公路网规划理论的研究概况及发展趋势

公路网规划理论的研究概况及发展趋势

李淑庆 唐热情

摘要：介绍了国内外公路网规划理论的发展历程，对公路网规划的工程流程和主要内容作了详细的介绍，并对预测理论与方法、布局理论与方法、评价理论与方法等进行了分析比较，最后对其未来的发展趋势进行了展望.

关 键 词：公路网；规划理论；预测；布局；评价；模型

中图分类号：U412.1 文献标识码：A

文章编号：1001-716X(2000)02-0021-06

A general survey and development terdery of

planning theories on highway network

LI Shu-qing TANG Re-qing

（Department of Automobile Engineering,Chongqing Jiaotong

Institute,Chongqing 400074,China）

Abstract：In this paper,the development progress,working program and main content of the highway network planning theory at home and abroad are

elaborated.Moreover,the planning theories and methods on

forecasting,distributing and appraisal are comparatively analysed.Finally,the development tendency is offered.

Key words：highway network;planning theory;forecast;distribution;appraisal;model

公路网建设是一项涉及面广、投资量大、周期长、影响深远的系统工程，它在国民经济建设和现代国防建设中的地位举足轻重.公路网规划作为公路建设的一项前期工作，对确保未来公路网系统功能的实现具有十分重要的意义.它是客观的、实事求是的工作，它的开展能提高公路建设的投资效益，促进公路建设协调、有序、迅速地发展，防止布局和建设中的盲目性、重复性和随意性，并使公路建设在既定的规划目标下保持一定的延续性和持久性.因此公路网规划是公路建设宏观管理和科学决策的重要依据.90年代初，我国开展了30年公路网规划工作，制订了“五纵七横”12条国道主干线的总体布局设想及2000年以前重点建设“两纵两横、三个重要路段”规划，各省市也相应开展了公路网规划工作，在理论研究和实践操作中大胆探索，取得了丰硕的成果.我国近几年来公路建设事业的迅速发展与这些规划的指导作用是分不开的.但公路网规划的影响因素复杂，规划理论与方法也很多，尚无一种统一的标准.我国的公路网规划工作正在全国开展，公路网规划理论与方法也在不断的实践中发展和完善，本文力图在认真概括总结前人的工作经验与成果的基础上，作一些整体性的分析并提出其发展趋势，但求起到抛砖引玉的作用.

1 主要内容及工作流程

作为公路网规划工作的基石，公路网规划的基本理论与方法，亦即公路交通系统的网

络规划技术，它所涉及的主要内容可由图1所示的框图结构来描述［1，2，9］：

图1 公路网规划的主要内容

公路网规划的工作流程虽然在细节处理上各有差异，但在整体思路上，普遍采用图2所示的模式.

图2 规划工作一般流程

2 国内外研究发展概况

公路网的规划是公路建设发展的客观需要.规划的思想古已有之，但真正意义上的公路网规划还是源于本世纪初汽车工业带动下公路建设事业的发展.在这将近一个世纪的历程中，公路网规划逐渐发展成为了一门不断完善的新学科.国外在这方面的研究大体可分为以

下6个阶段［9］：

1) 直观判断型阶段 本世纪50年代以前的公路网规划均属于这一阶段，既不进行交通调查也不用数学模型进行分析预测，完全由主要技术负责人和规划人员根据个人经验直

观判断决定或根据少量的资料通过简单的定性预测决定.

2) 集合模型阶段 大体在1969年以前属于这一阶段.在这一阶段里，传统的四阶段模

型被作为预测交通需求的基本模式.

3 非集合模型阶段 大约70年代初到末期，在此阶段，交通需求并非通过“汇总”、

“平均”得来，而是通过离散的出行行为的概率模型来处理的.

4) 出行选择行为模型阶段 从70年代末期到80年代初期属于这一阶段.在此阶段中，交通规划中最重要的参数——出行次数被认为由心理过程、相应的外部条件和决策人的特

征数据等因素决定.

5) 人的活动模拟与观测技术阶段 这一阶段大约从80年代初期到80年代末.最具有代表性的技术是英国HATS观测方法，用此法测出的出行被普遍认为相当可靠.

6) 微型计算机阶段 从80年代末期开始，计算机技术有了很大的发展，利用计

算机的优势，传统的四阶段模型又被重新使用和发展.

我国在公路网规划方面的研究起步较晚，70年代以前基本上处于直观判断型阶段，80年代后我国公路网规划进入新的发展时期，从借鉴研究到与本土研究相结合，也取得了大量的成果.1990年我国正式颁布了《公路网规划编制办法》，初步建立起了适合我国国情的

规划管理理论方法体系.

