城市道路重要性評(píng)價(jià)方法的綜合分析

王慶國(guó)

(武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430065)

對(duì)城市路網(wǎng)中道路的重要性進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，既是交通規(guī)劃與控制等工作的基礎(chǔ)，也是城市多尺度建模和制圖綜合領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。一方面，通過道路的重要性評(píng)價(jià)，將不同重要性等級(jí)的道路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理布局與配置，可以使交通分擔(dān)關(guān)系和交通結(jié)構(gòu)更加合理，增大路網(wǎng)的交通容量，避免因?yàn)椴糠种匾缆返陌c瘓而造成大面積的交通擁堵[1]。另一方面，城市道路網(wǎng)絡(luò)是城市重要的地理要素，在城市多尺度表達(dá)和制圖綜合領(lǐng)域，道路重要性的評(píng)價(jià)結(jié)果可以指導(dǎo)道路要素的多層次建模和合理取舍，以便于重要的道路和城市路網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)形態(tài)能夠盡可能得到保留。因此，城市道路重要性評(píng)價(jià)的研究，能為基于路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的功能性研究提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐,為解決交通擁堵、交通規(guī)劃、路徑導(dǎo)航，以及城市多尺度建模和制圖綜合等提供決策支持。

城市路網(wǎng)是一種復(fù)雜的空間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包含數(shù)以百千計(jì)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的基于圖論、空間句法，以及分形理論等網(wǎng)絡(luò)分析方法，在用于這種具有大量節(jié)點(diǎn)和復(fù)雜不規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，都顯得無能為力。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的興起為復(fù)雜路網(wǎng)的研究提供了全新的視角和有力的工具，能夠?qū)?fù)雜網(wǎng)絡(luò)的微觀性態(tài)與宏觀現(xiàn)象進(jìn)行緊密聯(lián)系。本文以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，主要從道路重要性評(píng)價(jià)中道路的基本形式、道路網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)、道路重要性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系及道路重要性的評(píng)價(jià)模型幾個(gè)方面，對(duì)現(xiàn)有的城市道路重要性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了綜合研究，并對(duì)其中存在的問題進(jìn)行了分析。

1 道路的基本形式

道路重要性評(píng)價(jià)中采用的道路的基本形式主要有語義道路、路段及道路stroke(路段鏈)3種。

語義道路就是根據(jù)道路的某種語義屬性表征的道路。例如：基于道路名稱的命名道路；基于道路通行權(quán)利設(shè)定的單行道和雙行道等。其中，命名道路是人們?cè)谌粘Ｉ钪?，以及在交通工程和交通?guī)劃等工作中，最普遍使用的道路表征形式。一般來說，語義道路只是定性地指代和區(qū)隔了不同語義屬性的道路，而沒有對(duì)其幾何與拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)特性進(jìn)行表達(dá)，因而，難以進(jìn)行定量的分析。而且，在道路數(shù)據(jù)采集時(shí)，常常由于各種原因，使道路的語義屬性存在缺失和錯(cuò)誤。這些問題使得對(duì)語義道路重要性的評(píng)定更多的只是一種人為的主觀設(shè)定。例如，在我國(guó)現(xiàn)行的道路交通規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，將城市道路分為快速路、主干路、次干路和支路4級(jí)，但并未明確指出道路的分級(jí)依據(jù)，也未能建立一套定量的道路分級(jí)程序。而且，不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)4級(jí)道路的定義甚至都不同[2]。因此，對(duì)城市道路重要性的定量分析與評(píng)價(jià)，并不適合基于語義道路的形式。

事實(shí)上，城市道路的重要性不僅取決于其自身的屬性，還更取決于其在整個(gè)路網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)性功能地位，以及與其他道路之間的相互關(guān)系，如：道路之間的連通關(guān)系和連接度等[3-4]。而且，道路的服務(wù)功能在很大程度上也是由其在路網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)功能決定的[5]。為了從結(jié)構(gòu)上對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行定量的分析與研究，需要構(gòu)建路網(wǎng)的拓?fù)浔磉_(dá)模型，以便于刻畫和度量路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫再|(zhì)，了解結(jié)構(gòu)與功能之間的相互關(guān)系與影響，從多個(gè)角度利用多種指標(biāo)分析道路在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的地位和作用。

