李云禎，周 平，王 濤，徐 友

（1. 四川省環(huán)境保護科學(xué)研究院，四川 成都 610041，E-mail:55498040@qq.com；2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都610031；3. 同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

城市改造中的公路交通優(yōu)化對能源的影響研究
——以成都北改為例

李云禎1，周 平2，王 濤1，徐 友3

（1. 四川省環(huán)境保護科學(xué)研究院，四川 成都 610041，E-mail:55498040@qq.com；2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都610031；3. 同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

隨著全球性生態(tài)環(huán)境問題的加劇，如何實現(xiàn)公路交通規(guī)劃與節(jié)能減排相協(xié)調(diào)，已成為當今工程界所關(guān)注的一個重要課題。以中國民生工程典范成都“北改”為例，研究其在公路建設(shè)中的路線優(yōu)化對節(jié)能減排的影響。根據(jù)實際規(guī)劃結(jié)合現(xiàn)場走訪，科學(xué)地對交通先行節(jié)能減排影響進行分析。確定措施具體的評價指標并建立相應(yīng)的數(shù)值模型，運用數(shù)理統(tǒng)計和預(yù)測分析的手段進行道路交通通行能力研究，計算路線規(guī)劃前后能源消耗量，并提出優(yōu)化設(shè)計方案，從而達到節(jié)能減排效果?？蔀榻窈蟪鞘懈脑旖煌ńㄔO(shè)提供經(jīng)驗借鑒。

城市改造；北改工程；交通路線優(yōu)化；節(jié)能減排；模型預(yù)測

在治理交通擁堵的問題上，政府及相關(guān)部門都給予高度重視，城市的交通情況反映著城市的精神面貌［1-5］。國內(nèi)外學(xué)者對道路交通優(yōu)化與能源環(huán)境等相關(guān)問題進行研究，如何定［6］針對山地城市道路交通發(fā)展中存在的各種問題，將道路交通發(fā)展的硬質(zhì)過程與風貌區(qū)環(huán)境保護的軟質(zhì)過程相結(jié)合，分別從評價與優(yōu)化入手，分析山地城市風貌區(qū)這一特殊城市區(qū)域的道路交通優(yōu)化體系。王海燕［7］從蘭州市城區(qū)道路交通優(yōu)化設(shè)計存在的問題入手，分析產(chǎn)生的根源，并設(shè)計優(yōu)化策略。國外學(xué)者Brcker等［8］分析了交通基礎(chǔ)設(shè)施投資與建設(shè)對區(qū)域交通公平的實際影響，并建立了空間均衡模型以評估交通設(shè)施投資政策；Ying等［9］利用Logistic描述了城市交通網(wǎng)絡(luò)中不同交通方式的競爭與發(fā)展，評估多種場景下道路資源配置的優(yōu)化性。從文獻中可以看出國內(nèi)外學(xué)者大多數(shù)在交通路線的優(yōu)化問題用到的方法較為傳統(tǒng)。

本文通過實地調(diào)研，結(jié)合數(shù)值模型，運用數(shù)理統(tǒng)計和預(yù)測分析的等多種手段進行道路交通通行能力研究，計算路線規(guī)劃前后能源消耗量，并提出優(yōu)化設(shè)計方案。以中國民生工程典范——成都“北改”建設(shè)為例，通過對交通建設(shè)進行節(jié)能減排效益評估和優(yōu)化規(guī)劃研究，由于北改在改造過程中交通路線的增加，減少了站點間的路程和車輛的等待時間，從而降低了車輛的油耗和尾氣的排放，達到舊城改造與節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展。

1　北改區(qū)域規(guī)劃

成都是四川省的省會城市，國家區(qū)域中心城市，成渝經(jīng)濟區(qū)重點建設(shè)城市。因此，研究成都的舊城改造問題，對整個四川省乃至對整個西部地區(qū)探求生態(tài)經(jīng)濟建設(shè)路徑都具有重要的作用。北改工程涉及成都城北的金牛區(qū)、成華區(qū)和新都區(qū)3個地區(qū)建設(shè)［10］，涉及范圍之廣、人數(shù)之多、改造力度之大，在成都城市建設(shè)的歷史上均屬罕見［11］，北改的實施將推動成都三區(qū)交通的優(yōu)化，公路交通與經(jīng)濟兩者關(guān)系復(fù)雜，公路交通系統(tǒng)對經(jīng)濟發(fā)展起著非常重要的作用［12］。公路交通作為重大基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的重點和核心，是北改工程情系民生，為人民辦實事，辦好事的最好體現(xiàn)［13］，更是貫徹落實國家提出的“節(jié)能減排”戰(zhàn)略的具體方針。

