基于剩余交通需求的城市轨道交通需求预测方法

摘 要 为使城市轨道 交通 资源被充分利用,以提高城市轨道交通的运营效益,提出了城市轨道交通规划中应采用基于剩余交通需求的城市轨道交通需求预测 方法 :根据常规交通方式的预测和道路的设计通行能力,求出以客流量表示的各常规交通路段的交通供给;然后根据“四阶段预测法”的交通量分配步骤中的多路径分配法,将城市总交通需求分配到城市常规交通路网上,得到城市总交通需求在各常规交通路段上的分配;再求出交通需求与交通供给之差,即得剩余交通需求;最后根据剩余交通需求进行轨道交通规划。

关键词 剩余交通需求,交通预测,城市轨道交通,交通供给

目前 已有的城市轨道交通规划方法,对轨道交通 网络 和常规交通网络是否能共同承受城市交通需求的 研究 已十分成熟,然而在规划设计中对城市轨道交通资源是否能被充分利用、运营效益是否良好等 问题 还缺乏很好的解决方法。城市轨道交通的规划设计,理应做到项目建成后其资源能充分被利用,以达到既缓解城市交通拥挤又不给政府和 社会 带来严重的财政负担的目的。在 经济 还不发达的 中国 ,城市交通规划和建设都遵循以城市轨道交通为骨架,以城市常规交通为主体的原则。这个原则要求城市交通规划时要尽量利用常规交通,作为缓解交通拥挤的手段,城市轨道交通是在常规交通不能满足居民出行需求的基础上产生的。为此城市轨道交通规划设计的步骤应是:首先 分析 全市居民的交通需求总量, 计算 规划的城市常规道路的交通供给;在此基础上,用城市总交通需求减去常规道路交通供给即得剩余交通需求;依据剩余交通需求进行城市轨道交通规划,最后对整个城市交通网络进行调整。这种规划方法将交通供给与需求的平衡关系通过客流量的分析表现出来,认为常规交通和城市轨道交通都是无差别的交通供给者,而将它们作为整个城市交通体系的构成部分紧密联系起来。

1 城市总交通需求预测

城市总交通需求预测包括交通生成预测与交通分布预测。交通生成预测包括城市居民的交通生成预测、流动人口的交通生成预测、对外及过境客运交通生成预测、货运交通生成预测等4方面。交通分布预测即根据交通生成预测和道路交通阻抗采取一定的数学模型进行计算分析,求出各交通区之间的Ｏ-Ｄ(起点-终点)分布量。

1.1城市居民和流动人口的交通生成预测

城市居民和流动人口的交通生成预测包括出行产生预测和出行吸引预测。各大城市均有成熟的数学模型公式,这里不再赘述。老城区居民出行吸引的预测按下述公式计算:

式中:Ａｉ为某种目的、交通区ｉ的出行吸引量;ｙｉ为某种目的、交通区ｉ的基本吸引权;Ｋｉ位为某种目的、交通区ｉ的区位系数;Ｋ ｉ特为某种目的、交通区ｉ的特性系数; 为为某种目的的居民出行产生量。

新建城区居民出行发生预测模型可采用原单位法,即以老城区各种出行目的的平均出行率预测数学模型计算值为原单位,通过下式计算确定:

式中:Ｇｉ为交通区ｉ的出行发生量;ａｎ为目的为ｎ的出行发生原单位;ｌｉｎ为交通区ｉ内的人口数(根据城市预测方法的不同,有的交通区ｉ内出行目的为ｎ的人口数)。

新城区居民出行的吸引预测可采用与老城区相同方法。流动人口出行产生预测可以采用较为简单的办法,如生成率法,出行分布预测可以采用与居民出行吸引相同的方法进行。

当所求的出行发生量或者吸引量之和与城市出行产生或吸引总量不一致时,需要进行修正。修正如下(设修正后的结果为Ｇｉ′和Ａｊ′):

