基于綜合集成研討廳的高架橋規(guī)劃研究

近年來，城市橋梁的弊端逐漸出現(xiàn)，不僅涉及交通方面的技術(shù)問題，還涉及城市生態(tài)環(huán)境、人文學科等復雜社會問題。面對日益嚴重的高架橋問題,專家學者提出了高架橋可持續(xù)發(fā)展的概念,即在滿足社會發(fā)展對其更高要求的同時,既要保證高架橋交通運輸體系內(nèi)部及綜合交通體系的協(xié)調(diào)發(fā)展,又使其與經(jīng)濟、環(huán)境、社會大系統(tǒng)的長期動態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展［１］。為了實現(xiàn)高架橋的可持續(xù)發(fā)展,專家學者們提出了眾多的方案,如拓寬高架橋路面、簡單拆除高架橋等,但均未見有效的方案付諸實施。本文將基于綜合集成研討廳的方法,從復雜系統(tǒng)綜合集成的角度,對大城市中心區(qū)高架橋的可持續(xù)發(fā)展方案進行探討。1高架問題的現(xiàn)狀分析在過去的20年里,我國眾多大中城市都在大量興建高架橋以緩解交通擁堵,但是高架橋給小汽車提供交通便利的同時也誘導了交通量的急劇增長,與其他交通系統(tǒng)銜接的不合理更加劇了高架橋的交通擁堵、交通事故等問題,如改造前的美國波士頓中央干道每天擁堵時間超過10h,事故發(fā)生率是全國平均水平的4倍［２］。高架橋日益嚴重的交通問題不僅違背了緩解交通擁堵的初衷,還派生出其他的社會問題,引起了廣泛的爭議和討論。高架橋遮住了陽光,在橋下形成陰影區(qū),汽車廢氣不能疏散,噪聲大等,這些因素嚴重影響著高架橋周邊居民生活的品質(zhì)。如廣州內(nèi)環(huán)路建成后,沿線臨街地區(qū)環(huán)境質(zhì)量下降,2000年~2010年的10年中,CO、NOＸ、CH分別增加30%~50%、150%~200%、50%~60%［３］。另外高架橋的建設擠壓了周圍的商業(yè)空間,使臨街商鋪無法擴充,又沒有停車場,必然造成人流、車流的減少,并最終導致高架橋沿線商業(yè)的衰退［４］。高架橋?qū)τ诔鞘猩畹母纳仆窒抻诮煌ǚ矫?甚至只是對于私家車及出租汽車有較大改善,對于公共交通則便利性不大［５］。高架橋本身體量巨大,形象突兀,難以與周邊建筑協(xié)調(diào),高架橋不但沒有給城市帶來一道風景,反而破壞了原有的城市環(huán)境風格。另外,城市高架橋的封閉性使其具有通道和屏障的功能,對兩側(cè)的城市肌理產(chǎn)生空間上的壓迫并生硬地割裂城市空間,造成城市景觀碎裂化的加劇［６］,而且還在一定意義上阻礙了城市空間文化的橫向脈絡聯(lián)系,限制了周邊傳統(tǒng)城市空間形態(tài)向廣大城市地域的文化輻射［４］。由以上對高架橋現(xiàn)狀的分析可知,高架橋問題已經(jīng)從技術(shù)層面上升到社會層面,涉及生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展、社會人文、城市景觀和文化等方面,因此僅局限于交通問題的規(guī)劃方案無法解決高架橋的問題,我們應該從城市層面綜合考慮高架橋交通與商業(yè)、路權(quán)、環(huán)境、景觀、文化的相互影響和相互作用。實際上,高架橋問題的產(chǎn)生及其改善涉及很多復雜的因素。因此,我們應當用復雜性理論的研究思路和方法,從系統(tǒng)整體行為生成的角度,深入系統(tǒng)化地研究［７］大城市中心區(qū)高架橋的有效解決方案,以實現(xiàn)大城市中心區(qū)高架橋的可持續(xù)發(fā)展。2智能思考系統(tǒng)的應用綜合集成研討廳體系是解決復雜性問題的一種有效方法,是由我國著名科學家錢學森于20世紀90年代初提出的,就其實質(zhì)而言,是將專家群體、數(shù)據(jù)和各種信息與計算機技術(shù)有機結(jié)合起來,把各種學科的科學理論和人的經(jīng)驗知識結(jié)合起來,構(gòu)成一個高度智能化的人機結(jié)合系統(tǒng)。這個方法的成功應用,就在于發(fā)揮這個系統(tǒng)的整體優(yōu)勢、綜合優(yōu)勢和智能優(yōu)勢［８］。綜合集成研討廳的思想方法正好為大城市中心區(qū)高架橋的問題提供了思路和可行性解決方案。2.1基礎設施數(shù)據(jù)庫專家體系是由城市高架橋相關(guān)各領域的12位專家組成,包括交通運輸專家、城市規(guī)劃專家、政策專家、環(huán)境評估專家、成本控制專家等。知識體系主要涉及計算機軟件、高架橋、交通運輸、城市規(guī)劃等相關(guān)知識。