Bài giảng Quy hoạch mạng lưới đường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN CẦU ĐƯỜNG BÀI GIẢNG QUY HOẠCH MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG TS. CHU CÔNG MINH Tháng 3 năm 2008 Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 1 MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ QUY HOẠCH GIAO THÔNG ĐÔ THỊ ............ 3 1.1 Định nghĩa ..................................................................................................... 3 1.2 Quy hoạch giao thông đô thị ......................................................................... 3 1.3 Quy trình quy hoạch giao thông.................................................................... 3 1.3.1 Xác lập mục tiêu (Formulation of goals and objectives): ...................... 4 1.3.2 Thu thập số liệu (Inventory):.................................................................. 4 1.3.3 Phương pháp phân tích (Analytical methods) ........................................ 5 1.3.4 Dự đoán (Forecasting) ............................................................................ 5 1.3.5 Thiết lập phương án (Formulating of alternative plans) ........................ 5 1.3.6 Đánh giá (Evaluation) ............................................................................ 5 1.3.7 Thực thi (Implementation) ..................................................................... 5 1.4 Mô hình mạng lưới đường ............................................................................ 5 1.4.1 Mô hình vòng xuyên tâm ....................................................................... 6 1.4.2 Mô hình nan quạt ................................................................................... 6 1.4.3 Mô hình ô bàn cờ ................................................................................... 7 1.4.4 Mô hình ô bàn cờ chéo ........................................................................... 8 1.4.5 Mô hình hỗn hợp .................................................................................... 9 1.4.6 Mô hình tự do ....................................................................................... 10 1.5 Lựa chọn mô hình mạng lưới đường .......................................................... 11 1.6 Các chỉ tiêu đánh giá mạng lưới đường đô thị ............................................ 12 1.6.1 Hệ số gãy khúc: .................................................................................... 12 1.6.2 Mật độ lưới đường chớnh: .................................................................... 12 1.6.3 Mật độ diện tích đường (γ) ................................................................... 13 1.6.4 Mật độ diện tích trên đầu người dân .................................................... 13 CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH QUY HOẠCH GIAO THÔNG ......................... 15 2.1 Mô hình trực tiếp......................................................................................... 15 2.2 Mô hình dự báo nhu cầu 4 bước ................................................................. 16 CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH NHU CẦU VẬN TẢI (TRIP GENERATION) .......... 0 3.1 Xác định số chuyến phát sinh bằng phương pháp hệ số tăng trưởng: .......... 0 3.2 Phương pháp phân loại tương ứng ................................................................ 1 3.3 Phân tích hồi quy .......................................................................................... 3 3.3.1 Các dạng hồi quy: ................................................................................... 3 3.3.2 Mục tiêu của phân tích hồi quy .............................................................. 4 3.3.3 Biến số trong hàm hồi quy ..................................................................... 4 3.3.4 Đánh giá hàm hồi quy ............................................................................ 5 3.3.5 Áp dụng hàm hồi quy vào mô hình phân tích nhu cầu phát sinh ........... 8 CHƯƠNG 4 PHÂN BỔ NHU CẦU VẬN TẢI (TRIP DISTRIBUTION) .......... 9 4.1 Các phương pháp hệ số tăng trưởng ............................................................. 9 4.1.1 Phương pháp hệ số đồng nhất ................................................................ 9 4.2 Phương pháp hệ số tăng trưởng bình quân ................................................. 10 4.2.1 Phương pháp hệ số tăng trưởng Detroit ............................................... 10 4.3 Phương pháp Frata ...................................................................................... 10 Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 2 4.4 Mô hình hấp dẫn ......................................................................................... 13 4.4.1 Mô hình hấp dẫn Drew ......................................................................... 