Hardsoft和S-Paramics的城市對外交通道路網(wǎng)設計.doc

基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市對外交通道路網(wǎng)設計孫智源，于麗娜，孫楊楊（北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）摘要：說明了城市對外交通的組成和作用，分析了城市對外交通道路網(wǎng)設計的內(nèi)容與評價指標。通過設計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的城市對外交通道路網(wǎng)設計的方法，介紹了方法的具體步驟。以某市城市對外交通道路網(wǎng)設計為例，進行具體說明。關(guān)鍵詞： 城市對外交通；道路網(wǎng)設計；TransCAD；Hardsoft；S-Paramics1城市對外交通城市對外交通是指城市與城市范圍以外地區(qū)之間采用各種運輸方式運送旅客和貨物的運輸活動，是以城市為基點，聯(lián)系城市及外部空間以進行人與物運送和流通的各類交通運輸系統(tǒng)的總稱1。城市對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。復雜性是城市對外交通的固有屬性，城市對外交通的運輸方式和出行類型多種多樣，交通設施規(guī)模龐大。城市對外交通規(guī)劃通過設計一個綜合運輸系統(tǒng)，將市內(nèi)交通與市外交通編織成為一張有機結(jié)合的交通網(wǎng)絡。隨著城市的不斷擴張和城市交通問題的日益加劇，人們逐漸意識到合理組織和設計城市對外交通具有非常重要的意義。合理的城市對外交通規(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，促進交通運輸效率的提高，保障城市的內(nèi)部運營和對外發(fā)展。城市對外交通規(guī)劃包括三個層次的研究內(nèi)容：宏觀層面，對外交通的區(qū)域面積設計和功能定位；中觀層面，對外交通各功能分區(qū)的總體布局；微觀層面，對外交通道路網(wǎng)設計。宏觀的區(qū)域面積設計和功能定位受地形條件和城市總體規(guī)劃的影響比較大，設計的自由度比較低；中觀的功能分區(qū)設計受城市產(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)設計是保障城市對外交通規(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外交通道路網(wǎng)設計。2城市對外交通道路網(wǎng)設計的內(nèi)容與評價指標作者：孫智源(1988-)，男，山東慶云人，北京交通大學在讀學生，學士，研究方向為交通工程。郵箱：06251017城市對外交通道路網(wǎng)是城市對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。城市對外交道通路網(wǎng)設計包括三個方面的內(nèi)容：道路總體設計，包括道路等級和線網(wǎng)密度設計等；道路交通設計，主要指線網(wǎng)布局等；道路交通管理與控制，包括道路渠化、交叉口設計和信號燈設計等。城市對外交通道路網(wǎng)設計屬于城市道路交通規(guī)劃范疇，遵循一般的設計步驟：現(xiàn)狀調(diào)查，資料準備；道路系統(tǒng)初步規(guī)劃方案設計；交通規(guī)劃初步方案評價；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。城市對外交通路網(wǎng)設計是通過規(guī)劃路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高道路的服務水平，從而提高城市對外交通的效率。因此，將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)道路的服務水平作為設計方案的重要評價因素。評價服務水平的指標有：行駛速度和運行時間、車輛行駛時的自由程度、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)濟性等，但在應用中實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、并且較容易量測的一項或幾項主要指標來評價，一般常用行駛速度、服務交通量與通行能力之比作為評價服務水平的主要指標3。3城市對外交通道路網(wǎng)設計的技術(shù)路線3.1方法綜述現(xiàn)在比較流行的城市對外交通道路網(wǎng)設計的方法有兩類，一類是定性分析法，一類是定量計算法。定性分析是建立在經(jīng)驗、邏輯思維和推理基礎上的分析，通過對規(guī)劃區(qū)域的現(xiàn)狀交通、地理條件等和設計方案的優(yōu)缺點進行宏觀分析，確定最優(yōu)方案，其方法有因素評分法、德爾菲法等4。定量計算是以大量數(shù)據(jù)作為支撐，通過實際計算得到設計方案，可分為采用單一的數(shù)學模型或評價方法和運用動態(tài)仿真技術(shù)兩類。相比較而言，單一的數(shù)學模型或評價方法不能真實有效地反映道路通行情況，并且計算量很大；運用動態(tài)仿真技術(shù)可以降低定量計算的復雜程度，并且能再現(xiàn)實際交通系統(tǒng)的特性，分析交通系統(tǒng)在各種設定條件下的可能行為，通過模型仿真試驗的結(jié)果，以尋求現(xiàn)實交通問題的最優(yōu)解，評價運輸設施各類設計方案的效果5。本文采用以定量計算為主的定量與定性相結(jié)合的方法，并且在定量計算的過程中使用微觀交通軟件進行仿真。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層次。目前，用于動態(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節(jié)程度7，其強大的功能主要通過軟件中的6大模塊來實現(xiàn)8，支持許多形式的交通需求預測模型，包括戰(zhàn)略性規(guī)劃法、四階段交通需求預測模型、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。