Hardsoft和S-Paramics的城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì).doc

基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)孫智源，于麗娜，孫楊楊（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）摘要：說明了城市對(duì)外交通的組成和作用，分析了城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過設(shè)計(jì)方法和仿真軟件的比選，依照定性與定量相結(jié)合的思想，提出了基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)的方法，介紹了方法的具體步驟。以某市城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行具體說明。關(guān)鍵詞： 城市對(duì)外交通；道路網(wǎng)設(shè)計(jì)；TransCAD；Hardsoft；S-Paramics1城市對(duì)外交通城市對(duì)外交通是指城市與城市范圍以外地區(qū)之間采用各種運(yùn)輸方式運(yùn)送旅客和貨物的運(yùn)輸活動(dòng)，是以城市為基點(diǎn)，聯(lián)系城市及外部空間以進(jìn)行人與物運(yùn)送和流通的各類交通運(yùn)輸系統(tǒng)的總稱1。城市對(duì)外交通位于城市與城市外部空間之間，是城市形成、存在與發(fā)展的重要條件之一，也是構(gòu)成城市的一種主要物質(zhì)要素。復(fù)雜性是城市對(duì)外交通的固有屬性，城市對(duì)外交通的運(yùn)輸方式和出行類型多種多樣，交通設(shè)施規(guī)模龐大。城市對(duì)外交通規(guī)劃通過設(shè)計(jì)一個(gè)綜合運(yùn)輸系統(tǒng)，將市內(nèi)交通與市外交通編織成為一張有機(jī)結(jié)合的交通網(wǎng)絡(luò)。隨著城市的不斷擴(kuò)張和城市交通問題的日益加劇，人們逐漸意識(shí)到合理組織和設(shè)計(jì)城市對(duì)外交通具有非常重要的意義。合理的城市對(duì)外交通規(guī)劃有利于減輕城市內(nèi)部出行、內(nèi)外出行和過境交通的相互影響，促進(jìn)交通運(yùn)輸效率的提高，保障城市的內(nèi)部運(yùn)營(yíng)和對(duì)外發(fā)展。城市對(duì)外交通規(guī)劃包括三個(gè)層次的研究?jī)?nèi)容：宏觀層面，對(duì)外交通的區(qū)域面積設(shè)計(jì)和功能定位；中觀層面，對(duì)外交通各功能分區(qū)的總體布局；微觀層面，對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)。宏觀的區(qū)域面積設(shè)計(jì)和功能定位受地形條件和城市總體規(guī)劃的影響比較大，設(shè)計(jì)的自由度比較低；中觀的功能分區(qū)設(shè)計(jì)受城市產(chǎn)業(yè)布局與發(fā)展、城市總體發(fā)展戰(zhàn)略和政府政策左右；相比較而言，微觀的道路網(wǎng)設(shè)計(jì)是保障城市對(duì)外交通規(guī)劃合理、解決城市交通問題的最直接、有效和可行的途徑。本文研究微觀層面的城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)。2城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與評(píng)價(jià)指標(biāo)作者：孫智源(1988-)，男，山東慶云人，北京交通大學(xué)在讀學(xué)生，學(xué)士，研究方向?yàn)榻煌üこ?。郵箱：06251017城市對(duì)外交通道路網(wǎng)是城市對(duì)外交通的重要組成部分，其本質(zhì)屬性是聯(lián)結(jié)城際與城市交通，直接作用是聯(lián)結(jié)城市對(duì)外交通各功能分區(qū)，派生作用是減少城市內(nèi)部出行、內(nèi)外出行和過境交通的相互干擾。城市對(duì)外交道通路網(wǎng)設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面的內(nèi)容：道路總體設(shè)計(jì)，包括道路等級(jí)和線網(wǎng)密度設(shè)計(jì)等；道路交通設(shè)計(jì)，主要指線網(wǎng)布局等；道路交通管理與控制，包括道路渠化、交叉口設(shè)計(jì)和信號(hào)燈設(shè)計(jì)等。