16 CHƯƠNG 5 PHÂN CHIA PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG (MODE CHOICE) 19 5.1 Mô hình phân tích tương quan hồi quy ....................................................... 19 5.2 Mô hình xác suất lựa chọn phương tiện vận tải của mỗi cá nhân (Logit model) ................................................................................................................... 22 5.2.1 Hàm thoả dụng và bất thoả dụng.......................................................... 22 5.2.2 Mô hình logit đa nhõn tố ...................................................................... 23 5.2.3 Mô hình phân tích hành vi ................................................................... 24 CHƯƠNG 6 PHÂN CHIA LƯU LƯỢNG TRÊN TOÀN BỘ MẠNG LƯỚI .... 5 6.1 Phương pháp ấn định lưu lượng cho tuyến ngắn nhất ................................ 15 6.1.1 Thuật toán tìm đường ngắn nhất .......................................................... 16 6.2 Phương pháp phân chia theo tỉ lệ ................................................................ 19 6.2.1 Phương pháp đa nhân tố áp dụng ở California ..................................... 19 6.3 Phương pháp năng lực giới hạn .................................................................. 20 6.3.1 Mô hình sử dụng bởi cục đường bộ Mỹ ............................................... 20 6.3.2 Phương pháp Drew ............................................................................... 21 6.4 Phân chia lưu lượng hành khách công cộng ............................................... 22 6.5 Tổng kết ...................................................................................................... 22 6.6 Hành vi giao thông của cá nhân và gia đình ............................................... 23 6.7 Xác định lưu lượng trên mạng lưới đối với vận tải hàng hoá ..................... 23 CHƯƠNG 7 QUY HOẠCH GIAO THÔNG CÔNG CỘNG ............................ 25 7.1 Mô hình chi phí ........................................................................................... 25 7.1.1 Mô hình chi phí xe buýt: ...................................................................... 25 7.1.2 Cách thức tiến hành .............................................................................. 26 7.2 Thiết kế và vận hành hệ thống giao thông công cộng: ............................... 30 7.3 Năng lực vận chuyển đường sắt .................................................................. 32 7.4 Thiết kế vận hành ........................................................................................ 33 7.5 Thiết kế vận hành xe buýt : ......................................................................... 36 7.6 Khả năng thông hành của giao thông công cộng ........................................ 38 7.7 Kế hoạch tuyến đường ................................................................................ 39 7.8 Khoảng cách giãn xe ................................................................................... 40 7.9 Xây dựng thời gian biểu .............................................................................. 42 Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 3 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ QUY HOẠCH GIAO THÔNG ĐÔ THỊ 1.1 Định nghĩa - Quy hoạch là quá trình hướng đến tương lai, chuẩn bị cho tương lai. - Quy hoạch giao thông là một quá trình chuẩn bị những tiện ích và dịch vụ cho tất cả những phương tiện cho nhu cầu giao thông trong tương lai. - Tập trung vào các vấn đề như nhu cầu giao thông trong tương lai; mối quan hệ giữa những hệ thống giao thông, các tiện ích, việc sử dụng đất, các hoạt động kinh tế xã hội; những ảnh hưởng đến kinh tế, xã hội, môi trường của phương án quy hoạch đề nghị; những yêu cầu về tài chính, đồng thuận của các cấp cơ quan và người dân đối với phương án đề nghị, 1.2 Quy hoạch giao thông đô thị - Mục đích: 1. Nhằm đảm bảo nhu cầu đi lại được nhanh chóng, tiện lợi và an toàn, từ đó: 2. Phân tích thiếu hụt của các tiện ích giao thông hiện tại; 3. Đánh giá yêu cầu trong tương lai. - Phương pháp tiếp cận chung: 1. Xác định nhu cẩu giao thông: Quy hoạch cho vận chuyển con người và hàng hóa; 2. Xác định khả năng cung cấp: Vị trí, công suất (capacity) và các tiện ích giao thông. - Phương pháp tiếp cận chi tiết: 1. Trình bày các phương pháp thu thập thông tin; 2. Phát triển các mô hình giao thông, các phương thức giao thông trên cơ sở các thông tin thu thập được. 1.3 Quy trình quy hoạch giao thông UTP = UT (nghiên cứu) + UT (mô hình) UT (nghiên cứu) : Tính toán tại thời điểm hiện tại (t = 0) UT (mô hình) : Tính toán tại thời điểm tương lai (t = T) Có rất nhiều phương pháp để diễn tả quy trình quy hoạch giao thông: Ví dụ về một quy trình quy hoạch giao thông đô thị Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 4 Hình 1.1 Quy trình quy hoạch giao thông đô thị 1.3.1 Xác lập mục tiêu (Formulation of goals and objectives): - Xác định mục đích của việc làm quy hoạch, các việc cần làm, thời gian hoàn thành; - Xác định các vấn đề (problems) và các ràng buộc (constrains); Ví dụ: Mục đích chung (goal): Cải tạo an toàn giao thông; Mục đích chi tiết (objectives): - Giảm thiểu tai nạn giao thông; - Giảm chấn thương và tử vong do tai nạn giao thông; - Tăng cường an toàn giao thông cho từng đối tượng sử dụng đường. 