在這里主要應用TransCAD進行交通需求預測和交通流分配。Hardsoft適用于道路的具體選線設計，屬于土建范疇，在這里用于檢測道路網(wǎng)設計方案是否符合土建要求。微觀仿真軟件S-Paramics能適應各種規(guī)模的路網(wǎng)，并具有實時動畫的三維可視化用戶界面，可以實現(xiàn)單一車輛微觀處理，支持多用戶并行計算，具有功能強大的應用程序接口10。S-Paramics在交通工程和交通運輸界得到了長足的發(fā)展和廣泛的應用，其優(yōu)勢在微觀交通仿真的屬性和豐富的仿真導出數(shù)據(jù)。應用S-Paramics進行微觀交通仿真，具有路網(wǎng)建模方便、交通仿真細致和適于交通組織方案比選的優(yōu)點11。在這里運用S-Paramics軟件進行城市對外交通路網(wǎng)設計方案的評價。3.3設計步驟和指標基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市對外交通道路網(wǎng)設計分四步進行：1 規(guī)劃年限交通量預測首先通過對規(guī)劃區(qū)域進行綜合分析劃分交通小區(qū)，然后進行交通調(diào)查獲得小區(qū)OD，最后應用TransCAD得出規(guī)劃年限交通量。2 道路線形設計應用Hardsoft軟件設計道路線形，設計的指標有緩和曲線長、圓曲線長等。設計的步驟為：構(gòu)造DTM；進行平面設計；進行縱斷面設計；進行橫斷面設計。3 道路網(wǎng)方案評價道路網(wǎng)方案評價就是應用S-Paramics，按照預測交通量，通過仿真得出不同的方案下道路網(wǎng)的通行狀態(tài)。評價指標體系包括交通運行效益、安全性、環(huán)境保護、舒適性和經(jīng)濟性，一般選擇交通運行效益作為主要的評價指標，具體講就是速度、行駛時間、擁擠及延誤等5。使用S-Paramics軟件進行微觀仿真的步驟為：1) 建立新的仿真文件，選擇仿真基礎指標，導入底圖，其中仿真指標包括道路靠右通行的屬性和仿真運行的時間段，底圖為道路網(wǎng)的電子地圖（DXF格式）；2) 繪制基礎路網(wǎng)，先進行路網(wǎng)建模，再編輯道路等級，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)絡中運行車輛的車型比例；4) 校驗模型，進行仿真運行，導出數(shù)據(jù)，進行數(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)化就是對第3步中選出的方案進行優(yōu)化，優(yōu)化的內(nèi)容包括交叉口的設計類型、控制類型和信號燈配時等。同樣要應用S-Paramics，具體步驟與步驟3相同。評價指標有流量、旅行時間和延誤等。 圖1 設計步驟4實例研究以某市為例，現(xiàn)狀路網(wǎng)如圖2所示。此城市對外交通構(gòu)成復雜，具有飛機場、物流園區(qū)和火車站三個大型交通發(fā)生與吸引點。外環(huán)公路、對外高速、環(huán)城公路均為雙向4車道，限速為70km/h。下面進行具體的城市道路交通設計。1 規(guī)劃年限交通量預測：對規(guī)劃區(qū)域進行綜合分析，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 道路線形設計：根據(jù)規(guī)劃年限預測交通量，應用Hardsoft設計對外交通設計方案，并進行方案評價，如表1所示。表1 道路線形設計方案名稱道 路 線 形 設 計Hardsoft評價地形評價評價結(jié)果方案一機場公路與對外高速相連地形條件不允許舍棄物流園區(qū)引出道路與對外高速平交地形條件允許方案二機場公路與對外高速相連地形條件不允許舍棄物流園區(qū)引出道路下穿對外高速地形條件允許方案三機場公路與對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)公路與對外高速的交點（五叉）地形條件允許方案四機場公路與外環(huán)公路相連地形條件允許保留物流園區(qū)引出道路與對外高速平交地形條件允許方案五機場公路與外環(huán)公路相連地形條件允許保留物流園區(qū)引出道路下穿對外高速地形條件允許方案六機場公路與外環(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)公路與對外高速的交點（五叉）地形條件允許3 道路網(wǎng)方案評價將第2步得到的三個方案的DXF格式電子地圖和第1步得到的2020年小區(qū)OD量導入S-Paramics中進行仿真，把規(guī)劃區(qū)域道路網(wǎng)的平均運行速度作為評價指標進行評價，得到評價結(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。設計三個方案并進行仿真。路口的通行能力可以通過計算連接路口各個路段的通行能力獲得。一般認為，交叉路口的通行能力可以運用通行平均速度和流量中的一個或兩個來衡量。使用紅綠信號燈會使得通行平均速度的意義發(fā)生變化，因此這種情況下運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口帶紅綠信號燈方案通行能力為5830 pcu/h， T口無紅綠信號燈方案通行能力為5000 pcu/h。因此，T口帶紅綠燈方案為最優(yōu)方案。5結(jié)束語城市對外交通的合理設計具有非常重要的意義，城市對外交通道路網(wǎng)設計是城市對外交通設計的重要組成部分。依照定性與定量相結(jié)合的思想，提出了基于TransCAD、Hardsoft和S-Paramics的城市對外交通道路網(wǎng)設計的方法，并加以實例具體介紹。參考文獻1焦雙健,魏巍.城市對外交通M.北京:化學工業(yè)出版社,2005.2李杰.城市道路設計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)大學出版社,2000.4賀東風,胡軍.物流系統(tǒng)規(guī)劃與設計M.北京:中國物資出版社,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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