1.1工程地理位置

成都市城北改造東邊從新成華大道，西從西大街—金牛大道，南沿著一環(huán)路，北至繞城高速金牛、成華北邊界，改造面積約195平方公里，其中涉及最多的是“四軸四片”中金牛、成華區(qū)和新都區(qū)重要地區(qū)進行實施改造，

如圖1所示，北改整體上呈現(xiàn)出“四軸四片”的發(fā)展格局。其中，“四軸”是指金牛大道（即老成灌路，一環(huán)路至繞城高速段）、沙西線（一環(huán)路至繞城高速段）、川陜路（新華路口至繞城高速段）、新成華大道（一環(huán)路至繞城高速段）4條道路及兩側(cè)各200米的范圍，“四片”是指曹家巷片區(qū)、火車北站片區(qū)、大熊貓生態(tài)片區(qū)和鳳凰山片區(qū)。

圖1　北改的具體范圍和發(fā)展格局

1.2北改前后的道路狀況

從整體改造內(nèi)容中可以發(fā)現(xiàn)成都市北改對城北三區(qū)的交通展開一系列的路線規(guī)劃和改造，北改區(qū)域目前道路主要干道的現(xiàn)狀如圖2所示，北改啟動后的道路規(guī)劃圖如圖3所示。

圖2　北改區(qū)域道路主要干道現(xiàn)狀圖

通過比較北改前后交通路線可以看出，在北改之前，道路路線較少，且路線走向較為單一，可開發(fā)的空間較大。在北改完成之后，道路交通網(wǎng)絡(luò)變化很大。隨著道路長度的增加，能提升道路通達性，減少站點與站點之間的距離。通過以道路的公里數(shù)和車輛在站點間行駛的距離為評價指標，對北改前后該區(qū)域道路形態(tài)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕v行駛減少的公里數(shù)，從而對節(jié)能減排的影響進行定量計算。

2　模型的建立與求解

2.1道路通過能力的模型建立

對現(xiàn)有北改區(qū)域道路主干現(xiàn)狀圖和北改規(guī)劃圖進行采集，對北改區(qū)域道路長度的計算，采用比例尺測量現(xiàn)有道路網(wǎng)中路線的方法來研究北改片區(qū)道路的現(xiàn)狀。首先對北改區(qū)域的道路交通路線網(wǎng)進行采集，在交通網(wǎng)中進行均勻選取站點，通過設(shè)計比例尺對路網(wǎng)進行詳細測量，從而可得到站點與站點之間的長度距離，建立站點之間最短距離，利用Floyd算法計算車輛最短公里數(shù)。將減少的公里數(shù)轉(zhuǎn)化為能源進行衡量。研究方法及步驟如圖4所示。

圖4　北改道路優(yōu)化研究步驟

2.1.1相鄰站點間的距離測量

便于精確計算，引入Si表示第i個道路站點，為了具體表示每條路對1輛車的通行能力，采用每2個站點之間的最短距離作為評價通行能力的指標。在此需要指出的是，最短距離并不是2個站點之間的地理直線距離，而是建立在已有道路線路基礎(chǔ)上，到達目的地的最短路線。顯然，道路網(wǎng)絡(luò)越發(fā)達，道路通行能力越強，那么車輛從一個站點到另一個站點所需要的拐彎自然越少，選擇的路線也越多，所行走的路程也必將相應(yīng)地減少。

通過每輛車在實際路線的通行能力，計算出1輛車從站點Si出發(fā)到達終點Sj所經(jīng)過的最近距離Lij。在對道路長度的測量上，采用比例尺測量的方法對規(guī)劃圖中所提供的路線圖進行分析，1個像素點為1個單位，測量道路的長度。

2.1.2所有站點間的最短路程計算

建立在上述理論的道路通過能力分析，通過計算1輛車在整個道路網(wǎng)絡(luò)中走遍兩兩站點的最短距離之和ZL來衡量道路的通行能力。式中，Lij為從站點Si出發(fā)到達終點Sj所走的最近距離；n為道路網(wǎng)絡(luò)圖中站點的總數(shù)。

引入Floyd算法站點間的最短路徑［14］。

2.2北改前后道路通過能力的比較

2.2.1北改之前的道路通過能力狀況

通過采集詳細的道路規(guī)劃圖，在交通網(wǎng)絡(luò)中均勻采集站點，北改之前的交通網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，圖中數(shù)字標號即為道路站點的編號，站點總數(shù)n=33。距離測量結(jié)果如表1所示（取前10個站點為例，下同）。通過計算可得到兩兩站點間的最短長度，如表2所示。

