交通网络拓扑优化在城市交通规划中的应用

张诗蔚、齐涛

（中交城乡建设规划设计研究院有限公司，湖北武汉 430056）

0 引言

随着城市化进程的加速，城市交通问题越发突出，如交通拥堵、交通事故频发、空气污染等，给民众的出行和生活带来了巨大的困扰。为了解决这些问题，需要优化城市交通规划，改善城市交通状况。传统的城市交通规划主要关注交通设施建设和交通管理方案，忽视交通网络结构和布局优化。而交通网络拓扑优化作为一种新兴的研究领域，旨在通过优化交通网络的结构和布局，提高交通系统的效率和可靠性。它将交通规划与网络科学和优化方法相结合，通过调整道路布局、交叉口设置和信号控制等手段，优化交通流动的路径选择和流量分配，能够提高交通网络的整体性能和通行效率。

1 交通网络拓扑优化概述

1.1 交通网络拓扑定义

交通网络拓扑是指城市交通系统中各个交通要素之间的连接关系和布局形式，包括道路网络、交通节点、交叉口、路段以及其他交通设施的组织和配置方式。交通网络拓扑描述了交通要素之间的拓扑结构，即它们如何相互连接和组织在一起，形成城市交通系统的基础架构。

在交通网络拓扑中，道路网络是其中最重要的组成部分，包括主干道、支路、高速公路等不同级别的道路，以及车道数、车道宽度、道路几何形状等参数。交通节点是道路网络中的重要交叉点，包括交叉口、环岛、立交桥等，连接不同道路段之间的交通流动。路段是道路网络中的连续路段，用于描述道路起点和终点之间的特定路段。

1.2 交通网络拓扑优化的目标和原则

交通网络拓扑优化的目标是通过合理设计和调整，提高交通系统的效率、安全性和可持续性。优化的原则是在满足城市交通需求的前提下，最大限度地减少交通拥堵、减少交通事故、提高交通运输的效率和服务质量。具体的优化目标和原则包括以下方面。

第一，最小化交通阻塞：通过优化道路网络的布局和容量，减少拥堵和交通阻塞现象，提高交通运输的效率。第二，最大化交通安全：通过合理设计和管理交通节点、交叉口等，降低事故发生率，提高交通系统的安全性。第三，促进可持续交通：通过优化交通网络拓扑，鼓励可持续出行方式，如公共交通、非机动车，减少汽车的使用量，降低交通对环境的影响。第四，提高交通服务质量：通过合理的路网布局和交通组织，提供更高效、便捷的交通服务，满足人们的出行需求。

2 交通网络拓扑优化方法

进行交通网络拓扑优化时，需要选择适合的交通流模型和优化算法进行分析和决策。常用的交通流模型包括宏观模型、微观模型和混合模型。宏观模型基于整体交通流的统计特征，可以对交通网络的整体运行进行评估和优化。微观模型基于个体交通行为和车辆运行过程，可以对交通网络中具体路段和交叉口运行进行模拟和优化。混合模型则综合了宏观模型和微观模型的优点，可以更准确地描述交通网络的运行状态和交通流动。

优化算法的选择取决于问题的复杂性和求解效率。常见的优化算法包括线性规划、整数规划、遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索等。线性规划适用于简单的优化问题，可以通过线性方程组求解最优解。整数规划适用于具有离散决策变量的优化问题，可以求解最优的交通网络布局和拓扑结构[1]。遗传算法、模拟退火算法和禁忌搜索等启发式算法适用于复杂的优化问题，通过模拟生物进化或物理退火过程搜索最优解。

3 交通网络拓扑优化在城市交通规划中的应用

3.1 道路网络设计与布局优化

3.1.1 道路网格化和网格调整

在道路网格化时，需要考虑以下几个因素。

第一，道路等级和功能。不同道路等级和功能对交通流的组织和分配有着不同的影响。主要干道和高速公路通常承担主要交通流量，而次要道路和小街巷则提供交通连接和街区内部通行。第二，交通需求和流量分布。城市不同区域的交通需求和流量分布不均。繁华商业区、居住区、工业区等都可能存在不同的交通需求和流量密集区域。第三，土地利用和规划。道路网格化应该与城市的土地利用和规划相协调。不同用途的土地、建筑物和设施需要与道路网格相匹配，确保交通流能够顺畅地在网络中流动。

