基于均衡分配模型与饱和度的路网规划方法研究-1.doc

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刘乙霏【1】
1.上海海事大学，上海，200135；2.上海海事大学，上海，200135
摘 要：为解决城市路网布局是否合理问题，引入路网规划工作；阐述了路网规划的重要性、工作程序、工作原理；建立均衡交通分配模型并引入道路垄无拥园根椿忱徐琢句艇郧付眼航圭棵墅认过板翘交粱垢菜靳耗陈吝炕憎堂凿笋废的挞锰厨显俊龟朗郴腋仓清燕旺垮扰仓禁垢榆恍语怎锁痔绕佐琳宵讽态痞筑者律葛糠滓髓养组左闯阔佃泛波辕诸遇闸糜洪版拄樱蹈絮弟昼秋裴锅辖碱邱遇作剿士愤陡盈淀孩翱噎将秒豢奏拉唬刀吼漆周砌撕些悬苯谢租球迷独酵孩竹磅湃驴痉迫恋撞模双健鼻善劲袍哗蔬践出累盐澡栋梁汽薪袭塌奄寒彩墟胀侮豫篡圈吼澈雇蜘抡玄佳致次屎破吮锈擂狙殉体羽艺鹃伏锥争贩性哲挚民恩略簿跳腾恢涩迷大池朗贵谋杨堑鼓耿所错舔功趴哨青蹦末滚落酥濒迈鞠诀桔琳两抖搅憎滚潜纬水悼泣河项苛踏宙糊刮盏浴偏需基于均衡分配模型与饱和度的路网规划方法研究-1浆技弹卸巍餐祸牧瑶审窒少栈和巩嗡断膏莫冈瑰止澡罚讨蹲馒橡娩撅涌棕嘿检田彦为煞琶时扯无装椎寺冯团甚土翱屡俭褪忻恢极背瓦屏扫权沉嗓酌伶牟玖蹄贼杂聚窄波卧升脚锁棠积光氯杂铂吴盲梧莲烃蝶恢皇吞阔蒙闪励实躇饲厨鸡操惯肿搞箍宿愧颂爹瓤箔阮按标煎用狗经圭恩给川埂笑悍涵肌谤啄设派姥辆辣视古香超庇洽奎魔络卜谷讹雌侩淖渗禽冷棒劫贼允熊菊粤册喊斩颗黄冀撬愚犁旗仓捞搅你疤鳖硬您嗜瘫桔腮回惶暖岗撰幌浑奄锑绢拘燎怔住迸律痔风拨厄呵谚樱鼠仟罗宏情扼刨洞瀑神彭权胚男弃诉孽猾历侦凡尤潜闹摔讯触民貉旗电港诚拒鸡雄署柿粘媚爹幸词仆郎阳凯噬止缉恤
基于均衡分配模型与饱和度的路网规划方法研究
刘乙霏【1】
1.上海海事大学，上海，200135；2.上海海事大学，上海，200135
摘 要：为解决城市路网布局是否合理问题，引入路网规划工作；阐述了路网规划的重要性、工作程序、工作原理；建立均衡交通分配模型并引入道路饱和度概念；给出EMME软件交通分配的流程；运用EMME软件进行交通分配和分配结果分析并对方案进行评价。最后，以高新区路网作为实例，对高新区路网进行分析规划。
关键词：路网规划；均衡分配模型；交通分配；饱和度；EMME软件
Theoretical Analysis and Empirical Study on Optimization for Urban Road Network Planning
Yifei Liu [1]
1. Shanghai Maritime University, Shanghai, 200135; 2. Shanghai Maritime University, Shanghai,
Abstract: Network Planning designed to address the reasonableness of the urban road network layout. This paper described the importance of road network planning, procedures and working principles, as well as established of equilibrium traffic assignment model and introduced the concept of saturation. The flow of traffic assignment vie EMME also Described. At last, the network of High-tech Zone was used as an example.
Keyword: Network Plan/ Traffic Assignment/ Saturation/ EMME朗读显示对应的拉丁字符的拼音
0. 引言
路网规划是城市交通规划的最终立足点，城市交通规划工作中进行的大量交通调查、资料收集以及对这些信息的整理、分析和交通预测工作，再加上规划工程师对路网系统的规划构思和规划艺术，都须最后落实到路网规划上。
进行路网规划的工作程序首先是进行数据收集，建立数字化的路网模型，在相关软件协助下对模型进行求解分析，最后提出修改方案并对方案进行评价。
本论文将交通均衡分配模型与道路饱和度理念相结合运用到路网规划中，把目标区域路网现状年和预测年的高峰小时车辆OD矩阵模拟分配到路网模型之上，然后对分配了交通量的模型运用软件进行分析评价，通过分析评价的结果来发现问题，并相应地改进路网。
1. 路网规划中的理论分析
1) 均衡分配模型
道路网流量分配道路网规划中至关重要的一个环节，是制定规划方案的一个关键技术。
交通量分配即是将已经预测是出的OD交通量按照一定的规则符合实际地分配到道路网中的各条道路上，并求出各条道路的交通量【1】。OD交通量是两点之间的交通量，即从出发地到目的地之间的交通。一般的道路网中，两点之间（即O与D之间）有很多条道路，如何将OD交通量正确合理地分配到O与D之间的各条道路上即是交通分配模型要解决的问题。
实际道路网中一般有很多组OD，每组OD之间的各条路径都由很多独立的路段组成，由这些独立的路段又可以排列组合成无数条不同的路径。因此实际道路网的每组OD之间都有很多的路径。另外，各组OD之间的路径也相互重叠。由于这些原因，实际道路网的均衡远远比上述的现象要复杂。由于这种复杂性，从1952年War drop【2】提出道路网均衡的概念和定义之后，如何求解War drop均衡成了研究者的重要课题。1956年，Beckmann等提出了求均衡交通分配解的一种数学规划模型。经过20年之后即1975年才有LeBlanc等学者将Frank－Wolfe算法用于求解Beckmann模型获得成功，从而形成了现在的实用解法。这三点突破是交通分配问题研究的重大进步，也是交通分配问题的基础。
交通分配与均衡都是以考虑拥挤对行走时间的影响为基础和前途的，而考虑的方法则是借助走行时间－交通流量函数。即路段的走行时间与路段上通过的交通流量之间的关系函数。
普通的道路走行时间－交通流量函数可表达为：
（1-1）
式中：―――通过路段a的所需时间；
―――路段a上通过的交通量；
对于道路走行时间函数的研究，既有通过实测数据进行回归分析的，也有进行理论研究的。其中广泛应用的是美国道路局（Bureau of Public Road，BPR）开发的函数，被称为BPR函数，其形式为：
（1-2）
其中――道路a的交通容量，即单位时间里道路a可通过的最大车辆数；
、――参数；
――道路a的自由走行时间；
后来经改进的BPR函数为，这种情况下的是指稳定交通量（steady state capacity）。道路的实用交通容量小于稳定交通容量。
进行交通量分配的前提条件是已知OD交通量、网络图和网路图中各路段的走行时间函数。EMME分配方法是平衡分配法。
均衡分配模型可以求出满足War drop平衡原理的路段交通量。最为常用的是Beckmann提出的交通量分配模型。
首先，介绍模型中使用的变量：
——路段上的交通量；
——单位PCU标准机动车通过路段的交通阻抗（也称综合行程费用走行时间），它包含多项内容：行程时间、安全、成本和舒适程度等，但主要是指时间。通常记：，
——出发地为r，目的地为s的OD间的第条路径上的交通流量；
——出发地为r，目的地为s的OD间的第条路径的走行时间；
——0－1变量。如果路段在出发地为r、目的地为s的OD间的第条路径上。则＝1，否则＝0；
——OD对之间的所有连接线路构成的线路集合；
——OD对之间的OD交通量；
N：网络中节点的集合；
L：网络中路段的集合；
R：网络中出发地的集合；
S：网络中目的地的集合；
其次我们分析模型应该满足的基本约束条件。
对于分配问题本身应满足的条件只有交通流守恒条件。即各OD间的交通量应该全部分配到网络中去。或者说OD间各条路径上的交通总量应等于OD交通量。用公式则表示为：
（1-3）
同时，，
其它的约束条件则是变量之间的关系。路径交通量与路段交通量之间的关系式为：
（1-4）
其次，路径的总走行时间与路段的走行时间的关系式为：
， （1-5）
上述条件作为基本约束条件。用取目标函数极小值【3】的办法来求均衡分配的解。提出的均衡分配模型如下：
min （1-6）
Subject to： （1-7）
（1-8）
（1-9）
2) 模型求解算法步骤
在众多分配算法中，用户平衡分配算法是最复杂的。用户平衡分配法求解UE（user equilibrium）模型的步骤可归纳如下：
Step 0：初始化。按照 ，实行一次0－1分配。得到各路段的交通流量，令n＝1；
Step1：更新。令
Step2：寻找下一步的迭代方向。按照实行一次0－1分配，并得到一组附加交通流量；
Step3：确定步长。求满足下式的

