新疆生产建设兵团第十师北屯市“十三五”公路网布局研究
2015-10-21温启明
温启明
【摘要】公路网发展规模研究是从量上合理的确定公路网发展建设的总规模和路网各层次公路里程所占的比重，作为指导布局规划的基本控制总量。本论文主要是通过十师“十三五”公路网布局研究，合理确定建设规模和建设等级（层次）。
【关键词】公路网；布局；研究；
一、路网规模研究
公路网发展规模研究就要从量上合理的确定公路网发展建设的总规模和路网各层次公路里程所占的比重，作为指导布局规划的基本控制总量。
公路交通是社会经济发展的派生需求，其发展与一定时期内社会经济所处的发展阶段状况密切相关。因此在进行公路网发展规模研究时主要考虑以区域社会经济指标建立模型。
路网发展规模研究的思路如图1。
公路网的发展规模取决于未来的交通需求发展情况和公路建设可用资金两者之间的协调统一。公路网的规模包括公路网总里程和公路网中各等级公路里程所占的比重这两个方面，它从量上反映了公路建设的发展水平和区域的经济水平。从量上确定公路网的规模就是要确定公路网发展建设的合理密度和公路网中各等级公路的里程，发展规模应与经济发展的每个阶段相适应，在增加路网密度的同时，应尽快提高公路网的技术等级，以达到促进区域经济发展、满足交通需求的目的。根据第十师的基础资料，建立相应的预测模型，对第十师公路网布局规模进行预测。
预测一个地区未来公路网发展水平是一件较复杂，且难以准确量化的工作。如果直接用密度指标对比法来测算未来公路网布局需求规划则因各地具有不同的特点难以保证可靠性，采用“网络结点模型分析方法”并结合对比分析方法则可从公路网络化水平和密度分析入手，进行未来总体布局规模测算研究。网络结点模型分析方法可运用图解模型分析公路网是否有效连接区域内结点，其理论为：假定区域（面积A）内应该连接的结点均匀分布，连接这些结点所需的道路长度（L）可用下列公式表示：
由上述模型可以看出，在区域面积及节点行政区划相对稳定的情况下，影响合理发展规模的主要参数有路网连通度及路网变形系数。通常情况下，影响路网连通度的主要因素是节点的分布密度。分布密度大，连接路网各节点的平均距离则较短，路网的边数则相对较多，路网连通度则较大；相反，路网连通度则较小。而对另一个参数——路网变形系数（ξ）来说，影响它取值的主要因素是区域的地形分布以及节点的空间分布情况。在假设节点均匀分布的情况下，如果区域中的山地较多，该地区路线的弯曲程度则较大，进而该区域路网的变形系数也较大；相反，则较小。
一般说来，对地形条件较为复杂的地区，路网变形系数（ξ）的取值大致为1.30～1.65； 对地形条件较好的地区， 路网变形系数（ξ）的取值大致为1.10～1.30。对经济比较发达，人口密度较大的地区，路网连通度（C）的取值一般为2.0～3.0；对经济发展水平较为落后，人口密度较小的地区，路网连通度（C）的取值一般为1.0～2.0。连通度C=1.0表示为树形结构，C=2.0表示为格子结构，C=2.41为格子加对角形结构，C=3.22为正三角形结构。当C≤1时，表示路网连通度差；当1
路网的结点包括第十师境内各团及营、连所在地。2013年年底，第十师路网密度为69.22公里/百平方公里，同年底公路网通车里程达2864公里，根据网络节点模型理论，可算出目前公路网连通度C=2.19，说明第十师公路网水平基本达到格子加三角型水平，第十师的路网在今后相当长的时间内规模已经足够大。
根据十师在“十三五”期间社会经济的发展趋势，结合北屯市经济区的影响范围，综合以上考虑，本规划全部完成时第十师2020年末公路网布局规模增加至4149公里，公路网连通度C=3.18，公路网为“格子+对角型”结构，同时在局部进行加密。
二、布局研究思路
本次公路网布局规划的方法，一般可以归纳为三类：经验分析法、节点系统优化法及目标法。
经验分析法是由专家（对规划区域的情况比较熟悉，具有一定的实践经验的专业人员）构思，集体研究分析，通过一定的调查和测算，并经领导决策而进行的一种方法。节点系统优化法的使用比较广泛，其特点是概念明确，具有一定的理论基础，可以从经济发展及运输系统全方位的角度分析公路网的布局。目标法是在节点系统优化法的基础上，确定规划基本目标，根据规划的各个方面影響因素，确定规划布局的具体目标。