在进行网格调整时，需要考虑以下几个方面。

第一，道路容量和流量平衡。通过调整道路的宽度、车道数和交叉口设置等，提高道路的通行能力，确保道路容量与流量之间平衡。合理的容量和流量平衡可以避免拥堵和交通瓶颈的发生。第二，路段连接和交叉口设计。优化路段之间的连接方式和交叉口设计，减少转弯冲突和交通冲突，提高交通流的通行效率和安全性。第三，网格单元大小和形状。根据交通需求和流量分布，调整网格单元的大小和形状，使得交通流在网格内能够更加顺畅地流动。合理的网格单元大小和形状可以减少车辆行驶距离和时间，提高交通效率[2]。第四，道路交叉口信号控制。对于拥挤和繁忙的交叉口，可以考虑使用信号控制来调节交通流量。通过合理的信号配时和交叉口的信号灯设置，可以优化交通流的通行顺序和流量分配，减少交通阻塞和延误。

3.1.2 路段容量和流量平衡优化

路段容量和流量平衡优化是为了提高道路网络的交通效率和流畅性。在进行路段容量和流量平衡优化时，需要考虑以下几个方面。

第一，道路几何特征优化。道路的几何特征包括道路宽度、车道数、车道宽度等，这些参数直接影响道路的通行能力。通过合理设计和优化道路的几何特征，可以提高道路的通行能力，增加车辆流量的容纳量。

第二，信号控制优化。信号控制是调节道路交通流量的重要手段，通过合理设置信号灯的时序和周期，可以优化交通流分配，减少交通阻塞和拥堵。采用智能化的信号控制系统，结合实时交通数据，可以进一步提高信号控制的精度和效果。

第三，路段流量监测和调控。通过安装交通流量监测设备，实时监测道路的交通流量情况。根据监测数据，及时调控交通流量，通过引导交通流向、调整车道分配等措施，平衡各个路段的交通流量，避免某些路段出现过载和拥堵的情况。

第四，路段容量评估和扩容规划。定期进行路段容量评估，根据交通需求和流量预测，制订合理的扩容规划。通过增加车道数、拓宽道路等措施，提高道路的容量，以适应未来的交通流量增长。

3.2 公共交通网络优化

3.2.1 公交线路规划和站点布局优化

在公交线路规划时，需要综合考虑以下几个方面。

第一，乘客需求分析。通过乘客出行调查和数据分析，了解乘客的出行模式、目的地和出行量，确定不同区域的交通需求，有助于确定线路的起始点、终点和线路长度。

第二，区域特点和交通需求。考虑城市的地理、经济和人口分布特点，以及各个区域的发展规划和交通需求[3]。重点考虑人口密集区、商业中心、学校和医院等重要区域，确保公交线路能够覆盖这些关键区域。

第三，道路网络和交通流量。评估城市的道路网络情况，包括道路容量、道路等级和道路拥堵情况。结合交通流量数据，选择适合的道路和道路段，确保公交线路通行畅顺。

第三，站点设置和布局。根据乘客的出行需求和交通流量分布，合理设置公交站点。站点之间的距离应适中，以方便乘客步行和换乘，减少出行时间。同时，还要考虑站点的容量和设施，以提供舒适的候车环境。