機器體系是高架橋可持續(xù)發(fā)展綜合集成研討廳的基礎設施,主要由網(wǎng)絡設施、服務器、存儲系統(tǒng)、計算機終端以及為整個系統(tǒng)提供服務的軟硬件設備組成,如圖1所示。數(shù)據(jù)庫采用異構(gòu)的數(shù)據(jù)庫,包括專家數(shù)據(jù)庫、法律法規(guī)數(shù)據(jù)庫、方案數(shù)據(jù)庫等,數(shù)據(jù)庫支持專家存儲和搜索所需數(shù)據(jù)［９］。方法庫包括支持專家建模、問題量化、計算機綜合求解的各種方法,如支持決策的德爾菲方法,支持方案評價的范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度法,支持計算機求解的人工智能法、模擬方法,城市交通量預測的方法,如GA-PSO等;模型庫包括交通流量分析模型,如VISUM模型［１０］。案例庫中包括高架橋改造的一些成功案例和失敗的案例,如紐約高線公園改造、韓國清溪川恢復工程等,供研討廳學習和借鑒。上述體系在綜合集成方法的指導下,動態(tài)結(jié)合,構(gòu)成一個人·機、人·網(wǎng)絡一體化的大城市中心區(qū)高架橋可持續(xù)發(fā)展綜合集成研討廳。2.2專家群體的定量化模型首先,研討廳體系應明確目前大城市中心區(qū)高架橋存在的問題,即如何通過對高架橋的改造以實現(xiàn)大城市中心區(qū)高架橋得到可持續(xù)發(fā)展,然后搜集大量的有關(guān)文獻資料,并召集各領域?qū)＜夜餐瑏砝醚杏憦d體系的軟硬件平臺對問題進行研討,如圖2所示。通過研討,結(jié)合專家們的經(jīng)驗性判斷,提出對問題的初步認識。依靠專家的經(jīng)驗和形象思維,在問題求解知識的幫助下,提出對問題的分析方案。根據(jù)問題的結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合知識系統(tǒng)中相關(guān)領域知識和國內(nèi)外前人經(jīng)驗,把問題分析逐步定量化。在定量化或者半定量化的情況下,在計算機上建立局部模型或者全局模型,基本得到專家群體的認可后,通過討論合成這些模型最終生成系統(tǒng)模型。系統(tǒng)模型建立后,通過計算機的測算程序和專家群體的評價來驗證模型的正確性及可靠性,如果專家群體對模型不滿意,那么需要重復上述的各項步驟,或者其中的某幾個步驟,直到專家群體基本滿意,建模過程才能結(jié)束［１１］。然后利用系統(tǒng)模型生成方案,用范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度法評價方案,最后選擇最優(yōu)方案。3高架可持續(xù)發(fā)展方案設計根據(jù)將綜合集成研討廳體系應用于大城市中心區(qū)高架橋可持續(xù)發(fā)展的方案和實施過程,結(jié)合相關(guān)調(diào)研結(jié)果,我們提出了大城市中心區(qū)高架橋可持續(xù)發(fā)展的設計優(yōu)化方案。3.1下灘段高架改造方案在大城市中心區(qū)高架橋可持續(xù)發(fā)展研討廳的運作過程中,各領域?qū)＜一ハ嘟涣?、集思廣益,提出了100多個方案,如拆除高架橋,建設地下隧道,高架橋上設置BRT系統(tǒng),把高架橋改造為步行廊道,高架橋下打造步行街,……,等等,經(jīng)過初步分析,篩選出6個較為有研究價值的方案,見表1。3.2城市文化因素大城市中心區(qū)高架橋的可持續(xù)發(fā)展問題涉及因素繁多,有些因素能定量化處理,如高架橋的交通通行能力;有些因素只能定性化處理,如高架橋?qū)Τ鞘形幕挠绊?。范?shù)灰關(guān)聯(lián)度法是基于灰色系統(tǒng)理論的一種有效的方案評價方法,可用于對方案進行全方位、多角度的綜合分析評價,尤其適用于評價指標不能全部定量化處理的方案評價,所以我們采用范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度分析法對各方案中高架橋的可持續(xù)發(fā)展能力進行評價。3.2.1確定比較確定的關(guān)聯(lián)系數(shù)和范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度法是在鄧聚龍先生提出的鄧氏灰關(guān)聯(lián)度法的基礎上改進的方法,其應用于方案評價時,是將各備選方案評價指標參數(shù)構(gòu)成比較數(shù)列,將評價指標的最佳值構(gòu)成標準數(shù)列,用關(guān)聯(lián)度表示比較數(shù)列和標準數(shù)列的接近程度,關(guān)聯(lián)度越大的比較數(shù)列表明與標準數(shù)列越接近,即相對最優(yōu)的方案［１２］。