在常用的基于結(jié)點(diǎn)-弧段的路網(wǎng)幾何拓?fù)淠Ｐ椭?，路段是道路最基本的表達(dá)單元，有唯一的編碼和相應(yīng)的屬性。但是，在路網(wǎng)中，路段只是不同道路交叉時(shí)形成的副產(chǎn)品，并不是認(rèn)知和功能意義上的完整道路[4]。根據(jù)心理學(xué)的研究，人們習(xí)慣于將視覺上平滑連續(xù)的路段理解為屬于同一條道路。由此，在城市道路網(wǎng)絡(luò)的研究中，將符合視覺感知原則的具有良好連續(xù)性的路段連接成幾何路段鏈，稱為道路stroke，作為道路的表達(dá)形式[6-8]?；诘缆穝troke，可以構(gòu)建完整的道路幾何網(wǎng)絡(luò)，能方便地進(jìn)行道路的幾何與拓?fù)涮匦缘姆治?。如圖1所示，圖中左側(cè)是原始的路網(wǎng)模型，右側(cè)是構(gòu)建的相應(yīng)道路stroke。

圖1 道路stroke示意圖

從幾何上看，路段是路網(wǎng)的最小結(jié)構(gòu)單元。但是，以路段作為道路的基本形式，破壞了道路的完整性?；诼范蔚牡缆分匾栽u(píng)價(jià)，適用于小尺度的城市局部路網(wǎng)微觀的精細(xì)分析，當(dāng)用于城市大尺度范圍的整體路網(wǎng)的道路重要性評(píng)價(jià)時(shí)，則顯得過于破碎。而道路stroke作為道路的表達(dá)形式，更接近認(rèn)知和功能意義的完整道路，適合于大尺度的城市路網(wǎng)層面的整體分析和評(píng)價(jià)。而且，大量的研究表明，即使在完全缺少路段屬性信息的情況下，僅根據(jù)道路stroke的幾何和拓?fù)涮匦砸材軌蛲茢喑龅缆穝troke在路網(wǎng)中的相對(duì)重要性[4]。

綜合道路的表達(dá)形式來看，語義道路不適合于道路重要性的定量分析評(píng)價(jià)，路段的形式主要適用于城市小范圍的局部路網(wǎng)的精細(xì)分析，道路stroke主要適用于大范圍的城市路網(wǎng)的整體分析和評(píng)價(jià)。

2 道路網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)

對(duì)路網(wǎng)幾何拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)主要有兩種形式：原始拓?fù)鋱D與對(duì)偶拓?fù)鋱D。原始拓?fù)鋱D將道路的交叉口或端點(diǎn)映射為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，將交叉口之間或交叉口與道路端點(diǎn)之間的路段映射為節(jié)點(diǎn)之間的連線。與原始拓?fù)鋱D相比，對(duì)偶拓?fù)鋱D將路網(wǎng)中的每條道路映射為節(jié)點(diǎn)，把道路之間的連接關(guān)系映射為節(jié)點(diǎn)之間的連線。

原始拓?fù)鋱D能較為直觀地映射實(shí)際路網(wǎng)，較為完整地保留了城市路網(wǎng)中道路交叉口和路段之間的地理相關(guān)性，以及城市路網(wǎng)的整體形態(tài)特征。通過對(duì)圖中的邊加權(quán)或設(shè)定方向等，還可以直觀模擬實(shí)際路網(wǎng)的相關(guān)屬性和運(yùn)行狀況，進(jìn)行路網(wǎng)的功能性分析。但是，原始拓?fù)鋱D凸顯的是交叉口的主體地位，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的路網(wǎng)，原始拓?fù)鋱D有可能完全一樣，使得城市路網(wǎng)所具有的等級(jí)層次結(jié)構(gòu)，難以從本質(zhì)上進(jìn)行區(qū)分。而對(duì)偶拓?fù)鋱D通過節(jié)點(diǎn)和連線之間的角色互換，凸顯了道路在網(wǎng)絡(luò)中的主體功能地位，道路與道路之間的拓?fù)潢P(guān)系也更容易識(shí)別。但是，對(duì)偶拓?fù)鋱D將具有長(zhǎng)度、寬度、方向，乃至運(yùn)行狀態(tài)等屬性的道路抽象成點(diǎn)，使道路失去了其實(shí)際的地理意義和功能意義，因而，其主要適用于路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)性分析。圖2為路網(wǎng)的原始拓?fù)鋱D與對(duì)應(yīng)的對(duì)偶拓?fù)鋱D的表示。

圖2 道路網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)

3 道路重要性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系

建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是道路重要性定量評(píng)價(jià)的一個(gè)基礎(chǔ)性步驟。

中國(guó)藥典中規(guī)定，動(dòng)物試驗(yàn)所使用的動(dòng)物應(yīng)為健康動(dòng)物，其管理應(yīng)按照國(guó)務(wù)院有關(guān)行政主管部門頒布的規(guī)定執(zhí)行，動(dòng)物品系年齡、性別、體重應(yīng)符合藥品檢定要求。