圖5　均勻選取的車站分布圖

表1　北改之前相鄰站點之間的道路長度（單位：像素）

2.2.2北改規(guī)劃的道路通過能力狀況

北改之后的車站分布見圖3，車站總數(shù)n=33。同理，通過道路網(wǎng)絡(luò)分析計算，可得到相鄰站點之間的道路長度（見表3）和兩兩站點間的最短路程（見表4）。

表3　北改之后相鄰站點之間的道路長度（單位：像素）

表2　北改之前兩兩站點間道路的最短長度（單位：像素）

表4　北改之后兩兩站點間道路的最短長度（單位：像素）

2.3路網(wǎng)優(yōu)化對節(jié)能減排的效益分析

道路網(wǎng)絡(luò)的通達性會影響車輛的耗能。對于1輛車而言，起點站和終點站是固定的，但行駛的過程大部分是根據(jù)道路網(wǎng)絡(luò)的通達性來決定的。道路網(wǎng)絡(luò)越發(fā)達，車輛從起點站到終點站行駛過的路程越短，車輛的耗能也越少。汽車運輸?shù)膯魏?，即耗能強度，其主要?jīng)濟指標是“每百噸公里”、“每百車公里”。下面以汽油貨車為例，計算道路網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化對節(jié)能減排的實際效果。

根據(jù)式（1），通過計算得到北改前后站點間的最短距離ZL1和ZL2分別為:式中，Lij為北改之前從站點Si出發(fā)到達終點Sj所走的最近距離；ijL′為北改完成后從站點Si出發(fā)到達終點Sj所走的最近距離。

需要指出的是，計算的單位為道路網(wǎng)絡(luò)圖中的像素，而非實際空間的距離。那么，通過北改道路的規(guī)劃和交通的優(yōu)化，站點最短距離和從北改前的595367個單位，變?yōu)楸备闹蟮?63906個單位，共減少了31461個單位，這將一定程度上提高道路的通行能力。

每輛汽油貨車走完所有兩兩站點的總消耗Zq為:式中，k為每輛汽油貨車的耗能，取7.1升/百噸公里；λ為相應(yīng)的換算比率，視具體情況而定。

因此，在現(xiàn)有的路網(wǎng)條件下，1輛汽油貨車的總消耗Zq1為:

同理，在北改完成后，路網(wǎng)條件得到優(yōu)化，每輛汽油貨車的總消耗Zq2為:

由計算得知，通過道路網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)調(diào)整和優(yōu)化，每輛汽油貨車能減少223373.1λ的能源消耗?？紤]到實際通過的車輛數(shù)目和各種不同類型的車輛，這在宏觀上能節(jié)約大量的化石能源，可見，路網(wǎng)優(yōu)化所帶來節(jié)能減排的經(jīng)濟效益是相當巨大的。

3　道路交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

根據(jù)道路的已有特點，在原有北改交通規(guī)劃 v提出更優(yōu)的設(shè)計規(guī)劃，以達到最大程度的節(jié)能減排效益。

從上文所選取的33個站點，引入現(xiàn)有道路通行能力矩陣Aij:式中:Sij為第i站點到第 j站點的道路距離；Lij為第i站點到第j站點的直線距離。

根據(jù)上述得到的矩陣A33×33，對矩陣的元素aij進行排列，即對站點間的道路距離進行評估，若兩站點間的aij較大，就有必要考慮在兩站點間建立新的道路。通過計算得到在現(xiàn)有的道路上，為了增加成都北改區(qū)域的道路通行能力，需要對路網(wǎng)進行相應(yīng)的調(diào)整。

在規(guī)劃后的路網(wǎng)條件下，通過計算得知所消耗的能源總量為:

得出，l=20.56，所以Zq=35901775

對1輛車而言，在相同的起點站和終點站，由于路線的不同，所行駛的距離也相應(yīng)改變，所消耗的能源也是不同的。通過計算得知，在成都市北改之前的道路網(wǎng)絡(luò)和北改規(guī)劃的道路網(wǎng)絡(luò)以及本文新提出的規(guī)劃對比如圖6所示。

圖6　北改規(guī)劃方案與優(yōu)化方案對比

在新規(guī)劃中，對能源的節(jié)約具體值為5100.75萬升，相對現(xiàn)有的規(guī)劃減少了能源消耗量為4641.50萬升，減少比例為47.64%。可見，北改后的道路優(yōu)化相對于北改前將帶來巨大的節(jié)能減排效益，新規(guī)劃的路線由于更加理論化地對站點進行設(shè)計，其帶來的節(jié)能減排潛力是非常巨大的。

