道路施工影响下的城市广义路网容量研究

吴俊荻 朱华军 陈大红 聂智超

（1.武汉理工大学交通学院 武汉430063；2.湖北省宜昌至巴东高速公路建设指挥部 湖北 宜昌443700；3.济宁市规划设计研究院 山东 济宁272000）

0 引 言

随着城市基础设施建设的推进，道路施工对城市交通的影响日渐增大。由于道路施工需要占用车道，干扰正常交通秩序，不仅降低了所在道路通行能力，同时，对附近道路、甚至整个路网的容量造成了不可忽视的影响［1］。一方面是施工车道车辆汇入非施工车道，这使非施工车道上交通量明显增多，车速降低，车流出现紊乱现象。当道路通行车辆数小于施工作业区通行能力时，在锥形区上游会形成一段车流真空；反之，则可能从锥形区上游开始行车排队。另一方面是非施工车道车辆优先行驶，车道合流车辆在汇入非施工车道的过程中，要与原来在非施工车道上行驶的车辆争夺行驶空间。据观测，二者在争夺时机会不均等，只有非施工车道出现足够大的空隙时，施工车道上的车辆才能汇入；否则，施工车道上的车辆只有等待下一个空隙。

而道路施工对城市广义路网容量的影响主要包括2个方面：一方面，施工区对车道的占用，使道路总的使用面积有所减少，同时，使非施工道路由于承担施工道路车辆的分流压力，使其他非施工道路的有效运营面积同样有所减少；另一方面，施工区车辆的合流，极易产生排队延误，从而降低了路网的有效运营时间。影响因素包括：施工区面积、施工区长度、施工道路等级、封闭车道数等。

本文在既有路网容量研究的基础上，基于“时空消耗法”，从施工区对路网容量的影响特征入手，对城市广义路网容量的计算方法进行修正，从而更为准确的确定城市在有大量道路施工情况下的广义路网容量。

1 路网容量研究现状

1.1 国内外研究现状

路网容量研究中具有代表性的国家是美国、日本和法国［2－3］。我国对于该问题的研究始于20世纪80年代。当前对路网容量的研究主要方法有3种：线性规划法、交通分配模拟法和时空消耗法。

线性规划法的目标是计算在路段容量限制条件下，路网的最大流量。线性规划法最突出的特点［5］是：①对于路径选择的处理，可以用数学公式表达，但是由于这种行为的随机、复杂性，这些以一段时间内采集的数据为基础，基于研究者本身因素提出的公式，其计算结果具有很强的研究者倾向，与交通个体实际的路径选择倾向还有一定的差距；②模型是非凸规划模型，无法从数学上确定出精确解，只能靠一些方法去近似，而这些方法本身也存在很多问题，因此导致这种方法可用性较差。

Hai Yang［6］等研究了交通分配模拟法，基本原理是将OD交通量采用平衡分配法（incremen－tal assign ment，IA）逐步分配到路网上，每次分配都是以前次分配为基础（即将该次分配量加上去），当有弧达到饱和时，就将其删除，当网络被分割成2部分时，所对应的分割线即为最小割集，此时的累加流量即为路网容量。本算法是1种将交通分配和图论结合起来的算法，所以具有2种算法的优点和缺点。而该模型的问题在于：①由于交通个体路径选择行为是1种随机行为，所以IA分配结果很难与实际交通形成的OD分布相同，这样模型就失去了正确的根基；②该模型没有考虑对迂回路线的限制，因而会由于包含了不合理迂回而过大估计容量。鉴于此，应从上述两方面对该模型进行改进，使该模型更趋于完善合理。

1.2 时空消耗法的优点及适用性

时空消耗法从概念上讲很清晰，形式简单，而且与经典的道路通行能力也是一致的［4］。该理论由法国的路易斯·马尚［7］提出。国内的杨涛［8］教授深化了该概念，提出以路网有效运营面积和有效运营时间的乘积与交通个体的时空消耗相除的基本计算公式，并根据城市路网等级级配、路线使用频率、交叉口延误、居民出行特征等因素对公式进行了修正。

时空消耗法的特点是各种参数的取值，是影响模型准确性和实用性的关键因素。采用时空消耗法，可以从宏观角度定量的判断整体路网的容量和服务水平。较其他方法简明，实用性强。