从总体上看，公路网规划的理论，国外主要有集合模型(aggregate model)理论和非集合模型(disaggregate model)理论.它们的主要差别表现在交通需求的预测方面，前者基本上是以交通小区(zone)或网络中的节点为单位对调查阶段得来的有关数据进行统计处理，在此基础上预测交通发生吸引总量，并按一定的分配原则将其分配至小区或节点间、交通方式间、路径间.因为进入模型的分析的数据均是经过统计处理的以小区或节点为单位的数值，所以称之为集合(分析)模型；而非集合模型理论则只研究人的个体行为，进入模型

分析的数据直接是个体行为特征数据.它研究作为交通行为决策单位的个人是否进行交通出行、去何处、利用何种交通方式、选择哪条路径等问题，对出行者可能的选择过程进行模型化，然后将个人的选择结果求和，从而得到交通需求总量，因此它在多因素自变量的选取、的表现力和预测的灵敏度等方面有突出的优点，其最具代表性的应用是处理关于交通方式的选取的问题.事实上，这两种理论方法因其自身的特点各有其适应范围.集合模型理论以车辆的OD调查和交通量调查为基础，适用于较长期的、大范围的以车流、客货流为主导的公路网规划，其典型代表为“四阶段模型理论”；而非集合模型理论以居民出行OD调查为基础，较适用于城镇内以客流为主导的交通规划，其最基本的模型是MNL模型(Multi-Normal-Logic Model)，另外适用的模型还有NL(Nested Logic Model)、 HL(Hierachical Logic Model)、 MNP(Multi-Normal Probit Model)模型等［11］.另外针对交通调查的复杂性，国外从70年代开始发展了一种利用道路流量(或称线路流量、 交通量)观测数据进行OD矩阵推算的理论.因为规划过程中的出行调查需花费大量的人力、物力、财力和大量的时间，相比之下，进行道路流量的观测则要经济得多而且更易于组织，因此随着该理论的发展、完善，正日益受到交通规划研究者和决策人员的重视.国外学者提出的一系列OD矩阵推算模型大多建立在一个共同的假设之上——网络交通满足平衡条件，即交通流在网络上的分配服从Wardrop第一、第二原理.其推算模型是以分配的OD量总出行时间与观测的总出行时间最接近为目标函数，然后进行求解.东南大学的学者在分析这些模型的不足的基础上，根据“网络中每一路段交通量为各路段OD出行量的线性组合”［9］这一基本假定，提出了一种以分配的路段交通量与实测路段交通量偏差最小为目标函数，以OD量非负为约束条件的OD推算模型，并对该法进行了推广，提出了一区多中心OD量推算模型，解决了大范围内应用时算法上的，目前已成功地应用于城市交

通规划，前景看好.

在我国常用的公路网规划理论方法主要有“四阶段法”和“总量控制法”［5］.反映在

方上，前者实现的是一种从微观到宏观的过程，而后者实现的是一种从宏观到微观再到宏观的过程.“四阶段法”以OD调查为基础，在确定公路交通现状OD分布的基础上，作出未来OD分布的推算，并据此将预测到的OD流通过标定的模型分配到公路网上去，最后依据路网上流量的大小确定技术等级并作出建设排序.这种方法技术性较强，逻辑思路清晰，因而在国际上被广泛采用，但其前期的交通调查将是一项内容庞大、需消耗大量人力物力的艰巨任务.“总量控制法”为西安交通大学所提出，此法充分利用现有的交通调查资料，依据区域内的社会经济发展和生产力布局的特点，通过对公路交通需求、路网建设资金等多个总量指标的预测，来控制公路网建设的总规模，确定公路网的总格局，然后综合考虑区域内各节点的政治、经济、文化、地理环境等的特点，按照、技术、经验相结合的原则将规划期的网络流量分配至各线路并由此确定其技术等级及建设排序.这种方法较侧重于宏观上的关联分析，简便易懂，经济节约，可操作性强，比较适合我国国情，因而国内不少省市对它进行了研究和实践，取得了较为满意的成果，但由于宏观经验方面

的揉合，对交通需求缺乏深入的调查分析，在理论上还有待于进一步完善和检验.

