城市改造中的公路交通优化对能源的影响研究——以成都北改为例

李云祯，周 平，王 涛，徐 友

（1. 四川省环境保护科学研究院，四川 成都 610041，E-mail:55498040@qq.com；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都610031；3. 同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）

城市改造中的公路交通优化对能源的影响研究
——以成都北改为例

李云祯1，周 平2，王 涛1，徐 友3

（1. 四川省环境保护科学研究院，四川 成都 610041，E-mail:55498040@qq.com；2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都610031；3. 同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092）

随着全球性生态环境问题的加剧，如何实现公路交通规划与节能减排相协调，已成为当今工程界所关注的一个重要课题。以中国民生工程典范成都“北改”为例，研究其在公路建设中的路线优化对节能减排的影响。根据实际规划结合现场走访，科学地对交通先行节能减排影响进行分析。确定措施具体的评价指标并建立相应的数值模型，运用数理统计和预测分析的手段进行道路交通通行能力研究，计算路线规划前后能源消耗量，并提出优化设计方案，从而达到节能减排效果。可为今后城市改造交通建设提供经验借鉴。

城市改造；北改工程；交通路线优化；节能减排；模型预测

在治理交通拥堵的问题上，政府及相关部门都给予高度重视，城市的交通情况反映着城市的精神面貌［1-5］。国内外学者对道路交通优化与能源环境等相关问题进行研究，如何定［6］针对山地城市道路交通发展中存在的各种问题，将道路交通发展的硬质过程与风貌区环境保护的软质过程相结合，分别从评价与优化入手，分析山地城市风貌区这一特殊城市区域的道路交通优化体系。王海燕［7］从兰州市城区道路交通优化设计存在的问题入手，分析产生的根源，并设计优化策略。国外学者Brcker等［8］分析了交通基础设施投资与建设对区域交通公平的实际影响，并建立了空间均衡模型以评估交通设施投资政策；Ying等［9］利用Logistic描述了城市交通网络中不同交通方式的竞争与发展，评估多种场景下道路资源配置的优化性。从文献中可以看出国内外学者大多数在交通路线的优化问题用到的方法较为传统。

本文通过实地调研，结合数值模型，运用数理统计和预测分析的等多种手段进行道路交通通行能力研究，计算路线规划前后能源消耗量，并提出优化设计方案。以中国民生工程典范——成都“北改”建设为例，通过对交通建设进行节能减排效益评估和优化规划研究，由于北改在改造过程中交通路线的增加，减少了站点间的路程和车辆的等待时间，从而降低了车辆的油耗和尾气的排放，达到旧城改造与节能减排可持续发展。

1　北改区域规划

成都是四川省的省会城市，国家区域中心城市，成渝经济区重点建设城市。因此，研究成都的旧城改造问题，对整个四川省乃至对整个西部地区探求生态经济建设路径都具有重要的作用。北改工程涉及成都城北的金牛区、成华区和新都区3个地区建设［10］，涉及范围之广、人数之多、改造力度之大，在成都城市建设的历史上均属罕见［11］，北改的实施将推动成都三区交通的优化，公路交通与经济两者关系复杂，公路交通系统对经济发展起着非常重要的作用［12］。公路交通作为重大基础设施工程建设的重点和核心，是北改工程情系民生，为人民办实事，办好事的最好体现［13］，更是贯彻落实国家提出的“节能减排”战略的具体方针。

1.1工程地理位置

成都市城北改造东边从新成华大道，西从西大街—金牛大道，南沿着一环路，北至绕城高速金牛、成华北边界，改造面积约195平方公里，其中涉及最多的是“四轴四片”中金牛、成华区和新都区重要地区进行实施改造，

如图1所示，北改整体上呈现出“四轴四片”的发展格局。其中，“四轴”是指金牛大道（即老成灌路，一环路至绕城高速段）、沙西线（一环路至绕城高速段）、川陕路（新华路口至绕城高速段）、新成华大道（一环路至绕城高速段）4条道路及两侧各200米的范围，“四片”是指曹家巷片区、火车北站片区、大熊猫生态片区和凤凰山片区。