在具體評(píng)價(jià)中，有些研究采用單指標(biāo)評(píng)價(jià)，如文獻(xiàn)[3,8—12]等，有些研究采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)，如文獻(xiàn)[2,13—16]等?；趩沃笜?biāo)的評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果往往較為片面，受人的主觀認(rèn)識(shí)和偏好的影響較大；而且，采用不同評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的重要性評(píng)價(jià)結(jié)果也可能存在較大差異。因此，采用多指標(biāo)的評(píng)價(jià)是較為主流的方法。但無論是單指標(biāo)評(píng)價(jià)，還是多指標(biāo)評(píng)價(jià)，歸納起來看，評(píng)價(jià)指標(biāo)大致分為兩類，一類是基于功能重要性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，一類是基于結(jié)構(gòu)重要性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

功能重要性的分析一般基于道路的交通量負(fù)載占比、路網(wǎng)的可靠度或運(yùn)行效率等指標(biāo)進(jìn)行。但由于道路系統(tǒng)的主要功能是承載各種交通流行為，因此，其功能作用需要通過交通流行為來體現(xiàn)，而交通流是一個(gè)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的量，受很多因素的影響。在目前的條件下，對(duì)道路功能重要性的定量化度量、計(jì)算和分析還很困難，也難以建立統(tǒng)一的量化指標(biāo)，因此，相關(guān)研究還基本處于探索性階段。

考慮到道路的重要性在很大程度上由道路在路網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)重要性決定，因此，道路重要性評(píng)價(jià)目前主要基于路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)性指標(biāo)進(jìn)行分析。

在道路的結(jié)構(gòu)屬性中，幾何特征和連通關(guān)系是道路的最基本、最重要的屬性，是影響路網(wǎng)功能的關(guān)鍵因素。因而，采用道路幾何與連通關(guān)系進(jìn)行道路的重要性評(píng)價(jià)具有較高的實(shí)用性[15]。一般來講，一條道路被經(jīng)過的次數(shù)越多，其作用就越大；一條道路越長(zhǎng)，完成的空間跨越越大，其服務(wù)的范圍和吸引的交通量也越大，相應(yīng)地，其重要性越高[15]。因此，在道路重要性的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)中，目前采用的指標(biāo)體系主要包括兩個(gè)方面，一個(gè)是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的度量結(jié)構(gòu)重要性的節(jié)點(diǎn)中心性測(cè)度指標(biāo)，主要包括度中心性、中介中心性和接近中心性；另一個(gè)是道路的長(zhǎng)度。

以路網(wǎng)的拓?fù)鋵?duì)偶圖為基礎(chǔ)，參考文獻(xiàn)[17]，各指標(biāo)分別定義如下：

(1) 度中心性：指圖中與某一節(jié)點(diǎn)直接相連的節(jié)點(diǎn)數(shù)。節(jié)點(diǎn)的度中心性值越大，表明與其連接的道路越多，其連通性越強(qiáng)，重要性越高。

(2) 中介中心性：指拓?fù)鋵?duì)偶圖中所有節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的最短路徑經(jīng)過某節(jié)點(diǎn)的比例。節(jié)點(diǎn)的中介中心性值越大，表示通過該節(jié)點(diǎn)的最短路徑越多，其在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的橋梁和樞紐作用越明顯，其重要性越高。

(3) 接近中心性：指拓?fù)鋵?duì)偶圖中一個(gè)節(jié)點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的距離平均值的倒數(shù)。與度中心性相比，接近中心性可描述節(jié)點(diǎn)與非直接相連的節(jié)點(diǎn)的接近程度，其值越大，表明該節(jié)點(diǎn)的影響及服務(wù)范圍越廣，重要性等級(jí)越高。

(4) 道路的長(zhǎng)度：指拓?fù)鋵?duì)偶圖中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最短路徑的長(zhǎng)度，用Dij表示。如果兩節(jié)點(diǎn)之間不存在路徑，則Dij→∞。

4 道路重要性的評(píng)價(jià)模型

單指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是確定評(píng)價(jià)指標(biāo)值。相對(duì)于單指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法，在多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法中，建立道路重要性評(píng)價(jià)模型的一個(gè)關(guān)鍵問題是建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)計(jì)算模型。

確定權(quán)重系數(shù)的方法最基本的有兩種：一是功能驅(qū)動(dòng)的賦權(quán)法；二是差異驅(qū)動(dòng)的賦權(quán)法[18]。

