基于綜合集成研討廳的高架橋可持續發展研究基于HWME的大城市中心區高架橋可持續發展方案以上海南北高架橋為例

近年來，隨著城市化的加劇，道路交通量迅速增加，已成為人們主要的交通工具。同時，它給城市交通帶來了更大的壓力。為了緩解城市交通的交通堵塞，高架橋出現了。橋大大緩解了城市交通的交通堵塞，改善了城市的交通狀況，作為衡量城市現代化的象征。然而，經過大約20年的橋梁建設，這些弊端逐漸暴露出來。城市橋梁不僅涉及交通問題，還涉及城市生態環境、人和社會復雜的社會問題。面對日益嚴重的橋梁問題，專家和科學家提出了“橋可持續發展”的概念。這不僅符合社會發展的要求，而且不僅要確保橋運輸體系內和綜合交通體系的協調發展，還要長期協調發展經濟、環境和社會體系。為了實現橋梁的可持續發展，專家和科學家提出了許多計劃，如擴建橋墻并將其拆除，但沒有有效的計劃。作者以上海南北高架橋為例,基于綜合集成研討廳的方法,從復雜系統綜合集成的角度,對大城市中心區高架橋的可持續發展進行探討,并提出了把高架橋改造為橋上慢行交通系統、橋下快行交通系統的方案.經過論證,把高架橋改造為橋上慢行交通系統、橋下快行交通系統的方案,實現了南北高架橋的交通、環境、經濟和社會層面的整體最優化,也就是實現了可持續發展,為中西部地區城市規劃和建設提供一種借鑒.1高架與城市環境在過去的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,事故發生率是全國平均水平的4倍.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,汽車廢氣不能疏散,噪音大等,這些因素嚴重影響著高架橋周邊居民生活的品質.如:廣州內環路建成后,沿線臨街地區環境質量下降,2000～2010年的10年中,CO,NOx,CH分別增加了30%～50%,150%～200%,50%～60%.另外,高架橋的建設擠壓了周圍的商業空間,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的衰退.高架橋對于城市生活的改善往往局限于交通方面,甚至只是對私家車及出租車有較大的改善,對于公共交通則便利性不大.高架橋本身體量巨大,形象突兀,難以與周邊建筑協調,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,對兩側的城市肌理產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.而且還在一定意義上阻礙了城市空間文化的橫向脈絡聯系,限制了周邊傳統城市空間形態向廣大城市地域的文化輻射.由以上對高架橋現狀的分析可知,高架橋問題已經從技術層面上升到社會層面,涉及生態環境、經濟發展、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劃方案無法解決高架橋的問題,應該從城市層面綜合考慮高架橋交通與商業、路權、環境、景觀、文化的相互影響和相互作用.實際上,高架橋問題的產生及其改善涉及很多復雜的因素,是典型的開放復雜巨系統的問題.因此,應當用復雜性理論的研究思路和方法,從系統整體行為生成的角度,深入系統地研究大城市中心區高架橋的有效解決方案,以實現大城市中心區高架橋的可持續發展.2綜合集成研討廳體系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.就其實質而言,是將專家群體、數據和各種信息與計算機技術有機地結合起來,把各種學科的科學理論和人的經驗知識結合起來,構成一個高度智能化的人機結合系統.這個方法的成功應用,就在于發揮這個系統的整體優勢、綜合優勢和智能優勢.綜合集成研討廳的思想方法正好為大城市中心區高架橋的問題提供了思路和可行性解決方案.大城市中心區高架橋可持續發展綜合集成研討廳體系如圖1所示.2.1基礎設施數據庫設計專家體系是由城市高架橋相關各領域的12位專家組成,包括交通運輸專家、城市規劃專家、政策專家、環境評估專家和成本控制專家等.知識體系主要涉及計算機軟件、高架橋、交通運輸和城市規劃等相關知識.機器體系是高架橋可持續發展綜合集成研討廳的基礎設施,主要由網絡設施、服務器、存儲系統、計算機終端以及為整個系統提供服務的軟硬件設備組成.數據庫采用異構的數據庫,包括專家數據庫、法律法規數據庫和方案數據庫等,數據庫支持專家存儲和搜索所需數據.方法庫包括支持專家建模、問題量化和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灰關聯度法;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.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,動態結合,構成一個人·機、人·網絡一體化的大城市中心區高架橋可持續發展綜合集成研討廳.2.2通過研討,提出最優方案首先,研討廳體系應明確目前大城市中心區高架橋存在的問題,即如何通過對高架橋的改造來實現大城市中心區高架橋的可持續發展.然后,搜集大量的有關文獻資料,并召集各領域專家共同利用研討廳體系的軟硬件平臺對問題進行研討(如圖2所示).通過研討,結合專家們的經驗性判斷,提出對問題的初步認識.依靠專家的經驗和形象思維,在問題求解知識的幫助下,提出對問題的分析方案.根據問題的結構特點,結合知識系統中相關領域知識和國內外前人經驗,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并最終生成系統模型.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,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,建模過程才能結束.然后利用系統模型生成方案,用范數灰關聯度法評價方案.