图1　北改的具体范围和发展格局

1.2北改前后的道路状况

从整体改造内容中可以发现成都市北改对城北三区的交通展开一系列的路线规划和改造，北改区域目前道路主要干道的现状如图2所示，北改启动后的道路规划图如图3所示。

图2　北改区域道路主要干道现状图

通过比较北改前后交通路线可以看出，在北改之前，道路路线较少，且路线走向较为单一，可开发的空间较大。在北改完成之后，道路交通网络变化很大。随着道路长度的增加，能提升道路通达性，减少站点与站点之间的距离。通过以道路的公里数和车辆在站点间行驶的距离为评价指标，对北改前后该区域道路形态的变化转变为车辆行驶减少的公里数，从而对节能减排的影响进行定量计算。

2　模型的建立与求解

2.1道路通过能力的模型建立

对现有北改区域道路主干现状图和北改规划图进行采集，对北改区域道路长度的计算，采用比例尺测量现有道路网中路线的方法来研究北改片区道路的现状。首先对北改区域的道路交通路线网进行采集，在交通网中进行均匀选取站点，通过设计比例尺对路网进行详细测量，从而可得到站点与站点之间的长度距离，建立站点之间最短距离，利用Floyd算法计算车辆最短公里数。将减少的公里数转化为能源进行衡量。研究方法及步骤如图4所示。

图4　北改道路优化研究步骤

2.1.1相邻站点间的距离测量

便于精确计算，引入Si表示第i个道路站点，为了具体表示每条路对1辆车的通行能力，采用每2个站点之间的最短距离作为评价通行能力的指标。在此需要指出的是，最短距离并不是2个站点之间的地理直线距离，而是建立在已有道路线路基础上，到达目的地的最短路线。显然，道路网络越发达，道路通行能力越强，那么车辆从一个站点到另一个站点所需要的拐弯自然越少，选择的路线也越多，所行走的路程也必将相应地减少。

通过每辆车在实际路线的通行能力，计算出1辆车从站点Si出发到达终点Sj所经过的最近距离Lij。在对道路长度的测量上，采用比例尺测量的方法对规划图中所提供的路线图进行分析，1个像素点为1个单位，测量道路的长度。

2.1.2所有站点间的最短路程计算

建立在上述理论的道路通过能力分析，通过计算1辆车在整个道路网络中走遍两两站点的最短距离之和ZL来衡量道路的通行能力。式中，Lij为从站点Si出发到达终点Sj所走的最近距离；n为道路网络图中站点的总数。

引入Floyd算法站点间的最短路径［14］。

2.2北改前后道路通过能力的比较

2.2.1北改之前的道路通过能力状况

通过采集详细的道路规划图，在交通网络中均匀采集站点，北改之前的交通网络如图5所示，图中数字标号即为道路站点的编号，站点总数n=33。距离测量结果如表1所示（取前10个站点为例，下同）。通过计算可得到两两站点间的最短长度，如表2所示。

图5　均匀选取的车站分布图

表1　北改之前相邻站点之间的道路长度（单位：像素）

2.2.2北改规划的道路通过能力状况

北改之后的车站分布见图3，车站总数n=33。同理，通过道路网络分析计算，可得到相邻站点之间的道路长度（见表3）和两两站点间的最短路程（见表4）。

表3　北改之后相邻站点之间的道路长度（单位：像素）

表2　北改之前两两站点间道路的最短长度（单位：像素）

表4　北改之后两两站点间道路的最短长度（单位：像素）

2.3路网优化对节能减排的效益分析

道路网络的通达性会影响车辆的耗能。对于1辆车而言，起点站和终点站是固定的，但行驶的过程大部分是根据道路网络的通达性来决定的。道路网络越发达，车辆从起点站到终点站行驶过的路程越短，车辆的耗能也越少。汽车运输的单耗，即耗能强度，其主要经济指标是“每百吨公里”、“每百车公里”。下面以汽油货车为例，计算道路网络的优化对节能减排的实际效果。

根据式（1），通过计算得到北改前后站点间的最短距离ZL1和ZL2分别为:式中，Lij为北改之前从站点Si出发到达终点Sj所走的最近距离；ijL′为北改完成后从站点Si出发到达终点Sj所走的最近距离。

需要指出的是，计算的单位为道路网络图中的像素，而非实际空间的距离。那么，通过北改道路的规划和交通的优化，站点最短距离和从北改前的595367个单位，变为北改之后的563906个单位，共减少了31461个单位，这将一定程度上提高道路的通行能力。

每辆汽油货车走完所有两两站点的总消耗Zq为:式中，k为每辆汽油货车的耗能，取7.1升/百吨公里；λ为相应的换算比率，视具体情况而定。

因此，在现有的路网条件下，1辆汽油货车的总消耗Zq1为:

