Hardsoft和S-Paramics的城市对外交通道路网设计.doc

基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市对外交通道路网设计孙智源，于丽娜，孙杨杨（北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）摘要：说明了城市对外交通的组成和作用，分析了城市对外交通道路网设计的内容与评价指标。通过设计方法和仿真软件的比选，依照定性与定量相结合的思想，提出了基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市对外交通道路网设计的方法，介绍了方法的具体步骤。以某市城市对外交通道路网设计为例，进行具体说明。关键词： 城市对外交通；道路网设计；TransCAD；Hardsoft；S-Paramics1城市对外交通城市对外交通是指城市与城市范围以外地区之间采用各种运输方式运送旅客和货物的运输活动，是以城市为基点，联系城市及外部空间以进行人与物运送和流通的各类交通运输系统的总称1。城市对外交通位于城市与城市外部空间之间，是城市形成、存在与发展的重要条件之一，也是构成城市的一种主要物质要素。复杂性是城市对外交通的固有属性，城市对外交通的运输方式和出行类型多种多样，交通设施规模庞大。城市对外交通规划通过设计一个综合运输系统，将市内交通与市外交通编织成为一张有机结合的交通网络。随着城市的不断扩张和城市交通问题的日益加剧，人们逐渐意识到合理组织和设计城市对外交通具有非常重要的意义。合理的城市对外交通规划有利于减轻城市内部出行、内外出行和过境交通的相互影响，促进交通运输效率的提高，保障城市的内部运营和对外发展。城市对外交通规划包括三个层次的研究内容：宏观层面，对外交通的区域面积设计和功能定位；中观层面，对外交通各功能分区的总体布局；微观层面，对外交通道路网设计。宏观的区域面积设计和功能定位受地形条件和城市总体规划的影响比较大，设计的自由度比较低；中观的功能分区设计受城市产业布局与发展、城市总体发展战略和政府政策左右；相比较而言，微观的道路网设计是保障城市对外交通规划合理、解决城市交通问题的最直接、有效和可行的途径。本文研究微观层面的城市对外交通道路网设计。2城市对外交通道路网设计的内容与评价指标作者：孙智源(1988-)，男，山东庆云人，北京交通大学在读学生，学士，研究方向为交通工程。邮箱：06251017城市对外交通道路网是城市对外交通的重要组成部分，其本质属性是联结城际与城市交通，直接作用是联结城市对外交通各功能分区，派生作用是减少城市内部出行、内外出行和过境交通的相互干扰。城市对外交道通路网设计包括三个方面的内容：道路总体设计，包括道路等级和线网密度设计等；道路交通设计，主要指线网布局等；道路交通管理与控制，包括道路渠化、交叉口设计和信号灯设计等。城市对外交通道路网设计属于城市道路交通规划范畴，遵循一般的设计步骤：现状调查，资料准备；道路系统初步规划方案设计；交通规划初步方案评价；修改道路系统规划方案；绘制道路系统规划图；编制道路系统规划方案说明2。城市对外交通路网设计是通过规划路网结构，提高道路的服务水平，从而提高城市对外交通的效率。因此，将规划区域内道路的服务水平作为设计方案的重要评价因素。评价服务水平的指标有：行驶速度和运行时间、车辆行驶时的自由程度、交通受阻或受干扰的程度、行车的安全性、行车的舒适性和方便性、乘客的满意程度及经济性等，但在应用中实际上很难全面考虑和综合上述诸因素，通常是根据最能说明驾驶质量、并且较容易量测的一项或几项主要指标来评价，一般常用行驶速度、服务交通量与通行能力之比作为评价服务水平的主要指标3。3城市对外交通道路网设计的技术路线3.1方法综述现在比较流行的城市对外交通道路网设计的方法有两类，一类是定性分析法，一类是定量计算法。定性分析是建立在经验、逻辑思维和推理基础上的分析，通过对规划区域的现状交通、地理条件等和设计方案的优缺点进行宏观分析，确定最优方案，其方法有因素评分法、德尔菲法等4。定量计算是以大量数据作为支撑，通过实际计算得到设计方案，可分为采用单一的数学模型或评价方法和运用动态仿真技术两类。相比较而言，单一的数学模型或评价方法不能真实有效地反映道路通行情况，并且计算量很大；运用动态仿真技术可以降低定量计算的复杂程度，并且能再现实际交通系统的特性，分析交通系统在各种设定条件下的可能行为，通过模型仿真试验的结果，以寻求现实交通问题的最优解，评价运输设施各类设计方案的效果5。本文采用以定量计算为主的定量与定性相结合的方法，并且在定量计算的过程中使用微观交通软件进行仿真。3.2交通仿真软件选择交通仿真软件分为宏观仿真、中观仿真和微观仿真三个层次。目前，用于动态交通仿真的软件有很多，但能够实现快速路网建模、细致仿真的软件却不多6。宏观仿真软件TransCAD可用于任何交通模式、任何地理比例尺寸和任何细节程度7，其强大的功能主要通过软件中的6大模块来实现8，支持许多形式的交通需求预测模型，包括战略性规划法、四阶段交通需求预测模型、离散仿真技术、多路径选择模型以及经典的交通分配模型9。在这里主要应用TransCAD进行交通需求预测和交通流分配。Hardsoft适用于道路的具体选线设计，属于土建范畴，在这里用于检测道路网设计方案是否符合土建要求。微观仿真软件S-Paramics能适应各种规模的路网，并具有实时动画的三维可视化用户界面，可以实现单一车辆微观处理，支持多用户并行计算，具有功能强大的应用程序接口10。