城市快速道路系統(tǒng)的供需平衡分析

城市快速道路系統(tǒng)的供需平衡分析

交通預(yù)測分析是交通計(jì)劃的重要內(nèi)容。交通預(yù)測是在當(dāng)前調(diào)查和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立一個(gè)土地使用系統(tǒng)之間的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)未來交通系統(tǒng)的可能變化以及交通的發(fā)展規(guī)律和趨勢來推斷其方向的過程。傳統(tǒng)的交通規(guī)劃十分注重交通預(yù)測,形成了固定的“四階段”模式,即出行生成—出行分布—交通方式劃分—交通分配;大多數(shù)情況下預(yù)測技術(shù)成為交通規(guī)劃的代名詞,傳統(tǒng)預(yù)測方法不足之處僅僅是交通需求的預(yù)測,忽略或淡化了供應(yīng)分析,不能從交通系統(tǒng)的矛盾基本方面來客觀認(rèn)識交通發(fā)展規(guī)律的本質(zhì),這一缺陷也是造成西方國家城市交通擁擠問題的重要原因.在分析傳統(tǒng)交通預(yù)測分析局限性的基礎(chǔ)上,從需求分析與供應(yīng)分析兩個(gè)方面,用交通需求管理技術(shù)的觀點(diǎn),提出了城市快速道路系統(tǒng)的彈性供需平衡預(yù)測分析方法.1傳統(tǒng)交通預(yù)測分析1.1運(yùn)輸系統(tǒng)平衡傳統(tǒng)交通預(yù)測方法是建立于活動(dòng)系統(tǒng)(土地使用)—運(yùn)輸系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上的,模型包括三個(gè)能夠定量表示的變量:土地使用(居民數(shù)、就業(yè)崗位數(shù)、收入)、交通(旅客數(shù)、車輛數(shù))和運(yùn)輸(行程時(shí)間、費(fèi)用).活動(dòng)系統(tǒng)與運(yùn)輸系統(tǒng)的相互作用可以產(chǎn)生流量.活動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的需求與運(yùn)輸系統(tǒng)的供應(yīng)之間的關(guān)系則形成了交通運(yùn)輸系統(tǒng)的基本矛盾,規(guī)劃方法就是尋求兩者之間某種程度上的平衡.需求模型表明出行量與活動(dòng)系統(tǒng)和服務(wù)水平有關(guān),并且出行量與活動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)弱成正比,與服務(wù)水平高低成反比,即式中:Q為交通出行量;D為需求函數(shù);A為活動(dòng)系統(tǒng)參數(shù);S為運(yùn)輸系統(tǒng)服務(wù)水平.服務(wù)模型表明服務(wù)水平與運(yùn)輸系統(tǒng)及交通出行量有關(guān),服務(wù)水平與運(yùn)輸系統(tǒng)水平成正比,與交通出行量成反比,即式中:S為運(yùn)輸系統(tǒng)服務(wù)水平;J為服務(wù)函數(shù);T為運(yùn)輸系統(tǒng)選擇;Q為交通出行量.交通預(yù)測在發(fā)展過程中導(dǎo)入了經(jīng)濟(jì)學(xué)中的供求概念,形成了傳統(tǒng)的交通供需平衡模型.簡單供需狀態(tài)平衡中用行程時(shí)間表示服務(wù)水平,兩個(gè)系統(tǒng)的相交點(diǎn)即為供需平衡點(diǎn).當(dāng)活動(dòng)系統(tǒng)或運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí),供需平衡點(diǎn)也將隨之發(fā)生變化.供需雙方的各自變化是城市社會經(jīng)濟(jì)等各種條件變化的結(jié)果,其中還受到人的主觀因素的影響.新條件下的平衡狀態(tài)變化可分為運(yùn)輸系統(tǒng)變化、活動(dòng)系統(tǒng)變化兩種情況.通常情況下,只研究活動(dòng)系統(tǒng)(或運(yùn)輸系統(tǒng))發(fā)生變化,而另一方不發(fā)生變化時(shí)的平衡狀態(tài).