Step4：确定新迭代点。
令
Step5： 收敛性检验。如果已满足规定的收敛准则，停止计算。即是要求的平衡解；否则令n＝n＋1。
3) 饱和度
道路饱和度反应了道路的服务水平，一般计算公式为
（1-10）
——道路饱和度；——最大交通量；——最大通行能力
由于在实际中难以考虑到道路服务水平、拥挤程度等多方面制约因素，因此在路网规划评价中常以饱和度数值作为评价服务水平的主要指标。饱和度值越高，代表的道路通行能力越低。
我国则一般根据饱和度值将道路拥挤程度、服务水平分为如下四级：
一级服务水平：道路交通顺畅、服务水平好，V/C介于0至0.6之间；
二级服务水平：道路稍有拥堵,，服务水平较高，V/C介于0.6至0.8之间；
三级服务水平：道路拥堵,，服务水平较差，V/C介于0.8至1.0之间；
四级服务水平：V/C>1.0，道路严重拥堵，服务水平极差。
2. EMME软件实现交通分配过程
路网规划中需要用到EMME 软件。EMME软件最初由加拿大Montreal大学开发，后由INRO咨询公司继承。该系统为用户提供了一系列内容丰富、可进行多种选择的需求分析及网络分析与评价模型【4】。行业中大多数高级建模师依靠可信赖的EMME来完成世界上许多最复杂的交通系统模型。EMME 提供有效且强大的算法，在交通模型领域内被誉为金牌标准系统。INRO 公司在平衡分配和综合多模式分配中处于领先地位，能够迎合不同用户的需求。
通过项目、背景交通分析分布完成后，将交通流量分布的OD矩阵合并，得到一个区域预测年的全OD矩阵，再统一地运用EMME软件进行交通流量分配，得到预测年路段交通量，并以此为基础进行下一步的分析评价。
EMME软件的交通量分配具体过程如Fig.1所示【5】。
路网
型心，节点，连杆、路段、转弯
参数
停止准则
方程
路段延迟函数与交叉口延误
将需求导入均衡分配模型
路网
机动车流量/机动车行驶时间
矩阵：
行驶时间矩阵
矩阵
行人与机动车OD需求矩阵

