基于功能分析的城市道路网络衔接评价研究

王京京,杨友林,李 辉,王东炜*

（1.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，郑州450044；2.郑州大学土木工程学院，郑州450001）

基于功能分析的城市道路网络衔接评价研究

王京京1,杨友林1,李 辉2,王东炜*2

（1.河南省城乡规划设计研究总院有限公司，郑州450044；2.郑州大学土木工程学院，郑州450001）

城市道路网络中，各等级道路之间衔接的合理与否直接关系到相关道路乃至整个道路网络期望功能的实现.本文以不同等级道路功能分析为基础，提出城市综合交通规划的道路网规划，以交通功能为主要目标的城市道路网络系统专项规划，以服务功能为主要目标的道路网络衔接规划的总体思路.结合以概率统计为基础的蒙特卡罗算法，分别计算交通功能和服务功能的系统可靠度，以作为不同阶段道路网络衔接的主要评价指标，并探讨道路网络衔接中的越级交叉问题.最后以郑州市某区域道路网络为例，验证了本文方法的可行性与适用性.

城市交通；道路功能；道路衔接；系统可靠度

1 引 言

《城市道路工程设计规范（CJJ37-2012）》中将我国大城市的道路分为四个等级：快速路、主干路、次干路和支路，并对各等级道路的功能进行了阐述[1].各等级道路通过节点进行衔接，相互协调配合构成功能清晰明确的路网.城市道路节点衔接的合理与否直接关系到相关道路及整个道路网络期望功能的实现.然而，在城市道路网络规划过程中，许多城市往往重视扩大路网的空间尺度，忽视路网功能结构的改善，造成各等级道路之间衔接不尽合理，越级相交现象普遍存在；使得各等级道路功能紊乱，影响干路的速度和交通安全；且交通流集散过程中难以遵循由低到高再到低的道路等级切换原则，造成各等级道路之间交通流集散困难，形成路网系统的“瓶颈”.为了保证交通流在不同等级道路之间进行有序集散，并使各等级道路能充分发挥自身的功能，在网络层面上，各级道路应根据不同层次交通需求，以及城市道路功能的要求进行衔接组织.

已有研究主要集中于城市道路网络规划阶段的节点几何设计，以及运行管理阶段的单节点交通设计.邓亚娟分析了快速路与常规道路的衔接问题，在对立交定位及其间距影响因素进行分析的基础上，提出了立交及其出入口匝道各类最小间距的确定方法[2]；石飞以主干路和支路相交为例，探讨了城市道路网中的越级相交问题[3]；喻伟运用可接受间隙理论，提出了主线地面交织段的计算方法[4]；晏秋指出，出入口设计应为快速路与其它等级道路的衔接提供基本条件[5]；Goto等提出不同功能等级的道路相交宜采用不同的交通管控形式，以充分实现各等级道路的功能[6].无论是在城市综合交通规划阶段，亦或城市道路网络专项规划阶段，针对城市道路衔接规划的研究相对较少，尤其缺乏在功能分析的基础上进行城市道路衔接方案的评价.

本文拟基于不同等级道路功能，提出道路网络交通功能和服务功能的基本概念，以基于蒙特卡罗模拟的系统可靠度为主要评价指标，定量化分析城市道路网络衔接，并结合单元概率重要度的计算，提出相应的改善建议.目前网络系统可靠度常用的求解方法主要有解析法和模拟法.解析法采用严格的数学模型对系统可靠度进行分析，包括穷举法、最小路法、最小割法及相应的不交化方法等.当网络系统规模较大、结构复杂时，易出现组合爆炸问题.而蒙特卡罗模拟法通过构造符合一定规则的随机数来解决数学上的各种问题，当网络过于复杂、积分维度较高时，是一种非常有效的求解网络系统可靠度的数值解的方法.