式中:Ｐ为总的出行产生量或吸引量;其余同前。

1.2 对外及过境交通客运交通生成预测

按出行目的如城市居民 旅游 度假或探亲、公务出差、学生往返学校、流动人口往返等进行分类,分别统计,并考察对外交通场站如火车站、中长途客运汽车站的规划布局、吞吐量大小,进行交通生成和吸引预测,并汇总至各交通区。

1.3 货运交通生成预测

货运交通生成预测方法,适用的预测数学模型为灰色模型[1]。首先根据城市 发展 战略确定,对产业结构进行分类,产业结构主要是指第一产业、第二产业和第三产业的比例关系。其中第一产业中货运交通需求量大的行业,可以单独进行货运交通量预测,再在各交通区内汇总。行业划分可以根据交通生成量的大小粗分或细分。更简单的预测方法是,根据交通统计资料,按每个行业的预测生产总量和现在生产总量(以吨或产值为单位,前者为佳)的比例关系确定交通产生量与吸引量。第二产业和第三产业的交通生成量,以及诸如生活所需的其它货运生成量可根据城市经济发展水平采用简单数学模型如生成率模型确定。

1.4 交通分布预测

交通分布预测可分为城市客运交通分布预测和货运交通分布预测。其中客运交通分布预测按市内交通分布和对外及过境交通分布预测。前者一般采用美国公路局单约束重力模型,后者可采用较为简单的增长系数模型或福来特模型[2]。货运交通分布预测用美国公路局单约束重力模型[3]进行Ｏ-Ｄ分布量预测方法如下:

式中:Ｘｉｊ为交通区ｉ与交通区ｊ之间的客(货)流分布量;Ｔｉ为交通区ｉ的发生客(货)流量;Ｕｊ为交通区ｊ的吸引客(货)流量;ｆ(ｔｉｊ)为道路交通阻抗参数,有ｔｉｊ-α、ｅ-βｔｉｊ等形式,常用前者;Ｋｉｊ为交通调整系数。

模型中所有的参数确定后,即可进行Ｏ-Ｄ分布量的计算。

2 城市常规道路交通网络交通供给预测

城市常规道路交通网络是指除轨道交通之外的城市道路交通网络,一般为路面是水泥混凝土或沥青混凝土结构的道路交通网络。城市各类常规道路交通路网密度、道路宽度和机动车道的条数按照《城市道路交通规划设计规范》(1995年1月发布)的要求确定。根据城市发展战略,有了初步的常规道路交通网络的规划设计后,即可进行供给预测。

城市常规道路交通网络的交通供给预测,即预测当城市常规交通网络达到设计通行能力时每一路段上人的流量(客流量)。在交通供给预测的过程中必须注意以下两个前提:

首先,各交通区之间的阻抗恒定不变。城市道路规划的目的是为了在高峰小时交通量达到设计通行能力时,道路所能容纳的交通量处于不产生拥堵的理想状态。其余的交通需求则由城市轨道交通网络承担。即交通规划的目标是以城市交通供给是否达到城市道路交通需求为界限的。所以,各交通区之间的阻抗可以不采用容量限制的模式,而直接以城市道路达到Ｃ级或者Ｄ级服务水平时的行车速度为计算依据,根据各路段的长度和设计行车速度, 求出交通区之间的平均出行时间为路阻函数。

此外,各条道路交通量必须扣除货运交通量再预测交通供给。因为城市轨道交通分担的是客运交通量,所以必须将货运交通量全都归为常规交通量。货运交通量在城市常规道路交通网络中的分担,可以根据货运Ｏ-Ｄ分布先求出每对交通区之间货运交通所需的车道数,然后根据交通需要,遵循货运交通服从客运交通的原则,决定货运路线及其交通量在城市道路上的分配。再将这种交通量折算成标准车型的交通量从城市道路网达到Ｃ级或者Ｄ级服务水平时的交通量中扣除出来。

货运交通所需的车道数ｎ按下述公式确定[4]:

式中:Ｄ为车辆饱和度,达到最高为100%;Ｌ需为货运车辆需要占用车道的长度;Ｌ供为交通干道为货运车辆可能提供的长度;Ｗ为城市所需货运车辆总数;ｌ间为平均车头间隔长度,可以根据行车视距确定;Ｌ干为为货运车辆提供服务的交通干道的长度,根据规划资料确定;Ｋ交为干道网的空间利用率,根据道路交通条件和交通组织确定。

扣除货运 交通 量后,就可以 计算 每一路段客流量。这需要预测各种常规交通客运车辆分担客流量的比例,通过设计规范查出各种车型对标准车型的交通量折算系数。交通方式的预测各城市均有成熟的模型,这里不展开讨论。下面讨论如何将城市道路上车流量转化为客流量的 问题 。根据“四阶段预测法”中交通方式的分担所述的数学模型与 方法 进行计算 分析 ,预测的某路段上第ｊ种交通方式分担的客流量的比例设为Ｐｊ,并假设该路段上的客流量为Ｙ(待求),则这种交通方式分担客流量的大小为(Ｐｊ·Ｙ);设第ｊ种交通方式一辆车的平均载客量为Ｈｊ,则需在这段路上运行的该种交通方式的交通量为(Ｐｊ·Ｙ/Ｈｊ),再设这种交通方式对标准车型的交通量换算系数为Ｋｊ,而相应该路段上扣除货运交通量剩余的交通量为Ｑ,则得下式:

由

(7)式可求出这段路段上所能分配的相应客流量Ｙ。并可预测每段路段ｉ上的客流量ｙｉ。

3 城市轨道交通规划与调整

3.1 城市轨道交通规划

城市轨道交通线路一般与常规交通线路平行设计,这样布局有利于乘客换乘。因此,可先按城市轨道交通线路平行于常规交通线路的方法完成轨道交通初步规划,然后根据城市用地特点和景观要求,再进行完善。因为城市交通规划达到的理想状态是规划的城市道路最终达到Ｃ级或者Ｄ级服务水平。按照这个设想,可以采用“四阶段预测法”中交通量分配步骤中的多路径分配法计算,先将城市总交通需求全部分配到 网络 上面。因为最终按照“四阶段预测法”对交通量在城市道路网络(包括轨道交通)上的分配结果是,城市各条道路上分配得到的交通流量的大小正好使城市道路最终达到Ｃ级或者Ｄ级服务水平,在这种情况下采用多路径分配方法已经具有很高的准确性。然后计算各路段上的剩余交通流量,再进行城市轨道交通规划。

1)求算各路段客流量

通过城市常规交通网络的交通供给预测,求得各路段能够分配的客流量为: 假设常规交通路线上的客流容量可以无限大,交通阻抗按Ｃ级服务水平时每一路段的长度除以设计车速计算,求出城市总交通需求在各路段上的分配。计算式如下:

式中:Ｘｊ为第ｊ对起讫点之间预测的Ｏ-Ｄ分布量;ｐｉｊ为第ｊ对起讫点之间的Ｘｊ在路段ｉ上的分配率,由“四阶段预测法”中交通量分配步骤中的多路径分配法计算获得;ｙｉ′为按假设条件城市总交通需求需要路段ｉ上分配的客流量。

由式

(1

9),可以得到按假设求出的城市总交通需求在各路段上分配的客流量为:

2)求算剩余客流量和布置轨道交通线

式

(10)与式

(8)相减,便得到需要轨道交通分配的剩余客流量ＹＧ: (ｙ1′-ｙ1,ｙ2′-ｙ2,…,ｙｎ′-ｙｎ)Ｔ

(1

1)

ＹＧ就是剩余交通需求。据此作为城市轨道交通线路的初步布置。从ＹＧ中找出大于或等于单条轨道交通线(主要为轻轨和地铁)输送乘客能力的所有项。如果ｙＧｉ满足要求,那么在路段ｉ上布置符合相应输送能力的轨道交通线。