第四，换乘的便利性。在线路规划中，要注意考虑换乘点和换乘方式。合理设置换乘站点，提供足够的换乘时间和便利的换乘条件，以方便乘客出行，减少换乘时间。

3.2.2 公交换乘设计和优化

在进行公交换乘设计和优化时，需要考虑以下几个方面。

第一，选择合适的位置作为换乘节点。通常选择在重要的交通枢纽、商业中心、居民区或其他交通需求密集的区域。这些位置通常是交通流量较大且交通方式多样的地方，以满足乘客的出行需求[4]。第二，根据乘客的换乘需求和出行模式，设计合理的换乘设施布局。包括设置换乘站台、换乘通道、换乘指示牌、导向标识等，以引导乘客准确地找到换乘位置，提供清晰的换乘指引。第三，合理安排换乘时间。考虑不同线路的发车间隔和运行时间，以便乘客能够顺利完成换乘。换乘时间应充分考虑乘客的步行距离和换乘时间，避免过长的等候时间或换乘时间过短。第四，为了提供良好的乘车体验，换乘设施应考虑乘客的舒适性。例如，在换乘站台提供座椅、遮阳设施和避雨设施，确保乘客在等候过程中能够得到舒适的环境。第五，为乘客提供准确的换乘信息和指引。通过在换乘节点设置信息屏幕、导向标识、语音广播等方式，以便乘客能够了解到达目的地的最佳换乘路线和时间。

3.2.3 公交优先策略和调度优化

公交优先策略和调度优化是通过交通管理措施和技术手段，提高公交车辆的运行效率和行驶速度[5]。公交优先策略包括专用公交道、公交专用信号、公交车道等，可以使公交车辆优先通行，减少其他车辆引起的延误。调度优化则是通过合理的公交车辆调度和运营计划，提高公交车辆的班次频率，减少等候时间，提供更加可靠的公交服务。通过公交优先策略和调度优化，可以提高公交的运行效率和乘客的出行便利。

3.3 多模式交通网络优化

3.3.1 非机动车和步行网络规划优化

非机动车和步行网络规划优化旨在改善城市中非机动车和步行者的出行环境，提供安全、便捷和连贯的通行条件。以下是具体的优化措施和方法。

第一，在城市规划和道路设计中，应充分考虑非机动车和步行者的需求。优化非机动车和步行网络规划，包括规划和建设骑行道、人行道、步行街等非机动车和步行者的专用通道。这些通道应设计合理，宽度适宜，能够容纳大量的非机动车和步行者，并与其他交通设施相连，形成便捷的交通网络。

第二，为了提高非机动车和步行者的安全性，需要在道路上设置相应的安全设施和交通标识。例如，设置人行横道、人行天桥、人行地下通道等，确保行人安全过街；设置非机动车道的分界标线、导向标识和交通信号灯，引导非机动车和汽车分流、交叉行驶。

第三，优化非机动车和步行网络规划，还包括合理设置非机动车停车设施和步行者换乘设施。在重要的交通节点、商业区和居民区周边，设置充足的自行车停车架、共享单车停放点、步行者换乘点，方便非机动车和步行者停车和换乘。

3.3.2 公共交通与非机动车接驳优化

公共交通与非机动车接驳优化旨在提高乘客在使用公共交通时，与非机动车接驳的便利性和效率[6]。以下是具体的优化措施和方法。

第一，在公交站点周围合理设置非机动车的停车设施，如自行车停车架、共享单车停放点等。这些设施应位于公交站点附近，方便乘客停放自行车、共享单车等非机动车，并能够轻松与公交系统接驳。

第二，为方便乘客进行公共交通与非机动车的换乘，可以在公交车站附近设置交通换乘设施，如非机动车道与公交车道衔接、步行道与公交车站衔接等，使乘客方便地从非机动车上下车，快速出入公交车站。

第三，通过信息共享和整合，提供准确、实时的公共交通和非机动车信息，方便乘客出行规划和接驳，包括公交线路和站点信息、非机动车停车位的实时信息、换乘指引和路线规划等。乘客可以通过手机应用程序、电子显示屏、路边标识等渠道，获取所需的信息。

4 结语

综上所述，交通网络拓扑优化能够为城市交通规划提供重要的方法和手段，为构建宜居、绿色、智慧的城市交通环境，提供科学的支持和指导。通过合理规划道路布局、交叉口设计和公共交通网络，以及优化非机动车和步行网络，可以实现城市交通系统高效运行、多模式交通整合和可持续发展，为民众提供更加便捷、安全和环保的出行方式。