基于综合集成研讨厅的高架桥可持续发展研究基于HWME的大城市中心区高架桥可持续发展方案以上海南北高架桥为例

基于综合集成研讨厅的高架桥可持续发展研究基于HWME的大城市中心区高架桥可持续发展方案以上海南北高架桥为例

近年来，随着城市化的加剧，道路交通量迅速增加，已成为人们主要的交通工具。同时，它给城市交通带来了更大的压力。为了缓解城市交通的交通堵塞，高架桥出现了。桥大大缓解了城市交通的交通堵塞，改善了城市的交通状况，作为衡量城市现代化的象征。然而，经过大约20年的桥梁建设，这些弊端逐渐暴露出来。城市桥梁不仅涉及交通问题，还涉及城市生态环境、人和社会复杂的社会问题。面对日益严重的桥梁问题，专家和科学家提出了“桥可持续发展”的概念。这不仅符合社会发展的要求，而且不仅要确保桥运输体系内和综合交通体系的协调发展，还要长期协调发展经济、环境和社会体系。为了实现桥梁的可持续发展，专家和科学家提出了许多计划，如扩建桥墙并将其拆除，但没有有效的计划。作者以上海南北高架桥为例,基于综合集成研讨厅的方法,从复杂系统综合集成的角度,对大城市中心区高架桥的可持续发展进行探讨,并提出了把高架桥改造为桥上慢行交通系统、桥下快行交通系统的方案.经过论证,把高架桥改造为桥上慢行交通系统、桥下快行交通系统的方案,实现了南北高架桥的交通、环境、经济和社会层面的整体最优化,也就是实现了可持续发展,为中西部地区城市规划和建设提供一种借鉴.1高架与城市环境在过去的20年里,我国众多大中城市都在大量兴建高架桥以缓解交通拥堵.但是,高架桥给小汽车提供交通便利的同时,也诱导了交通量的急剧增长.与其他交通系统衔接的不合理,更加剧了高架桥的交通拥堵、交通事故等问题.如:改造前的美国波士顿中央干道每天拥堵时间超过10h,事故发生率是全国平均水平的4倍.高架桥日益严重的交通问题不仅违背了缓解交通拥堵的初衷,还派生出其他的社会问题,引起了广泛的争议和讨论.高架桥遮住了阳光,在桥下形成阴影区,汽车废气不能疏散,噪音大等,这些因素严重影响着高架桥周边居民生活的品质.如:广州内环路建成后,沿线临街地区环境质量下降,2000～2010年的10年中,CO,NOx,CH分别增加了30%～50%,150%～200%,50%～60%.另外,高架桥的建设挤压了周围的商业空间,使临街商铺无法扩充,又没有停车场,必然造成人流、车流的减少,并最终导致高架桥沿线商业的衰退.高架桥对于城市生活的改善往往局限于交通方面,甚至只是对私家车及出租车有较大的改善,对于公共交通则便利性不大.高架桥本身体量巨大,形象突兀,难以与周边建筑协调,高架桥不但没有给城市带来一道风景,反而破坏了原有的城市环境风格.另外,城市高架桥的封闭性使其具有通道和屏障的功能,对两侧的城市肌理产生空间上的压迫并生硬地割裂城市空间,造成城市景观碎裂化的加剧.而且还在一定意义上阻碍了城市空间文化的横向脉络联系,限制了周边传统城市空间形态向广大城市地域的文化辐射.由以上对高架桥现状的分析可知,高架桥问题已经从技术层面上升到社会层面,涉及生态环境、经济发展、社会人文、城市景观和文化等方面.因此,仅局限于交通问题的规划方案无法解决高架桥的问题,应该从城市层面综合考虑高架桥交通与商业、路权、环境、景观、文化的相互影响和相互作用.实际上,高架桥问题的产生及其改善涉及很多复杂的因素,是典型的开放复杂巨系统的问题.因此,应当用复杂性理论的研究思路和方法,从系统整体行为生成的角度,深入系统地研究大城市中心区高架桥的有效解决方案,以实现大城市中心区高架桥的可持续发展.2综合集成研讨厅体系综合集成研讨厅体系是解决复杂性问题的一种有效方法,是由我国著名科学家钱学森于20世纪90年代初提出的.就其实质而言,是将专家群体、数据和各种信息与计算机技术有机地结合起来,把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来,构成一个高度智能化的人机结合系统.这个方法的成功应用,就在于发挥这个系统的整体优势、综合优势和智能优势.