1.3.2 Thu thập số liệu (Inventory): - Thu thập số liệu (data collection); - Quan trắc (survey). Thu thập số liệu thích hợp: Dân số: Thành phần và số lượng; Sử dụng đất: Quỹ đất dành cho giao thông vận tải, công nghiệp, thương mại, Xác lập mục tiêu Thu thập số liệu Phương pháp phân tích Dự đoán Thiết lập phương án Đánh giá Thực thi Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 5 Kinh tế - xã hội: thu nhập, lực lượng lao động, số lượng xe máy, ôtô đăng ký (car ownership) Kiểu đi lại: Như thế nào, ở đâu, khi nào, Quan trắc tình hình hiện tại và cách ứng xử của người sử dụng đường (driver behavior) Kiểu đường: Đường cao tốc, đường nội bộ, Quan trắc vận tốc; Điều tra tai nạn; Quan trắc đỗ xe; Quan trắc hệ thống tín hiệu đèn. 1.3.3 Phương pháp phân tích (Analytical methods) - Phân tích số liệu; - Phát triển mô hình phù hợp hệ thống giao thông hiện tại và tương lai. Sử dụng thông tin từ bước 2 để phát triển các mô hình; Sử dụng các mô hình để dự đoán nhu cần giao thông trong tương lai. 1.3.4 Dự đoán (Forecasting) - Dự đoán tình hình tương lai; - Yêu cầu: Dự đoán về dân số, các hoạt động kinh tế, xã hội, .. Thông thường,năm tính toán (target year) là 5 – 20 năm. 1.3.5 Thiết lập phương án (Formulating of alternative plans) Nhiều phương án được đưa ra để so sánh, đánh giá trên cơ sở đó lựa chọn một phương án phù hợp nhất. 1.3.6 Đánh giá (Evaluation) - Trình bày các phương án; - Đánh giá các phương án: Khảo sát và thử tất cả các phương án nhẳn chọn ra phương án tốt nhất thỏa mãn mục tiêu để ra như tính khả thi về kỹ thuật và kinh tế, môi trường và xã hội. 1.3.7 Thực thi (Implementation) Dự trù kinh phí hoạt động: Thiết kế chi tiết; Đấu thầu; Tài chính. 1.4 Mô hình mạng lưới đường Sơ đồ hay mô hình mạng lưới đô thị phụ thuộc vào điều kiện địa hình, điều kiện lịch sử phát triển của đô thị. Mạng lưới đường đô thị thường có các dạng sơ đồ sau: Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 6 vòng xuyên tâm, hình nan quạt, bàn cờ, bàn cờ chéo, hỗn hợp nhiều dạng và sơ đồ tự do. 1.4.1 Mô hình vòng xuyên tâm Thường thấy ở các đô thị cổ châu Âu như Moscow, Paris, Lyon, London Đặc điểm: các đường hướng tâm nối trung tâm với các khu phố xung quanh. Các đường vòng đai nói liền với các khu vực của đô thị với nhau và sử dụng cho vận tải quá cảnh. Ưu điểm: Liên hệ giữa các khu phố với nhau và giữa các khu phố với trung tâm được thuận tiện và thời gian chuyến đi ngắn Nhược điểm: Luồng giao thông vào trung tâm thành phố thường tập trung lớn, gây khó khăn cho việc tổ chức giao thông, bố trí các gara, nơi đỗ xe Hình 1.2 Mạng lưới đường ở thủ đô London như hình vòng tròn xuyên tâm 1.4.2 Mô hình nan quạt Thường gặp tại các đô thị nằm ven bờ biển, ven sông, ven hồ Đặc điểm: Là một nửa của sơ đồ vòng xuyên tâm, gồm các đường hướng tâm và các đường đai (đường ngang) bao quanh khu trung tâm nối liên các khu phố với nhau và với khu trung tâm. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 7 Mô hình mạng lưới đường kiểu này co các ưu và nhược điểm của mô hình vòng xuyên tâm. Hình 1.3 M¹ng l−íi ®−êng ë thñ ®« Moscow nh− h×nh nan qu¹t 1.4.3 Mô hình ô bàn cờ Thường gặp ở nhiều đô thị nước Mỹ như Chicago, Newyork, Rangun, thành phố Hồ Chí Minh Đặc điểm: Các đường phố vuông góc với nhau chia các khu phố thành các hình chữ nhật hoặc hình vuông. Ưu điểm: Đơn giản, thuận tiện cho việc quy hoạch xây dựng nhà cửa, công trình và tổ chức giao thông, không gây căng thẳng giao thông ở khu trung tâm Nhược điểm: Đường đi thực tế kéo dài nhiều so với đường chim bay, tăng 20-30% so với sơ đồ vòng xuyên tâm đơn điệu về mạng lưới. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 8 Hình 1.4 M¹ng l−íi ®−êng ë thµnh phè San Francisco nh− « bµn cê 1.4.4 Mô hình ô bàn cờ chéo Tương tự như mô hình ô bàn cờ người ta thêm các đường chéo hướng vào khu trung tâm để giảm khoảng cách đi lại giữa các khu vực với nhau và từ các khu vực vào khu trung tâm. Ưu điểm: Khắc phục được các nhược điểm của mô hình ô bàn cờ Nhược điểm: Phân chia khu phố thành nhiều ô tam giác gây khó khăn cho quy hoạch xây dựng nhà cửa, xuất hiện các ngã sáu, bảy, tám làm cho việc tổ chức giao thông phức tạp hơn. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 9 Hình 1.5 M¹ng l−íi ®−êng ë thµnh phè Chicago nh− « bµn cê « chÐo 1.4.5 Mô hình hỗn hợp Đây là sự kết hợp giữa mô hình vòng xuyên tâm và mô hình ô bàn cờ. Mô hình này có mạng lưới đường phố thao dạng ô bàn cờ trong khu trung tâm và hướng tam ra phía ngoài. Ưu điểm: Giảm bớt được lượng giao thông lớn tập trung về một điểm, đồng thời khoảng cách đi các hướng cũng được rút ngắn. Hình 1.6 M« h×nh hçn hîp Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 10 Hình 1.7 M¹ng l−íi ®−êng ë thñ ®« Berlin nh− « bµn cê, vßng trßn xuyªn t©m hçn hîp 1.4.6 Mô hình tự do Hướng của các đường phố tự do tuỳ theo điều kiện địa hình, điều kiện phân bố khu dân cư, khu công nghiệp với mục đích đảm bảo đi lại tiện lợi và giá thành hạ. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 11 Hình 1.8 Mạng lưới đường ở thủ đô Bangkok 1.5 Lựa chọn mô hình mạng lưới đường Bảng 1.1 Đề xuất một số mô hình mạng lưới đường chủ yếu trong từng khu chức năng TT Khu chức năng Loại đường Dạng mạng lưới giao thông Phương án 1 Phương án 2 1 Khu trung tâm thươg mại CBD Đường phố chính cấp 1,2 Dạng hướng tâm Dạng hướng tâm có vành đai 2 Khu công nghiệp nhẹ, tiểu công nghiệp Đường phố chính cấp 2, đường khu vực Dạng hỗn hợp Dạng nan quạt 3 Khu dân cư Đường phố chính cấp 2, đường khu vực, đường nội bộ Dạng bàn cờ Dạng hỗn hợp 4 Khu công nghiệp nặng Đường khu vực, đường nội bộ Dạng bàn cờ Dạng hỗn hợp Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 12 5 Khu vui chơi giải trí Đường phố chính cấp 2, đường khu vực, đường nội bộ Dạng tự do Dạng hỗn hợp 6 Khu vực cơ sở hạ tầng xã hội Đường phố chính cấp 2, đường khu vực, đường nội bộ Dạng bàn cờ Dạng hỗn hợp 7 Khu nông nghiệp Đường cao tốc, đường khu vực, đường nội bộ Dạng bàn cờ Dạng hỗn hợp 8 Khu ngoại thành Đường cao tốc, đường khu vực, đường nội bộ Dạng hỗn hợp Dạng tự do Nguyên tắc chung để chọn phương án tối ưu là căn cứ vào điều kiện cụ thể về địa hình, về các yêu cầu quy hoạch chung sự phân bố các khu chức năng đô thị (khu công nghiệp, dân cư, thương mại..) để đưa ra các luận chứng về kinh tế, kỹ thuật, kiến trúc Tuy nhiên về tiêu chuẩn giao thông có thể đánh giá một cách tương đối thông qua các chỉ tiêu đánh giá như sau. 1.6 Các chỉ tiêu đánh giá mạng lưới đường đô thị Cụ thể sử dụng một số chỉ tiêu cụ thể sau để đánh giá. 1.6.1 Hệ số gãy khúc: Hệ số gãy được tính bằng tỷ số của tổng chiều dài đường đi thực tế các điểm của mạng lưới đường phố chia cho tổng khoảng cách giữa chúng theo đường chim bay. Sơ đồ mạng lưới được xem là hợp lý nếu hệ số gãy < 1,15, trung bình từ 1,15 đến 1,25 không hợp lý nếu > 1,25. Cần lưu ý là ngay về mặt giao thông vận tải mà xét thì chỉ tiêu hệ số gãy chưa xét được các yếu tố về lượng xe chạy theo các hướng và địa hình do đó chỉ mang tính gần đúng. 1.6.2 Mật độ lưới đường chính: ∑ ∑ = F lδ (Km/km2) Với ∑l : Tổng chiều dài đường chính; ∑ F: Diện tích đô thị. Khi mật độ đường chính lớn thì giao thông thuận tiện, nhưng nếu quá lớn thì một mặt tăng vốn đầu tư vào xây dựng đường xá, mặt khác số đường giao nhau tăng lên làm ảnh hưởng tốc độ xe chạy và khả năng thông xe của đường. Ngược lại, nếu mật độ nhỏ, xe cộ phải đi lại vòng vèo, mất nhiều thời gian. Thông thường, người ta cho Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 13 rằng khoảng cách hợp lý giữa các tuyến đường chính khoảng 800m – 1000m. Khi đó, mật độ đường chính 2 – 2.5 km/km2. Khi ấn định mật độ đường chính, cần chú ý: Khu vực trung tâm đô thị, giao thông tập trung, mật độ đường chính có thể lớn hơn so với khu vực xung quanh và ngoại ô. Đối với đô thị nhỏ và trung bình, mật độ đường chính thường nhỏ hơn so với đô thị lớn. Bảng 1.2 Mật độ đường chính theo quy mô đô thị Quy mô dân số (ngìn người) <50 100 250 500 1000 δ 1.5 1.6 – 1.7 2 – 2.5 2.8 – 3 3.2 – 3.5 Khi đường tương đối hẹp, mật độ đường chính nờn bố trí cao hơn so với nơi đường cú chiều rộng tương đối lớn, có năng lực thông xe cao hơn. 1.6.3 Mật độ diện tích đường (γ) Mật độ diện tích đường là tỷ số của tổng diện tích đất dành cho đường trên diện tích dùng đất của đô thị. ∑ ∑ × = F BL )( γ (m2/km2) hoặc (km2/km2) Với L : Chiều dài đường từng đoạn; B : Chiều rộng đường tương ứng; F : Diện tích dùng đất của đô thị. Diện tích dùng đất dành cho đường bao gồm diện tích dùng đất cho bến xe, quảng trường, đường các loại. Ở Los Angeles γ = 50%, New York γ = 35%, Paris (khu trung tâm) γ = 24%, Tokyo (23 khu) γ = 13.5%, nội thành Hà Nội γ = 8%. 1.6.4 Mật độ diện tích trên đầu người dân mn BL γλ =×= ∑ )( (m2/người) Với L : Chiều dài đường (m); B : Chiều rộng đường (m); n : Số dân của đô thị; γ : Mật độ diện tích đường (%); Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 14 m : Mật độ nhân khẩu (người/m2). Theo quy định của Trung Quốc, λ= 6 – 10 m2/người dùng cho thời gian trước mắt (5 – 10 năm), λ= 11 – 14 m2/người dùng cho tương lai (15 – 20 năm). Ở Hà Nội, đường nội thành chỉ đạt λ= 3.38 m2/người. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 15 CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH QUY HOẠCH GIAO THÔNG Mục tiêu cuối cùng của mô hình giao thông là xác định lưu lượng giao thông trong tương lai: )(,, ,, tV kji rmp Từ điểm đi i (origin i) đến điểm đến j bởi nhóm k cho mục đích p dùng phương tiện m bằng đường r ở năm t. Có thể được viết lại như sau: )(,, ,, tV kji rmp = )(,, ,, tD kji rmp . )(,, ,, tS kji rmp Với D là hàm nhu cầu, S là hàm cung cấp hay mức độ phục vụ (level of service) ứng với nhu cầu cho trước: )(,, ,, tD kji rmp = )(,, ,, tS kji rmp . )(tA A(t) là hàm hoạt động, biểu diễn bởi: A(t) = Ap(t) .Ii(t) .Rr(t) .Ee(t) .Un(t) Pp(t) hệ số về dân số; Ii(t) hệ số về công nghiệp; Rr(t) hệ số về dân cư; Ee(t) hệ số công việc; Un(t) hệ số sử dụng đất. Hiện tại, có hai dạng mô hình được sử dụng để xác định lưư lượng giao thông: mô hình trực tiếp và mô hình gián tiếp. Ở dạng thứ nhất, hàm nhu cầu được dự đoán bằng 1 bước duy nhất. Ở dạng thứ hai, lưu lượng xe trong tương lai được đánh giá theo nhiều bước liên tiếp, nổi tiếng nhất trong mô hình này là phương pháp bốn bước (four-step model). 2.1 Mô hình trực tiếp Một lý thuyết liên quan đến nhu cầu đi lại đề nghị rằng người đi đường lựa chọn đi lại một cách đồng thời chứ không theo một chuỗi các bước liên tiếp, do đó mô hình dự báo phải xây dựng dựa trên lý thuyết trên. Công thức Quandt and Baumol xác định nhu cầu đi lại liên thành phố như sau: 87 * 6 * 5 * 4 * 3 * 21 0 )()()()()()()()( aIJa IJ IJKa IJ IJKa IJ a IJ IJKa IJ a J a IIJK YD D H HH C CCPPaQ = Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 16 Ở đây: QIJK : Lưu lượng đi lại giữa thành phố J và J theo phương tiện K PJ, PJ : Dân số của I và J CIJ* : Chi phí đi lại tối thiểu giữa I và J CIJK : Chi phí đi lại giữa I và J bằng phương tiện K HIJ : Thời gian đi lại tối thiểu giữa I và J HIJK : Thời gian đi giữa I và J bằng phương tiện K DIJ* : Tần suất khởi hành của phương tiện được sử dụng nhiều nhất DIJK : Tần suất khởi hành của phương tiện K YIJ : Tỉ lệ thu nhập trung bình giữa I và J a0...a8 : Các tham số xác định • Mô hình này, phương trình nhu cầu phát sinh đồng thời cũng là nhu cầu phân bổ, sử dụng các biến số về đặc điểm sử dụng đất (dân số), đặc điểm kinh tế xã hội (thu nhập), và đặc tính sử dụng các phương tiện vân tải giữa các vùng (chi phí, thời gian đi lại, tần suất phục vụ) để xác định nhu cầu theo từng phương thức vận tải giữa các vùng (QIJK). • Với các đô thị lớn, việc xác định và ứng dụng mô hình 1 bước là không khả thi. Mô hình 1 bước với quá trình tính toán đơn giản có thể sử dụng ở những khu vực có số lượng vùng ít và mạng lưới giao thông không quá phức tạp, được sử dụng phổ biến để tính toán lượng cầu phản ứng nhanh. 2.2 Mô hình dự báo nhu cầu 4 bước Theo mô hình 4 bước, các yếu tố cơ bản tác động đến hành vi giao thông được liệt như sau: 1. Quyết định đi lại với một mục đích nhất định(nhu cầu phát sinh) 2. Lựa chọn nơi đến (phân bổ nhu cầu) 3. Lựa chọn phương tiện vận tải (lựa chọn phương tiện) 4. Lựa chọn tuyến hoặc đường đi (xác định mạng lưới) Hình 2.1 sẽ minh hoạ các bước dự báo nhu cầu đi lại. Trong mô hình này đầu ra của một bước là đầu vào của bước tiếp theo. Trong mỗi bước các biến độc lập và các biến phụ thuộc sẽ được sử dụng. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 17 Hình 2.1 Quy trình dự báo nhu cầu vận tải 4 bước Nhaän xeùt: • Nhieàu quan ñieåm choáng laïi quy trình döï baùo nhu caàu 4 böôùc truyeàn thoáng. Ngöôøi ta cho raèng chuùng khaù coàng keành, toán keùm vaø ñoøi hoûi moät khoái löôïng döõ lieäu lôùn; • ÔÛ nhöõng thôøi ñieåm nhaát ñònh, moâ hình naøy phuï thuoäc vaøo soá lieäu cuûa caùc phaàn khaùc, vaø keát quaû ñaït ñöôïc bôûi qui trình tính toaùn böôùc laëp chöù khoâng phaûi moät nghieäm toái öu tröïc tieáp; • Sai soá taïi moãi böôùc tính toaùn seõ aûnh höôûng ñeán caùc böôùc tieáp theo vì ñaàu ra cuûa moät böôùc seõ laø ñaàu vaøo cuûa moät böôùc keá noù; • Nhu caàu vaän taûi phaùt sinh laø khoâng phuï thuoäc vaøo ñaëc ñieåm cuûa cung vaän taûi vaø caùc tieán boä veà maët coâng ngheä vaän taûi; • Maëc daàu coù caùc nhöôïc ñieåm nhö vaäy moâ hình döï baùo naøy vaãn ñöôïc söû duïng phoå bieán, lyù do cô baûn nhaát laø moâ hình naøy ñaõ qua nhieàu thöû nghieäm thaønh coâng vaø phöông phaùp xaùc ñònh ñöôïc xaây döïng raát hoaøn chænh. Quaù trình döï baùo 4 böôùc noùi chung ñöôïc söû duïng nhö moät phöông phaùp chuû yeáu cho ñeán ngaøy nay. Đặc điểm KTXH và sử dụng đất Nhu cần phát sinh Phân bổ nhu cầu Chọn lựa phương tiện Xác định mạng lưới Lợi ích trực tiếp của người sử dụng Đặc điểm của hệ thông GTVT Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 18 Bieåu thöùc toaùn hoïc: Oi = αx A(t)x DJ = ßx A(t)x Xaùc ñònh nhu caàu V(t)ij = δij Oi(t) Dj(t) Phaân boå nhu caàu V(t)ij m = φijm V(t)ij Löïa choïn phöông thöùc V(t)ij mr = φijmr V(t)ijm Xaùc ñònh maïng löôùi 2.3 Sơ lược về dữ liệu cần thiết để xây dựng mô hình Thu thập một số lượng lớn dữ liệu là việc rất cần thiết nhằm xây dựng mô hình dự báo nhu cầu giao thông. Dữ liệu sử dụng cho mô hình được phân loại sơ lược bao gồm từ việc định nghĩa vùng nghiên cứu, xác định các thông tin chi tiết về hệ thống mạng lưới đường, và được chia làm bốn nhóm như sau: • Vùng nghiên cứu • Các hoạt động đô thị • Hệ thống mạng lưới đường • Nhu cầu đi lại Từ những kiến thức có được về 4 nhóm trên, các chuyên gia quy hoạch giao thông sẽ xây dựng một hệ thống dữ liệu cần thiết để tiến hành quy trình dự báo nhu cầu giao thông. 