關(guān)聯(lián)系數(shù)和范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度的計算方法如下。(1)用區(qū)間值化算子將序列無量綱化后得到區(qū)間值象如下。(2)計算比較數(shù)列與參考數(shù)列對應元素的差值:(3)求出Δi(j)的最大值Δmax和最小值Δmin。式中:λ為分辨系數(shù),一般取0.5。(6)計算各比較序列的近距dｉ＋與遠距dｉ－:(7)計算范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度:大城市中心區(qū)高架橋的可持續(xù)發(fā)展,就是實現(xiàn)高架橋交通與生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟社會綜合效益的最大化,其影響因素可以歸納為社會效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益、交通效能4個層面,每一層面下又有很多因素,且各影響因素的評價標準不同［１２］。結(jié)合各指標的特點以及在方案評價中的實用性和可操作性,最終確定大城市中心區(qū)高架橋可持續(xù)發(fā)展的評價指標體系見表2。其中,定量指標有運載能力、通行能力和方案實施費用,定性指標有高架橋沿線商業(yè)、路權(quán)平等情況、對城市景觀的影響效果、對城市文化的影響效果。3.2.3各方案的造價及范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度分析為了方便對方案進行比較,我們將以上海南北高架橋的徐家匯~淮海中路段為例進行分析。上海南北高架橋建成于1995年,貫穿上海中心城區(qū),主要服務于機動車中長距離的出行,是城市交通運輸?shù)闹鲃用}。南北高架橋的徐家匯~淮海中路段長1.6km,高架橋距地面19m,寬度為25.5m,設六車道,設計速度60km/h,匝道平均間距為1.2km［１３］,單向設計通行能力為4800pcu/h。根據(jù)《上海市市政工程預算定額(2000)》及《城市道路設計規(guī)范》,我們計算出各方案的造價和路段通行能力見表3。另外,根據(jù)在上海市南北高架橋的實地調(diào)查可知,公交車占交通流量的10%左右,公交車大多為30~40座居多,據(jù)此可將各方案的路段通行能力換算成運載能力,見表3。對于定性指標,我們采用專家打分法進行評價,1、2、3、4、5分別代表很不理想、不理想、還行、理想、很理想。首先由12位專家分別對各方案的定性指標打分,然后取其平均值作為該指標的得分。各方案對高架橋沿線商業(yè)發(fā)展情況、城市路權(quán)、城市景觀及城市文化的影響效果的評分見表3。利用Excel軟件計算得到6個方案的范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度分別為:0.479、0.353、0.506、0.500、0.490、0.672。由表3中的數(shù)據(jù)可知,從交通或景觀的層面來講,方案3為最優(yōu)方案,但是造價太高;從環(huán)境層面來說,方案1和方案5為最優(yōu)方案,但是道路運載能力很低,會造成交通擁堵;從方案造價層面來說,方案2為最優(yōu)方案,但是環(huán)境污染嚴重,并且對沿線商業(yè)的發(fā)展、城市景觀和文化的影響效果不利。方案6的范數(shù)灰關(guān)聯(lián)度最高,即實現(xiàn)了交通、環(huán)境、路權(quán)、商業(yè)、景觀、文化、造價各個層面的綜合最優(yōu)化。另外,方案6需要其他交通系統(tǒng)分流快速交通,并致使大城市中心區(qū)的慢性化,符合城市交通的發(fā)展方向,所以方案6為最優(yōu)方案。3.3進行人文交流把高架橋改造為橋上慢行交通系統(tǒng)、橋下快行交通系統(tǒng)的方案(方案6),其運載能力是目前的122%,設計車流量是目前的70%。此方案不僅能一定程度緩解交通擁堵,而且減少汽車廢氣排放、降低噪聲污染,保障了高架橋周邊居民的健康。由于高架橋上只有慢行交通系統(tǒng),行人不僅在享有平等路權(quán)的同時,也能享受陽光、清新空氣和良好視野。此時的高架橋已經(jīng)成為人們休閑娛樂的場所,如圖4所示,促進了人文交流。高架橋改造后,高架周邊的可達性有所提升,沿線建筑表面將有部分功能上升到與高架橋接壤,底層建筑可作為停車場,這些將促使高架橋沿線商業(yè)的發(fā)展繁榮,甚至使之成為城市的地標———“空中商業(yè)街”。此外,改造后的高架橋也促進了