姜 鎮(zhèn)

（太倉市公路管理處，江蘇 太倉 215400）

0 引言

近年來，我國城際高速鐵路、城市軌道交通、水運(yùn)等運(yùn)輸方式快速發(fā)展，要形成良好的綜合運(yùn)輸局面，就要求公路運(yùn)輸與其他方式密切配合，通過合理銜接，形成現(xiàn)代化的綜合運(yùn)輸體系，充分發(fā)揮各種交通運(yùn)輸方式的優(yōu)勢(shì)，通過和多種運(yùn)輸方式的集成提高綜合效率[1]。

公路交通機(jī)動(dòng)、靈活的運(yùn)輸特點(diǎn)決定了它在綜合交通體系中的重要作用，其布局既要考慮與其他運(yùn)輸方式站場(chǎng)的有效銜接，又要保證良好的路網(wǎng)可達(dá)性。因此，有必要對(duì)已有的公路網(wǎng)布局方法進(jìn)行研究完善，使之與發(fā)展綜合運(yùn)輸體系的要求相適應(yīng)。

1 公路網(wǎng)絡(luò)布局方法概述

目前，具有代表性的公路網(wǎng)布局規(guī)劃理論與方法主要有五類：四階段法、總量控制法、交通區(qū)位法、節(jié)點(diǎn)布局法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[2][3][4]。

（1）四階段法

通過發(fā)生量和吸引量預(yù)測(cè)、OD分布預(yù)測(cè)、運(yùn)輸方式分擔(dān)預(yù)測(cè)和交通量分配，預(yù)測(cè)得到區(qū)域路網(wǎng)交通量，以此作為路網(wǎng)布局設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和比選。其有效性較多依賴于現(xiàn)狀OD分布的準(zhǔn)確性，分析結(jié)果強(qiáng)調(diào)以改善交通運(yùn)行狀況為目的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和線路規(guī)劃。

（2）總量控制法

在分析現(xiàn)狀路網(wǎng)和交通特征的基礎(chǔ)上，根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和運(yùn)輸量的變化特征，得出公路網(wǎng)建設(shè)總規(guī)模，再以路網(wǎng)規(guī)模總量為約束條件，根據(jù)區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)力分布特點(diǎn)，求解最優(yōu)路網(wǎng)。這種方法研究區(qū)域的綜合經(jīng)濟(jì)規(guī)模分布與運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)形態(tài)之間的關(guān)系，是一種定性與定量分析相結(jié)合的規(guī)劃方法。

（3）交通區(qū)位法

從經(jīng)濟(jì)地理出發(fā)，研究規(guī)劃區(qū)域的交通區(qū)位線，即交通現(xiàn)象在地理上的高發(fā)地帶的原理線，根據(jù)交通區(qū)位線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合交通節(jié)點(diǎn)情況、地理約束條件等因素，確定交通運(yùn)輸線走向。根據(jù)產(chǎn)業(yè)社會(huì)背景及交通吸引特征，研究交通線的運(yùn)輸方式配置，確定公路路線。

（4）節(jié)點(diǎn)布局法

通過分析路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和選擇節(jié)點(diǎn)間路線形成規(guī)劃路網(wǎng)的布局，其核心是通過對(duì)交通、經(jīng)濟(jì)要素的綜合考慮建立節(jié)點(diǎn)重要度模型和節(jié)點(diǎn)間連線重要度模型，以此作為網(wǎng)絡(luò)布局的依據(jù)。這種方法能夠比較好地解釋土地利用、交通需求與交通設(shè)施之間的關(guān)系。

（5）動(dòng)態(tài)規(guī)劃法

通過建立以運(yùn)輸成本等為目標(biāo)函數(shù)、以路網(wǎng)規(guī)模和資金為約束條件構(gòu)成的優(yōu)化模型，根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)，研究多種可能方案，將各種方案輸入模型，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，求解優(yōu)化模型，獲得實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的路網(wǎng)布局方案。

2 綜合運(yùn)輸體系下城市公路網(wǎng)布局方法

綜合運(yùn)輸體系是指在社會(huì)化的運(yùn)輸范圍內(nèi)和統(tǒng)一的運(yùn)輸過程中，按照各種運(yùn)輸方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，形成分工協(xié)作、有機(jī)結(jié)合、布局合理、聯(lián)結(jié)貫通的交通運(yùn)輸綜合體，它是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是為防止各運(yùn)輸方式間過度競(jìng)爭(zhēng)、某種運(yùn)輸方式的壟斷、避免重復(fù)建設(shè)和不合理利用導(dǎo)致運(yùn)輸資源的巨大浪費(fèi)，而發(fā)展起來的概念。在構(gòu)建綜合運(yùn)輸體系的背景下，公路網(wǎng)布局規(guī)劃有了以下的改變：