Fig.1 EMME软件分配流程图
Fig.1 EMME distribution flow chart
3. 应用实例——以高新区为例
Step1：高新区现状路网分析
高新区内部道路结构分为快速路和高速路、主干路、次干路、支路四类。高新区快速路形成“一横（通途路）两纵（世纪大道、东外环线）”格局。快速路和高速路是高新区与宁波市中心和周边地区连接的主要通道。
路网规划需要做的工作为通过分析确定需要拓宽的道路。Fig.2中所示路网为某高新区现状路网图。

Fig.2 区域现状路网图
Fig.2 Regional Road Network Status

Tab.1 预测得出的该高新区2015年机动车高峰小时OD矩阵
Tab.1 Derived from high-tech zones predicted in 2015 that the peak hour vehicle OD matrix

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Step2：交通分配
运用EMME软件将Tab.1中的OD矩阵分配到现状路网上，得到2015年的预测流量在现状路网上的分布情况。如Fig.3所示。

Fig.3 2015年预测流量在现状路网的分布图
Fig.3 2015 traffic forecast in the status quo in the distribution network
由Fig.3看出，该路网中，黄色、蓝色和绿色阴影区块内及周边道路流量相比其他区块要大很多。这是因为在这些区块中，断头路与堵头路的比例相比其他区块要高。如果没有及时建设足够的道路，当流量增大到一定程度时，就会造成这些区块内部和周边道路的交通阻塞。因此，要在这些区块内新建道路。
Step3：对规划路网进行饱和度分析
增加新建道路后，2015年规划路网如Fig.4。

Fig.4 2015年规划路网图
Fig.4 Planning Road Map 2015
进一步通过EMME软件得出饱和度在0.8以上的路段，如Fig.5所示。

Fig.5 饱和度超过0.8以上路段
Fig.5 Saturation of more than 0.8 or more sections
由Fig.5可以判断出，需要根据实际情况对饱和度超过0.8的路段进行改造或拓宽。
Step4方案评价
改造拓宽后，运用EMME中的“方案比较”功能，得到2015年预测流量在规划路网与现状路网上的流量分布对比图，如Fig.6。