這時(shí),活動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)的平衡函數(shù)可以表示為式中:G為活動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)的平衡狀態(tài);g為平衡函數(shù).實(shí)際情況下,活動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)往往都同時(shí)發(fā)生變化,并且都趨向于新的平衡點(diǎn),圖1所示即是其發(fā)展趨勢分析.圖1(a)為活動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的需求迅速增加,運(yùn)輸系統(tǒng)改善緩慢的變化結(jié)果,平衡點(diǎn)的交通量和行程時(shí)間都增加了較大幅度.圖1(b)為活動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的需求增長緩慢,而運(yùn)輸系統(tǒng)明顯改善的變化結(jié)果.中達(dá)到平衡時(shí)交通量雖然增加,但行程時(shí)間卻降低了.近現(xiàn)代以來,大多數(shù)城市或國家的交通發(fā)展往往是以圖1(a)的模式發(fā)展的.經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的加強(qiáng)、車輛數(shù)增長、機(jī)動(dòng)性增加、人口的快速膨脹等,造成交通需求的迅速增長,而運(yùn)輸系統(tǒng)作為供應(yīng)方其發(fā)展速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于需求,造成了整個(gè)交通系統(tǒng)的狀況惡化.這種發(fā)展模式中的關(guān)鍵問題在于:未能意識到運(yùn)輸系統(tǒng)的供應(yīng)速度可能永遠(yuǎn)跟不上需求的自然增長,卻不對交通需求進(jìn)行有效的控制和管理,這就形成了傳統(tǒng)的交通預(yù)測分析模式.1.2傳統(tǒng)交通預(yù)測方法預(yù)測模型傳統(tǒng)的交通預(yù)測分析方法即是建立于供應(yīng)簡單地滿足需求基礎(chǔ)上預(yù)測未來的交通需求,同時(shí)確定相應(yīng)的供應(yīng)策略,形成整個(gè)規(guī)劃過程,而對于交通需求本身很少有約束條件.傳統(tǒng)交通預(yù)測方法中常四階段模型,需求的產(chǎn)生是建立于土地利用——交通運(yùn)輸作用基礎(chǔ)上的,已發(fā)展出很多模型,并對模型的方法、參數(shù)進(jìn)行了改造,如芝加哥城市交通規(guī)劃、堪培拉城市交通規(guī)劃等.預(yù)測方法所用各種模型相互關(guān)系見表1.1.3交通需求管理的存在的問題傳統(tǒng)交通預(yù)測方法局限性在于被動(dòng)地適應(yīng)資源供應(yīng)滯后與需求增長迅速這一客觀規(guī)律.人類認(rèn)識的偏差使交通系統(tǒng)發(fā)展初期供需雙方只追求簡單供需平衡,而不能形成協(xié)調(diào)發(fā)展的模式.這種局限性也成為城市交通問題的根源.不僅要考慮交通需求分析,也要考慮供應(yīng)分析,根據(jù)城市交通發(fā)展戰(zhàn)略對需求增長采取控制技術(shù),是未來現(xiàn)代交通預(yù)測方法的發(fā)展方向.近年來,國內(nèi)外進(jìn)行的交通需求管理(TDM)研究就是交通規(guī)劃人員在經(jīng)歷過幾十年的實(shí)踐后在認(rèn)識上達(dá)到新的高度而產(chǎn)生的.四階段模型在使用過程中暴露出許多不足之處,主要有以下幾方面:1.城市交通對于土地使用的反作用沒有反映到模型中;2.模型對公共交通的各種方式缺乏靈敏性變化;3.對于發(fā)展中國家城市的混行交通適應(yīng)性差;4.模型復(fù)雜,計(jì)算工作量大,影響了多方案的比較工作.雖然四階段出行需求預(yù)測模型有不足,但方法基本正確,比較接近實(shí)際,近年來仍然得到了廣泛應(yīng)用.