城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)屬于城市道路交通規(guī)劃范疇，遵循一般的設(shè)計(jì)步驟：現(xiàn)狀調(diào)查，資料準(zhǔn)備；道路系統(tǒng)初步規(guī)劃方案設(shè)計(jì)；交通規(guī)劃初步方案評(píng)價(jià)；修改道路系統(tǒng)規(guī)劃方案；繪制道路系統(tǒng)規(guī)劃圖；編制道路系統(tǒng)規(guī)劃方案說明2。城市對(duì)外交通路網(wǎng)設(shè)計(jì)是通過規(guī)劃路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高道路的服務(wù)水平，從而提高城市對(duì)外交通的效率。因此，將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)道路的服務(wù)水平作為設(shè)計(jì)方案的重要評(píng)價(jià)因素。評(píng)價(jià)服務(wù)水平的指標(biāo)有：行駛速度和運(yùn)行時(shí)間、車輛行駛時(shí)的自由程度、交通受阻或受干擾的程度、行車的安全性、行車的舒適性和方便性、乘客的滿意程度及經(jīng)濟(jì)性等，但在應(yīng)用中實(shí)際上很難全面考慮和綜合上述諸因素，通常是根據(jù)最能說明駕駛質(zhì)量、并且較容易量測(cè)的一項(xiàng)或幾項(xiàng)主要指標(biāo)來評(píng)價(jià)，一般常用行駛速度、服務(wù)交通量與通行能力之比作為評(píng)價(jià)服務(wù)水平的主要指標(biāo)3。3城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)的技術(shù)路線3.1方法綜述現(xiàn)在比較流行的城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)的方法有兩類，一類是定性分析法，一類是定量計(jì)算法。定性分析是建立在經(jīng)驗(yàn)、邏輯思維和推理基礎(chǔ)上的分析，通過對(duì)規(guī)劃區(qū)域的現(xiàn)狀交通、地理?xiàng)l件等和設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行宏觀分析，確定最優(yōu)方案，其方法有因素評(píng)分法、德爾菲法等4。定量計(jì)算是以大量數(shù)據(jù)作為支撐，通過實(shí)際計(jì)算得到設(shè)計(jì)方案，可分為采用單一的數(shù)學(xué)模型或評(píng)價(jià)方法和運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)兩類。相比較而言，單一的數(shù)學(xué)模型或評(píng)價(jià)方法不能真實(shí)有效地反映道路通行情況，并且計(jì)算量很大；運(yùn)用動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)可以降低定量計(jì)算的復(fù)雜程度，并且能再現(xiàn)實(shí)際交通系統(tǒng)的特性，分析交通系統(tǒng)在各種設(shè)定條件下的可能行為，通過模型仿真試驗(yàn)的結(jié)果，以尋求現(xiàn)實(shí)交通問題的最優(yōu)解，評(píng)價(jià)運(yùn)輸設(shè)施各類設(shè)計(jì)方案的效果5。本文采用以定量計(jì)算為主的定量與定性相結(jié)合的方法，并且在定量計(jì)算的過程中使用微觀交通軟件進(jìn)行仿真。3.2交通仿真軟件選擇交通仿真軟件分為宏觀仿真、中觀仿真和微觀仿真三個(gè)層次。目前，用于動(dòng)態(tài)交通仿真的軟件有很多，但能夠?qū)崿F(xiàn)快速路網(wǎng)建模、細(xì)致仿真的軟件卻不多6。宏觀仿真軟件TransCAD可用于任何交通模式、任何地理比例尺寸和任何細(xì)節(jié)程度7，其強(qiáng)大的功能主要通過軟件中的6大模塊來實(shí)現(xiàn)8，支持許多形式的交通需求預(yù)測(cè)模型，包括戰(zhàn)略性規(guī)劃法、四階段交通需求預(yù)測(cè)模型、離散仿真技術(shù)、多路徑選擇模型以及經(jīng)典的交通分配模型9。在這里主要應(yīng)用TransCAD進(jìn)行交通需求預(yù)測(cè)和交通流分配。Hardsoft適用于道路的具體選線設(shè)計(jì)，屬于土建范疇，在這里用于檢測(cè)道路網(wǎng)設(shè)計(jì)方案是否符合土建要求。微觀仿真軟件S-Paramics能適應(yīng)各種規(guī)模的路網(wǎng)，并具有實(shí)時(shí)動(dòng)畫的三維可視化用戶界面，可以實(shí)現(xiàn)單一車輛微觀處理，支持多用戶并行計(jì)算，具有功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序接口10。