基于路网效率的城市结点对外交通组织模式

过秀成 涂圣文，2 张小辉

(1东南大学交通学院，南京210096)

(2长沙理工大学道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心，长沙410114)

城市结点对外交通如何合理组织，无论从交通规划、城市发展，还是从工程经济、营运经济、社会效益和环境效益等方面来看，都是一个复杂的课题.尤其是在我国城市化和机动化飞速发展的今天，若对外交通组织方案不合理，不仅会影响干线公路的运行效率，而且会给结点城市增加额外的交通负担，恶化城市交通环境.不少学者和规划工作者针对城市结点对外交通组织的相关问题进行了研究［1-4］，但已有文献均只从定性角度分析对外交通组织与城市形态、城市规划、城市发展等因素之间的关系，指出了对外交通组织需要注意的问题和主要原则，而缺乏在考虑干线公路交通量、对外交通OD分布结构等量化要素的基础上，定量地进行交通组织方案评价的途径.

本文提出一种改进的路网效率测度指标，并以此来评价不同干线公路交通量水平、不同对外交通需求结构下城市结点对外交通组织模式的适用性，为城市结点对外交通组织方案的决策提供一种量化分析思路.

1 路网效率测度指标

现有路网效率测度指标主要分为3种类型:基于通行能力的指标、基于路网形态特征的测度指标和基于投入产出关系的路网效率测度指标.基于通行能力的指标即采用路网通行能力和服务水平2个指标分别对路网进行评价［5］，或是利用二者的综合评价指标来衡量路网效率［6］.基于路网形态特征的测度指标一般采用网络结构熵(entropy)、网络布局模式(connection patterns)、路径连续性(continuity)3个要素来评价道路网络的效率［7］.这2类指标的主要缺陷是没有考虑出行者的择路行为，因而评价结果无法反映实际路网的运行状况.而基于投入产出关系的路网效率测度指标则往往在出行者择路行为的路网均衡状态下来评价路网的效率和性能，如在路网均衡状态下，Nagurney等［8-10］用平均每个OD对上单位出行成本能够服务的出行者数量来衡量网络效率，秦进等［11］定义网络效率为每条路段上单位出行成本能够服务的出行者数量，余孝军等［12］定义网络效率为交通网络中所有出行者的总收益.这类路网效率测度指标虽然考虑了出行者的择路行为，但其过分强调指标的经济学解释性，而忽略了对路网通行能力和服务水平的考虑，因而只适用于追求劳动生产率的运输网络，而不适用于受通行能力和服务水平约束的道路交通网络.本文在上述相关研究的基础上，提出一种能综合反映道路交通网络出行成本及服务水平的路网效率测度指标.

先给出路网中断面通行效率的定义.路网中路段a的断面通行效率Ea由Brilon［13］提出，定义如下:

对于给定的交通网络G，若其OD间交通需求总量为q，在交通网络平衡状态下，定义网络效率为

式中，A为交通网络G中路段的集合;nA为路段的数量为平衡状态下路段a上的出行成本.将式(1)代入式(2)，可得

该路网效率指标可理解为平均每条路段上单位出行成本能够服务的车公里数.可看出，改进的网络效率测度指标不仅能够反映路网运行中成本与效益之间的关系，而且综合考虑了路网容量和服务水平.

2 基于路网效率的城市结点对外交通组织模式

合理的对外交通组织模式应是在快速组织过境交通、出入境交通的基础上，尽量降低对外交通对内部交通系统的影响.下面采用提出的交通网络效率测度指标，分析不同的干线交通量水平、不同对外交通需求结构下城市结点对外交通的合理组织模式.

2.1 测试路网构建

为研究交通组织模式与路网效率的关系，构造测试路网如图1所示.该路网包含东西向和南北向各5条等间距内部道路，相邻道路之间的间距均为5.0 km，这些道路互相交叉形成40条路段，将城市结点内部划分为16个方格状交通小区.这40条路段中，中间8条路段为快速干道，形成城市快速内环，其余36条路段均为一般路段.此外，路网中还存在东西、南北向的2条对外干线公路测试路网各路段的详细参数如表1所示.

图1 测试路网示意图

表1 测试路网各路段参数

2.2 路网效率与交通需求的关系

2.2.1 路网效率与内部交通需求之间的关系

不考虑对外交通需求的情况下，内部路网效率与内部小区间交通OD的关系如图2所示.由图可知，随着小区间交通需求的增加，路网效率先增加后减小，即在交通需求总体较小时，由于路网剩余容量较大，随着交通需求的增加，平均每条路段上单位出行成本能够服务的车公里数会继续增加，路网效率也增加，且在小区间OD约为150 pcu/h时达到最大;随着交通需求的继续增大，路网中部分路段先达到饱和，这时路段上的出行成本逐渐增加，路网效率降低.这与实际路网的运行情况基本一致，说明了本文提出的路网效率测度指标的有效性.