同理，在北改完成后，路网条件得到优化，每辆汽油货车的总消耗Zq2为:

由计算得知，通过道路网络的相应调整和优化，每辆汽油货车能减少223373.1λ的能源消耗。考虑到实际通过的车辆数目和各种不同类型的车辆，这在宏观上能节约大量的化石能源，可见，路网优化所带来节能减排的经济效益是相当巨大的。

3　道路交通网络优化方案

根据道路的已有特点，在原有北改交通规划 v提出更优的设计规划，以达到最大程度的节能减排效益。

从上文所选取的33个站点，引入现有道路通行能力矩阵Aij:式中:Sij为第i站点到第 j站点的道路距离；Lij为第i站点到第j站点的直线距离。

根据上述得到的矩阵A33×33，对矩阵的元素aij进行排列，即对站点间的道路距离进行评估，若两站点间的aij较大，就有必要考虑在两站点间建立新的道路。通过计算得到在现有的道路上，为了增加成都北改区域的道路通行能力，需要对路网进行相应的调整。

在规划后的路网条件下，通过计算得知所消耗的能源总量为:

得出，l=20.56，所以Zq=35901775

对1辆车而言，在相同的起点站和终点站，由于路线的不同，所行驶的距离也相应改变，所消耗的能源也是不同的。通过计算得知，在成都市北改之前的道路网络和北改规划的道路网络以及本文新提出的规划对比如图6所示。

图6　北改规划方案与优化方案对比

在新规划中，对能源的节约具体值为5100.75万升，相对现有的规划减少了能源消耗量为4641.50万升，减少比例为47.64%。可见，北改后的道路优化相对于北改前将带来巨大的节能减排效益，新规划的路线由于更加理论化地对站点进行设计，其带来的节能减排潜力是非常巨大的。

4　结语

通过对成都市北改地区现有的道路状况进行调研，对现有的道路网络进行评估。对于每辆车而言，在相同的站点间行驶，北改后的能源消耗量比北改前的减少了223373.1个单位；在新的路网规划下，相对北改前能源节约5100.75万升，相对于现有的规划节约能源4641.50万升，减少比例为47.64%。从而可发现成都市北改的交通优化推动了城市节能减排的发展，降低车辆能源消耗量。本文研究思路可为其他城市道路优化上提供参考。

［1］李洪佳.长春市交通拥堵问题的政府对策研究［D］.长春工业大学，2013.

［2］封雨晴.南宁城市交通拥堵政府治理研究［D］.广西师范学院，2013.

［3］刘 琼.西安市城市交通拥堵治理及对策研究［D］.长安大学，2014.

［4］刘治彦，岳晓燕，赵 睿.我国城市交通拥堵成因与治理对策［J］.城市发展研究，2011（11）:90-96.

［5］徐东云.城市交通拥堵治理模式理论的新进展［J］.综合运输，2007（5）:5-8.

［6］何 定.山地城市风貌区道路交通适应性评价与优化研究［D］.长安大学，2013.

［7］王海燕.兰州市城区道路交通系统优化分析［J］.交通科技与经济，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］谢 涛.基于多主体的成都“北改”研究［D］.西南交通大学，2014.

［11］张魁勇.成都全面拉开“北改”工程大幕［N］.成都日报，2012-02-06001.

［12］卢 青.区域公路交通经济适应性研究［D］.西南交通大学，2014.

［13］谢元鲁.成都北改工程如何注入文态之魂［J］.地方文化研究辑刊，2013（00）:179-184.

［14］王 荣，江 东，韩 惠.基于Floyd方法的最短路径算法优化算法［J］.甘肃科学学报，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

李云祯（1979-），男，高级工程师，研究方向:环境健康与损害风险评估，土壤地下水污染管控与防治；

周 平（1991-），男，硕士研究生，研究方向:隧道结构设计；

王 涛（1983-），男，工程师，研究方向:环境健康与损害风险评估，土壤地下水污染管控与防治；

徐 友（1992-），男，硕士研究生，研究方向:环境工程。

2016-03-24.

成都市软科学研究项目（2015-RK00-00016-ZF）；

成都市科技惠民技术研发项目（2015-HM01-00019-SF）；

国家公益环保科研专项课题项目（201509024）；

四川省科技厅公益性科研院所基本科研项目（2016YSKY0167）.