（1）與其他運(yùn)輸方式的線路和場(chǎng)站緊密銜接，起到集散客流，服務(wù)貨運(yùn)的重要作用；

（2）線路等級(jí)級(jí)配合理，網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性佳，充分發(fā)揮公路運(yùn)輸機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)。

為適應(yīng)構(gòu)建綜合運(yùn)輸體系背景下公路網(wǎng)布局的變化，本文采用基于節(jié)點(diǎn)布局法，通過公路網(wǎng)路線重要度密度得到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)布局，以路網(wǎng)可達(dá)性邊際效益最優(yōu)為目標(biāo)，得到城市公路網(wǎng)絡(luò)布局。

2.1 節(jié)點(diǎn)的選取

節(jié)點(diǎn)指一個(gè)區(qū)域交通需求的代表點(diǎn)，相應(yīng)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、人口、交通都集中在節(jié)點(diǎn)上，故節(jié)點(diǎn)也是路網(wǎng)規(guī)劃中需要連接的點(diǎn)。首先對(duì)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、人口、資源和交通情況，以確定哪些地點(diǎn)作為路網(wǎng)規(guī)劃的節(jié)點(diǎn)[5]。節(jié)點(diǎn)選取是城市公路網(wǎng)布局的第一步，節(jié)點(diǎn)選取的正確與否直接影響城市公路網(wǎng)布局方案。節(jié)點(diǎn)選取過粗，會(huì)造成局部區(qū)域的可達(dá)性差，無法實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)輸“門到門”的服務(wù)特點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)選取過細(xì)，會(huì)使研究工作過于繁雜。城市公路網(wǎng)規(guī)劃應(yīng)以區(qū)域內(nèi)的片區(qū)（組團(tuán)）、重要綜合交通樞紐、主要產(chǎn)業(yè)園區(qū)為節(jié)點(diǎn)，盡量符合行政區(qū)范圍，以減少資料調(diào)查整理的難度。

2.2 公路網(wǎng)布局方案初擬

在對(duì)城市經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀、交通現(xiàn)狀以及城市的發(fā)展思路與規(guī)劃進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)狀路網(wǎng)與發(fā)展需要的差距，同時(shí)考慮構(gòu)建綜合運(yùn)輸體系的要求，按照以下三種承擔(dān)不同功能的公路類型來進(jìn)行城市公路網(wǎng)絡(luò)布局方案的初擬。

（1）通達(dá)路

承擔(dān)主要的過境交通和城市對(duì)外交通，提升城市的交通區(qū)位和投資環(huán)境，帶動(dòng)城市的發(fā)展。

（2）通道路

城市各片區(qū)之間的通道，加強(qiáng)各片區(qū)之間的聯(lián)系，產(chǎn)生整個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的內(nèi)聚效應(yīng)。

（3）聯(lián)網(wǎng)路

銜接其他運(yùn)輸方式的線路和場(chǎng)站，形成協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。

2.3 重要度分析

2.3.1 節(jié)點(diǎn)重要度分析

節(jié)點(diǎn)重要度是判斷路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)重要程度的指標(biāo)，可選取人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、工業(yè)產(chǎn)值、運(yùn)輸量、商品零售總額等指標(biāo)進(jìn)行定量化分析，計(jì)算模型如下：

式中：Zi為節(jié)點(diǎn)i的重要度；ak為第k項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，通過主成分分析法確定；Rk為本節(jié)點(diǎn)的第k項(xiàng)指標(biāo)值；Rˉk為規(guī)劃區(qū)域所有節(jié)點(diǎn)的第k項(xiàng)指標(biāo)平均值；n為選取的指標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.3.2 路線重要度分析

路線構(gòu)成路網(wǎng)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連通路徑，路線重要度受到其連接的節(jié)點(diǎn)重要度、地理位置等因素的影響，本文定義路線重要度為：

式中：LZa為節(jié)點(diǎn)i， j之間路線a的重要度；Zi,Zj為節(jié)點(diǎn)i， j的重要度； f(Rij)為節(jié)點(diǎn)i， j之間的交通阻抗，Rij與距離、時(shí)間有關(guān)。