三种方法各有利弊，经验分析法由于缺少足够的定量分析，虽然专家的经验在公路网布局规划中具有重要作用，但容易受规划人员素质和基础资料限制的影响，难以实现规范化和系统化；节点系统优化是将公路网的布局分解为路网的节点选择和路线的选择来进行分析计算。强调公路网布局的整体优化，并且可以充分结合公路网的发展目标、原则以及诸多因素进行分析，但是对路线的远景交通量分配和预测比较困难。目标法能够通过综合考虑各个方面的影响因素，比较合理的进行路网的布局。缺点也是定量分析不足。
在确定第十师公路建设的指导思想和规划原则的基础上，考虑到可以收集到的资料及数据，本次规划综合使用经验分析法、节点系统优化法和目标法。即根据现状交通出行及经济发展状况，预测未来的交通出行量的基础上，以节点系统优化法为指导，通过经验分析法进行必要的修正，并广泛调研和征求师、团及有关专家意见，进行了多次深化完善，采用目标法最终形成干线公路网的布局方案。
本次规划拟采用节点重要度法建立布局模型，从对规划区域内的节点分析入手，通过节点重要度、路线重要度和路网重要度的计算，完成由点到线，由线及网的布局过程，同时对局部地区路网采用专家经验法来调整路网布局。该方法首先是确定路网的节点，并用节点的人口、产值、公路客、货运量等反映节点功能强弱及地位高低的指标，计算各节点的重要度；其次，根据路线连接节点的重要度，计算路线的重要度；再次，根据重要度最大的原则，确定公路网重要度最大树；最后，在重要度最大树的基础上，以单位里程的路线重要度最大为优化目标，并以预测的未来公路网发展里程为约束条件，加以展开，逐次优化，并结合具体情况，合理安排各条线路的布局与走向，使公路网由树状向网状扩展完善。节点重要度法布局的工作流程图如图2所示。
三、影响因素分析
一般说来，在人类社会的发展过程中，由于受多种因素影响，各地区土地利用的开发模式、社会经济活动的空间组合并无统一的标准，因此对公路合理布局的确定是一个较为复杂的过程。影响第十师公路布局的因素包括：现有路网、生态环境、产业布局、综合运输体系目标、交通流量流向、总体规划及社会经济发展目标等。第十师干线公路网规划通过对社会经济和综合运输的各个方面的影响因素进行分析，确定规划的合理目标，使公路网规划能够满足第十师社会经济和交通发展的需求。规划的主要影响因素见图3。
为了使公路网布局规划方案科学合理，系统最优，在制定布局方案时，必须对影响第十师公路网布局规划的因素进行系统分析。一般情况下，应对影响公路网布局规划方案的以下主要因素进行分析：
（1）规划区域内社会经济发展格局（如城镇规划，产业布局等）；
（2）国、省干线公路网布局；
（3）旅游资源、矿产资源以及其它客货集散点的分布（如商品生产基地、工矿企业、学校等）；
（4）相邻区域县、市、师公路网布局；
（5）自然保护与环境保护的要求。
在进行第十师公路布局时，应结合第十师的社会经济发展格局，考虑今后团场及连队发展的规划和重点，以自然条件和地理特点为基础，结合第十师境内兵团垦区经济干线、团场干线及周边国道G217、G216、S227、S318、S319和北疆铁路的布局，同时注意出口路的建设，避免断头路，保证第十师与相邻县市路网的衔接，局部与整体相结合，对第十师公路网进行合理的布局。
另外，第十师根据资源优势条件所建立的工农业生产基地等，都是在公路网布局时需要具体考虑的因素，只有全面考虑这些因素，才能做出合理、可行的路网布局规划。
四、 布局方案研究
（一）节点选择
对于第十师“十三五”公路发展规划，全师拟采用节点重要度法布局。为此首先要建立节点重要度的概念，在公路网布局规划中确定节点和主要控制点是一个十分重要的环节，因为节点是要求路网必须连通的点，直接与区域公路建设的发展方向有关，直接关系到公路网规划层次的深浅，节点划分太粗，会脱离实际影响精度；划分太细，则会使规划工作过于繁杂，影响重点突出。一般就公路网布局规划而言，在综合考虑节点分布均衡、规模相当、数量适宜的基础上，认为以连队为节点较好，除此之外一些资源点、旅游点、路网构造点，也应作为节点（虚节点）一并纳入布局考虑范围。但考虑到第十师的具体情况，节点采取以团级单位、营级单位和连级单位为节点较为合适。同时，考虑与生产区、旅游点、农业生产基地、矿产基地等特殊节点的衔接，并结合地区经济发展、资源开发，自然地理条件等因素，按此原则在第十师区域内取节点180个。