功能驅(qū)動(dòng)的賦權(quán)法一般根據(jù)決策者或?qū)＜覍?duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要程度的認(rèn)識(shí)來確定權(quán)重系數(shù)，其主觀性較強(qiáng)。這種主觀定權(quán)方法雖然能夠充分利用專家的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，但確定的權(quán)值可能因?yàn)閷＜抑饔^偏好的不同而不同[19]。而且，當(dāng)某個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各被評(píng)價(jià)對(duì)象的取值都差不多，那么，即使這個(gè)指標(biāo)非常重要，它對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果也沒有什么價(jià)值，因而應(yīng)用中的局限性很大[18]。差異驅(qū)動(dòng)的賦權(quán)法認(rèn)為指標(biāo)的權(quán)重由各指標(biāo)在被評(píng)價(jià)對(duì)象間的變異程度和對(duì)其他指標(biāo)的影響程度來確定。指標(biāo)在各被評(píng)價(jià)對(duì)象間變異程度越大，對(duì)其他指標(biāo)的影響程度越大，則其權(quán)重越大，反之則小[18]。這種賦權(quán)法主要根據(jù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系來確定權(quán)重，具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論依據(jù)。

城市路網(wǎng)作為一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形式變化多樣，進(jìn)行道路重要性評(píng)價(jià)時(shí)，單純依靠主觀的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定權(quán)存在很大的局限性和困難，而以客觀定權(quán)法為基礎(chǔ)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重較為合理可行。

常用的客觀賦權(quán)法主要有標(biāo)準(zhǔn)差法、離差最大法、熵值法等。但是，這幾種方法只是考慮了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)自身在不同被評(píng)價(jià)對(duì)象間的變異程度，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相互影響沒有考慮，因此，其計(jì)算的權(quán)重所使用的信息不夠全面。文獻(xiàn)[13]和[20]等以基本的客觀賦權(quán)法為基礎(chǔ)，通過改進(jìn)，建立了顧及指標(biāo)相關(guān)性的權(quán)重計(jì)算方法。其基本計(jì)算模型在此不做贅述，具體可參見文獻(xiàn)[13]和[20]。

顧及指標(biāo)相關(guān)性的權(quán)重計(jì)算方法既考慮了各指標(biāo)在各被評(píng)價(jià)對(duì)象間的變異程度對(duì)權(quán)重的影響，又顧及了各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性影響，使用的信息比較全面和完整，能夠?qū)Ω鱾€(gè)指標(biāo)的影響進(jìn)行全面權(quán)衡，是一種較理想的權(quán)重確定方法。

在權(quán)重確定的基礎(chǔ)上，可以通過加權(quán)綜合建立道路重要性的評(píng)價(jià)模型。線性加權(quán)綜合模型為

(1)

式中，α0為一個(gè)常數(shù)；ωi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；χi為第i個(gè)指標(biāo)值；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

5 結(jié) 語

本文以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，從多個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有城市道路重要性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了綜合研究和分析。隨著應(yīng)用需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有研究還需要在以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入：

(1) 建立城市道路重要性在宏觀層面與微觀層面的統(tǒng)一分層評(píng)價(jià)模型?，F(xiàn)有的道路重要性評(píng)價(jià)模型要么以路段作為評(píng)價(jià)單元，要么以道路stroke作為評(píng)價(jià)單元，將兩者相互割裂，或者混為一談。但是，從宏觀的城市層面看，道路stroke才是實(shí)現(xiàn)城市路網(wǎng)功能的基本實(shí)體單元，路段只是構(gòu)成道路stroke的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，路段重要性不能代表其所在的道路stroke的重要性；而從微觀的局部層面看，構(gòu)成同一道路stroke的不同路段在路網(wǎng)中所承擔(dān)的結(jié)構(gòu)功能和交通功能也存在明顯差異，因而其重要性也不同，道路stroke的整體重要性無法區(qū)隔構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的各個(gè)路段的重要性的差別。因此，完備的道路重要性評(píng)價(jià)模型，應(yīng)該是從道路stroke層級(jí)到路段層級(jí)的統(tǒng)一的分層評(píng)價(jià)模型。只有建立統(tǒng)一的分層評(píng)價(jià)模型，才能根據(jù)研究和應(yīng)用的需要提供更精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

(2) 建立結(jié)構(gòu)重要性分析與功能重要性分析相結(jié)合的道路重要性評(píng)價(jià)模型。道路重要性最根本的是體現(xiàn)在其功能作用上，但是，由于目前對(duì)各條道路的功能數(shù)據(jù)在實(shí)時(shí)獲取和定量計(jì)算與分析等方面還存在很大的困難，難以進(jìn)行有效度量，因此，現(xiàn)有的道路重要性評(píng)價(jià)主要還是基于結(jié)構(gòu)重要性的分析評(píng)價(jià)，以結(jié)構(gòu)重要性推斷其功能重要性。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、實(shí)時(shí)泛在交通信息服務(wù)等技術(shù)的發(fā)展，有望對(duì)道路在路網(wǎng)中承擔(dān)的功能數(shù)據(jù)進(jìn)行全面實(shí)時(shí)采集和準(zhǔn)確計(jì)算，從而可將道路的結(jié)構(gòu)重要性分析與功能重要性分析結(jié)合起來，既可以相互驗(yàn)證，也可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求提供更合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。