S-Paramics在交通工程和交通运输界得到了长足的发展和广泛的应用，其优势在微观交通仿真的属性和丰富的仿真导出数据。应用S-Paramics进行微观交通仿真，具有路网建模方便、交通仿真细致和适于交通组织方案比选的优点11。在这里运用S-Paramics软件进行城市对外交通路网设计方案的评价。3.3设计步骤和指标基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市对外交通道路网设计分四步进行：1 规划年限交通量预测首先通过对规划区域进行综合分析划分交通小区，然后进行交通调查获得小区OD，最后应用TransCAD得出规划年限交通量。2 道路线形设计应用Hardsoft软件设计道路线形，设计的指标有缓和曲线长、圆曲线长等。设计的步骤为：构造DTM；进行平面设计；进行纵断面设计；进行横断面设计。3 道路网方案评价道路网方案评价就是应用S-Paramics，按照预测交通量，通过仿真得出不同的方案下道路网的通行状态。评价指标体系包括交通运行效益、安全性、环境保护、舒适性和经济性，一般选择交通运行效益作为主要的评价指标，具体讲就是速度、行驶时间、拥挤及延误等5。使用S-Paramics软件进行微观仿真的步骤为：1) 建立新的仿真文件，选择仿真基础指标，导入底图，其中仿真指标包括道路靠右通行的属性和仿真运行的时间段，底图为道路网的电子地图（DXF格式）；2) 绘制基础路网，先进行路网建模，再编辑道路等级，包括道路的车道数、宽度、限制通行速度等；3) 划分交通小区，输入小区间OD量，并确定交通网络中运行车辆的车型比例；4) 校验模型，进行仿真运行，导出数据，进行数据分析，得出结论。4 道路网方案优化道路网方案优化就是对第3步中选出的方案进行优化，优化的内容包括交叉口的设计类型、控制类型和信号灯配时等。同样要应用S-Paramics，具体步骤与步骤3相同。评价指标有流量、旅行时间和延误等。 图1 设计步骤4实例研究以某市为例，现状路网如图2所示。此城市对外交通构成复杂，具有飞机场、物流园区和火车站三个大型交通发生与吸引点。外环公路、对外高速、环城公路均为双向4车道，限速为70km/h。下面进行具体的城市道路交通设计。1 规划年限交通量预测：对规划区域进行综合分析，并结合S-Paramics仿真的要求，划分交通小区如图2所示。通过断面交通调查，得出小区OD以及各小区通行的车型比。经过TransCAD处理得到规划年限2020年的小区OD量。图2 现状路网结构2 道路线形设计：根据规划年限预测交通量，应用Hardsoft设计对外交通设计方案，并进行方案评价，如表1所示。表1 道路线形设计方案名称道 路 线 形 设 计Hardsoft评价地形评价评价结果方案一机场公路与对外高速相连地形条件不允许舍弃物流园区引出道路与对外高速平交地形条件允许方案二机场公路与对外高速相连地形条件不允许舍弃物流园区引出道路下穿对外高速地形条件允许方案三机场公路与对外高速相连地形条件不允许舍弃物流园区引出道路交于外环公路与对外高速的交点（五叉）地形条件允许方案四机场公路与外环公路相连地形条件允许保留物流园区引出道路与对外高速平交地形条件允许方案五机场公路与外环公路相连地形条件允许保留物流园区引出道路下穿对外高速地形条件允许方案六机场公路与外环公路相连地形条件允许保留物流园区引出道路交于外环公路与对外高速的交点（五叉）地形条件允许3 道路网方案评价将第2步得到的三个方案的DXF格式电子地图和第1步得到的2020年小区OD量导入S-Paramics中进行仿真，把规划区域道路网的平均运行速度作为评价指标进行评价，得到评价结果：方案四为62.5km/h，方案五为67.5km/h，方案六为63.3km/h。因此，保留方案五（如图3所示），舍弃方案四和方案六。 图3 最优方案示意图4 道路网方案优化进一步分析方案五，得出方案五的瓶颈为三叉路口，因此考虑将三叉路口改造成为T口。设计三个方案并进行仿真。路口的通行能力可以通过计算连接路口各个路段的通行能力获得。一般认为，交叉路口的通行能力可以运用通行平均速度和流量中的一个或两个来衡量。使用红绿信号灯会使得通行平均速度的意义发生变化，因此这种情况下运用流量来衡量通行能力。S-Paramics仿真结论：三叉路口方案交叉口通行能力为5690 pcu/h，T口带红绿信号灯方案通行能力为5830 pcu/h， T口无红绿信号灯方案通行能力为5000 pcu/h。因此，T口带红绿灯方案为最优方案。5结束语城市对外交通的合理设计具有非常重要的意义，城市对外交通道路网设计是城市对外交通设计的重要组成部分。依照定性与定量相结合的思想，提出了基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市对外交通道路网设计的方法，并加以实例具体介绍。参考文献1焦双健,魏巍.城市对外交通M.北京:化学工业出版社,2005.2李杰.城市道路设计M.北京:高等教育出版社,2007.3于书翰.道路工程M.武汉:武汉工业大学出版社,2000.4贺东风,胡军.物流系统规划与设计M.北京:中国物资出版社,2006.5袁振洲.道路交通管理与控制M.北京:人民交通出版社,2007.6Software Review. 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