2 城市道路网络功能界定与衔接规划要求

不同的规划阶段，有其不同的功能目标.城市道路网的规划以城市总体规划为上位，涵盖综合交通规划的道路网规划，以及城市道路网专项规划.城市总体规划和综合交通规划的道路网规划，主要确定道路网络的骨架，对快速路、主干路及次干路的线路走向、布局形式等进行详细规划[7].由快速路、主干路、次干路所构成的干路网络主要承担过境、出入境及城市组团间的大流量交通，是联系各分区、组团间和各类城市用地的快速通道，强调大流量与快速，即宜以完成交通功能为其主要目标.该阶段干路网的交通功能可界定为由快速路、主干路和次干路衔接构成的路网为大流量交通提供快速通过的能力.

在进行衔接规划时，快速路与相同等级的快速路和低一等级的主干路相连接，实现交通流方向的转换及交通流的汇集与疏散；主干路与同等级的主干路、高一等级的快速路及低一等级的次干路相连接，主干路将次干路上的交通流汇集到快速路，并将快速路上的交通流分散到次干路；次干路与同等级的次干路、高一等级的主干路相连接，实现交通流的转换和主干路上交通流的集散.

城市道路网络系统专项规划和控制性详细规划阶段，重点基于城市总体规划和综合交通规划阶段的干路网络，对支路进行补充规划.支路为片区或组团内的低速交通提供生活性服务，强调交通的方便可达，故该阶段的路网规划由快速路、主干路、次干路和支路构成，并以完成所构成道路网络的服务功能为主要目标；即由快速路、主干路、次干路和支路衔接构成的路网应能够提供良好出入通达服务的能力.支路与高一等级的次干路及同等级的支路相衔接，实现交通流的转向与集散.

为了保障各类交通流由低一级道路向高一级道路有序汇集，并由高一级道路向低一级道路有序疏散，衔接规划时宜尽量避免各等级道路的越级交叉现象.

3 基于蒙特卡罗的城市道路网络系统可靠度

城市道路网络衔接规划的重点在于各条道路平行或者交叉，通过路段和节点（即交叉口）单元，组织构成道路网络系统.路网可靠度是可靠性理论在道路网络系统的应用，考虑路段和节点单元可靠度，从整体、系统的角度对网络进行研究.结合城市道路网络功能界定，提出交通功能的系统可靠度为由快速路、主干路和次干路构成的干路网在规定的时间和条件下，完成快速通过能力的测度；由快速路、主干路、次干路、支路构成的路网系统的服务功能为在规定的时间和条件下，完成出入通达服务能力的测度.采用以概率统计为基础的蒙特卡罗仿真模拟，进行两个功能系统可靠度的计算，通过对网络系统可靠度和单元重要度的分析，评价路网衔接方案.

基于路网拓扑阶段的单元可靠度确定城市综合交通规划阶段和城市道路网络专项规划阶段的单元可靠度，即：考虑各结构形式（车道数、路幅数、车道宽度、节点形式）对于不同等级道路功能所贡献的可靠度能力，在拓扑阶段单元可靠度基础上进行相应的增益.

3.1 路段单元可靠度

影响路段单元可靠度的结构形式因素主要有车道宽度、车道数和路幅数.随着车道宽度和车道数的增加，路段通行能力提高，单元可靠度得到增益.以车道宽度3.0 m对应的通行能力为基数，采用PARAMICS进行仿真模拟，其它车道宽度下的通行能力相对于其的增加比率作为增益.车道数的增益取值依据与车道宽度同理.同时，随着路幅数的增加，车辆行驶速度增加[8]，通行能力提升，考虑不同路幅数的影响趋势，进行相应的可靠度增益取值.各因素对应的可靠度增益值如表1–表3所示.

在拓扑阶段单元可靠度的基础上，分别对车道宽度、车道数和路幅数关于路段单元可靠度的功能增益进行取值，得到路段单元的可靠度

式中 Ri——路段的单元可靠度；

r0——拓扑阶段单元可靠度，值为0.5[9]；

∂W——车道宽度对应的可靠度增益值；

∂N——车道数对应的可靠度增益值；

∂D——断面形式对应的可靠度增益值.

