基于最优路权分配的交通容量分析技术研究

□ 王 波 周志华

交通问题其实就是供需关系处理问题，交通政策反映了城市的价值取向。任何城市的出行结构都是与城市所能（或者愿意）提供的服务水平相关。如果追求个人自由而不顾及整体效率，私人交通工具一定是首选（如开罗城），但通常一个有序的城市是不会完全放开交通市场，都会针对不同群体提供相应的交通服务，通过个体交通与公共交通的成本差让那些对时间和舒适度要求不高的出行自觉选择公共交通，为其他出行腾出空间（如目前大多国内城市）。如果这种服务水平仍不能满意，就需扩大成本差，用强制手段进行调控，提高个体出行成本并切实解决公交服务能力（如新加坡、香港）。因此，城市选择何种交通模式，根源是对交通自由度的接受程度，让哪种（多大规模的）群体享有什么样的服务，这就是城市的价值取向，任何管制措施均应在这个基础上制定，交通也不例外。

目前，上海市、北京市的实际人口都超过2000万，广州市也接近1800万。人口规模的增加意味着人均资源的减少，因此，城市所选择的主流交通方式应该是低占有率、高集成的公交方式。世界上但凡以公交优胜战略建城的城市均把发展常规公交作为提升城市交通水平的首要任务，地面公交比例一直占据主体地位。国内从2004年提出优先发展公共交通的政策建议，以此提升城市整体交通质量，但至今未能完全达到预期目标，即使在公交比例较高的北京（33%）、广州（34%）等城市，道路车速也只维持在23公里/小时的水平。其原因在于公共交通的自身定位，尤其是常规公交所提供服务的质量较低，难以与小汽车形成竞争。

实践证明，提升常规公交的竞争能力，运力是基础，路权是关键，二者缺一不可。为此，有必要按照“重新划分交通资源、确保地面公交优先”的发展思路，以城市综合交通模型为平台，对交通容量的计算方法进行深入研究，从出行的可控性和舒适性两方面重新构建模型，以更好地解决道路交通资源分配问题。

一、国内外理论研究

1.研究背景

路网容量的概念最早由美国交通工程学者在20世纪50年代提出的，历经几十年的研究，学者们对路网容量的物理意义、研究方法都有着不同的认识，并随着时间推进不断调整和深入。

美国学者认为，路网容量是在路段通行能力制约下，满足系统最优，路网所能承担的最大交通流，通过图论、交通分配模拟和线性规划等方法建立不同研究模型。20世纪80年代初，法国工程师路易斯·马尚提出了时空消耗法，认为城市路网在一定时段内的物理容量是受时间、空间限制的，路网容量是时空资源制约下路网系统所能服务的最大交通流量。

近年来，NikolasGeroliminis和CarlosF.Daganzo论证了宏观交通流基本图（MFD）的概念，认为路网通过的交通流量、车流密度以及路网空间平均车速三者间关系与路段有相似性，即在自由流与拥挤流区间路网同样存在最大流量，证明了路网容量这一命题的存在性。

国内最早在1986年由长沙交通学院的木纳和中国城市规划设计研究院的关忠和根据时空消耗的概念提出了路网容量。随后，东南大学杨涛、沈阳建筑工程学院王春生和上海海运学院周溪召也利用时空资源的概念对高峰小时交通容量进行分析推算。杨涛等人基于最大流最小割定理，将Ford-Fulkson算法进行改进，提出了衍生割集网络极大流算法（ECS）；北京工业大学陈春妹对路网容量定义进行了梳理，根据时空消耗法构建了路网容量模型等。

2.研究方向

目前，国内外对于路网容量的研究方向和侧重点各不相同。国外侧重于动态容量机制下对拥堵收费政策的研究，国内规划部门侧重于交通容量下的土地开发模式研究，交管部门则关注容量限制下的机动车规模和交管办法的研究。如前所述，交通问题的本质是公共决策问题，交通政策反映了城市价值取向，解决交通拥堵回避不了公众的交通权益分配问题。换言之，在当前及今后资源增长受限的情况下，如何对有限的交通资源重新划分，成为解决交通问题的关键。基于此，交通容量分析也有必要反映路权分配的公共政策价值导向，即地面公共交通路权优先，以改善城市交通资源配置，提高城市交通系统运行总体水平。

二、交通容量分析方法与关键技术

路权分配就是道路交通资源的分配，最优的路权分配方案应该在城市交通系统所能提供的总容量的前提下通过逐步调优获得。

1.容量定义

在既定供需基础下，确定服务水平目标，通过模型迭代，寻找最优路权分配下单位时间内城市交通系统所能服务的最大出行量。

（1）既定供需基础。既有道路网络、轨道网络和出行需求。

（2）服务水平目标。政府及大多数市民能够接受的交通服务水平，对交通容量达到最大时的状态进行界定，建立指标评价体系。

2.影响因素

出行服务水平是对出行全过程的总体评价，需要建立共识性的指标，融入供需平衡概念，代表整个系统的吸纳能力。影响出行服务水平的指标主要有：出行的可控性（时耗）和旅途的舒适性（车内拥挤度）。社会车辆主要考虑车速水平，公共交通则还需考虑车厢拥挤度、候车时间等。最优的路权分配方案需要考虑以下因素。