综合集成研讨厅的思想方法正好为大城市中心区高架桥的问题提供了思路和可行性解决方案.大城市中心区高架桥可持续发展综合集成研讨厅体系如图1所示.2.1基础设施数据库设计专家体系是由城市高架桥相关各领域的12位专家组成,包括交通运输专家、城市规划专家、政策专家、环境评估专家和成本控制专家等.知识体系主要涉及计算机软件、高架桥、交通运输和城市规划等相关知识.机器体系是高架桥可持续发展综合集成研讨厅的基础设施,主要由网络设施、服务器、存储系统、计算机终端以及为整个系统提供服务的软硬件设备组成.数据库采用异构的数据库,包括专家数据库、法律法规数据库和方案数据库等,数据库支持专家存储和搜索所需数据.方法库包括支持专家建模、问题量化和计算机综合求解的各种方法,如:支持决策的德尔菲方法;支持方案评价的范数灰关联度法;支持计算机求解的人工智能法、模拟方法;城市交通量预测的方法,如:GA-PSO等.模型库包括交通流量分析模型,如:VISUM模型.案例库中包括高架桥改造的一些成功案例和失败的案例,如:纽约高线公园改造;韩国清溪川恢复工程等,供研讨厅学习和借鉴.上述体系在综合集成方法的指导下,动态结合,构成一个人·机、人·网络一体化的大城市中心区高架桥可持续发展综合集成研讨厅.2.2通过研讨,提出最优方案首先,研讨厅体系应明确目前大城市中心区高架桥存在的问题,即如何通过对高架桥的改造来实现大城市中心区高架桥的可持续发展.然后,搜集大量的有关文献资料,并召集各领域专家共同利用研讨厅体系的软硬件平台对问题进行研讨(如图2所示).通过研讨,结合专家们的经验性判断,提出对问题的初步认识.依靠专家的经验和形象思维,在问题求解知识的帮助下,提出对问题的分析方案.根据问题的结构特点,结合知识系统中相关领域知识和国内外前人经验,把问题分析逐步定量化.在定量化或者半定量化的情况下,在计算机上建立局部模型或者全局模型,基本得到专家群体的认可后,通过讨论合成这些模型并最终生成系统模型.模型建立后,通过计算机的测算程序和专家群体的评价来验证模型的正确性及可靠性.如果专家群体对模型不满意,需要重复上述的各项步骤,或者其中的某几个步骤,直到专家群体基本满意,建模过程才能结束.然后利用系统模型生成方案,用范数灰关联度法评价方案.最后选择最优方案.3高架可持续发展方案设计根据将综合集成研讨厅体系应用于大城市中心区高架桥可持续发展的方案和实施过程,结合相关调研结果,作者提出了大城市中心区高架桥可持续发展的设计优化方案.3.1大立交桥改造在大城市中心区高架桥可持续发展研讨厅的运作过程中,各领域专家互相交流、集思广益,提出了100多个方案,如:维持高架桥现状;拆除高架桥;拆除高架桥建地下隧道;高架桥上设置BRT系统;把高架桥改造为步行廊道;建设地下隧道;高架桥下打造步行街;把高架改造为高架桥上慢行交通系统、桥下快行交通系统等等.经过初步分析,筛选出6个较为有研究价值的方案(如表1所示).高架桥立面改造示意图如图3所示.3.2范数灰关联度法大城市中心区高架桥的可持续发展问题涉及因素繁多,有些因素能定量化处理,如:高架桥的交通通行能力;有些因素只能定性化处理,如:高架桥对城市文化的影响.范数灰关联度法是基于灰色系统理论的一种有效的方案评价方法,可用于对方案进行全方位、多角度的综合分析评价,尤其适用于评价指标不能全部定量化处理的方案评价,所以采用范数灰关联度分析法对各方案中高架桥的可持续发展能力进行评价.1区间值化算子范数灰关联度法是在邓聚龙先生提出的邓氏灰关联度法的基础上改进的方法,其应用于方案评价时,是将各备选方案评价指标参数构成比较数列,将评价指标的最佳值构成标准数列,用关联度表示比较数列和标准数列的接近程度.关联度越大的比较数列,表明与标准数列越接近,即相对最优的方案.关联系数和范数灰关联度的计算方法如下.①用区间值化算子将序列无量纲化后得到区间值象:X0=(x0(1),x0(2),…,x0(n)),Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n)).