为分配率矩阵是按照上述假设进行计算的,所以城市总交通需求在常规交通网络某路段ｉ上的分配与每一路段上的交通阻抗有关。但是,在路段ｉ上布置轨道交通线,因轨道交通线上的阻抗比常规交通要低得多,路段ｉ上的交通阻抗将会下降很多,所以路段ｉ上分配的客流量要比ＹＧｉ大一些,也即轨道交通线的布置会引起客流量的重新分布。故在决定某条常规交通路段上是否布置轨道交通线时,可对ｙＧｉ的要求有所降低。例如,当路段ｉ上ｙＧｉ大于或者等于轨道交通线输送乘客能力的90%时,即可布置轨道交通线。

3) 轨道交通网络的初步规划

完成轨道交通线的初步布置后,再将其连成为初步的网络。如果轨道交通线在某些位置是不连续的,则根据常规交通路段上剩余客流量的大小和城市规划布局的特点进行连接,使之成为完整的城市轨道交通网络。这种城市轨道交通网络即可作为初步的规划设计成果。

3.2 城市轨道交通规划的调整

城市轨道交通对城市用地规划具有导向作用[6]。当城市轨道交通网络形成后,应调整城市土地利用规划,根据相应的计算方法调整城市轨道交通沿线土地开发强度。因城市土地利用规划调整后产生的城市交通需求的变化,可通过较为简单的预测模型和方法,反映在城市各条道路上。

由于轨道交通的布置,将引起客流量的重分配,使与轨道交通相连接的某些常规交通路段的交通流量增大,可能又存在剩余交通需求大于或者等于轨道交通供给的路段。这就需要在某些路段上重新布置轨道交通线,以完善城市轨道交通规划。下面讨论客流量重分配后轨道交通规划的完善方法。

将初步完成的城市轨道交通规划路网布置在城市交通网络图中,根据这个交通网络图重新计算分配率矩阵Ｐ′

分配率矩阵中ｍ代表一共有ｍ段路段。但当将轨道交通路段作为单独的路段考虑时,ｍ值的大小可以变化,即增大至所有轨道交通路段与常规交通路段的数量之和。

由于轨道交通对城市用地规划的导向作用产生的客流量的变化可以直接加入到式

(10)中,再将各路段上轨道交通单线输送乘客能力的大小加入式（

8)中作为新的交通供给Ｙ新。以新的分配率矩阵代替原分配率矩阵,以各路段新的交通供给水平代替原交通供给水平,按式

(8)～

(1

1)重新计算,并按上述方法完善城市轨道交通规划。反复进行上述完善工作,直到最后一次计算得到所有条常规交通路段上剩余交通需求小于轨道交通供给为止。

最后,进行整个城市用地规划和道路交通网络的调整。如果最后一次计算的所有路段上的剩余交通需求正好都为0,则为理想状态。实际上,在完成轨道交通规划后即达到这种理想状态是不可能的,各路段上剩余交通需求(包括轨道交通在内)有正有负,但都不是很大。剩余交通需求为正,说明本路段交通供给仍然小于交通需求;为负,说明交通供给大于交通需求。这可以通过局部路段城市道路级别的改变或车道数的增减、道路交通网络接点的局部调整完成。此外,需要充分考虑轨道交通和常规交通以及和城市对外交通枢纽的换乘问题,合理布置各种车站,尽量做到零换乘。

参考 文献 [2]易汉文.城市分析与交通预测[Ｍ].武汉:湖北科学技术出版社,1994:186.

[3]王炜,徐吉谦,杨涛,等.城市交通规划[Ｍ].南京:东南大学出版社,1999:66.

[4]吴瑞麟,沈建武.道路规划与勘测设计[Ｍ].广州:华南理工大学出版社,2002:53.

[5]王维凤,林航飞,陈小鸿.高等级运输通道的潜在运输需求分析.城市轨道交通 研究 ,2004

(3):49.

[6]叶仲平,吴瑞麟.轨道交通对城市土地利用规划的导向作用研究[Ｊ].华中科技大学报(城市科学版),2005(增刊):173.