基于畅通可靠度的城市道路网络改扩建优化

摘 要：为提高城市道路网络畅通可靠度，开展基于畅通可靠度的城市道路网络改扩建优化研究。通过城市道路畅通可靠度计算并基于畅通可靠度的道路网络优化模型，确定道路网络改扩建单元范围，明确改扩建优化基本思路。根据改扩建优化后城市道路网络性能评价可得，按照新的优化思路进行改扩建，可有效提高城市道路网络的畅通可靠度，从根本上解决城市交通供需矛盾问题。

关键词：畅通可靠度；道路网络；改扩建

中图分类号：U 49" " " " 文献标志码：A

目前我国城市道路的主要问题如下：交通网络的等级结构不合理，造成了交通系统混乱；公路总体建设不够完善，路网体系仍存在空白；公路的总体规划和建设水平不高，部分公路的功能定位不清晰；公路交通安全状况较差，主要表现为网络结合不通畅，路段和路口的交通容量不相适应；交通运输网络的发展破坏了城市的历史和文化背景；公路网的规划与建设缺乏弹性，没有充分考虑公路网的防灾作用[1]。由于多种问题导致城市交通供需严重失衡，进而降低了出行品质和生活水平，因此从根本上把握问题实质并加以解决，是城市交通建设与发展的当务之急[2]。

1 城市道路畅通可靠度计算

为确保城市道路的畅通，应在对城市道路网络进行改扩建优化前明确城市道路畅通可靠度的计算方式。该指标只有在畅通的前提条件下才具有实际意义[3]。在城市道路网络中，该指标定义为在工作日高峰时段中，道路网络在正常运营的情况下，交通运行状态能够满足畅通条件的概率。根据上述定义，得到如公式（1）所示的畅通可靠度表达式。

φi=P{γ} （1）

式中：φi代表在道路网络上单元i中的畅通可靠度；P{γ}代表在高峰时间内单元i找中的车辆畅通概率。

进一步得出城市道路阻塞概率，如公式（2）所示。

Pf，j=1-φi （2）

式中：Pf，j代表城市道路阻塞概率。

针对现有城市道路网络，采用经验统计的方式对各路段、路口的畅通可靠概率进行评估，根据路段和路口的标准判定单元是否畅通，并通过公式（3）计算单元畅通度的近似值ci。

（3）

式中：τc代表在高峰时段中路口、路段畅通的次数；τz代表总观测次数。

在实际中，可根据调研能力适当增加观察数量，提高评价的准确性，也可将观察日划分为工作日和休息日，针对每天不同的交通高峰期进行观察，从而使对应的交通流通畅指数更有针对性[4]。在没有任何观察条件的情况下，可以根据交通警察和驾驶员的经验来估算。

2 基于畅通可靠度的道路网络优化模型

确定城市道路网络畅通可靠度的计算标准后，将提升畅通可靠度作为城市道路网络改扩建的优化目标，构建优化模型[5]。本文在道路网络优化过程中将综合考虑路网畅通可靠度和改扩建所需的资金条件，由此构建2个优化模型，一种是在总建设资金约束下的最大道路网络畅通度，另一种是在路网畅通度最大条件下的最小总建设资金。本文选择第一类情形，即当总投资固定时，道路网络的通畅可靠性为最大的情形，可用公式（4）表示。

maxP（x1，x2，…，xn）

st.C（x1，x2，…，xn）≤C0（x1，x2，…，xn） （4）

式中：C代表道路网络的改扩建费用；P代表道路网络的畅通可靠度。

当路口或路段需要进行改扩建时，必定会产生相应的建设资金，如果某一个路口或路段不需要进行改扩建，此时改扩建费用C的取值就为0。以上模型的意义在于，在一定的资金支持下，选择某些相对重要的道路单元，并通过某些改进措施来提升其畅通可靠度，进而提升整体网络的畅通可靠度[6]。其基本思想包括3个部分。首先，在一定的资金约束下，选择需要改造的一组路段和一组交叉口。其次，计算改造后的一组道路网络中的全部路口和一组路段的畅通可靠度。最后，计算路网中各单元的畅通可靠度。为使该模型具有较好的求解效果，必须反复执行上述3个步骤，以确定最佳的改扩建方案。