表1 路段车道宽度的可靠度增益Table 1 Gain of reliability values of lane width

表2 路段单向车道数的可靠度增益Table 2 Gain of reliability values of number of lanes (one direction)

表3 路段路幅数的可靠度增益Table 3 Gain of reliability values of road sections

3.2 节点单元可靠度

交叉口节点单元可靠度主要受到各进口道的车道转向功能分布、宽度、数量的影响.与路段单元可靠度增益的取值类似，分析各因素对于交叉口通行功能的增益程度，进行相应的取值如表4–表7所示.

各转向可靠度的取值表达式为

表4 各流向不同车道宽度的可靠度增益值Table 4 Gain of reliability values of lane width at different turns

表5 左转车道数对应的可靠度增益值Table 5 Gain of reliability values of number of left-turn lanes

表6 直行车道数对应的可靠度增益值Table 6 Gain of reliability values of number of straight lanes

表7 右转车道数对应的可靠度增益值Table 7 Gain of reliability values of number of right-turn lanes

3.3 道路网络系统可靠度

设网络中各单元的可靠度为pi(i=1,2,3,…,n)，对每一单元产生0–1间均匀分布的随机数ri(i=1,2,3,…,n)，当ri＞pi，则认为单元失效，反之则单元可靠.根据单元的失效情况，判断网络源点O和汇点D是否依然连通.每次试验产生一批随机数并判定一次连通性.当试验次数N足够大时，即可求得源点O和汇点D之间的可靠度为

式中 N′——源汇对wk连通的试验次数.

设系统中含nOD个源汇对，并记系统可靠度为PS，则

式中 αk——第k个源汇对的可靠度在系统中的权重，.

网络系统中，各单元的贡献不同，某些单元的改变对系统可靠度的影响会很大，而另一些单元的改变可能不会对系统可靠度产生较大影响.通常采用重要度来衡量单元对系统可靠度的影响程度，具体的单元重要度计算可通过可靠度随机抽样试验实现[10].

4 实例分析

选择郑州市某一区域内的路网，进行实地调查，获取各路段和节点属性特征的数据资料，并进行各路段和节点单元相应的可靠度取值.

4.1 路网衔接现状分析

对该区域内的快速路、主干路和次干路构成的干路网的交通功能进行分析，含34个相交节点和55条路段.采用C++语言进行程序编写，计算得到交通功能的系统可靠度为0.737 79.其前30阶单元概率重要度云图如图1所示.颜色越深，单元重要度越大.

为对比分析支路节点的存在对交通功能的损失作用，在干路网的基础上，补充区域路网中的干路网与各支路的衔接节点（不计支路有关的路段单元），构建虚拟路网，含78个节点和98条路段（图2）.计算得到该虚拟路网此时的系统可靠度为：0.521 44，比干路网交通功能的系统可靠度下降30%.与支路相交的各节点的存在导致干路网交通功能降低，并使得各单元的重要度重新进行分布.

图1 干路网前30阶段单元重要度云图Fig.1 Road segments with first 30 component probabilistic importance(present traffic function)

图2 虚拟路网前50阶段单元重要度云图Fig.2 Road segments with first 50 component probabilistic importance(present hypothesized road network)

虚拟路网前50阶单元重要度的云图如图2所示.编号为45的单元为主干路桐柏南路上的路段，其交通功能重要度比其相邻路段的重要度要低，是因为主干路上存在编码43和44的两个相邻的与支路相交形成的节点单元，影响了编码为45的主干路路段单元交通功能的发挥.此外，路段单元38和39为主干路桐柏南路上的路段，单元65为次干路工人路上的路段，图2中显示的路段65的交通功能重要度比路段38和39的交通功能单元重要度要大，而理论上主干路的交通功能应比次干路重要，该矛盾主要是由于越级节点37存在造成的.

