更加符合实际，路网资源得到更充分的利用，本文基j ：交通供需平衡理论，研究适用于多 起终点、有向网络的窖最求解方法。 ( 4 ) 交通供给与交通需求耦合关系的初步探讨 城市交通供给与交通需求的失衡矛盾是导致城市交通闽邀习盏突出的根本原因，研究其 内在联系对于指导交通规划与管理t 作、提高城市交通的运行效率具有重要的意义。本文主 要从路网结构与0 1 3 需求结构、交通方式结构之问的匹配关系来分析交通供给与需求间的匹 配程度及对应的路网容最和交通运行状况。 7 东南人学颂士学位论文 1 5 论文框架结构 论文框架结构如图1 - 1 所示 圈圈圈圈 耍 第二章幕”交通供需平衡理论的糌州窖最计锋方法 | - - 圆一卤匿 l 一一 l 茆五章结论与展望 图1 - l 论文框架结构 8 第二章路网结构对路罔容量的影响分析 第二章路网结构对路网容量的影响分析 城市道路网络系统是城市的基本骨架，它是随着城市的发展，为满足城市交通、土地利用 及其他要求而逐渐形成的。由于不同城市的结构形态、地形地理条件、交通条件，不同功能 的用地分布等差异。所形成的道路网络的布局形态和等级结构也有所差别，从而对城市交通 组织、道路资源的利用率产生了不同的影响。本章通过不同布局结构的算倒对比分析、不同 等级道路的功能比较分析，分别研究了路网布局结构和等级结构对路网容量产生的影响，为 城市路网规划和等级设置提供了理论依据。 2 1 路网图的基本概念 2 1 1 图的概念 图是描述某些对象之间某种特定关系的下具，是一种描述和解决问题的宜观有效的方 法，特别是对于一些工程系统。如公路系统，通信系统、运输系统等，都可以形象的抽象成 网络图来表示。本文研究的城市道路系统即适用于图论方法，下面介绍一些图的基本概念： ( 1 ) 图 图是由点及点与点之间的连线( 不带箭头或带箭头) 所组成的。两点之间不带箭头的连线 称之为边，带箭头的称之为弧。如果图的所有连线都是边。称为无向图。如果图的所有连线 都是弧，则称为有向图。 ( 2 ) 连通图 若图的任何两个点之阃。至少有一条链( 或路) ，则为连通图。 ( 3 ) 赋权图 图的边( 或弧) 可其有与之相关的景化信息，表示从一个节点到另一个节点的距离和费 用等。与图的边( 或弧) 相关的景化信息u q 做权。边( 或弧) 带权的图称为赋权图或赋权的 有向图。 2 1 2 路网的表示方法 对于实际路网，在进行交通路网的交通特性分析时，通常将其看作为一个平面有向赋权 连通图g = ( y ，爿，矽) 。其中y = 巧，巧，j k 为由交叉口及务大集散点抽象成的点集合， 称为网络g 的顶点集。 两顶点问的连线代表一条道路，可将双向路段简化为方向相反的两条弧，单行道简化为 一条单向弧。但需要注意的是，这种连线并不包禽道路的形状、宽度等信息。4 是由这些 道路抽象成的弧所组成的集合。其元素b 表示为： 岛= ( 巧，巧) ，( 岛ek ，巧矿) 9 东南人学硕士学位论文 称为网络的权函数或权数，根据路段和交叉u 的资料给网络附权，可以是弧权，也 可以是点权。其权重可以是距离、时问、费用等。本文提及的主要指弧权。表示路网中路段 的容量( 交叉口容量已分配到路段容量中) ，即对1 二每条弧k ，g ，对应有一个权 形( k ，) 0 ，简记为，称为弧的容量 2 1 3 路网的简化 由于在实际道路网中，无论是路段的数目还是交叉u 的数目都是巨大的，如果将这种实 际道路对应地转换成计算网络，一方面收集雅理相应的数据十分困难；另一方面，计算时间 将成倍增加。因此，在对路网进行分析时，一般根据精度的不同要求对实际道路网进行适当 简化，简化时一般考虑以下几点： ( 1 ) 窄而通行能力小的道路可以不予考虑。 ( 2 ) 小的道路交叉口可以不作节点考虑、而在与之相关的道路走行时间函数中恰当地 考虑其影响 ( 3 ) 根据需要可将几条平行道路合， ：成一条道路，并修改这条道路的通行能力。 ( 4 ) 减少交通小区的划分交通小i 划分越细，则对麻的图越复杂。 需要指出的是，城市交通网络图的表示方法并不是唯一的，它是由分析费用和分析精度 等条件综合确定的。 2 2 路网布局结构对路网容量的影响分析 2 2 1 路网结构形式特点 城市道路网的结构形式是指道路网系统的平面几何图形。目前幽内外道路网形式可归纳 为四种类型p 4 1 ：方格网式、放射环式，自由式和混合式，如图2 一l 2 4 所示其中前三种结 构形式是道路网结构的基本类型，混合式道路网可由前三种结构形式组合而成，它们的特点 及对路网容量的影响分析如下： ( 1 ) 方格网式路网 适用于地势平坦地的城市。布局严整、简洁，有利于建筑布置，方向性好，交通组织 简单，灵活性高：但非直线系数大，对角线交通不便利，过境交通不易分流，对大城市进一 步发展不利。该路网形式道路使用均衡，车流可以较均匀的分布在各条路段上，尽管其路网 平均非直线系数比放射环式略大，但不会形成市中心的负担过重，减少了中心瓶颈路段或交 叉口对路网系统容量的影响。 ( 2 ) 放射环式路网 这种布局形式具有通达性好、非直线系数小、有利