最后選擇最優方案.3高架可持續發展方案設計根據將綜合集成研討廳體系應用于大城市中心區高架橋可持續發展的方案和實施過程,結合相關調研結果,作者提出了大城市中心區高架橋可持續發展的設計優化方案.3.1大立交橋改造在大城市中心區高架橋可持續發展研討廳的運作過程中,各領域專家互相交流、集思廣益,提出了100多個方案,如:維持高架橋現狀;拆除高架橋;拆除高架橋建地下隧道;高架橋上設置BRT系統;把高架橋改造為步行廊道;建設地下隧道;高架橋下打造步行街;把高架改造為高架橋上慢行交通系統、橋下快行交通系統等等.經過初步分析,篩選出6個較為有研究價值的方案(如表1所示).高架橋立面改造示意圖如圖3所示.3.2范數灰關聯度法大城市中心區高架橋的可持續發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:高架橋對城市文化的影響.范數灰關聯度法是基于灰色系統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,所以采用范數灰關聯度分析法對各方案中高架橋的可持續發展能力進行評價.1區間值化算子范數灰關聯度法是在鄧聚龍先生提出的鄧氏灰關聯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構成比較數列,將評價指標的最佳值構成標準數列,用關聯度表示比較數列和標準數列的接近程度.關聯度越大的比較數列,表明與標準數列越接近,即相對最優的方案.關聯系數和范數灰關聯度的計算方法如下.①用區間值化算子將序列無量綱化后得到區間值象:X0=(x0(1),x0(2),…,x0(n)),Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(n)).②計算比較數列與參考數列對應元素的差值:Δi(j)=|X0(j)-Xi(j)|,i=1,2,?,n；j=1,2,?,m.Δi(j)=|X0(j)?Xi(j)|,i=1,2,?,n；j=1,2,?,m.③求出Δi(j)的最大值Δmax和最小值Δmin.④計算關聯系數:ri(j)=Δmin+λΔmaxΔi(j)+λΔm,x.ri(j)=Δmin+λΔmaxΔi(j)+λΔm,x.式中:λ為分辨系數,一般取0.5.⑤計算關聯系數理想列與負理想列r-:r+={{maxiri(j)|i=1,2,?,n；j=1,2,?,m|}.r-={miniri(j)|i=1,2,?,n；j=1,2,?,m|}.⑥計算各比較序列的近距d+i與遠距d-i:d+i=√m∑j=1(ri(j)-r+)2,d-i=√m∑j=1(ri(j)-r-)2.⑦計算范數灰關聯度:εi=d-i/(d+i+d-i).2確定評價指標體系大城市中心區高架橋的可持續發展,就是實現高架橋交通與生態環境、經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、環境效益、經濟效益和交通效能四個層面.每一層面下又有很多因素,且各影響因素的評價標準不同.結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高架橋可持續發展的評價指標體系(如表2所示),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、路權平等情況、對城市景觀的影響效果和對城市文化的影響效果.3各方案的造價及定性分析為了方便對各個方案進行比較,作者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,主要服務于機動車中長距離的出行,是城市交通運輸的主動脈.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,設計時速60km,匝道平均間距為1.2km,單向設計通行能力為4800pcu/h.根據《上海市市政工程預算定額(2000)》及《城市道路設計規范》,計算出各方案的造價和路段通行能力如表3所示.另外,根據上海市南北高架橋的實地調查可知,公交車占交通流量的10%左右,公交車大多為30～40座居多,據此可將各方案的路段通行能力換算成運載能力(如表3所示).對于定性指標,采用專家打分法進行評價,1～5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發展情況、城市路權、城市景觀及城市文化的影響效果的評分如表3所示.利用Excel軟件計算得到6個方案的范數灰關聯度分別為:0.479,0.353,0.506,0.500,0.490,0.672.由表3的數據可知,從交通或景觀的層面來看,方案3為最優方案,但是造價太高;從環境層面來看,方案1和方案5為最優方案,但是道路運載能力很低,會造成交通擁堵;從方案造價層面來看,方案2為最優方案,但是環境污染嚴重,并且對沿線商業的發展、城市景觀和文化的影響效果不利.方案6的范數灰關聯度最高,即實現了交通、環境、路權、商業、景觀、文化和造價等各個層面的綜合最優,所以方案6為最優方案.改造后的高架橋的公共活動空間如圖4所示.3.3解決部分高架的可達性,促使“親水”的發展把高架橋改造為橋上慢行交通系統、橋下快行交通系統的方案(方案6),其運載能力是目前的126%,設計車流量是目前的70%.此方案不僅能在一定程度上緩解交通擁堵,而且能減少汽車廢氣排放,降低噪音污染,保障高架橋周邊居民的健康.由于高架橋上只有慢行交通系統,行人不僅在享有平等路權的同時,也能享受陽光、清新空氣和良好視野.此時的高架橋已經成為人們休閑娛樂的場所(見圖4),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的發展繁榮,甚至使之成為城市的地標——“空中商業街”.此外,改造后的高架橋也促進了兩側的橫向聯系,增強了城市景觀的協調和文化的交流、輻射.此方案不僅保留了高架橋,更發展了高架橋,使之成為綠色、人文和可持續的高架橋.4城市