（二）节点重要度计算
各个运输集散点（节点）由于社会经济发展水平、地理位置以及政治、历史因素等方面的差异，在运输网中所起的作用和所处的地位是不同的，为定量描述不同节点在区域内的重要程度，便于节点类型的划分和有层次的进行公路网布局优化，需引入节点重要度这个指标。重要度是描述一个节点在区域内重要程度的相对指标，仅用来比较不同节点之间功能强弱的相对性，而不能用来判断它们重要程度的绝对性。
一个运输集散点的功能强弱，即节点的重要程度是受很多因素影响的，它与区域的政治、经济、文化、商业等方面都有联系，是综合诸多方面反映的结果。为了尽可能真实地、全面地反映一个节点的重要程度，在选择定量指标时都需经过仔细斟酌，一般在计算市、县和团场的节点重要度时，适宜选择总人口、国内生产总值、人均收入三个指标来计算。而在计算连队节点重要度时，需要根据实际情况选择人口、职工人均收入来做为节点重要度计算的相关指标。本规划报告连队节点重要度指标选择采用人口、职工人均收入。人口是节点规模大小的直接反映，职工人均收入反映了节点的经济发展水平，其值高的节点，说明该区域的生产潜力大。按上述方法计算结果所得的是各节点当前相对重要度量值，对于长期而言，由于发展的不平衡性，对节点层次规划结果需结合生产力布局、城镇体系规划进行必要调整。
以上几个指标从不同角度反映出一个节点的功能强弱情況，可通过主要成分分析法计算出各指标的权重，然后采用加权平均值，做为节点当前相对重要性综合效果，其计算公式为：
（三）节点的系统聚类分析
根据系统聚类分析的原理，对第十师区域内的314个节点进行聚类分析，按照各节点功能强弱，可将其分为两层四类，即第一层中心节点、重要节点，第二层较重要节点、一般节点。对节点进行聚类分析的目的，是为了划分节点的类型，以便能够确定不同层次路线走向的主要控制点，主次分明、层次清楚地进行公路网布局方案设计。
1 聚类分析原理
我们称所要进行分类的对象为样本，为了对样本进行合理分类，将样本的各种特性数量化，称为样本的指标，如果某样本有M种特性指标，则在距离空间中可以用M维空间的一个点来描述该样本，若有N个样本，每个样本有M个指标，则它们可以表示为如表A.4.3-1所示的矩阵形式。
由表可知，样本X1可以由行向量（X11 ，X12 ， …，X1M）来描述，记为X1=（X11 ，X12 ， …，X1M）。为了刻划样本之间接近的程度，可以用广义的距离量X概念来描述，其中最常用的表示方法为标准化平方欧氏距离法。定义为
式中SK表示变K的方差。
在传统的聚类分析中常用的是系统聚类法和逐步聚类法，而系统聚类法在模糊数学领域中的推广就是目前常用的模糊聚类法。这里采用系统聚类标准化欧氏距离法，其步骤如下：
（1）计算各样本之间的距离，将距离最近的两样本归并为一类；
（2）把拼成的类看成新的样本，用以代替该类中的所有样本，并以后者的各项指标的平均值作为新样本的该项指标；
（3）反复进行（1）、（2），直至所有的样本都归并成类，我们可以从中任意选择所需要的分类系数。
2 节点聚类结果
本次规划将北屯市选为中心节点，认为它影响并处于第十师各团场、连队的政治、经济、文化、商业中心，作为第十师公路网主骨架上的节点，即称之为中心节点。其次，在对8个团场进行节点重要度计算，认为它们相对连级单位而言均是重要节点；另外，监区、矿点和旅游点等节点也定义为重要节点。最后，对180个营级单位和连级单位等节点重要度计算。并将其分为较重要节点和一般节点。各团场的节点重要度计算见表A.4.3-2；各连级单位节点聚类结果如表A.4.3-3所示。
（四） 公路网布局规划
公路网布局优化的主要内容就是依据节点聚类分析结果，拟定各条路线走向，划分其功能和作用，实质是进行网的平面轮廓设计，主要着眼与网络结构和空间分布的整体优化，而不对两点间的公路具体走向作过多地探讨。
1路线重要度计算
2 求解路线重要度最优树