图2 路网效率与内部交通小区间OD的关系

2.2.2 对外交通对路网效率的影响

在内部交通小区间OD为100，200，300 pcu/h三种情况下，分别测算当干线公路交通量增加时内部路网效率的变化情况(假设和方向的过境交通量比例均为20%)，结果如图3所示.从图中可看出，对外交通的引入增加了结点内部路网的交通疏解负担，路网效率随着对外交通需求的增加而降低.

图3 对外交通对路网效率的影响

2.3 对外交通组织模式及其路网效率分析

相关研究表明［14］，交通需求结构影响路网容量及服务效率.根据对国内若干条经过城市结点干线公路交通组成的调查分析［15］，本文将干线公路对外交通需求结构分为2种:①方向的过境交通量和出入境交通量的比例为1∶4，即2条干线公路均以出入境交通为主;②方向的过境交通量和出入境交通量的比例为2∶3方向的过境交通量和出入境交通量的比例为1∶4，即干线公路方向存在集中的过境交通量，而干线公路方向仍以出入境交通为主.

同时，根据已有的对外交通组织方面的研究及实践成果［1-4］，将城市结点对外交通的组织模式分为3种:① 对外交通直接接入结点内部路网，通过内部路网自发完成对外交通的组织，该模式对应的路网参数如表1所示.② 设置干线公路与内部快速干道之间的快速连接线，将对外交通引入快速干道系统，通过快速干道系统集中完成对外交通的组织.在图1所示的测试路网中，快速连接线对应为6，9，23，40 四条路段，行车速度设置为60 km/h，通行能力设置为2 000 pcu/h.③ 在模式② 的基础上，设置方向直接式过境通道，将过境交通直接疏导过境.在测试路网中，直接过境通道对应为27和29两条路段，行车速度设置为80 km/h，通行能力设置为2 500 pcu/h.

考虑内部小区之间的交通OD为300 pcu/h即城市内部路网富余通行能力不大时，分别计算对外交通需求结构① 情形下，随着干线公路交通量的变化，对外交通组织模式① 、② 下内部路网效率变化的情况，计算结果如图4所示.从图中可看出，当干线公路交通量小于750 pcu/h时，2种组织模式的路网效率相差不大;当干线公路交通量大于750 pcu/h时，模式① 的路网效率逐渐下降，而模式②的路网效率还能继续上升，总体上比模式①能提升约16%～32%的路网效率.

图4 对外需求结构①情形下交通组织模式与路网效率的关系

在同样条件下，计算对外交通需求结构② 情形下，组织模式① ～③ 下内部路网效率的变化，结果如图5所示.从图中可看出，当干线公路交通量小于750 pcu/h时，模式① 与模式② 的路网效率差别不大，这与需求结构①的结果类似;当干线公路交通量在750～2 000 pcu/h时，模式② 的路网效率较模式①能提高约19% ～28%;当干线公路交通量超过2 000 pcu/h时，模式②的路网效率下降，逐渐接近模式①的路网效率，此时若采用模式③来组织对外交通，则仍能提高路网效率约23% ～37%.

图5 对外需求结构②情形下交通组织模式与路网效率的关系

3 结论

1)提出了一种改进的路网效率综合测度指标，与现有的测度指标相比，该指标不仅能够反映路网运行中成本与效益之间的关系，还综合考虑了路网容量和服务水平.

2)采用本文提出的路网效率测度指标，研究了不同对外交通需求结构下城市结点不同对外交通组织模式的适用性.研究表明，在城市内部路网富余通行能力不大的情况下，当干线公路交通量小于750 pcu/h时，干线公路可直接接入内部道路系统;当干线公路交通量为750～2 000 pcu/h且主要为出入境交通时，宜将对外交通引入城市结点快速干道系统，通过快速干道系统集中组织对外交通;当干线公路交通量大于2 000 pcu/h且存在较为集中的过境交通时，宜设置直接式过境通道分离过境交通，以提高路网的整体效率.

3)所构建的测试路网是考虑了实际路网的等级结构、交通需求结构的抽象路网，能代表大多数实际路网的状况，因而具有一定的通用性.但各个城市的真实路网毕竟千差万别，以后将进一步在实际路网中进行应用和检验.

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