计算区域路网服务功能的系统可靠度时，重点描述支路与主干路越级衔接构成的节点.由快速路、主干路、次干路、支路整体构成的网络中含90个节点和150条路段，服务功能的系统可靠度为0.675 43.与虚拟路网的系统可靠度相比，提高了30%.即支路路段单元的增加，改善了路网的可达性，增加了整体的服务功能.其前60阶单元重要度云图如图3所示.路网中服务功能单元重要度较大的路段单元有49、50、51、52、63、64、65、66、67、68等，这些路段主要为路网中的次干路和支路，符合相应道路等级的服务功能的实现.此外，编号为137、165、164、197、189的路段单元在路网服务功能中的重要度也较大，这几个路段单元均为主干路，其服务功能重要度较大，与其道路等级的交通功能实现相冲突.究其原因，主干路桐柏南路和秦岭路方向上相平行的支路较少，且桐柏南路上与支路相交的节点较多，造成短距离出行需求的交通流选择桐柏南路出行，使其承担了服务功能的作用.

4.2 路网衔接状况改善方案评价

综合现状的交通功能和服务功能的系统可靠度，在对路网进行改善方案设计时，以提高路网的服务功能为目的，同时尽量减少对路网交通功能的影响，考虑对路网中的越级道路相交节点37和45进行禁直、左交通管理，同时打通路网中存在的支路断头路.重新计算得到改善后的路网服务功能的系统可靠度为0.726 84.改善后路网的服务功能系统可靠度相对于原路网提高了7.6%，该方案仅针对路网中的两个路段和两个节点进行改善，其系统可靠度的提高比例相对而言是比较可观的.其前50阶单元重要度云图如图4所示.与图3相比，服务功能重要度大的单元大都分布在支路与次干路上，且分布更为均匀.

为判断改善方案对于交通功能的影响，消除虚拟路网中的节点37和45，计算得到系统可靠度为0.553 29，比之前亦提高了6.1%.改建后路网交通功能及服务功能均有所改善.

图3 现状服务功能前50阶段单元重要度云图Fig.3 Road segments with first 50 component probabilistic importance(present service function)

图4 改善后服务功能前50阶段单元重要度云图Fig.4 Road segments with first 50 component probabilistic importance(after improvement,service function)

5 研究结论

在城市道路网络规划的不同阶段，针对不同等级道路的衔接组织评价进行定量化研究，对于城市道路网络系统功能结构的完善和实现具有重要作用.本文以功能分析为基础，提出道路网络交通功能和服务功能系统可靠度，研究城市道路网络衔接的评价方法；结合单元重要度，判识各路段单元功能的实现程度.郑州市某区域路网现状衔接和改善设计的案例表明，该方法不仅可以对城市道路网络现状进行定量和对比分析，还可以对相应的改善措施进行技术评价.从而为道路网络功能的优化提供建议和参考.

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ37-2012.城市道路工程设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.[Ministry of Housing and Urban-Rural Construction Department.CJJ37-2012.Urban road engineering design specification[S].Beijing:China Building Industry Press，2012.]

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Urban Road Network Junction Evaluation Method Based on the Functional Analysis

WANG Jing-jing1,YANG You-lin1,LI Hui2,WANG Dong-wei2
（1.Henan Urban and Rural Planning and Design Institute Co.,LTD,Zhengzhou 450044,China; 2.School of Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China）

Whether the junction between different grades of roads is reasonable is directly related to the realization of the desired function of the road network.Based on the functional analysis,this paper puts forward the evaluation method of road network junction planning.At the stage of urban integrated transportation planning,the main goal is to provide the traffic function;while for the stage of urban road network special planning,it is to guarantee the service function.Using Monte Carlo simulation method,the system reliability of traffic function and service function are calculated,which are considered as the main evaluation indexes of road network junction schemes.The leapfrog cross-cutting problem is also discussed. Finally,a regional road network of Zhengzhou city is taken as an example for application,to testify the feasibility and rationality of the proposed method.

urban traffic;road function;road junction;system reliability

1009-6744（2015）01-0212-06

：U491.1

：A

2014-08-18

：2014-10-15录用日期：2014-10-22

国家自然科学基金（51278468）.

王京京（1987-），女，河南周口人，助理工程师，硕士. ＊

：dongweiwang@zzu.edu.cn