基于城市在建区的道路交通组织方案比选研究

姜安培,吴海俊,李昱瑾

(北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082)

0 引言

城市在建区的交通组织方案与道路建设时序紧密相关.一方面,阶段性路网是规划路网的组成部分,优先建设的道路应尽量按照规划实施,避免建成通车后再次改造,造成重复性投资和乘车习惯变化;另一方面,基于阶段性路网的交通组织方案也要满足近期居民出行需求,保证交通运行效率.因此,结合建设时序探讨合理的道路交通组织方案是城市道路建设决策的重要依据之一.

宏观交通仿真作为道路交通组织方案比选的重要量化手段,可实现方案场景的简化和模拟[1],而仿真运用于多个方案的比选时,需要反复调整网络模型、计算交通阻抗和分布特征.在对多个方案进行比较时,往往采取人工调整模型的方法,即根据提出的多个交通组织方案分别搭建模型,依次运行仿真并比较各模型的运行结果[2-3];或者首先针对某个方案搭建模型,仿真运行结束后再根据结果制定方案并调整模型[4-5].

在简化仿真参数输入和运行方面,基于内置的GISDK函数开发外部或Add-ins程序,实现与TransCAD的动态数据传输和交互,提高参数设置和评价结果输出效率[6-7];针对“四阶段法”仿真流程,利用二次开发和批处理模式将需求预测过程集成,输入模型后自动开始仿真,减少人工操作流程[8];通过搭建模块化交通仿真系统,实现一次性输入多个仿真场景并控制逐个运行[9].既有研究实现了交通仿真过程在部分阶段的输入输出自动化,但对于多个方案仍需要人工调整模型,且外部控制仿真过程的灵活性有待提升.

在基于仿真结果优选方案方面,路网饱和度是宏观交通仿真常采用的评价指标[10],通常针对具体路段的饱和度情况判别不同方案优劣,能分析出重点路段饱和度差异[11];对于路网整体运行状态,根据等级和流量提出路网平均饱和度指标,运用惩罚因子对拥堵路段重点描述[12-13].既有研究实现了对路网整体运行状态评价,但对于不同路段饱和度的分布和差异化考虑有待提升.

基于此,针对城市在建区的道路交通组织方案比选问题,通过GISDK二次开发集成方案输入和仿真运行模块,构建基于道路等级、路段里程和交通流量的路网饱和度均值及方差模型,简化仿真输入和输出过程,提升方案比选科学性.

1 方案比选方法

运用交通仿真对多个道路交通组织方案比选评估,实质上是对不同方案对应场景的运行状况进行比较.以常规仿真建模流程为基础,通过二次开发由外部控制方案输入、仿真运行和评价指标计算等过程,提升仿真应用在工程实践中的灵活性.

1.1 方案输入

将仿真场景拆解为基础场景模型和具体方案两部分,为避免在建区道路网的二次改造,基于规划路网构建基础场景模型,针对具体方案修改基础模型,从而得到具体仿真方案场景.

图1 方案输入流程

为简化方案输入流程,基于基础场景模型,通过基础信息表导出、依据方案修改信息表、方案信息表导入3个步骤实现方案输入过程,导入和导出的信息表通过仿真软件的二次开发对选定字段和对应数据进行格式匹配,实现对基础场景模型中数据的替换.之后将方案信息表与基础场景进行融合,得到不同的方案模型.

1.2 仿真运行

经典的宏观交通模型四阶段法过程包括交通生成、交通分布、方式划分和交通分配,通过二次开发将4个段过程集成封装,实现输入基础路网和交通小区等信息后,一键调用.其中,交通仿真运行过程中涉及的参数和方法由外部输入变量进行控制.

1.3 指标评价

根据仿真运行结果量化结果输出,采用路段饱和度(V/C)作为评价指标,由于道路交通方案比选的结果作用于区域内整个道路网,所以应考虑将平均饱和度作为道路网的评价指标,并针对路段长度进行加权平均,见式(1):

外保温复合墙冷桥现象的存在，必然会给建筑物的使用带来很多不利的影响。本文在研究分析过程中，主要是针对外保温复合墙冷桥现象进行了分析，并结合冷桥现象的成因，进行相应规避举措的提出。通过本文分析，希望能够为更多建筑工程师进行外保温复合墙的合理设计以及选材提供一些资料参考。

(1)

式中,a为路网平均饱和度;vi为路段i的交通量;ci为路段i的通行能力;li为路段i的长度.

对道路网运行状态开展评价时,各等级道路的重要程度不同,需要分别对城市快速路、主干路、次干路和支路的平均饱和度进行计算,通过赋予不同权重计算得到整个路网的平均饱和度.对式(1)修正如下,见式(2)(3):

(2)

(3)

式中,ak为道路等级k的路网平均饱和度;θk为道路等级k的权重,根据式(4)(5)确定:

(4)

(5)

权重θk与路段长度加权后的通行流量成正比,所有等级道路的权重之和为1.

除路网平均饱和度外,考虑不同路段的饱和度分布情况,分别计算不同等级道路的饱和度方差,并根据权重θk加权求和,得到路网饱和度方差.见式(6)(7):

(6)

(7)

2 算法流程

运用宏观交通仿真软件,基于常规建模方法搭建路网和交通小区生成基础场景模型,将不同方案融入基础场景模型中,实现模型自动调整和仿真逐阶运行的过程.

然后通过二次开发设计方案比选算法,将需求预测四阶段功能集成,针对输入的多个方案分别调整模型并开展仿真模拟,完成各个方案的仿真后输出指标对比结果.基础场景模型、模型参数和方法、不同比选方案均由外部输入变量进行控制.