（1）时耗。人的一天活动可以做如下简单分配：8个小时工作学习、8个小时睡眠、餐饮和家务等日常基本活动4个小时、娱乐休闲2～2.5个小时，那么花费在交通上的时间大约在1.5～2个小时。如果超过这个限制，其他生活需求将受到压制，生活质量下降。另外，有学者从交通的角度对居民出行时耗进行了研究，时耗与城市规模相关，出行时耗占日常时间比例相对稳定，一次出行最大时间有容忍上限，其中特大城市约为60分钟。

（2）小汽车与公交车时耗比。公交优先实质上是在系统最优前提下，公共交通通过管理从小汽车那里取得应得的道路资源，在一定服务水平下，二者的时耗比越低，公交发展水平越高。国内学者对此有过专门研究，得出公交与平均出行时耗比在1.15～1.56倍之间。

（3）车厢拥挤度。与小汽车相比，公共交通要具备一定的竞争力，必须对现有拥挤度的标准适当提高。建议结合城市实际情况自行确定（如5人/平方米），在容量测算时，该指标作为初始值输入，用拥挤分配模型对溢出客流进行二次加载。

3.分析过程

容量涵盖了交通供需关系，用来运算的模型不能仅局限于设施物理容量，应考虑供应与需求的匹配关系和系统服务水平的认定。可考虑在传统的综合交通模型基础上搭建，让交通容量的研究从实验室中走出来，进入应用领域。总体技术流程如图1所示。先设定初始公交运力和路网（路权）方案，再逐步调整交通需求、路权分配等，其中由于对路权的分配涉及到实际可行性的判断，需要人工加以检验后再纳入循环迭代。总体上有两个判断过程：①检验平均时耗。不达标时对可变地区开发规模进行调整（人口、就业），重新纳入循环迭代。②检验地面公交与小汽车时耗比。不达标时调整公交路权和运力，纳入循环测试。通过上述过程的不断调整优化，最终获得在指定服务水平下的矩阵总量、方式结构、路权分配方案和用于启动相关措施的车速阈值，以上过程构成了容量测算的核心内容。

4.关键技术

（1）公交车道的车速标定。本次研究对现状各类公交车道（路中和路侧公交专用道、混行车道）分别选取不同路段进行了车速调查，其结果见表1所列，以此纳入模型中标定公交车速。

图1 基于最优路权分配的交通容量分析技术流程

表1 公交车道车速标定

（2）公交车道形式的甄选方法。公交车道形式一般有3类：路中（BRT）专用道、路侧专用道和混行车道。在模型中，寻找最优的路权分配就是对公交车道形式的不断调整。选取公交车速低于城市期望速度（17公里/小时）的道路作为调整对象，调整次序如下：①若不是公交专用道（混行车道），调整为路侧专用道。②已是路侧专用道，且公交客流≥2万（人·次）/小时，调整为路中专用道。③已是路中专用道，不作调整。在模型给出的专用道方案基础上，经人工介入判断可行后纳入模型循环测试。

（3）在公交分配过程中引入拥挤分配方法。在实际生活中，乘客会根据公交车的满载情况选择线路或班次，而以往一般的公交模型并没有考虑这个因素，主要侧重于对路径的搜索。本次研究引入拥挤模型，先设定车厢的标准容量（5人/平方米），在容量限制下通过公交拥挤分配获得未加载矩阵，转入下一次分配，未能上车的乘客总候车时间可通过公式计算：总候车时间＝（未加载客流×发车间隔＋小时消散能力）/2。

（4）引入停车泊位供给作为方式选择的重要因素。在实际出行中，车位因素（有无车位、停车费用、停车位供需比等）是决定出行方式时的重要因素，本次研究对原有综合交通模型进行了改进，在方式选择时引入车位因素进行控制。泊位规模首先作为输入条件介入交通主方式的划分，当动态交通经过循环迭代后达到饱和时，再反馈实际对应的泊位规模，形成动态与静态联动的模式，弥补动态交通需求不能反映静态供给的不足。并且，引入寻找车位时间作为小汽车出行的时间惩罚。小汽车出行综合成本可通过下式计算：小汽车出行综合成本＝出行时间＋（里程费用＋路桥费＋停车费）/每小时时间价值×60/载客率+小汽车寻找车位时间。当车位超过实际需求时，出行者是否选择个体方式取决于对时耗的判断。

广州市在新一轮总体规划中明确提出了建设公交都市的目标。本次研究按照基于最优路权分配的交通容量分析计算方法，提出在大力建设地铁的前提下，到2020年地面公交仍然作为城市公共交通的主体，在主城区公交专用道444公里方案基础上进一步扩充公交优先网络（新型有轨电车＋快速公交BRT＋公交专用道），计划在2020年规模达到800公里左右。通过模型测试，地面公交与社会车辆的合理路权分配应该由现状的12∶88增加到25∶75，公交车速将由现状15公里/小时升至17公里/小时，此时广州市主城区干道平均车速将维持在23～25公里/小时左右水平，主城区交通运作将处于一个较为理想的状态。

近10年来，国内城市相继掀起地铁建设的热潮，希望通过地铁来缓解地面交通压力，而逐渐忽略了地面公交建设。地面公交以其灵活、便捷在3类主要交通方式（地铁、小汽车、公交车）中占有重要作用，且直接参与同个体交通的路权竞争。落实公交优先政策，地面公交是最好的切入点，只有从根本上提升公交竞争力，才是当前特大城市交通问题的解决之道。（作者单位：广州市交通规划研究所）