城市快速路作为城市路网系统的骨架，是引导城市空间结构拓展和影响出行方式转变的关键.快速路投资大，超前或滞后的规划建设或是建设时序未能合理安排往往给城市的发展带来不利影响.如果在出现严重交通拥堵后被迫修建快速路，不仅不能充分发挥快速路对城市发展的引导和促进作用，而且建设投资更大，建设周期加长.如果过度超前建设快速路，会造成建设资金的浪费，过早占用城市资源.

城市快速路的建设时机主要包括首条快速路的启动时机和快速路网建设时序安排两方面.现行《城市道路交通规划设计规范：GB50220—1995》规定规划人口在200万以上的城市和长度超过30km的带形城市应设置快速路，但没有提出快速路的建设时机的规定.我国目前共有4个直辖市和283个地级市，其中已有约250个城市人口规模在200万人以上^[1].然而不同的城市有不同的地理条件、城市发展格局、经济发展状况，不能单独以人口规模作为建设快速路的先决条件.

目前尚无专门针对首条快速路的启动时机的研究，欧心泉等^[2]对城市快速路建设的先决条件进行了定性分析，但未能形成量化模型，理论指导意义不足.相关领域中，高咏玲^[3]利用实物期权模型对城市轨道交通建设时机进行了研究，该方法以轨道交通项目的经营价值和外部价值最大化为目标函数，采用OptQuest的分散搜索算法，智能有效地寻找项目的最佳建设时机; 朱建宁^[4]采用差额评价指标法对高速公路建设时机进行了研究，基于不同时期建设方案的建设养护成本和运营收入折现后对比，判断不同启动时机方案优劣.不同于地铁、高速公路，城市快速路并没有直接的运营收入，其建设所带来的广义社会收入在不同计算口径下所得出结论均不同，同时分散搜索算法计算过程复杂且所需参数较多，在工程实践中，受各种条件限制，难以准确获取全部参数取值，反而影响了模型预测的准确性.路网建设时序安排方面，Lavorltano等^[5]采用项目安全、环境影响、区域发展影响等12项指标由决策者赋权后计算各项目综合得分，得出相应排序; 董春娇等^[6]选取设施水平、区位条件两大类指标中若干项子指标，经专家打分法确定指标权重后，采用交通区位节点重要度法计算项目得分，对建设项目排序.

目前，在国内大城市快速路的规划和建设实践中，快速路建设时机的决策往往由政府的主要领导主观判断，缺少多角度的深入细致的定量和定性的分析，不少大城市的快速路的建设启动时机和时序安排存在较大问题.1987年以来，我国已有数10个城市陆续建设了快速路系统，其中工程建设时机的相关经验可作为建立快速路建设时机数学模型的基础.

1 国内典型城市快速路建设历程概述

自20世纪90年代，随着经济的快速发展，为满足城市空间不断拓展、城市更新的需要及个体机动化出行的急剧增加的需要，我国城市快速路建设进入集中规划、建设时期.北京、上海等人口超过1 000万的超大城市率先在90年代初期开展了城市快速路的建设工作; 2000年前后，天津、杭州、成都、南京等人口超过500万的特大城市的快速路规划和建设得到空前重视和优先发展.目前超大城市基本形成完善的快速路系统，特大城市已逐步形成快速路系统，而大量的人口超过200万的大城市也已开始构建快速路系统.

国内城市快速路网建设一般都经历了“先环后射”的过程.最初城市建设快速环路是为了保护中心城区，分离过境交通.随着城市规模的扩大，中心区人口逐渐向外围疏解，职住分离导致产生明显的向心性交通，因此催生了射线状骨架道路的建设.典型城市的快速路建设历程梳理如下：

(1) 北京市快速路(超大城市).北京市的二环快速路是国内第一条城市快速环路，于1992年通车，是北京市的内环路及保护老城区以及城市核心区的屏障，随后三环、四环、五环快速路相继建成.2000年后，北京市加强了快速联络线和放射线的建设，德外大街、学院路、阜石路高架路、德贤路等10余条快速路相继建成.