从具体的内容来看，在公路网合理发展规模方面，前苏联学者研究建立了地区发展水平、运输量和公路网合理长度之间的相关关系，提出了公路网合理长度的计算模式，另外还采用多元回归和相关分析法，建立了地方道路网密度的线性函数关系式；东欧学者根据国土和经济发展状况，提出了L=a(MN)b公式，式中L为公路网的合理长度(km)(下同)，M为人均可利用的土地面积(km2)，N为人均国民生产总值(美元/人)，a、b为待定系数；日本学者提出了国土系数理论，干线公路网长度L=K(PA)1/2，其中K为经济规模系数，P为区域人口数(万人)，A为区域面积(km2)，并认为道路密度与人口平方根成正比，干线网线路长度还与该地区的交通需求成正比，与建设及养护费用成反比，并提出了各种模型的地区参数，为干线网规划提供了理论基础和计算方法［5］.我国学者根据具体的实践也提出了一系列的模型［3，4］，如：类比模型D=aPDbPGc，式中D为公路网密度(km/百km2)，

PD为区域人口密度(人/km2)，PG为人均国民生产总值(美元/人)，a、b、c为待定系数；运输需求模型L=aln(GYH)+b,式中GYH为公路年货物周转量(万t/km)，a、b为待定系数；人口模型L=aP+b，式中P为区域人口数(万人)；Logistic模型：L=k/(1+ae-bt)，式中k为公路网总里程的上限(km)，t为年份；连通度模型L=C(AN)1/2，式中C为连通度(代表网络化水平)，A为区域面积(km2)，N为区域内结点数.由此可见，目前公路网合理发展规模方面的研究还比较分散，在具体操作中关于模型的选取还没有一种较为成型的方法，对模型适度的检验还不够重视，虽然也有折衷的方法同时采用多个模型测算，最后由决策者综合参考决定，但依然回避了模型是否适度这一关键性的问题.从技术上我们可以找到一种更为一般的可靠的科学的理论方法，其大致的逻辑框图如下(图3)，这种逻辑思路在后面的

分析部分中也有所体现. 图3 建模逻辑图

在交通需求的预测方面，其内容主要包括以下4个方面：

1) 人口及国民经济指标预测 它是公路运输量和交通量预测的基础和依据.一般采用回归法预测并用增长率法进行校核，预测的内容有：总人口、工农业总产值、国民收入、国民生产总值等；

2) 公路运输量预测 它的主要内容是客货运量和周转量.预测思路有两大类，一是首先预测综合运输量，然后用综合运输的结构量化趋势预测公路运输量；二是直接根据相应经

济指标与公路运输量的关系进行预测.

3) 公路交通量预测 根据远景交通量的组成(图4)，一般采用基于OD调查资料的四阶段法预测［1］.其内容包括交通发生预测、交通分布预测、交通方式分担预测、交通分配预测.其一般“四阶段预测模型”的框图结构如下

［1，5，9］

(图5)：

图4 远景交通量组成

图5 四阶段预测常用模型

4) 建设需求预测 其预测思路是根据交通量预测过程中，交通分配预测得到的网络上

各线路的交通量与其通行能力进行比较，得到各路段的拥挤情况，据此确定哪些路段需要建设及其建设规模，然后将各线路的建设规模和投资汇总即可得到建设需求.

另外，对于区域交通量的预测特别是投资区、开发区、开放区，往往由于不确定因素很多，无法确定交通量的集中与发生，因此也就难以运用四阶段法来预测交通量.鉴于此，日本国际临海开发研究中心提出了一种新的方法(称日本国际临海开发研究中心法)，其实质与OD矩阵推算法的思想基本一致，但具体处理方法有所不同，它充分考虑了区域交通量的各种不平衡因素，具有较大的适应性，其公式如下：

N=C/W*β/12*γ/ξ*(1+δ)/ε

式中：N为预测对外交通量(辆/日)；C为公路运输量(t/y)；W为卡车货物实载量(t/y)；β为月不均匀系数(最旺月货运量/平均月货运量)；γ为日不均匀系数(最旺日货运量/平均日货运量)；ξ为月平均有效工作天数(天)；δ为相关车比率(相关车辆数/车辆总数)；ε为实载车所占比率(实载车辆数/车辆总数).

在公路网布局方面，其设计方法一般可归纳为三类，即经验调查法、数理解析法、系统分析法［1］.经验调查法是根据实际需要，由专家构思，集体共议，通过有限的调查研究和测算而进行的一种方法.此法缺少科学依据和足够的定量分析，加之受人的经验和基础资料的，随机性较大，所得的成果比较粗略，往往只限于短期内的修建计划，难以实现规范化和系统化.数理解析法又可分为干道方向法、星形组合法和渐近优解法，此类方法在一定的范围内结合经济原理，以数学计算为依据，有一定的使用价值，其共同的缺点是缺少系统分析和整体优化.系统分析法是当代经济发达国家普遍应用于交通规划的现代化方法，其应用范围很广泛.在公路网布局方面，主要的系统分析法有动态规划法、图论最大流

最小割集法和网络流法等［1］，其特点均是以经济效益最佳为原则，选取运输周转量、行程时间及营运费用作为目标函数来选定干道方向、支线偏角及最佳分向线.我国学者提出了逐层展开法，认为求得公路网合理布局的过程是一个“分层研究、逐层展开、整体优化”的过程.“分层研究”是指通过聚类分析，将区域内结点按其重要度进行层次划分；“逐层展开”是指在区域内节点层次划分清楚的基础上，先做出第一层次节点路网布局并优化，获得路网主骨架，然后在此基础上加边展开做出第二层次节点的路网布局并优化，且考虑上下两层布局之间的相互影响，以此类推直至完成最后一层节点的布局为止.“整体优化”是指在既定的目标和给定的条件下，通过“分层研究”和“逐层展开”达到路网整体布局所产生的效益最佳的目的［5］.

