低碳视角下西安市运输网络分析及优化研究

武小平

（西安邮电大学 管理工程学院，陕西 西安 710061）

1 引言

随着车辆的急剧增长，城市交通变得日益拥堵，废气污染越来越严重。沈培钧比喻说，有一种病正在中国城市蔓延，这就是运输拥堵[1]；柯察今指出全国大中城市普遍存在着运输拥堵、车辆堵塞和运输秩序混乱的现象[2]。研究表明，城市中40%的空气污染来自汽车尾气。据计算，堵车3分钟的油耗大约相当于正常路况行车1km。以中型车每百公里油耗10L计算，每3分钟因拥堵产生的油耗是0.1L；拥堵使尾气排放严重，据统计，汽车在怠速情况下，CO(一氧化碳)的排放量是正常行驶时的2倍，HC(碳氢化合物)则是正常行驶的3倍。从网络的角度来优化交通运输是近年研究的热点。运输网络优化（Traffic Network Optimize Problem,TNDP）所研究的问题可分为两类：已有路段扩容和增加新路段。随着运输需求量的急剧增加，对运输网络运输流量的能力提出了更高的要求；城市化进程的加快，以及城市一体化过程需要增加新的道路或者扩张已有道路的通行能力。目前城市运输网络设计不合理性表现在以下几个方面：运输用地水平较低。李连成（2009）预测2006-2020年新增公路用地需求290万公顷、铁路用地需求26万公顷。中国人口密度高，城市运输基础设施投资严重不足导致中国大城市的运输用地所占的比例远远低于伦敦、东京等国际大都市相应的指标水平[3]；道路容量不足，最近几年机动车增速加快，而与之相应的运输面积处于低水平状态，虽然近十年有了较快发展，人均面积从2.8m2上升到6.6m2，但仍赶不上城市运输量20%的增长率；运输网络密度低下，魏丹指出我国现有城市运输网络路网密度低，干道间距过大、支路短缺、功能混乱，属于低效的运输系统，难以适应现代城市运输的需要[4]；网络设计忽视长远战略，规划建设采用“救火式”模式，仅重视改善点和线的运输，忽略了系统结构规划和建设，注重应急措施对策，忽视长远战略方案，与可持续发展相违背。

低碳运输的定义是指以降低污染物排放、减少资源消耗为目标，通过先进的物流技术和面向环境管理的理念，进行物流系统的规划、控制、管理和实施的过程。汽车燃油消费占国内燃油消费的总比例已从2000年的38.7%提高到2003年的42.7%，预计2010年和2020年汽车燃油消费分别需要2.59亿t和5.95亿t左右[5]。余霞指出应当系统地规划运输线路，建设现代综合运输体系，加快城市主、次干道和快速路建设，提高道路利用率，加强公共运输效率，实现低碳运输[6]；付晓敦提出实现城市运输的低碳化，要合理引导用户出行，深入规划城市运输网络，充分发挥公交优势[7]。欧阳斌阐述了加快建设低碳型运输基础设施网络体系、低碳型运输装备体系与低碳高效运输组织体系等方面的战略重点和战略意义[8]。

以往研究都是定性的给出实现低碳运输的描述性策略，或者只研究特殊的或抽象的网络，缺乏明显的针对性。本文从优化角度出发，结合西安市不同网络结构的特征，给出合适的度量网络传输效率的指标体系；同时把流量分配和网络优化结合起来度量网络传输流量的性能。

2 低碳视角下网络优化基本理论

要实现低碳运输，必须使得运输网络有良好的传输流量的性能，从而减少车辆由于拥挤而产生的废气污染。用户均衡分配是比较经典的流量分配方式之一，它是Wardrop于1952年提出的分配原则，当（1）所有用户在运输网络上都遵循同一选择路径原则；（2）所有用户都始终选择通行费用最少的路径出行；（3）用户始终完全掌握路径的全部信息时，所形成的交通状态就是用户均衡流状态，现实中用户就是根据该原则选择出行路径的[9]。

用户均衡时的流量可通过求解下列数学规划问题得到：

由博弈论的知识可知，用户均衡不一定是系统最优，往往比系统最优坏[10]。系统最优流是所有用户都由中央部门来控制，出行总费用最小的一种流量，是理想的交通状态。系统最优流通过求解下面的模型可得：

由于路阻函数是凸函数，第一个约束条件是流量的线性函数，该规划是一个凸规划，因此可以在多项式时间内求解。

Roughgarden研究了用户均衡流费用和系统最优流费用之间的大小关系，当运输量任意可分时，在假设路阻函数是系数非负的线性函数时，给出了用户均衡时运输量分配效率是4/3[11]；由该研究可知，用户自发选择出行路径会引起严重的拥堵，因此可以通过设计合理的运输网络结构来迎合用户选择路径的特点，缓解运输拥堵状态，从而逐步接近低碳运输。