2.3.1 Vùng nghiên cứu: Định nghĩa ranh giới vùng nghiên cứu: Trước khi tiến hành quá trình dự báo nhu cầu giao thông, người làm công tác quy hoạch phải nắm rõ vùng nghiên cứu là gì. Vùng nghiên cứu có thể bao gồm cả những vùng đã, đang và chưa phát triển trong vòng 20, 30 năm tới, phụ thuộc vào mục đích quy hoạch. Ranh giới của vùng nghiên cứu được xác định thông qua mục đính quy hoạch, dựa trên ranh giới tự nhiên, mức độ phát triển, điều kiện chính trị, Phân chia vùng nghiên cứu: Vùng nghiên cứu được chia ra thành nhiều vùng nhỏ nhằm hỗ trợ nhà quy hoạch nối kết thông tin về các hoạt động, nhu cầu vận tải, nhu cầu sử dụng đất trong vùng cần nghiên cứu. Trong quy hoạch giao thông, các vùng nhỏ này được gọi đơn giản là vùng (Zone). Không có quy định cụ thể về kích thước của mỗi vùng, nó phụ thuộc vào mật độ dân số hoặc điều kiện phát triển tự nhiên. Ở khu vực trung tâm thành phố (CBD), các vùng có thể có kích thước rất nhỏ như chỉ vài dãy nhà, nhưng các vùng ở xa khu vực trung tâm, kích thước mỗi vùng có thể lên đến hơn 20km2. Với vùng nghiên cứu có số dân hang triệu người, có thể được chia ra chi tiết đến 600 – 800 vùng. Mô hình HOUTRANS cho khu vực phát triển vùng bao gồm thành phố Hồ Chí Minh và một vài tỉnh lân cận có 270 vùng. Thông thường, việc phân chia các vùng dựa trên việc đồng nhất về các hoạt động xã Quy hoạch mạng lưới đư hội, ví dụ như vùng này là khu dân c nghiệp, và ranh giới gi đường xá, địa giới các qu Vùng ờng TS. Chu Công Minh ư, vùng kia la khu thương m ữa các vùng thường được dựa trên ranh gi ận, huyện, phường, xã, Hình 2.2 Vùng và ranh giới vùng Vùng nghiên c 19 ại, khu công ới tựu nhiên, ứu Nhu cầu vận tải Phân bổ nhu cầu Lựa chọn phương tiện Lựa chọn tuyến Chuyến đi phát sinh Vùng Oi 1 47 2 66 3 110 Tổng 223 Chuyến đi thu hút Vùng Dj 1 45 2 90 3 88 Tổng 223 Vij 1 2 3 Oi 1 10 18 19 47 2 30 32 4 66 3 5 40 65 110 Dj 45 90 88 223 P/tiện V32m Xe máy 20 Xe con 15 Xe buýt 5 Tổng 40 Tuyến V32xe máy R1 5 R2 12 R3 3 Tổng 20 CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH NHU CẦU VẬN TẢI (TRIP GENERATION) • Số các chuyến đến và đi của mỗi vùng liên quan đến đặc điểm sử dụng đất và các đặc điểm kinh tế xã hội của người sử dụng giao thông cũng như các yếu tố khác có liên quan đến giao thông vận tải. • Mô hình dự báo xác định tổng nhu cầu có đầu vào là đặc điểm quy mô sử dụng và đầu ra là số tổng chuyến đi phát sinh và hấp dẫn của mỗi vùng. • Khối lượng hàng hoá cần vận chuyện được xác định chủ yếu từ các dự báo khả năng sản xuất và tiêu thụ, nhằm vào một số mặt hàng chính. • Biểu diễn về mặt toán học Oi = f(Li) Dj = f(Lj) Với: Oi = Số lượng chuyến phát sinh trong vùng i; Dj = Số lượng chuyến đến vùng i; Li, Lj = Cường độ sử dụng đất trong vùng i và j. Phân loại Đánh giá hoạt động sử dụng đất Số lượng chuyến sử dụng đất Sinh hoạt Li, số người sống trong vùng Oi Li, số công nhân sống trong vùng Oi Công nghiệp Lj, số công việc trong vùng Dj Lj, diện tích khu công nghiệp (Km2) trong vùng Dj Kinh doanh Lj, số chỗ đậu xe trong vùng Dj Lj, diện tích kinh doanh trong vùng Dj Giải trí Lj, số lượng phòng trong các khách sạn Dj Lj, khả năng chứa (số chỗ) của khu giải trí Dj Các phương pháp được sử dụng: 1. Hệ số tăng trưởng (Expansion Factor) 2. Phương pháp phân loại tương ứng (cross-classification) 3. Phân tích hồi quy (regression analysis) 3.1 Xác định số chuyến phát sinh bằng phương pháp hệ số tăng trưởng: • Theo các nghiên cứu trước đây, như Detroit Metropolitan Area Traffic Study, sử dụng hệ số tăng trưởng đơn giản để xác định số lượng chuyến trong tương lai trong các vùng. • Ở dạng đơn giản nhất, sử dụng các dữ liệu lấy từ khảo sát từ việc sử dụng đất. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 1 Ví dụ 3.1: Dân số của thành phố Gi Gi năm 2007 là 1,000,000 dân và số lượng chuyến phát sinh năm 2007 là 250,000 chuyến. Nếu dân số năm cần tính toán được dự đoán là 1,250,000. Dự đoán số lượng chuyến vào năm đó. Giải: Hệ số tăng trưởng = 1,250,000/1,000,000 = 1.25 Số lượng chuyến ở năm cần tính toán: 1.25 × 250,000 = 312,500 chuyến. Ví dụ 3.2: Thông tin ở bảng dưới đây được thu thập ở thành phố RCA năm 1995 và dự đoán cho năm 2010. Năm Dân số Số lượng công nhân Sở hữu xe 1995 800,000 300,000 100,000 2010 900.000 320,000 120,000 Nếu số lượng chuyến/ngày năm 1995 là 125,000 chuyến. Dự đoán số chuyến năm 2010. Giả sử rằng số chuyến/ngày = f(dân số, số công nhân, sử hữu xe) Giải: Hệ số tăng trưởng: 900,000/800,000 ; 375,000/300,000 ; 120,000/100,000 = 1.125 ; 1.25 ; 1.2 Tổng hợp : 1.125 × 1.25 × 1.2 = 1.69 Tổng số lượng chuyến năm 2010 là : 1.69 × 125,000 = 211,250 chuyến 3.2 Phương pháp phân loại tương ứng Phương pháp này ở bước đầu tiên là xác định nhân tố ảnh hưởng (biến số) nào sẽ được sử dụng để tính toán nhu cầu. Các đặc điểm kinh tế xã hội thường được phân thành như sau: • Số xe riêng: 0, 1, 2, 3+ • Quy mô hộ gia đình: 2, 3, 4, 5, 6+ • Thu nhập hộ gia đình: 500,000 – 1,000,000; 1,000,000 – 2,000,000; .. Số liệu điều tra thực tế về số chuyến đi của mỗi hộ gia đình và các thông tin cần thiết khác được thu thập. Sau đó, người ta phân loại từng nhân tố ảnh hưởng trên vào các mức tương ứng. Hệ số đi lại bình quân sẽ được tính cho từng loại hộ gia đình ứng với số xe sở hữu. Hệ số này được sử dụng để tính số chuyến đi trong tương lai. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 2 Ví dụ 3.3: Số hộ gia đình, tổng số chuyến đi và mức độ sở hữu xe được sắp xếp trong bảng sau: Quy mô gia đình Số xe riêng sở hữu 0 1 2 Số hộ Số chuyến Số hộ Số chuyến Số hộ Số chuyến 1 2 3 4+ 925 1471 1268 745 1098 2105 1850 1509 1872 1934 3071 4181 4821 6129 13989 18419 121 629 4178 4967 206 1501 19782 25106 Dự báo số hộ gia đình ở vùng A, phân loại theo quy mô gia đình và mức độ sở hữu xe riêng theo bảng sau: Quy mô gia đình Số xe riêng sở hữu 0 1 2+ 1 2 3 4 + 24 10 11 3 42 51 31 17 8 107 158 309 Tính số chuyến đi phát sinh tù vùng này năm 2010. Giải: Trước tiên, ta tính hệ số đi lại bình quân của hộ gia đình bằng cách chia tổng số chuyến đi cho tổng số gia đình Quy mô gia đình Số xe riêng sở hữu 0 1 2+ 1 2 3 4+ 1.19 1.43 1.45 2.02 2.57 3.16 4.55 4.40 1.70 2.17 4.74 5.05 Dự báo số chuyến đi phát sinh từ vùng A trong tương lai như sau: Quy mô gia đình Số xe riêng sở hữu Tổng cộng 0 1 2+ Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 3 1 2 3 4+ 29 14 16 6 108 161 141 75 14 232 749 1561 151 407 906 1642 Tổng cộng 65 485 2556 3106 Chú ý: Số chuyến là nguyên nên phương pháp này chấp nhận làm tròn số. 3.3 Phân tích hồi quy Phân tích hồi quy là phương pháp toán học được lập trình cho máy tính. Rất nhiều phần mềm thống kê hiện nay sử dụng phương pháp này như EXCEL, SPSS, Trong thực tế một hiện tượng này không chỉ liên quan đến một hiện tượng khác mà thường nó liên quan đến rất nhiều hiện tượng. Nhu cầu đi lại của người dân cũng vậy. Ta gọi nhu cầu đi lại của vùng nghiên cứu là y và các yếu tố ảnh hưởng đến nó là x1, x2 và sử dụng kỹ thuật hồi quy để xác định mối quan hệ giữa biến phụ thuộc y và các biến độc lập x. y = f(x1, x2, ) Mối quan hệ hồi quy có thể là tuyến tính, phi tuyến với biến đơn hoặc đa biến. 3.3.1 Các dạng hồi quy: Hàm hồi quy tuyến tính nhiều biến số y = a + b1x1 + b2x2 + b3x3 Hàm hồi quy phi tuyến y = eax+b y = ax2+b Hàm hồi quy chặn 0 y = ax y = a1x1 + a2x2 + AÙp dụng các hàm hồi quy vào mô hình phân tích nhu cầu phát sinh, các biến phụ thuộc là Oi và biến độc lập là Ci, Wi hoặc X1, X2 Oi = 12,5 + 2,105Ci + 0,88Wi ở đây Oi Số chuyến đi phát xuất từ vùng i Ci Số xe riêng sở hữu bởi mỗi hộ gia đình trong vùng i Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 4 Wi Số người đi làm trong vùng i Di = 218 + 17,24X1 + 3,255X2 Di Số chuyến đi hấp dẫn đến vùng j X1 Diện tích khu vực thương mại (1000m2) X2 Diện tích khu vực dịch vụ và văn phòng (1000m2) 3.3.2 Mục tiêu của phân tích hồi quy Mục tiêu của phân tích hồi quy là tìm ra dạng hàm biểu diễn mối quan hệ giữa biến phụ thuộc và các biến độc lập. Nếu biểu diễn các (x1,y1) là các cặp giá trị thực (giá trị ngẫu nhiên) của các biến độc lập và biến phụ thuộc trên hệ trục toạ độ thì ta được tập hợp các điểm rời rạc như hình 3.2. Phân tích hồi quy cho phép xác định dạng hàm biểu diễn các điểm rời rạc (x1,y1) này, nói một cách đơn giản phân tích hồi quy cho phép xác định một đường biểu diễn càng nhiều càng tốt các điểm (x1,y1). Để thực hiện nguyên tắc này, người ta tối thiểu hoá tổng bình phương của tất cả các sai số (nghĩa là tổng khoảng cách từ các mẫu biến thiên đến đường hồi quy phải là nhỏ nhất). Min∑ − 2)( yyi Ví dụ 3.4: Nếu hàm hồi quy có dạng y = a0 - a1x1 - a2x2 thì mục tiêu của phân tích hồi quy sẽ là min ∑ −−− 222110 )( xaxaayi Hình 3.2. Quan hệ giữa các biến độc lập và biến phụ thuộc 3.3.3 Biến số trong hàm hồi quy Việc quyết định biến độc lập trong hàm hồi quy tuyến tính tuân theo nguyên tắc sau: x y + + + + + + + + + + + + + + Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 5 1. Biến độc lập phải có mối liên hệ với biến phụ thuộc 2. Biến độc lập phải có mối tương quan cao với biến phụ thuộc 3. Các biến độc lập không được có mối liên quan ảnh hưởng lẫn nhau, nghĩa là chúng phải tương đối độc lập. 4. Các biến độc