2.4 公路網(wǎng)重要度密度最優(yōu)樹求解

定義路線重要度密度為路線重要度與其長度的比值，即：

式中：LDa為路線a的重要度密度；LZa為路線a的重要度；La為路線a的長度。

以路線重要度密度作為各路線的權(quán)重，通過Kruskal算法求解公路網(wǎng)路線重要度密度最優(yōu)樹。Kruskal算法的基本思想為：假設(shè)有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，選擇無向加權(quán)連通圖中權(quán)值最小且不和已選擇的邊形成圈的邊，并將其添加到邊集E中；否則就選擇下一條邊，直到邊集E中有N-1條邊為止[7]。而以路線重要度密度為權(quán)值的公路網(wǎng)絡(luò)布局規(guī)劃選擇權(quán)值最大為最優(yōu)樹的邊，因此，公路網(wǎng)絡(luò)重要度密度最優(yōu)樹的求解步驟為：

（1）初始化節(jié)點(diǎn)集A={φ}，邊集E={φ}，所有邊的權(quán)值的和WT=0；

（2）將所有的邊按路線重要度密度權(quán)值按從大到小的順序排列，記為E′；

（3）選擇在邊集E′中重要度密度權(quán)值最大的，且不和邊集E中的邊構(gòu)成圈的邊eij，若其滿足 WT+LDij≤WT+LD′ij（eij是連接節(jié)點(diǎn)i和 j的邊，LDij是邊eij的路線重要度密度權(quán)值，LD′是沒有被選擇邊中的任意一邊的路線重要度密度權(quán)值），則將節(jié)點(diǎn)i和 j中沒有在點(diǎn)集A中的點(diǎn)添加到A中，并將邊eij添加到邊集E中；否則不選擇這條邊；

（4）重復(fù)第3步直到節(jié)點(diǎn)集有N個(gè)頂點(diǎn)，邊集中有N-1條邊，即可得到公路網(wǎng)絡(luò)密度最優(yōu)樹的布局。

2.5 基于可達(dá)性的公路網(wǎng)絡(luò)布局完善

2.5.1 可達(dá)性分析

網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性能夠反映公路網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間交通的便捷程度，是表示公路網(wǎng)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，通常由節(jié)點(diǎn)可達(dá)性來表征。節(jié)點(diǎn)可達(dá)性主要反映公路網(wǎng)中某一節(jié)點(diǎn)與其他各節(jié)點(diǎn)間的相互關(guān)系，反映該節(jié)點(diǎn)對(duì)外交通聯(lián)系的便捷程度，體現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)在路網(wǎng)中的地位。節(jié)點(diǎn)之間不同的路線等級(jí)和連接方式都將使便捷程度（即可達(dá)性）有所變化，因此節(jié)點(diǎn)可達(dá)性可作為判斷方案優(yōu)劣性的依據(jù)[8]。

（1）節(jié)點(diǎn)可達(dá)性分析

從節(jié)點(diǎn)可達(dá)性的定義上來看，節(jié)點(diǎn)之間的路線等級(jí)以及路線的連接方式是影響可達(dá)性的兩個(gè)方面。在路線的連接方式上，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可以直接連接，也可以通過其他節(jié)點(diǎn)迂回建立起連接，節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際里程越大，可達(dá)性就越小。因此，用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)際里程與直接相連時(shí)的里程的比值來反映可達(dá)性；在路線等級(jí)上，不同的路線等級(jí)決定了車輛的行程時(shí)間，在節(jié)點(diǎn)交通需求及路線長度一定的情況下，路線等級(jí)越高，服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平越好，車輛的行程時(shí)間越少，可達(dá)性就越大。綜上所述，節(jié)點(diǎn)可達(dá)性模型為：

式中：Ai為節(jié)點(diǎn)i的可達(dá)性；Lij為節(jié)點(diǎn)i，j之間的公路線路長度；LA為公路網(wǎng)的總里程長度；Rij為節(jié)點(diǎn)i，j之間的交通阻抗。

（2）公路網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性分析

考慮節(jié)點(diǎn)重要程度不同，以節(jié)點(diǎn)重要度為權(quán)重，將公路網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性的加權(quán)求和值作為公路網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性，即：

式中：Anet為公路網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性；Ai為節(jié)點(diǎn)i的可達(dá)性；Zi為節(jié)點(diǎn)i的重要度。