(2) 上海市快速路(超大城市).内环线是上海首条快速路，浦西段于1994年建成，20世纪90年代末期提出了“三环十射”快速路网系统的规划，并随之完成了外环线、中环线的建设.“十射”的建设起步晚于环路，从1999年开始，陆续完成了延安高架路、南北高架路等10余条快速路的建设.

(3) 苏州市快速路(特大城市).苏州市中心城区绕城高速规划形成“井+环”快速路网.内环快速路最早开建，于2007年全线完工，随后中环快速路于2015建成.快速路射线在2007年后陆续建成，逐步完成“井字形”布局.

(4) 武汉市快速路(特大城市).武汉首条快速路三环线于2011年贯通，2015年二环路建成.期间有金桥大道、姑嫂树路、长丰大道、国博大道等放射线建成，总体形成“两环多射”的快速路网布局.

(5) 无锡市快速路(大城市).无锡市规划有“两环十射两联”快速路网，内环线于2008年建成.随后机场路高架、太湖大道东延伸高架等相继建设，形成了“一环多射”的快速路网布局.

(6) 昆山市快速路(大城市).昆山市规划有“两环一横九放射”快速路网，首条中环快速路于2015年通车.外环快速路、G312快速路射线相继于2017年开工.

2 首条快速路启动时机 2.1 首条快速路启动时机的影响因素

快速路建设启动时机主要由城市建设资金供应和城市交通需求两方面决定，并受交通拥堵发展趋势等因素影响.其中，城市建设资金的供应主要由经济发展水平决定.根据1987—2016年30年间国内快速路建设工程实践经验及既有研究成果，得到部分城市首条快速路建成时相关因素分析表(表 1).

(1) 经济发展水平.快速路的建设和运营需要大量的资金支持，以双向6车道的快速路建设成本为例：地面形式为0.8~1.2亿元·km^-1、高架形式为2.0~2.5亿元·km^-1、地道形式为4.0~5.0亿元·km^-1，加上征地拆迁等成本，平均造价甚至高达3~8亿元·km^-1，需要城市具备较强的经济实力.联合国开发计划署研究认为：发展中国家城市市政公用基础设施投资占GDP的3%~5%.研究表明：包括快速路在内的交通设施的投资约占城市市政公用基础设施的16%~20%^[7]，快速路网投资占交通设施的20%~50%，则快速路网投资占城市GDP的0.12%~0.50%.

分析表 1，以样本城市中位数为参照，超大城市、特大城市、大城市GDP总量分别达到1 000亿、2 000亿、3 000亿时启动首条快速路比较合适.

(2) 城市交通需求.城市道路交通需求可以用机动化交通总出行量乘以出行距离来衡量，主要由机动车保有量、城市布局与土地利用、区域一体化程度等因素决定.总结国内外快速路建设历程，快速路在机动化水平达到每千人100辆时开始建设，达每千人200辆后全面展开建设，而达到每千人500辆后则逐渐进入成熟稳定期^[2].分析国内城市首条快速路建成时的机动车保有量，北京、上海、广州等超大城市均值为每千人35辆，天津、武汉、杭州、大连等特大城市均值为每千人140辆，常熟、昆山等大城市均值为每千人217辆(表 1).

随着城市发展，绝大多数城市选择优先向外拓展城市空间，同时对老城区空间及功能布局实施有机更新和调整，城市发展并不追求密集型布局，更倾向分散组团式方向发展.通过快速路网系统，缩短城市各个组团之间的时间距离，使城市的概念在时空上得到统一.非机动化的出行一般在3~5 km范围内，对应的出行覆盖面积约30~80 km²，小汽车出行一般在5 km以上，主城区空间尺度大于80 km²时应该启动快速路的建设.