S-Paramics在交通工程和交通運(yùn)輸界得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)在微觀交通仿真的屬性和豐富的仿真導(dǎo)出數(shù)據(jù)。應(yīng)用S-Paramics進(jìn)行微觀交通仿真，具有路網(wǎng)建模方便、交通仿真細(xì)致和適于交通組織方案比選的優(yōu)點(diǎn)11。在這里運(yùn)用S-Paramics軟件進(jìn)行城市對(duì)外交通路網(wǎng)設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)。3.3設(shè)計(jì)步驟和指標(biāo)基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)分四步進(jìn)行：1 規(guī)劃年限交通量預(yù)測(cè)首先通過對(duì)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行綜合分析劃分交通小區(qū)，然后進(jìn)行交通調(diào)查獲得小區(qū)OD，最后應(yīng)用TransCAD得出規(guī)劃年限交通量。2 道路線形設(shè)計(jì)應(yīng)用Hardsoft軟件設(shè)計(jì)道路線形，設(shè)計(jì)的指標(biāo)有緩和曲線長(zhǎng)、圓曲線長(zhǎng)等。設(shè)計(jì)的步驟為：構(gòu)造DTM；進(jìn)行平面設(shè)計(jì)；進(jìn)行縱斷面設(shè)計(jì)；進(jìn)行橫斷面設(shè)計(jì)。3 道路網(wǎng)方案評(píng)價(jià)道路網(wǎng)方案評(píng)價(jià)就是應(yīng)用S-Paramics，按照預(yù)測(cè)交通量，通過仿真得出不同的方案下道路網(wǎng)的通行狀態(tài)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括交通運(yùn)行效益、安全性、環(huán)境保護(hù)、舒適性和經(jīng)濟(jì)性，一般選擇交通運(yùn)行效益作為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體講就是速度、行駛時(shí)間、擁擠及延誤等5。使用S-Paramics軟件進(jìn)行微觀仿真的步驟為：1) 建立新的仿真文件，選擇仿真基礎(chǔ)指標(biāo)，導(dǎo)入底圖，其中仿真指標(biāo)包括道路靠右通行的屬性和仿真運(yùn)行的時(shí)間段，底圖為道路網(wǎng)的電子地圖（DXF格式）；2) 繪制基礎(chǔ)路網(wǎng)，先進(jìn)行路網(wǎng)建模，再編輯道路等級(jí)，包括道路的車道數(shù)、寬度、限制通行速度等；3) 劃分交通小區(qū)，輸入小區(qū)間OD量，并確定交通網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行車輛的車型比例；4) 校驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行仿真運(yùn)行，導(dǎo)出數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論。4 道路網(wǎng)方案優(yōu)化道路網(wǎng)方案優(yōu)化就是對(duì)第3步中選出的方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的內(nèi)容包括交叉口的設(shè)計(jì)類型、控制類型和信號(hào)燈配時(shí)等。同樣要應(yīng)用S-Paramics，具體步驟與步驟3相同。評(píng)價(jià)指標(biāo)有流量、旅行時(shí)間和延誤等。 圖1 設(shè)計(jì)步驟4實(shí)例研究以某市為例，現(xiàn)狀路網(wǎng)如圖2所示。此城市對(duì)外交通構(gòu)成復(fù)雜，具有飛機(jī)場(chǎng)、物流園區(qū)和火車站三個(gè)大型交通發(fā)生與吸引點(diǎn)。外環(huán)公路、對(duì)外高速、環(huán)城公路均為雙向4車道，限速為70km/h。下面進(jìn)行具體的城市道路交通設(shè)計(jì)。1 規(guī)劃年限交通量預(yù)測(cè)：對(duì)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合S-Paramics仿真的要求，劃分交通小區(qū)如圖2所示。通過斷面交通調(diào)查，得出小區(qū)OD以及各小區(qū)通行的車型比。