3 西安市运输网络现状分析及特点

3.1 运输网络规划现状

西安市的城市规划将明城墙以内的范围作为市中心，许多政治、经济、文化、娱乐等功能区都集中在这一范围内，基本上都以明城墙内老城区钟楼为中心，以早先形成的工业区、商业网点、文化教育、娱乐中心等布局为依托，由城内向城外辐射的形式。因此，运输吸引点密集分布在明城墙以内的区域，以及二环路和明城墙之间。这就造成了现今路网格局下城区内运输拥堵日益严峻的问题。

3.2 运输网络结构特点

西安市运输网采取棋盘环状加放射的发展模式，逐步形成了东西五路南北大街为两轴，以围绕明城墙的一环路、二环路和建设中的三环路为三环，以太白路、太乙路、咸宁路、华清路、太华路、朱宏路、大兴路、昆明路为放射路的“两轴、三环、八辐射”的城市道路网主干骨架，如图1所示。

图1 西安市局部运输网络

3.3 运输状况调查

西安市车管所统计数字显示，西安市汽车保有量从2004年的313 805辆增加到2010年的787 617辆，6年内增加了40多万辆，而路网的扩建速度远远跟不上车辆的增加速度。根据调查报告可知，大部分居民对西安市的运输并不满意，甚至有36.72%的居民认为西安运输状况十分差，运输压力大，运输情况急需改善。西安市居民每天花费在拥堵上的时间介于15-60分钟之间的约占西安居民总人数的66%，而在15分钟以内的仅占到18%，超过60分钟的占16%。运输拥堵给人们出行带来诸多不便，这不仅仅造成时间、经济损失，同时尾气排放量的增加也恶化了环境。

3.4 运输网络的特殊性

西安城墙内是商业中心、行政中心、客运中心，承担着巨大的人流，城墙限制着道路的承载能力，所以城墙内的区域是道路承载能力相对薄弱的地方，易形成拥堵，城墙属于历史文物，要完整保留而不能拆迁。西安市道路网络基本呈方格状，城市主干路建设基本完善，东西方向城市主干路较多，南北方向贯通的主干路较少。干路间距较大，使城市运输过度集中于这些运输干路上。二环内道路除满足市内运输需求外，还要满足日常出入境的运输需求。现在城市主要出入口道路大部分尚未打通，导致绝大部分过境运输集中于二环路内，运输压力巨大。主干路的功能和两侧用地性质冲突，很多大型公共设施多集中在城市运输主干路两侧，使城市运输陷入了运输性越强，运输流量越大，公共设施越多，公共性活动越剧烈的尴尬境地。棋盘式道路网格局由于其诸多的交叉口，属于慢速式运输布局。随着城市运输机动化的进程日益增长，平交路口机动车与非机动车、机动车和机动车、行人之间的运输冲突愈演愈烈，致使顺畅性受到限制。同时，棋盘式道路网布局使得对角线方向的运输不方便，增加绕行距离，如图2所示。

图2 西安城墙示意图

根据上面的分析可知，西安市运输方面存在的问题可分为两类。一是路网不可更新，而车流量却很大。比如城墙附近和高新区车辆多，但路网结构不易改变；二是路段可扩容或可增加新路段。比如环路出入口处可适当扩容，以便有效和其它路网对接，干路间距大，可增加大量新道路。因此，要改善运输状况只能从两方面入手：其一，在已有网络上设计流量分配策略，改善运输状况。随着经济的增长，西安市车辆数量日益增加，合理安排用户的出行路线非常关键；其二，优化运输网络结构，改善运输状况。从西安市运输网络的特点出发，确定新增路段的数量和位置，或者路段和路口扩容时对数量和位置的确定等进行相关研究。

4 西安市运输网络优化对策

根据西安市运输网络特点和不同区域之间的差异，以Wordrop用户均衡原则为基础分配流量，提炼合适的度量运输网络效率的指标体系；其次对于网络不可扩展的情形（比如城墙和钟楼附近的网络），设计流量分配策略，引导用户选择合适路线行驶，缓解运输压力；对于可增加新路段或路段可扩容的情形（比如经开区，西咸区的网络），建立优化模型，确定新路段位置，既考虑单阶段优化网络的情形，也考虑多阶段的情形；从信息完整性角度，既考察信息完全确定的情形，又考察信息不确定的情形。具体策略如下：