图2 方案比选算法流程图

3 案例分析

TransCAD是常用的宏观仿真软件[14],内置GISDK模块能便捷地支持软件二次开发,实现通过指令扩展和定制TransCAD中的功能.采用Python语言编程调用GISDK函数,控制TransCAD 8.0的方案场景模型生成及仿真运行过程,并根据仿真结果计算评价指标,所设计的算法在Inter Core i7-6700 3.4 GHz处理器和8 GB主存储器的联想ThinkCentre M910T个人电脑上运行.

3.1 背景概述

北京某在建区规划为金融商务区,现状作为东西向的主通道处于断头状态,当前利用外围导行路采取单向逆时针交通组织.近期随着区域内部企业陆续入驻办公,局部道路交通压力逐渐增加,基于此对该区域外围导行路的交通组织方案开展研究.

图3 北京某在建区建成地块及路网情况

3.2 方案输入

结合区域规划条件构建基础场景模型,提出外围导行路的不同交通组织方案:导行路单向逆时针交通组织、导行路双向交通组织.基于现状和近期2种不同需求条件,通过调用宏观交通仿真软件分别对2个方案运行情况开展分析.

交通模型参数依据交通调查结果进行配置,其中交通生成平衡方法选择“以出行吸引量为基准”,交通分布重力模型方法选择“幂函数”,交通分配方法选择“随机用户均衡”.由Python控制GISDK函数导出基础场景模型的交通小区信息表和路网信息表,通过修改信息表中小区的产生和吸引量、路段的方向和通行能力,控制不同方案的输入.

根据需求分析,现状该在建区内部约3万人,近期将增长到4万人,其中机动车分担率达32%,过境交通占比83.5%,对外交通占比15.7%,内部出行占比0.8%.根据测算,内部交通小区的现状高峰小时出行总需求约为10 500人次/h,近期高峰小时出行总需求约为14 100人次/h,在信息表中通过调整各交通小区的产生和吸引量进行修改.

针对外围导行路设计2个不同的交通组织方案,方案1导行路单向逆时针交通组织,将信息表中导行路路段的通行方向字段调整为1或-1,通行能力字段根据通行方向,调整为0或原通行能力的2倍;丽泽路断头段,令其通行能力字段调整为0;方案2导行路双向交通组织将信息表中导行路路段通行方向字段调整为0,通行能力字段调整为原能力;丽泽路断头段,另其通行能力字段调整为0.此外由于近期三路居路将建成,现状方案的北侧导行路路由采用既有的“S弯”,近期方案北侧导行路路由则将转移至三路居路上.

图4 多场景下的交通组织方案示意图

将以上4个方案信息表作为输入条件,由GISDK函数结合基础场景模型生成相应方案模型,依照算法流程自动开展仿真运行及路网指标计算.

3.3 结果分析

根据模型运行结果,不同阶段对应方案的路网饱和度指标如表1所示.

表1 路网饱和度指标表

整体来看,主干路由于交通流量大,因此其权重指标所占比值较大,基本在80%～90%;随着近期交通需求增大,主干路的指标权重相比现状减小,说明当负荷度趋于饱和状态时,部分车流会转移至较低等级道路上,避免拥堵.

从均值指标来看,与现状相比,近期2个方案的指标均由0.7以下上升到0.7以上,尤其是方案1的饱和度比现状场景增加了11.5%,说明外围导行路采取单向交通组织时,对需求变化的敏感性更为突出.

从方差指标来看,现状和近期2个场景的方案2都要比方案1要小50%以上,说明外围导行路采取双向交通组织,路网整体运行状况会更加均衡.

3.4 方案比选

根据路网饱和度指标对相同场景下的道路交通组织方案进行比选,不同阶段对应方案的路网运行状态如图5所示.

图5 多场景下的路网运行状态对比图

现状场景下,区域内部交通需求相对较小,过境交通和对外交通车流交织尚不严重,导行路单向逆时针交通组织可保证过境车流快速通过,使得方案1的路网平均饱和度指标要小于方案2,同时2个方案的方差指标差距在可接受范围内,因此现状场景优选方案1的交通组织形式.

近期场景随着交通需求增大,导行路承担的过境交通受到进入区域内部车流影响增加,而且北侧导行路的路由“拉直”,方案1中导行路向西连接的南北向道路需要承担由北向南的原有自身车流、导行路由东向西的过境车流、由东侧进入区域内部的对外车流,导致该路段发生交通拥堵.方案2导行路双向交通组织,在模型分配趋于平衡后,过境车流基本从北侧导行路通行,进入区域内部的车流多数从南侧导行路通行,在缓解过境和对外车流交织压力的同时,也减少车辆由东向西进入该区域的绕行距离.方案2的路网平均饱和度指标和方差指标均小于方案1,因此近期场景优选方案2的交通组织形式.

4 结束语

道路交通组织方案在城市建设过程中应根据不同阶段的需求适时调整;与道路单向交通组织相比,双向交通组织对于交通需求变化的鲁棒性更高;在过境交通需求远大于区域对外需求时,上下行分离的交通组织方案能有效提升路网整体的运行效率.

本文基于宏观交通仿真软件二次开发,构建多方案比选算法,实现外部控制交通仿真的输入输出,提高方案决策的质量和效率.该方法可拓展应用于不同交通方式结构、不同性质用地布局等政策性分析,将交通小区层面的生成量或分布矩阵作为GISDK函数的模型调整对象来实现.

当前方法以规划条件作为基础场景模型输入,主要针对阶段性建设方案比选问题,但尚无法实现对规划方案本身进行调整和优化,比如无法对规划路网之外的道路进行交通组织方案分析,这也是下一步需要研究的内容.