在第十师公路网路线重要度图上利用破圈法，逐层求解公路网路线中重要度最大树。具体做法为：在网络图中任取一个回路，去掉路线重要度最小的边，直到连接相同层次节点的同一层次路网中不存在回路为止。路线重要度最优树是公路网的主骨架，同时也是未来公路的重点建设项目，因此可为公路建设项目的序列安排和战略设想提供可靠的依据。
3 公路网布局优化
路线重要度最优树，是公路网最优布局的主骨架，它只是保证了区域内各节点的有效连通，却不能体现各节点间的通达便捷程度。为此，有必要使公路网由树状向网状发展，以进一步提高各节点的通达性，降低区域内公路网的运输费用，提高公路网的经济效益。
为了做出较优的公路网布局，必须立足于区域内实际，因地制宜，合理区分各类节点，选择路线主要控制点，使之与国省干线规划相协调。在路线重要度最优树的基础上，以单位里程的路线重要度最大为优化目标函数，附加被选联络线，现状交通图上的干线公路、通营公路均可用为公路网的被选联络线。在附加的过程中，要注意广泛采用专家的构思和设想，及时进行必要的调整，最终才能得到公路网布局方案的优化结果。
第十师在编制“十三五”公路网规划布局中需充分考虑和依托经过第十师内的自治区干线和兵团公路网主骨架而展开合理、科学布设。
按照兵团路网布局骨架的基础上，根据第十师经济发展的布局及地理特点，对“十三五”期间第十师干线公路网进行调整和布局，同时在第十师干线公路网布局的基础上，进行多种方案的优选，最终提出第十师通营连公路网布局方案。
第十师“十三五”公路网规划期内，公路网布局将以十师辖区内兵团垦区经济干线为主要依托骨架，结合自治区国省干道而展开。为充分发挥和利用自治区国省干道、铁路和兵团垦区干线引发的区位优势，带动沿线团场的社会经济发展，提出了第十师公路网布局规划。
第一层次：主骨架层，即干线网，由辖区现有的自治区干线和第十师垦区内干线组成。第十师干线公路网主骨架通过自治区国省道作为对外连接线，通往全疆其它各地州市县。
第十师干线网由19段路线构成，以团场和矿点、旅游点为节点。
第二层次：是在第一层次干线基础上布局的通营公路，以及连接师域内重要节点（含开发区、产业基地、重要旅游景点、资源矿点）的主要公路组成。形成了第十师团场公路网的主干网络。
第三层次：由路网中的通连公路组成，主要是加强各团场与连级单位之间，以及连与连之间及和各旅游景点、资源开发点、工矿企业等之间的联系功能，共同构成第十师团场内部公路网络。
以上三个层次的公路网络相辅相承，基本形成以各团场为重要节点，辐射整个师域的公路网络。
国边防公路网：第十师国边防公路网连接十师边防连队和哨所，线路多独立，大都连接通营连公路成网。
5 路网等级结构优化分析
公路网的等级结构是指公路網中不同技术等级公路的组合，合理的公路网等级结构，就是满足一组给定的条件，从而达到预期目标的一种公路网的等级结构，公路网的等级结构首先取决于交通需求的增长，其次取决于建设资金的限制，还取决于服务水平的要求。
路网平均车速是体现一定规模路网运输效率的重要指标，也是优化路网结构的主要依据。路网平均车速（V）可用下列公式表示：
一般说来，按照目前的公路用交通工具，节点平均距离小于6公里，人们心理期望车速为30km/h；节点平均距离在6～10公里之间，人们心理期望车速为40km/h；节点平均距离在10～20公里之间，人们心理期望车速为60km/h；节点平均距离在20～80公里，人们心理期望车速为80km/h；节点平均距离在80公里，人们心理期望车速为100～120km/h。
2013年，第十师路网节点平均距离为7.96公里，路网平均车速为15.29km/h，还达不到人们的心理期望车速。
此外，随着第十师的北屯市城市化和开发区建设速度加快，交通干道发展趋势为城市主干道，规划标准应适当提高。
“十三五”时期规划第十师公路规模达到4149公里，公路网连通度C=3.18，维持格子加三角型公路网结构并在局部加密；其中一级公路66公里，二级公路1587公里，三级公路838公里，四级公路623公里，等外公路1035公里。公路总里程较2013年底增加1285公里，增加里程为战略通道等新建道路；等外公路2013年底减少412公里，路网平均车速达到36.8km/h，路网通行效率有了一定的提高。