4.1 流量分配策略设计与分析

针对城墙和钟楼附近网络结构不可扩展的问题，结合已有运输网络和运输量，设计流量分配策略，具体如下：

（1）依据西安市“两轴、三环、八辐射”的运输网络特点，以及局部网络之间的差异，比如城墙附近、环路、主干道和十字路口等网络结构以及对流量传输特点的不同，根据各个区域网络的特点，提炼适合该区域运输特点和需求的指标体系。比如在主干道、城墙附近、车流量大的区域，可以采用局部最优的方式分配流量。

（2）Wordrop用户均衡原则指出，所有用户都追求费用最小道路出行。已有文献表明，由于用户的自私性，使得运输状况变得很糟，比如在高新区、钟楼和城墙附近，流量很大，而运输网络又不可改变，拥堵现象非常严重，设计流量分配策略诱导用户选择出行路径，从而逐步改善运输状况。

4.2 增加新路段来优化运输网络

针对经开区等地方需要增加新路段的问题，结合已有网络结构特征，根据现有的运输量，着重研究增加新路段时确定新增路段位置的网络设计和优化问题。具体如下：

（1）针对增加新路段在一个阶段完成，且所增加路段数量已知，而路段位置不能确定的问题，建立优化模型，设计求解算法，确定新增路段位置，使得运输网络传输流量效率尽可能高。

（2）针对增加新路段需要多个阶段才能完成，每个阶段需要增加的新路段数量已知，而路段位置不能确定的问题，通过调研分析，在已有模型基础上建立多阶段优化模型，系统性地确定所增新路段位置，使得运输网络传输流量效率尽可能高。

（3）针对增加新路段需要多个阶段才能完成，但由于客观条件和不确定性因素的存在，未来阶段所要增加的路段数量提前无法预知，只有在每个阶段开始时新增路段数量才能确定的问题，利用在线策略和方法，设计网络优化策略，系统性确定新路段位置，提高网络传输流量的性能。

4.3 通过路段扩容来优化运输网络

针对主干道比较稀疏或西咸对接过程中某些道路需要扩容的问题，结合已有网络结构特征，根据现有的运输量，着重研究路段需扩容的网络设计和优化问题。由于增加新路段和路段扩容是不同的两种优化方式，前者是网络结构本身发生了变化，后者是保持网络结构不变基础上路段运输能力的增强，因此优化模型存在着差异。具体如下：

（1）针对路段扩容在一个阶段完成，且需扩容路段的数量已知，选择哪些路段进行扩容的问题，建立优化模型，设计求解算法，确定被扩容路段，使得在运输网络传输流量效率尽可能高。

（2）针对扩容路段需要多个阶段才能完成，每个阶段所需扩容路段数量提前都预知，选择哪些路段进行扩容的问题，通过调研分析，建立优化模型，系统性地确定需扩容路段，使得运输网络传输流量效率尽可能高。

（3）针对扩容路段需要多个阶段才能完成，但由于客观条件和不确定性因素的存在，未来阶段所需扩容路段数量不能提前预知，只有在每个阶段开始时需扩容路段数量才能确定的问题，利用在线策略和方法，设计网络优化策略，系统性确定需扩容路段位置，使得运输网络传输流量效率尽可能高。

5 小结

针对环境受机动车尾气污染严重的问题，从低碳视角出发，结合西安市运输网络结构现状和特点，提出适合衡量具体网络传输流量效率的度量指标体系，把运输网络优化和流量分配结合起来，结合实际从流量分配、增加新路段和路段扩容三个方面优化西安市运输网络；改善西安市运输状况，降低碳排放量，实现低碳运输，既丰富了网络优化的内容，又给出了实现低碳运输的新思路。

[1]柯察今.城市运输拥堵问题研究[J].现代商贸工业,2010,(23):128-129.

[2]沈培钧.探究运输拥堵的深层原因[J].综合运输,2010,(10).

[3]李连成.我国交通用地需求预测及对策建议[J].综合运输,2009,(11).

[4]魏丹,赵立冬.城市道路交通拥堵成因及对策浅析[J].科技传播,2010,(17):9-19.

[5]谢绍东,等.我国城市地区机动车污染现状与趋势[J].环境科学研究，2000,13(4):34-35.

[6]余霞.低碳经济下公共交通运输管理研究[J].企业经济,2011,(10):49-52.

[7]付晓敦,狄升贯,王新岐.城市交通的低碳理念[J].城市道桥与防洪,2011,(5):26-30.

[8]欧阳斌,建设低碳交通运输体系的战略思考[J].综合运输,2011,(11):8-11.

[9]Wardrop J.Some theoretical aspects of road traffic research[A].Proceedings of the Institute of Civil Engineers[C].1952.

[10]谢识予.经济博弈论（第二版）[M].上海:复旦大学出版社,2002.

[11]Roughgarden T,Tardos E.How Bad is Selfish Routing[J].Journal of the ACM,2002,49:236-259.