lập phải có khả năng xác định được. 3.3.4 Đánh giá hàm hồi quy Sau khi sử dụng kỹ thuật hồi quy xác định được các tham số cho mô hình, nghĩa là ta tìm được mối liên hệ giữa các biến độc lập và biến phụ thuộc chúng ta phải đánh giá xem mối liên hệ đó có phản ánh các tác động qua lại giữa các biến độc lập và biến phụ thuộc hay không. Việc đánh giá này được thực hiện qua việc xem xét hai chỉ tiêu hệ số xác định và hệ số tương quan. a. Hệ số xác định: Hệ số xác định R2 biểu diễn mức độ tập trung của các mẫu rời rạc xung quanh hàm hồi quy. Nói cách khác một mô hình hàm hồi quy càng tốt khi càng có nhiều mẫu biến thiên được biểu diễn bởi phương trình hồi quy và hệ số xác định sẽ đánh giá điều này. Như vậy hệ số xác định là luôn không âm. Độ lớn của hệ số xác định được tính theo công thức sau: ( ) ( )( )[ ] ( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]2222 2 2 ∑∑∑∑ ∑∑∑ −− − = iiii iiii yynxxn yxyxn R ở đây: n Số mẫu yi Biến phụ thuộc thứ i xi Biến độc lập thứ i Hệ số xác định biến thiên trong khoảng (0,1). Hệ số xác định bằng 0 khi không có mẫu biến thiên nào biểu diễn bằng đường hồi quy (không tìm được đường lối hồi quy) và bằng 1 khi tất cả các mẫu biến thiên đều được biểu diễn bằng đường hồi quy. Như vậy mô hình càng tốt thì hệ số xác định càng gần đến 1. x y + + + + + + + + + + + R2=0 Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 6 Hình 3.3. Hệ số xác định trong một số trường hợp đặc biệt Chú ý: • R2 = 0,49 có nghĩa là 49% lượng mẫu của biến phụ thuộc là được biểu diễn bởi đường hồi quy; • Thông thường hệ số xác định R2 nằm trong khoảng (0,30-0,70) thì mô hình được đánh giá là tương đối tốt; • Khi R2 < 0,20 mô hình hồi quy không được chấp nhận và phải tìm mô hình khác; • Khi R2 > 0,70 với mô hình có số mẫu lớn (vài nghìn mẫu quan sát) thì con số này cần xem xét lại. b. Hệ số tương quan Căn bậc hai của hệ số xác định được gọi là hệ số tương quan. Hệ số tương quan R biểu diễn các các mối tương quan giữa hai biến Hệ số tương quan biến thiên trong khoảng (-1,1). Giá trị tuyệt đối của hệ số tương quan càng gần đến 1 thì mô hình càng được đánh giá là tốt. Hệ số tương quan bằng 1 cho thấy khả năng phù hợp tuyệt đối của mô hình. Nếu hệ số tương quan quá nhỏ ta phải loại bỏ biến đó ra khỏi mô hình vì khi đó mối tương quan quá yếu. Trong trường hợp hồi quy tuyến tính, dấu của R biểu thị độ dốc của đường hồi quy. R≈+1 biểu thị mối tương quan dương cao. R≈-1 biểu thị mối tương quan âm cao. R≈- 0 cho thấy rằng không có mối tương quan nào giữa x và y. x x y r >0 + + + + + + + + + + + + + + + + x y r <0 + + + + + + + + + + + + y R2 = 1 + + + + Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 7 Hình 3.4. Hệ số tương quan trong một số trường hợp đặc biệt Độ lớn và dấu của R được xác định theo phương trình sau: ( ) ( )( ) ( )[ ] ( ) ( )[ ]{ } 2/1222 ∑∑∑ ∑∑∑ − − = iii iiii yynxn yxyxn R Chú ý: Hệ số tương quan của hai mô hình là R1 = -0,95 và R2 = 0,39 thì hệ số tương quan của mô hình đầu tiên là tốt hơn mô hình thứ hai. c. Kiểm định giả thuyết thống kê: Kiểm định các giả thuyết thống kê nhằm xác định mối tương quan giữa cặp biến độc lập (y, x1), (y, x2), ...và phụ thuộc dựa trên một mức độ tin cậy cho trước. Giả sử phương trình hồi quy có dạng như sau: y = a1x1 + a2x2 + Ta đặt giả thuyết thống kê như sau: Nếu giữa cặp biến độc lập và phụ thuộc, ví dụ như (y, x1), có mối tương quan cao thì hệ số của nó sẽ khác 0 (a1≠0). Ta có hai giả thuyết: H0: a1 = 0 H1: a1 ≠ 0 Giả thuyết H0 cho rằng a1 = 0, ta sẽ kiểm tra ứng với một độ tin cậy cho trước (t- test), giả thuyết H0 là đúng. Nếu đúng thì a1 = 0, nếu không ta chấp nhận giả thuyết H1 đúng, nghĩa là a1 ≠ 0. Cách làm như sau: Tính độ lệch chuẩn: Với n: Số mẫu y: Biến phụ thuộc;
: Giá trị trung bình của y được tính bằng xi x y r ≈ 0 + + + + + + + + Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 8 SE = sb1 = sqrt [ Σ(yi - ŷi)2 / (n - 2) ] / sqrt [ Σ(xi - x)2 ] 3.3.5 Áp dụng hàm hồi quy vào mô hình phân tích nhu cầu phát sinh Bước 1: Xác định biến số và dạng hàm hồi quy Oi = f(xi) Di= f(xi) Hàm hồi quy có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, trong khi biến số có thể là biến đơn hay đa biến. Việc quyết định biến số và dạng hàm hồi quy phụ thuộc vào mục tiêu cũng như đặc điểm các nhân tố ảnh hưởng trong quá trình quy hoạch. Bước 2: Thu thập số liệu cho mô hình hồi quy vừa xây dựng nói trên, sau đó xác định tham số của mô hình, kiểm tra các hệ số R và R2. Sau đó chọn tập hợp tham số phù hợp. Bước 3: Dự báo nhu cầu đi lại phát sinh của mỗi vùng thông qua mô hình hồi quy đã được xác định. Chú ý: Nhu cầu đi lại lấy làm dữ liệu cho quá trình quy hoạch không phải là nhu cầu trong một ngày mà là nhu cầu đi lại trong một thời điểm nào đó, cụ thể là nhu cầu đi lại giờ cao điểm, như vậy lượng đi lại lớn nhất trong dòng giao thông lúc này chính là nhu cầu đi làm.