沈山高速公路局域路网拓扑结构构建及承载能力分析

冷 雪,任俊达

(1.辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166;2.辽宁省交通建设投资集团有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

沈山高速公路是国家高速公路网京哈高速公路中连通东北与华北、华中、东部沿海地区的交通运输大动脉,承担东北地区80%的进出关通道交通量,是辽宁省境内交通量最大的公路运输走廊。高速路网交错纵横,各道路的几何条件各不相同,道路之间的连接关系和各交通关键节点的交通流运行特性复杂,很难根据实际路网情况对路网的交通运行状态和通行能力、承载能力进行分析。文章通过建立沈山高速局域路网拓扑结构,采用区域路网容量模型,对沈山高速公路局域路网承载能力及运营风险饱和度进行详细研究。

1 沈山高速局域路网拓扑结构构建

基于路网的拓扑结构,可以更好地分析路网的交通流运行特性和OD分布,这也是后续进行路网运营风险饱和度计算和构建路网承载能力计算模型的基础[1]。在拓扑结构图中,相邻且具有相同OD选择的城市会简化为同一个拓扑图上的节点,路网中的各条道路也被简化为直线直接连接各OD点,无需考虑道路几何条件对交通运行状态的影响,也无需考虑OD点内部交通流的相互影响,便于分析路网特性。目前,拓扑结构相关理论可分为图论基本概念、复杂网络基础理论、复杂网络基础模型等[2],而将交通运输网络抽象为复杂网络模型的方法主要为原始法和对偶法。文章采用原始法建立沈山高速公路路网拓扑结构图,根据辽宁省各城市之间的OD数据,将辽宁省分成表1所示的交通小区。

表1 辽宁省各城市拓扑结构节点划分

由于沈山高速公路各路段均为双向通车路段,构建的高速公路拓扑结构图中的各条边均为双向,因此可表示为无向图。某些区域内高速公路相交的节点间距离较短,相对于整个道路网络与其他节点的影响较小,因此在构建高速公路拓扑结构图时,对于某些相交节点,可以合并成1个节点,通过边与其他节点相连。基于上述原因,根据实际情况将小区1-4合并为1个节点(沈阳),小区7-8合并为1个节点(盘锦),小区9-14合并为1个节点(锦州),小区15-22合并为1个节点(葫芦岛),小区23-25合并为1个节点(铁岭)。建立图1所示沈山路网拓扑结构图,图1中,节点旁编号表示节点包含的OD小区编号,路径上标注的数字表示两节点间路段的实际距离。

图1 沈山路网拓扑结构图

2 局域路网承载能力计算

目前,局域路网承载能力计算模型可分为区域路网基本容量模型和区域路网极限容量模型。计算过程中,需要给出局域路网拓扑各小区之间的OD数据以及各OD点之间的距离矩阵。为便于程序计算,将合并后的各OD点间的距离计作0,将无道路连接的OD点间的距离计作10000,由此可以得到路网各节点的OD矩阵和距离矩阵。表2和表3为计算所用的部分矩阵表。

表2 沈山路网各节点间OD矩阵(部分)

表3 沈山路网各节点间距离矩阵(部分)

由于数据量大,采用Matlab编程计算,分别运用区域路网基本容量模型和区域路网极限容量模型计算整个路网不同的V/C(0.4、0.6、0.8、1.0),分别表示整个路网所处不同服务水平的基本承载能力和极限承载能力。由于沈山高速连接省界至沈阳,因此还需统计这一路段的承载能力。

要计算改扩建影响路网的容量和省界至沈阳段路网容量,只需确定路网范围内包含的OD对。整个路网计算完成后,将OD对间的交通量相加,即可得到所需路网范围的容量。

其中,省界至沈阳段包含的OD对有:(6,7-8),(7-8,9-14),(9-14,15-22)。影响路网范围包含的OD对有(6,7-8),(7-8,9-14),(9-14,15-22),(33,34),(34,35),(35,36),(32,33),(1-4,32),(5,32),(1-4,5),(7-8,28),(9-14,34)。部分计算结果见表4和表5。

表4 基于路网基本容量模型的承载能力计算

表5 基于路网极限容量模型的承载能力计算

由于沈山高速影响区域路网,无法获得部分道路现状流量数据,无法针对区域路网承载力进行分析。因此,选取省界至沈阳段的部分重要路网进行分析。在路网中,省界至沈阳段道路包括沈山高速、G102、S308和S102。部分重要路网的现状交通量数据见表6。

表6 省界至沈阳路段道路状况

表6数据均为单向日交通量,而路网承载能力计算得到的结果为双向每小时交通量。为简化计算,假设道路现状双向流量相同,则可计算得到省界至沈阳段路网现状路网的平均小时交通量:

将省界至沈阳段的计算结果汇总至表7。

表7 计算结果汇总

3 结论

(1)省界至沈阳段的现状交通量已超过目标V/C为0.6时的路网极限容量,尚未达到0.8时的路网基本容量。如路网整体保持在二级服务水平,路网容量不足,说明现状较多路段的服务水平已低于二级服务水平。

(2)如路网均保持三级服务水平,路网极限容量大于现状交通量。因此若要保证路段正常通行,在整体达到三级服务水平的条件下,路网中还需承担一定交通量。V/C为0.8时,该道路还可承担的极限交通量为5000辆/小时,无需大规模分流。