本文考虑了施工区域的施工期一般为1～3年，在此期间将对城市路网容量产生较为长期的影响，因此，时空消耗法适用于从定量的角度判断道路施工对路网广义容量产生的影响。

2 考虑施工区域影响路网容量的修正

2.1 对路网有效运营面积的修正

1）道路总净面积的减小。在道路施工占用部分车道的情况下，现有道路面积S净为

式中：S总为原有道路总面积，S施为施工区占用道路面积；l施为施工区i的长度；di为施工区i的车道宽度；mi为施工区i占用的车道数。

2）非施工车道有效运营面积的折减。受施工车道合流车辆的影响，施工区域非施工车道的通行能力将比非施工区域的正常车道有所降低。以正常车道的有效运营面积为标准面积，非施工车道按通行能力之比，折算为正常车道面积，并考虑2类道路的比重，转化为综合折减系数R10。

式中：N施／N非为施工区域车道通行能力的折减系数；g施、g非为施工区域非施工车道面积、非施工区域正常车道面积所占比重。

既有研究［1］结果表明，封闭单位车道对通行能力的折减百分比约为3%。则对于施工区域i的车道通行能力折减系数为，N施i／N非i＝1－3%mi。

对于不同施工区域来说，所占道路的等级不同，对通行能力的影响大小也有差异，主要影响因素是车道宽度。当车道宽度小于3.65 m时对通行能力的影响系数见表1［9］，当车道大于3.65 m时对通行能力的影响系数始终为1。

表1 车道宽度影响系数Tab.1 Lane width coefficient to capacity

对于整体路网来说，车道通行能力折减系数为

式中：n为路网中施工区域的数量；Rdi为车道宽度影响系数。

而施工区域非施工车道面积所占比重g施和非施工区域正常车道面积所占比重g非计算公式如下。

式中：S′施为施工区域非施工车道的总面积，Mi为施工区i所在道路的原有车道数。

2.2 对路网有效运营时间的修正

施工区对路网有效运营时间的影响与交叉口的影响相似，主要取决于施工区的几何条件、交通状况和管理水平，采用综合折减系数R11来反映，一般取值范围为0.6～0.9［10］。

3 道路施工影响下路网容量的计算

目前的广义容量计算已考虑了道路等级、车型、交叉口折减、道路使用频率等因素的修正。考虑施工区对路网有效运营面积、有效运营时间的修正后，计算公式为

式中：A有效＝S净R1R2R3R4R9R10；T有效＝TR5R11；Ci车＝βts R6R7R8。

C广义为高峰小时路网广义容量，pcu；A有效为路网有效运营面积，m2；T有效为路网有效运营时间，h；Ci车为单个交通个体（pcu）高峰小时时空消耗，m2·h／pcu；T 为高等小时，取1 h；β为交通个体动态面积，m2，β＝w×l（w为车辆行驶时所需的横向安全宽度，计算时可近似取1个车道的宽度，m；l为车辆行驶时的最小车头间距，l＝l′＋v2／254（φ±i）＋v／3.6·t0＋l0；l′为车身长度，根据规范标准小汽车长度取5 m；v为车速，k m／h，可依据各级路网的行车速度取加权平均值；φ为汽车轮胎和路面的纵向摩阻系数，根据区域路面的总体情况进行选取，一般取：φ＝0.29～0.44；i为道路纵坡，%，上坡取＋，下坡取－，可根据城市的总体情况进行选取）；t为单个交通个体1次出行时间，h，根据交通出行调查可确定；s为单个交通个体日平均出行次数，根据交通出行调查可确定。