本文擬引入道路網(wǎng)絡(luò)容量——時(shí)空資源的概念,在原有的預(yù)測分析基礎(chǔ)上加以改進(jìn),作為預(yù)測分析方法的新探討.2期交通量、內(nèi)環(huán)路和階段的供需協(xié)調(diào)預(yù)測方法傳統(tǒng)交通預(yù)測方法追求供需平衡,并成為交通系統(tǒng)分析的重要特征.但真正供需平衡狀態(tài)只是理論意義上的,許多城市交通實(shí)踐已經(jīng)多次證明了這一點(diǎn).以簡單供需平衡原則規(guī)劃建設(shè)的道路交通設(shè)施在很短時(shí)間內(nèi)就堵塞或達(dá)到預(yù)測期交通量,如法國巴黎的環(huán)城公路,上海市的內(nèi)環(huán)路.出現(xiàn)上述情況,固然有預(yù)測技術(shù)方法的問題,也有預(yù)測理論指導(dǎo)思想上的問題,但供(運(yùn)輸系統(tǒng))需(活動(dòng)系統(tǒng))雙方并未形成市場化的關(guān)系,單純的供需平衡原則并不能保證達(dá)到供需平衡.因此平衡是相對的,不平衡是絕對的.本文考慮的供需協(xié)調(diào)預(yù)測分析方法是對未來的交通需求和交通供應(yīng)都進(jìn)行分析,確定未來城市快速道路系統(tǒng)的供應(yīng)策略及規(guī)劃方案,然后應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)容量的概念來計(jì)算未來容許的需求發(fā)展規(guī)模,從而為城市交通發(fā)展決策提供依據(jù).此預(yù)測程序的前半部分基本建立于供需平衡分析方法,但在需求預(yù)測上適當(dāng)考慮未來政策及發(fā)展的影響,最后根據(jù)選定的供應(yīng)方案考慮當(dāng)需求增長趨勢加快時(shí)應(yīng)采用的需求管理措施.3對道路網(wǎng)絡(luò)面積限制的需求協(xié)調(diào)分析3.1車輛時(shí)空資源消耗的一般特征道路網(wǎng)時(shí)空資源(space-timeresource)是對應(yīng)于交通密度這一交通空間需求參數(shù)的交通設(shè)施空間供應(yīng)參數(shù).各種交通方式在運(yùn)輸設(shè)施上行駛或移動(dòng)的過程就是對道路時(shí)空資源的消耗,簡稱為時(shí)空消耗.時(shí)空資源就是道路設(shè)施提供給使用者的空間和時(shí)間,車輛或出行者可以不同的方式占用,而這部分資源將不能為其他使用者所使用,因而形成了時(shí)空資源消耗.根據(jù)時(shí)空資源的概念,城市道路機(jī)動(dòng)車道的時(shí)空資源可以定義為式中:Lr為城市道路機(jī)動(dòng)車道有效總長度;T為城市道路有效營運(yùn)時(shí)間.每種交通方式的車輛時(shí)空資源消耗為式中:Hdi為為第i車輛行駛過程中的最小安全車頭間距,m;ti為車輛實(shí)際行駛時(shí)間,h;Li為第i種交通方式的出行長度,m;Vi為第i種交通方式的最佳行駛速度;Hti為第i種交通方式的最小安全車頭時(shí)距.因?yàn)榭焖俚缆窓M向干擾小,車種較單一,易形成單車型,穩(wěn)態(tài)流,公式對于計(jì)算快速道路的時(shí)空資源是合適的,此時(shí)車頭間距與行駛速度的關(guān)系可以簡化,車流不穩(wěn)定時(shí)應(yīng)通過實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)定兩者之間的關(guān)系,可參考有關(guān)的交通流研究.交通網(wǎng)絡(luò)往往抽象為路段(link)與節(jié)點(diǎn)(node),交通流在節(jié)點(diǎn)處分流、轉(zhuǎn)向,快速道路系統(tǒng)的出入口(節(jié)點(diǎn))是固定的,車輛在系統(tǒng)中消耗的時(shí)空資源與出入口的間距有關(guān),也可稱為路段長度.