上述模型中，Anet數(shù)值越大，可達(dá)性越差。

2.5.2 公路網(wǎng)絡(luò)布局的完善

前面求解出來路線重要度密度最優(yōu)樹，記其線路集為E，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性為，以其作為城市公路網(wǎng)絡(luò)布局的基礎(chǔ)邊，與初擬的公路網(wǎng)絡(luò)布局方案（記其線路集為G）進(jìn)行比較，得出未納入最優(yōu)樹的線路集（G-E）。對(duì)于這些線路，按照通達(dá)路、通道路和聯(lián)網(wǎng)路三個(gè)層次，以路線重要度密度為標(biāo)準(zhǔn)由大到小進(jìn)行排序，記此序列為r(k)，逐一將其納入到公路網(wǎng)絡(luò)布局方案中，每納入一條新的線路，計(jì)算路網(wǎng)可達(dá)性，記為，若＜，則將該線路納入到線路集E中，升級(jí)一次路網(wǎng)布局，重新計(jì)算線路集E中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性；否則不選擇該線路，直至序列r(k)序完結(jié)。

隨著路網(wǎng)規(guī)模的增加，路網(wǎng)可達(dá)性的值總是在減小，但是減小的幅度越來越小，因此，選擇可達(dá)性數(shù)值降低幅度開始不顯著的線路集E作為城市公路網(wǎng)最佳布局。在此過程中，還應(yīng)以根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和運(yùn)輸量的變化特征預(yù)測(cè)得到的公路網(wǎng)建設(shè)總規(guī)模為約束條件。

3 案例應(yīng)用分析

將本文提出的布局方法應(yīng)用于太倉市城鎮(zhèn)快速通道體系規(guī)劃中。

3.1 節(jié)點(diǎn)選擇與重要度計(jì)算

分兩個(gè)層次選擇節(jié)點(diǎn)，第一個(gè)層次節(jié)點(diǎn)為鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地，第二個(gè)層次為行政村。本文主要針對(duì)第一層次進(jìn)行分析。太倉市快速通道體系中第一層次節(jié)點(diǎn)為城廂鎮(zhèn)、沙溪鎮(zhèn)、璜涇鎮(zhèn)、瀏河鎮(zhèn)、浮橋鎮(zhèn)、陸渡鎮(zhèn)和雙鳳鎮(zhèn)。節(jié)點(diǎn)重要度如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)重要度計(jì)算表

3.2 方案初擬

通過對(duì)太倉市城市經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀、交通現(xiàn)狀以及城市的發(fā)展思路與規(guī)劃充分調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，得出現(xiàn)狀的城鎮(zhèn)快速通道體系與發(fā)展所需的差距，初步擬定太倉市城鎮(zhèn)快速通道體系的布局方案如圖1所示。

3.3 線路重要度密度最優(yōu)樹及可達(dá)性計(jì)算

計(jì)算各線路的重要度及重要度密度，運(yùn)用Kruskal算法求解得到線路重要度密度最優(yōu)樹，如圖2所示，此時(shí)布局方案的路網(wǎng)可達(dá)性為72.7，各節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性如表2所示。

圖1 布局方案初擬圖

圖2 線路密度重要度最優(yōu)樹

表2 最優(yōu)樹可達(dá)性計(jì)算表

3.4 布局完善

將最優(yōu)樹之外的線路按照線路重要度密度大小順序排列，依次列入到快速通道體系布局方案中，重新計(jì)算各節(jié)點(diǎn)可達(dá)性和路網(wǎng)可達(dá)性，如果路網(wǎng)可達(dá)性值減小，則將該線路納入到城鎮(zhèn)快速通道體系中，否則更換下一條線路，直到完結(jié)。最終得到太倉市城鎮(zhèn)快速通道布局方案如圖3所示，各節(jié)點(diǎn)可達(dá)性和路網(wǎng)可達(dá)性如表3所示。

圖3 太倉城鎮(zhèn)快速通道體系布局圖

表3 布局方案可達(dá)性計(jì)算表

4 結(jié)語

本文在分析構(gòu)建綜合運(yùn)輸體系背景下公路網(wǎng)布局的新思想的基礎(chǔ)上，通過求解公路網(wǎng)路線重要度密度最優(yōu)樹得到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)布局，再以路網(wǎng)可達(dá)性邊際效益最優(yōu)為目標(biāo)，得到城市公路網(wǎng)絡(luò)最佳布局。本文所示方法在太倉市城鎮(zhèn)快速通道體系規(guī)劃中的應(yīng)用表明此方法具有較好的操作性和實(shí)用性。

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