3 确定道路网络改扩建单元范围

在明确基于畅通可靠度的道路网络优化目标后，结合获取的道路网络数据和交通数据，计算城市道路网路交通量，并通过计算结果进一步求解畅通可靠度。对于一个城市道路网络单元，需要对路段和交叉口分别进行畅通可靠度求解。结合当前道路网络畅通可靠度现状和该城市道路网络的重要度，确定道路网络单元修正的重要度，再结合重要度进行排序，确定重要度最高的道路网络单元，以此确定需要进行改扩建的最终单元范围[7]。在这一过程中，为了确保结果的合理性，可利用遗传算法优化城市道路网络改扩建范围判定。在此基础上结合修正单元的重要度，确定待优化单元，提出每个单元的多个备选设计方案，并给出相应的离散最优参数和可选的离散数值。为便于计算，在所有单元中选取修改单元重要性最高的8个路段，将其作为研究对象，每个单元提出一个改扩建方案。应用遗传算法进行运算后，8个路段构成一个道路网络改扩建范围。上述过程需要在遗传空间内完成，因此需要结合二进制对变量进行编码。假设单元n的可靠度为ψn，并存在m个可以选择的离散值，将ψn表达为二进制的子串形式的串长，应当满足公式（5）所示的条件。

2lr≥m （5）

式中：lr代表子串形式的串长。

如果某单元的可靠度ψn包括4个可以选择的离散值，就可以用2比特的二进制码00～11表示。其中，00代表第一个可选择的离散值，01代表第二个，10代表第三个，11代表第四个。遗传算法是一种经过选择、杂交和变异并反复迭代的搜索方法，通过多次演化逐步逼近最优解，而不是刚好等于最优解，最后得到的是满意解，所以需要确定中止条件。通常先设定一个最大遗传代数，经过几代之后，该算法的解的适应性不能得到显著改善时，该算法就会终止，并输出最终的优化结果。

4 改扩建优化后的城市道路网络性能评价

如何评估现行城市道路交通运输网络的运作情况、存在的问题和潜在的发展空间；如何对路网规划进行评估，以适应未来不断增加的交通需求；如何对交通规划的执行进行反馈与检查，是对城市道路交通进行管理、调整、规划时必然面临的问题。

基于总体层面分析，城市道路交通系统的运行状况是由2个因素决定的，一个是时间因素，另一个是空间因素。如果把时、空结合在一起，会形成一个四维空间，因此可将城市道路交通网络看作四维空间里的一个“容器”。道路网络改扩建优化效果的评估是在综合考虑城市、人、社会和经济等多方面交通需求的情况下，分析道路提供服务与其承载容量间的矛盾关系。为确保相关工作的规范性，可以从静态、动态和综合角度进行道路网络综合性能评价，性能评价与分析架构如图1所示。

在上述内容的基础上，应明确城市道路网络的发展水平，从总体层面上反映城市交通的适应性，即交通网络与城市规模、居住人口、社会经济发展水平的关系。交通网络是城市建设与发展中的主干，也是城市发展中的必要条件，是保障社会经济体制正常运行并满足居民生活、工作和娱乐的必要条件。因此，进行改扩建优化后城市道路网络性能评价时，必须综合考虑影响城市道路网络的各方面因素，设计城市道路网络性能评价指标集合，如图2所示。

明确城市道路网络性能评价指标后，从城市发展宏观角度综合评估道路网络布局质量，综合评估理论框架如图3所示。

在上述内容的基础上，应遵循性能评价中定量与定性相结合的原则，在考虑各项指标影响的情况下描述评价指标间点、线、面关系，如图4所示。

以某城市道路为例，综合上述各项指标，对各条路进行改扩建优化前、后畅通可靠度计算，计算过程参照上文中的公式（1），并将计算后的结果进行量化，结果见表1。

对试点城市的编号道路路口进行畅通可靠度评估，其结果见表2。

5 结语

在城市快速发展和道路高速建设过程中，城市交通问题日益受到重视。为全面落实并推进此项工作，本文进行了此次研究，并得出如下结论。

综合表2可以看出，优化前道路交通畅通可靠度评估等级为B～F，即城市道路交通网络综合情况较差，道路车辆经常发生拥堵。而优化后道路交通畅通可靠度评估等级为A，即按照本文方法进行道路网络改扩建优化，可提高道路交通畅通可靠度评估等级，在保证道路交通车流量稳定且几乎不存在拥堵问题的基础上，为出行群体提供更良好的驾驶与行车体验。希望通过此次研究能提供一些切实可行的办法，在一定程度上改善、优化城市道路网络，保证群众日常交通需求。

参考文献

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[3]史东亮.黄土地层市政道路改扩建路基沉降变形规律研究[J].工程技术研究，2022，7（6）：28-31.

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[6]林世平.国省道道路改扩建总体设计分析与思考——以闽侯县国道G316线洪塘大桥至旗山大道段改扩建工程为例[J].城市道桥与防洪，2022（1）：17-21，11.

[7]付文群，马泽欣，黎康.考虑道路线形拟合的高速公路改扩建加铺设计研究[J].公路，2021，66（10）：97-103.