將出行起終點(diǎn)簡化到道路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),則某種交通方式占用快速道路系統(tǒng)路段a的時(shí)空資源為式中:Cia為路段a上交通方式i的每車時(shí)空消耗,m·h/車;La為路段a的長度.3.2單位時(shí)間t內(nèi)的容量以道路的時(shí)空資源來定義網(wǎng)絡(luò)容量可以從總體上把握道路資源的使用情況,并且用來表示各路段的飽和度不會出現(xiàn)>1的情況,理想的情況是車輛占用道路時(shí)空資源越少越好.路網(wǎng)在單位時(shí)間t內(nèi)的容量計(jì)算公式為式中:Cvnet為城市道路交通網(wǎng)絡(luò)的總時(shí)空資源,km·h;La為路段a的長度,km;na為路段a的單向機(jī)動(dòng)車道數(shù);t為單位時(shí)間,h;A為道路網(wǎng)絡(luò)中路段的集合,路網(wǎng)為有向網(wǎng)絡(luò).式(1)所表達(dá)的是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量,不考慮路段的“進(jìn)出”影響,即路段從建成通車起就具有的時(shí)空資源,它們構(gòu)成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的廣義容量.對于時(shí)空資源存在的各種限制,與路段的實(shí)際狀況有關(guān).每個(gè)路段的時(shí)空資源使用情況反映了路段的車輛擁擠狀態(tài),道路的資源使用情況可以用選定的任意長時(shí)段來進(jìn)行描述.3.3道路飽和度及交通流量的預(yù)測此預(yù)測分析程序的各步驟算法如下:1)OD矩陣分布將未來機(jī)動(dòng)車出行生成按照出行分布模型,求得規(guī)劃年OD分布矩陣式中:qij為小區(qū)i、j間OD出行量;V為出行起訖點(diǎn)集合,n為小區(qū)個(gè)數(shù).2)交通分配將OD分布矩陣(高峰小時(shí))按交通分配模型分配到原路網(wǎng)中,得到路段流量.式中:fa為路段a上的交通量(單向);δ為路段流量分配參數(shù),如采用最短路模型,有3)計(jì)算各路段的道路飽和度式中:Sa為路段a的飽和度;Ca為路段a的通行能力(單向).式中:C0為路段a理想通行能力;ri為各項(xiàng)修正系數(shù)4)初步確定快速道路系統(tǒng)規(guī)劃方案(相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法)5)再次計(jì)算各路段的道路飽和度對快速道路系統(tǒng)上各出入口間的路段飽和度進(jìn)行分析,原則是路段上的交通狀況能夠保持較好的服務(wù)水平,如果服務(wù)水平下降,應(yīng)對影響因素進(jìn)行分析,并采取適當(dāng)?shù)慕煌刂剖侄?如匝道調(diào)節(jié)等.對快速道路各入口匝道及立交附近各道路的飽和度進(jìn)行分析,如果快速道路系統(tǒng)路段的飽和度過大,調(diào)整經(jīng)過此路段的機(jī)動(dòng)車OD量,求調(diào)整量Δa,使式中:Δa為路段a機(jī)動(dòng)車流量調(diào)整值;S0為對應(yīng)設(shè)計(jì)服務(wù)水平的飽和度.6)調(diào)整需求分布量返回交通分配步驟2),并適當(dāng)調(diào)整規(guī)劃方案.7)計(jì)算快速道路系統(tǒng)各路段流量初步確定各路段的斷面形式,即車行道數(shù).8)快速道路系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量式中:mv為道路可供使用的機(jī)動(dòng)車數(shù),輛;L為有效機(jī)動(dòng)車道長度,m;AC為交通空間容量,輛/m.本節(jié)介紹的算法說明了供需協(xié)調(diào)預(yù)測分析的思路和方向,目的是反映交通的協(xié)調(diào)作用.對于此方法的使用還應(yīng)注意一些問題:1)對未來的機(jī)動(dòng)車需求應(yīng)根據(jù)供應(yīng)的條件適當(dāng)控制,并各方案比較;2)考慮相應(yīng)的交通管理技術(shù);3)應(yīng)該以保證快速道路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)服務(wù)水平為基本原則.