式中各修正系数的含义如下。

R1为等级修正系数，以主干道为标准，其他等级道路进行相应折减，通常取0.75～0.80；

R2为车道修正系数，与重型车所占的比例有关，一般取0.90～0.95；

R3为路线平均使用频率系数，根据出行者对路线的熟悉程度和行车时的选择偏向以及路线所处区域等因素，一般取0.7～0.8；

R4为干扰因素，主要考虑路旁停车等因素（如公交车站等），R4＝1－受干扰路段长度（k m）／各路段总长度（k m），一般取0.7～0.85；

R5为交叉口综合折减系数，主要考虑交叉口的几何条件、交通状况、和管理水平，一般取0.6～0.9；

R6为高峰小时出行比重，根据交通调查可确定；

R7为高峰小时不均匀系数，根据交通调查可确定；

R8为车型修正系数，一般与大型车所占的比例有关；

R9为空间不均衡系数，与城市用地聚散程度有关，依据城市形态类型取值；

R10为道路施工面积修正系数；

R11为道路施工时间修正系数。

4 武汉市主城区实例

通过查阅武汉市交通年度报告［11］等资料和交通调查，武汉市主城区路网道路各等级道路面积、施工等情况见表2。

表2 武汉市主城区各等级道路面积、施工区情况Tab.2 Areas of r oads and construction zones in Wuhan city 万 m2

针对城市交通的特点取小汽车为标准车，对参数进行计算可得β＝w×l＝55 m2；根据路网等级情况，计算得R1＝0.8；由于武汉市主城区城市形态属于块状多组团型，R9取0.75；根据施工区域所占车道面积情况，计算得R10＝0.96；通过对若干施工路段的调查，发现施工区合流处几何条件较差，延误严重，综合分析R11取0.75；参照武汉市2008年主城区综合交通大调查的数据进行统计分析，并结合武汉市交通的运行特点，其他参数的取值如下：R2＝0.95、R3＝0.80、R4＝0.85、R5＝0.8、R6＝13.5%、R7＝1.1、R8＝0.9、t＝0.55 h、s＝3.25。

计算结果显示，在目前的道路施工影响下武汉市主城区路网容量为38.9万pcu，比道路施工前路网容量降低了28.9%。分析发现，道路施工占用车道仅使道路面积减少了1.2%，说明道路施工对路网容量的影响不可忽视。

5 结束语

大规模的交通建设施工给城市交通带来了一定的压力，如何准确评价道路施工区域对路网容量的影响程度成为了亟待解决的问题。本文以广义时空消耗理论为基础，通过分析施工区交通运行特征，确定了道路施工对城市宏观路网容量的影响系数。在对武汉市路网容量的对比分析中发现，道路施工给城市交通带来的影响不仅在于其对道路面积的占用，更多的是干扰了交通流正常、有序的运行，从而导致路网有效运营面积和有效运营时间大大减少，最终大幅度降低了路网的容量。在交通管理的过程中，应及时采取有效措施，缓解交通建设施工给路网容量带来的问题。

［1］ 杨庆祥.施工作业对城市道路通行能力的影响分析［J］.西部交通科技，2008（5）：105－112.

［2］ IIDA Y.Methodology for maximum capacity of road net work（in Japanese）［J］.Transaction of Japan Society of Civil Engineers，1972（205）：147－150.

［3］ Akamatsu T，Miyawaki O.Maxi mu m net wor k capacity problem under the transportation equilibrium assign ment（in Japanese）［J］.Infrastr ucture Planning Review，1995（12）：719－729.

［4］ 杨东援，马哲军.路网容量分析的理论与方法［C］∥中国土木工程学会第七届年会，上海：中国土木工程学会，1995.

［5］ 周溪召，刘灿齐，杨佩昆.高峰时段城市道路网时空资源和交通空间容量［J］.同济大学学报，1996，24（4）：392－397.

［6］ Yang Hai，Michael G H Bell，Meng Qiang.Modeling the capacity and level of service of urban transportation net wor ks［J］.Transportation Research Part B，2000，34（5）：255－275.

［7］ 马尚 路易斯.一个概念：城市的时间与空间消耗：城市交通研究参考资料［M］.天津：天津城市交通综合研究组，1986.

［8］ 杨 涛.城市交通网络总体性能评价与建模［D］.南京：东南大学，1995.

［9］ 王 炜.城市交通网络规划理论与方法研究［D］.南京：东南大学，1990.

［10］ 杨 涛，程万里.城市交通网络广义容量应用研究——以南京市为例［J］.东南大学学报，1992（9）：84－90.

［11］ 武汉市国土资源和规划局.2011年武汉市交通发展蓝皮书［R］.武汉：武汉市国土资源和规划局，2011.