在公路建设决策投资方面，芬兰学者选取道路建设总费用与道路使用者的总费用之和作为目标进行优化，运用线性规划方法确定了项目投资的优序排列.我国学者提出采用模糊优选法建立贴近度(或紧迫度)函数.只要合理确定基准方案的指标集合，就可根据贴近度(或紧迫度)的大小排出备选方案的优先顺序［5］.

在公路网的综合评价方面，其内容主要涉及社会评价、经济评价、技术评价和环境评价四个方面［5］，根据宏观、微观上的层次可将其分为公路网总体水平评价(包括社会评价、经济评价、环境评价)和公路网技术性能评价(即技术评价)［6］.这里所提的“综合评价”有两个方面的含义，一从其内容来看，是指包含多方面因素的评价；二从其结论来看，是指对各个孤立的量化指标进行综合评定的结果.其作用也有两个，一是对同一规划的不同方案(同时同地)进行对比分析，二是对不同的规划方案(不同时或不同地)进行比较，其目的只有一个，那就是得出最优的、合理的、科学的规划方案.它既可以用于现状评价，也可用于规划方案的评价.目前在国内外，公路网技术性能评价的研究较为深入，而公路网总体水平评价的研究还处在探索完善阶段［6］.其操作过程通常是在建立相应指标体系的基础上通过一

定的评价方法得出综合评价结论.指标体系的建立方法主要有经验法、聚类分析法和因子分析法等［8］.综合评价的方法主要有价值分析法、单纯矩阵法、层次分析法、模糊综合评判法等［5］，近来又有神经网络法等带有自适应和自学习能力的一些智能型的方法［7］.

3 发展趋势

公路网规划融、技术、经验于一体.技术方面借助于数学方法已能实现较为完善的处理，然而与经验的处理一直是理论研究的一大难题.经验，一方面是人类探索自然、改造自然的劳动成果的结晶，是一项宝贵的财富，它对实践工作的指导意义不容忽视；但是另一方面，由于缺乏科学的可描述的理论依据，不可避免地会搀入一些主观的随意性，从而影响其可靠度，使得经验的有效利用受到了阻碍.90年代以来，智能控制领域的迅速发展，模糊控制(FC)、专家系统控制(EC)和神经网络控制(NNC)的成功的结合应用，为这个问题的解决提供了一个理想的模式.模糊理论的应用非常广泛，实际工作中许多概念具有不确定的外延，人们往往凭借经验作出判断，而模糊控制正是对这些概念进行描述的一种科学的更接近客观实际的办法，该法适于对难以建模的对象实施鲁棒控制，而且最终控制形式简单，易于实现；专家系统控制是将人的感性经验(浅层知识)和定性算法(深层知识)结合的一种传统的智能控制方法，其主要优点是在层次结构上、控制方法上和知识表达上的灵活性，既可以进行符号推理也允许数值计算，既可以精确表达推理也允许模糊描述决策；人工神经网络能够模拟人脑知识获取和经验积累的过程，具有自适应和自学习的功能，它是一种诸如知识表达、推理学习、联想记忆乃至复杂社会现象的统一模型，Hecht-Nielsen已经证明了在一定条件下三层前向传递神经网络对任意非线性函数的无限逼近能力，尤其对于客观上存在一定关系的各因素间模型的建立，有非常明显的优势.因此，这些理论方法的结合在公路网规划方面有着广泛的应用前景［7］.从国内外公路网规划理论研究的发展趋势来看，采用现代计算机技术与模糊理论、神经网络技术和专家系统相结合的智能型综合

评价方法将会逐步走进规划和决策的过程，它将能实现公路网规划在、经验和技术等方面的有机结合.

4 结束语

以上对国内外公路网规划理论的发展历程、工作流程和主要内容作了详细的介绍，并对预测理论与方法、布局理论与方法、评价理论与方法等研究概况进行阐述，最后对其未来的发展趋势进行了展望.本文对公路网规划的理论发展和实践具有现实的指导意义.

作者简介：李淑庆（1963-），男，四川省西充人，重庆交通学院副教授，硕士生导师，主要从事交通工程教学与研究工作。

作者单位：李淑庆（重庆交通学院 汽车工程系，重庆 400074）

唐热情（重庆交通学院 汽车工程系，重庆 400074）

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