經(jīng)過TransCAD處理得到規(guī)劃年限2020年的小區(qū)OD量。圖2 現(xiàn)狀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)2 道路線形設(shè)計(jì)：根據(jù)規(guī)劃年限預(yù)測(cè)交通量，應(yīng)用Hardsoft設(shè)計(jì)對(duì)外交通設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，如表1所示。表1 道路線形設(shè)計(jì)方案名稱道 路 線 形 設(shè) 計(jì)Hardsoft評(píng)價(jià)地形評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)結(jié)果方案一機(jī)場(chǎng)公路與對(duì)外高速相連地形條件不允許舍棄物流園區(qū)引出道路與對(duì)外高速平交地形條件允許方案二機(jī)場(chǎng)公路與對(duì)外高速相連地形條件不允許舍棄物流園區(qū)引出道路下穿對(duì)外高速地形條件允許方案三機(jī)場(chǎng)公路與對(duì)外高速相連地形條件不允許舍棄物流園區(qū)引出道路交于外環(huán)公路與對(duì)外高速的交點(diǎn)（五叉）地形條件允許方案四機(jī)場(chǎng)公路與外環(huán)公路相連地形條件允許保留物流園區(qū)引出道路與對(duì)外高速平交地形條件允許方案五機(jī)場(chǎng)公路與外環(huán)公路相連地形條件允許保留物流園區(qū)引出道路下穿對(duì)外高速地形條件允許方案六機(jī)場(chǎng)公路與外環(huán)公路相連地形條件允許保留物流園區(qū)引出道路交于外環(huán)公路與對(duì)外高速的交點(diǎn)（五叉）地形條件允許3 道路網(wǎng)方案評(píng)價(jià)將第2步得到的三個(gè)方案的DXF格式電子地圖和第1步得到的2020年小區(qū)OD量導(dǎo)入S-Paramics中進(jìn)行仿真，把規(guī)劃區(qū)域道路網(wǎng)的平均運(yùn)行速度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到評(píng)價(jià)結(jié)果：方案四為62.5km/h，方案五為67.5km/h，方案六為63.3km/h。因此，保留方案五（如圖3所示），舍棄方案四和方案六。 圖3 最優(yōu)方案示意圖4 道路網(wǎng)方案優(yōu)化進(jìn)一步分析方案五，得出方案五的瓶頸為三叉路口，因此考慮將三叉路口改造成為T口。設(shè)計(jì)三個(gè)方案并進(jìn)行仿真。路口的通行能力可以通過計(jì)算連接路口各個(gè)路段的通行能力獲得。一般認(rèn)為，交叉路口的通行能力可以運(yùn)用通行平均速度和流量中的一個(gè)或兩個(gè)來衡量。使用紅綠信號(hào)燈會(huì)使得通行平均速度的意義發(fā)生變化，因此這種情況下運(yùn)用流量來衡量通行能力。S-Paramics仿真結(jié)論：三叉路口方案交叉口通行能力為5690 pcu/h，T口帶紅綠信號(hào)燈方案通行能力為5830 pcu/h， T口無紅綠信號(hào)燈方案通行能力為5000 pcu/h。因此，T口帶紅綠燈方案為最優(yōu)方案。5結(jié)束語城市對(duì)外交通的合理設(shè)計(jì)具有非常重要的意義，城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)是城市對(duì)外交通設(shè)計(jì)的重要組成部分。依照定性與定量相結(jié)合的思想，提出了基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市對(duì)外交通道路網(wǎng)設(shè)計(jì)的方法，并加以實(shí)例具體介紹。參考文獻(xiàn)1焦雙健,魏巍.城市對(duì)外交通M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.2李杰.城市道路設(shè)計(jì)M.北京:高等教育出版社,2007.3于書翰.道路工程M.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2000.4賀東風(fēng),胡軍.物流系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)M.北京:中國(guó)物資出版社,2006.5袁振洲.道路交通管理與控制M.北京:人民交通出版社,2007.6Software Review. 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