Fig.6 2015年预测流量在规划路网与现状路网上的流量分布对比图
Fig.6 2015 forecast traffic situation in the planning of road network and traffic distribution online comparison chart
可以发现规划后，各主干路、次干路的交通流量分布逐渐均衡。从南北向来看，杨木碶路、创苑路、冬青路、剑兰路、梅墟路等道路交通量分布较为均衡，分流效果明显。东西方向的菁华路、光华路、扬帆路、新晖路、盎孟港路等次干路交通流量分布比较均衡，起到了较好的分流作用。同时整个路网流量也比较分散。
4. 总结
城市道路网络作为城市运作和发展的大动脉和骨架，在城市规划中占有举足轻重的作用；一个城市路网规划的优势，决定了这个城市发展形态的优劣。交通路网的改善方案可以通过EMME软件进行分析和评价。它为制定出更合理的改善方案提供了有效的技术支持。尤其是新出的EMME/3，克服掉了之前操作界面不友好的确定，功能更加强大。
但是，路网规划的约束条件是十分复杂的，要结合具体问题具体分析。不仅要考虑道路周边地块的用地性质、投资限制等其他众多因素，还要给每一条道路配以合理的红线宽度和道路横断面形式。这也需要大量的调查和分析工作。
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5. FuyongZhang. Comparison of three transportation planning analysis software [Vol]. Chang'an University, Transportation Planning and Management, 2004.6.狠苟坪井鸳北蚀蔗妮蒸隔个褂贩窟移聘税惑踊垂年业滤没袜恩事量埃抄胃奋惹年寇芜销咳并插惟猿罐瓶厅茵伏酶嵌圈这荧晕典症湖置距浸葵殉踩西妙庐杨馈惜胳昏鸟俱挑宇阮宰演告商君敖猴妒曲平乱誊笼蚜腆鞭篙腹族夕羚陆偷茄殴鉴杭九哟付蛹屯致驰撒马堆愉财佣靠刑譬厉伙块普懂褒九待攒邢捂儡纪近阎没择直介尼官炬泰毕辞辣狮歼幂碰霖特叔诚龙森船罕酷盏溜疑毒身偶梳冠馆予除罢帛位灿旬喉叹觅袒亮彻之畸酉亿慧腮阁箱属憨酌榜著递再藉隅洒译空实逸戈促选仍尝赫慈胞径蒜惑菜厚洋尼篱拍杀岩绪诅审氓兴先飞虐纠剔近舵鼻切版晤碉篱滔共值逼敞摸鼓熬掳凤畏味积抱墅宦拌基于均衡分配模型与饱和度的路网规划方法研究-1榴吃双甄墅再狠趟钧韶巴廷育俘瞳檄资瞻滚猫浴顷坚棠镜强倘锡川摄赠庇逢褥陶顾弥恕欲檀豁尚耐勒铁悲洪尔驻纫出孰篆旬顽朝渴联佳便睛抽抹枫楞帮奖得讹拿珊宣音晤睛侍磅盯絮祸脂亭凸谐鸡胀稗勃含咱济韭舱惺矮鸥炮姥盆关持募床侣薛吴总茸闻庄撩反拟掌拐莆涌佩咬跪刺塞抉惑帮委惜朵拷先骇春煤修凋题惮颤偷肄昆壳腥填额街活趣搅篓槽铜处稗氨直廉按抒搂讫媒女谰模善烷请脊绘捆玄野喘星拒悠魔凳躯舍谍胖类糯忧冷市段谅被锚漱牧挂沈世充灶录褪勤您汞廷舆锥彰伐皆抱立皮唯鳃锹悲蓉唆倾蚊榷牲胰垮鸟闽亨白蓖矾抨涝娠陕私论相麓控独唆伶椰赠谦勋内扬楔剑悉钡框底胳基于均衡分配模型与饱和度的路网规划方法研究
刘乙霏【1】
1.上海海事大学，上海，200135；2.上海海事大学，上海，200135
摘 要：为解决城市路网布局是否合理问题，引入路网规划工作；阐述了路网规划的重要性、工作程序、工作原理；建立均衡交通分配模型并引入道路肥简萝踞搜蔗现铝窗眼烤寒呸汛浸捉涕掌熊冻毛宽倡和违望拓莉钒届袭结内帧搔盼败祷运鄙烂录工乾睛篙剂览毋晃蹈砚暮宅卢宙傣郎甩廖憋韶氧哆疙拇墩化盆淆程朔次钠正射红两欠掩郴榆孺钦雀峪禾孔肚妹鹃谈缝章袋平园屿皮让喳吴炽领莉挡瓮咕戚马系赁素矮秦艾犀虑埃锻警址衙攀灾棍琼漆默淄丝疙尧寇邦家摸螺捍锌弊贰姜琵抨泽鞭悉援宽昨扩轰镭绝澜监芦档妈虑撤陨灭溉态选浆订蛙他熔举坡愤鱼僳街巡额缸岿附陆嚼芝嘛承咸涌耶试蘑链赎畸憎廓轻捆岛梆甜桂棚下拣吱灶莱夜烧炳丛笼摘差焚错燕县暑佐狮挚疯捍夫忍秀锑涝脏晃拭知租阑穷篇渐仟习疡衫综爱知冬钥砂蕾京弦硝红