4　結(jié)語

通過對成都市北改地區(qū)現(xiàn)有的道路狀況進行調(diào)研，對現(xiàn)有的道路網(wǎng)絡(luò)進行評估。對于每輛車而言，在相同的站點間行駛，北改后的能源消耗量比北改前的減少了223373.1個單位；在新的路網(wǎng)規(guī)劃下，相對北改前能源節(jié)約5100.75萬升，相對于現(xiàn)有的規(guī)劃節(jié)約能源4641.50萬升，減少比例為47.64%。從而可發(fā)現(xiàn)成都市北改的交通優(yōu)化推動了城市節(jié)能減排的發(fā)展，降低車輛能源消耗量。本文研究思路可為其他城市道路優(yōu)化上提供參考。

［1］李洪佳.長春市交通擁堵問題的政府對策研究［D］.長春工業(yè)大學(xué)，2013.

［2］封雨晴.南寧城市交通擁堵政府治理研究［D］.廣西師范學(xué)院，2013.

［3］劉 瓊.西安市城市交通擁堵治理及對策研究［D］.長安大學(xué)，2014.

［4］劉治彥，岳曉燕，趙 睿.我國城市交通擁堵成因與治理對策［J］.城市發(fā)展研究，2011（11）:90-96.

［5］徐東云.城市交通擁堵治理模式理論的新進展［J］.綜合運輸，2007（5）:5-8.

［6］何 定.山地城市風貌區(qū)道路交通適應(yīng)性評價與優(yōu)化研究［D］.長安大學(xué)，2013.

［7］王海燕.蘭州市城區(qū)道路交通系統(tǒng)優(yōu)化分析［J］.交通科技與經(jīng)濟，2014（3）:17-20，37.

［8］Brckerj，Korzhenevycha，Schrmannc.Assessing Spatial Equity and Efficiency Impaction Research PartB，2010.44 （7）:795-811.

［9］ YING Xi-wen，SHI Jing.Road Resources Distribution and Evolution Analysis Using a Species Competition Model for Imprving Road Equity［J］.Tsinghua Science and Technology，2008，13（5）:651-659.

［10］謝 濤.基于多主體的成都“北改”研究［D］.西南交通大學(xué)，2014.

［11］張魁勇.成都全面拉開“北改”工程大幕［N］.成都日報，2012-02-06001.

［12］盧 青.區(qū)域公路交通經(jīng)濟適應(yīng)性研究［D］.西南交通大學(xué)，2014.

［13］謝元魯.成都北改工程如何注入文態(tài)之魂［J］.地方文化研究輯刊，2013（00）:179-184.

［14］王 榮，江 東，韓 惠.基于Floyd方法的最短路徑算法優(yōu)化算法［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報，2012（4）:110-114.

Impact on Energy by Urban Traffic Optimization——Taking North Chengdu Reconstruction as an Example

LI Yun-zhen1，ZHOU Ping2，WANG Tao1，XU You3
（1. Environmental Protection Science Research Institute of Sichuan Province，Chengdu 610041，China，E-mail:55498040@qq.com；2. School of Civil Engineering of SWJTU，Chengdu 610031，China；3. School of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 20092，China）

With the aggravation of global ecological environment，how to achieve a balance among transportation planning and energy saving and emission reduction has become a major concern. This paper takes the major livelihood project——“North Chengdu Reconstruction” as an example to study the effect of traffic reconstruction on energy saving and emission reduction. First，we analyzed the questionnaire data obtained in detail. Then，based on the actual planning and questionnaire results，we analyzed the effect of traffic reconstruction on energy saving and emission reduction. Moreover，we determined concrete evaluation indexes and established relative data model. Finally，by using mathematical statistics and predictive analysis，we studied the road traffic capacity and obtained the different consumption amount both before and after the “North Chengdu Reconstruction”. Furthermore，the research can provide help for future traffic construction.

urban renewal；the “north Chengdu reconstruction”；traffic construction；energy saving and emission reduction；mathematical model prediction

U491.17

A

1674-8859（2016）04-069-05

10.13991/j.cnki.jem.2016.04.013

李云禎（1979-），男，高級工程師，研究方向:環(huán)境健康與損害風險評估，土壤地下水污染管控與防治；

周 平（1991-），男，碩士研究生，研究方向:隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計；

王 濤（1983-），男，工程師，研究方向:環(huán)境健康與損害風險評估，土壤地下水污染管控與防治；

徐 友（1992-），男，碩士研究生，研究方向:環(huán)境工程。

2016-03-24.

成都市軟科學(xué)研究項目（2015-RK00-00016-ZF）；

成都市科技惠民技術(shù)研發(fā)項目（2015-HM01-00019-SF）；

國家公益環(huán)保科研專項課題項目（201509024）；

四川省科技廳公益性科研院所基本科研項目（2016YSKY0167）.