②计算比较数列与参考数列对应元素的差值:Δi(j)=|X0(j)-Xi(j)|,i=1,2,⋯,n；j=1,2,⋯,m.Δi(j)=|X0(j)−Xi(j)|,i=1,2,⋯,n；j=1,2,⋯,m.③求出Δi(j)的最大值Δmax和最小值Δmin.④计算关联系数:ri(j)=Δmin+λΔmaxΔi(j)+λΔm,x.ri(j)=Δmin+λΔmaxΔi(j)+λΔm,x.式中:λ为分辨系数,一般取0.5.⑤计算关联系数理想列与负理想列r-:r+={{maxiri(j)|i=1,2,⋯,n；j=1,2,⋯,m|}.r-={miniri(j)|i=1,2,⋯,n；j=1,2,⋯,m|}.⑥计算各比较序列的近距d+i与远距d-i:d+i=√m∑j=1(ri(j)-r+)2,d-i=√m∑j=1(ri(j)-r-)2.⑦计算范数灰关联度:εi=d-i/(d+i+d-i).2确定评价指标体系大城市中心区高架桥的可持续发展,就是实现高架桥交通与生态环境、经济社会综合效益的最大化,其影响因素可以归纳为社会效益、环境效益、经济效益和交通效能四个层面.每一层面下又有很多因素,且各影响因素的评价标准不同.结合各指标的特点以及在方案评价中的实用性和可操作性,最终确定大城市中心区高架桥可持续发展的评价指标体系(如表2所示),其中,定量指标有运载能力、通行能力和方案实施费用;定性指标有高架桥沿线商业、路权平等情况、对城市景观的影响效果和对城市文化的影响效果.3各方案的造价及定性分析为了方便对各个方案进行比较,作者以上海南北高架桥的徐家汇—淮海中路段为例进行分析.上海南北高架桥建成于1995年,贯穿上海中心城区,主要服务于机动车中长距离的出行,是城市交通运输的主动脉.南北高架桥的徐家汇—淮海中路段长1.6km,高架桥距地面19m,宽度为25.5m,设六车道,设计时速60km,匝道平均间距为1.2km,单向设计通行能力为4800pcu/h.根据《上海市市政工程预算定额(2000)》及《城市道路设计规范》,计算出各方案的造价和路段通行能力如表3所示.另外,根据上海市南北高架桥的实地调查可知,公交车占交通流量的10%左右,公交车大多为30～40座居多,据此可将各方案的路段通行能力换算成运载能力(如表3所示).对于定性指标,采用专家打分法进行评价,1～5分别代表很不理想、不理想、还行、理想、很理想.首先由12位专家分别对各方案的定性指标打分,然后取其平均值作为该指标的得分.各方案对高架桥沿线商业发展情况、城市路权、城市景观及城市文化的影响效果的评分如表3所示.利用Excel软件计算得到6个方案的范数灰关联度分别为:0.479,0.353,0.506,0.500,0.490,0.672.由表3的数据可知,从交通或景观的层面来看,方案3为最优方案,但是造价太高;从环境层面来看,方案1和方案5为最优方案,但是道路运载能力很低,会造成交通拥堵;从方案造价层面来看,方案2为最优方案,但是环境污染严重,并且对沿线商业的发展、城市景观和文化的影响效果不利.方案6的范数灰关联度最高,即实现了交通、环境、路权、商业、景观、文化和造价等各个层面的综合最优,所以方案6为最优方案.改造后的高架桥的公共活动空间如图4所示.3.3解决部分高架的可达性,促使“亲水”的发展把高架桥改造为桥上慢行交通系统、桥下快行交通系统的方案(方案6),其运载能力是目前的126%,设计车流量是目前的70%.此方案不仅能在一定程度上缓解交通拥堵,而且能减少汽车废气排放,降低噪音污染,保障高架桥周边居民的健康.由于高架桥上只有慢行交通系统,行人不仅在享有平等路权的同时,也能享受阳光、清新空气和良好视野.此时的高架桥已经成为人们休闲娱乐的场所(见图4),促进了人文交流.高架桥改造后,高架周边的可达性有所提升,沿线建筑表面将有部分功能上升到与高架桥接壤,底层建筑可作为停车场,这些将促使高架桥沿线商业的发展繁荣,甚至使之成为城市的地标——“空中商业街”.此外,改造后的高架桥也促进了两侧的横向联系,增强了城市景观的协调和文化的交流、辐射.此方案不仅保留了高架桥,更发展了高架桥,使之成为绿色、人文和可持续的高架桥.4城市