城市群、城市圈的发展使城市间的出行需求愈加紧密，而城际高速公路、高速铁路及航空运输系统的出现极大地改变了城市间交通出行的特征.修建与城市间快捷出行配套的城市快速路、提高城区内部的出行效率，已成为区域中心城市推动区域一体发展的必然选择.总结各大城市的发展经验，城市快速路大多紧随城际高速公路的通车而启动，超大城市的时间差通常为1~2年，特大城市通常为3~5年，大城市大多为10年以内^[2].

(3) 交通拥堵发展趋势.城市交通拥堵状况随着城市的建设与机动化的发展处于不断变化之中.近年来，随着大数据技术的发展，通过对道路用户手机导航数据的大样本采集^[8]，分析自由流条件下与高峰小时下路网平均运行速度的比值，判断城市路网拥堵状况，并可以季度或年度为周期，判断其未来变化与发展趋势.

通常，如高峰时段运行速度逐渐变慢，说明拥堵情况在加剧，快速路建设进程应加快; 反之，则可按原定计划实施.

2.2 首条快速路启动时机模型

基于国内各城市首条快速路建成时的系列关键因素指标构建模型，具体思路为：以经验城市相关指标作为分母，目标城市指标作为分子，根据不同指标的影响程度取不同指数计算后相乘得出启动时机因数值，并将区域一体化程度和城市交通拥堵发展趋势作为修正参数.具体应用中，可根据实际情况对参数进行标定计算，最终得出快速路建设启动时机因素模型，如式(1)：

$ \begin{array}{l} Q = {\left( {\frac{M}{{3.0}}} \right)^{0.005}} \cdot {\left( {\frac{P}{{200}}} \right)^{0.008}} \cdot {\alpha ^{0.07}} \cdot \\ {\left( {\frac{A}{{80}}} \right)^{0.3}} \cdot {\left( {\frac{D}{{6.5}}} \right)^{0.15}} \cdot \beta \cdot \zeta \end{array} $

(1)

式中：Q为快速路建设启动时机因数; M为城市GDP总量，千亿元; P为主城区人口数量，万人; α为机动车保有量指数，$ \alpha=\left\{\begin{array}{l}{\frac{N}{100}(N \leqslant 150)} \\ {1.5(N>150)}\end{array}\right.$，N为千人机动车保有量; A为主城区面积，km²; D为主城区内机动车平均出行距离，km; β为区域一体化程度指数，β=1.1表示已形成城市圈且建立高速公路联系，β=1.0表示已与周边主要城市建立高速公路联系，β=0.9表示尚未与周边城市建立高速公路联系; ξ为交通拥堵发展趋势修正系数(见表 2).

快速路建设启动时机因数模型充分考虑了快速路建设启动时机的关键影响因素，易于理解，所涉及的各项参数易于取得，与既有城市的建设经验相吻合，利于相关人员进行决策.因此，在实际的工程研究中具有较高的实用价值.

2.3 首条快速路启动时机的决策准则

城市首条快速路建设可分为快速路网规划、工程设计、工程施工几个阶段，每个阶段需耗时1~3年，对表 1中20个城市的Q值采用SPSS软件系统聚类分析后，将Q值分为5类，其中中间3类涵盖了70%的城市(表 3)，该区间Q值为1.1~1.6，判断该取值区间为启动首条快速路建设的合理区间.

Q值大于1.6的城市中，以宁波为例，其首条快速路即机场快速路于2011年建成，并逐步建设了北环快速路、环城南路、东外环路等快速路，经后评估，至2017年，在城市人口与机动车保有量大幅增长的情况下，实现了骨干路网高峰时段平均饱和度由0.95降至0.78、平均运行车速由31.5 km·h^-1提升至38.7 km·h^-1，快速路网全面推进后显著改善了城市拥堵状况^[9]，说明其快速路建设已经滞后，因此仅开展一条快速路的建设已不能满足需求，应全面推进快速路网建设.

Q值小于1.1的城市中，以北京为例，其首条快速路即二环快速路规划始于20世纪50年代，在80年代即完成了北半环的建设，且长安街因其特定功能在当时亟需建设分流道路^[10]，多重特殊因素影响下，二环快速路的建成年份偏早.对于一般城市，在Q小于1.1的情况下，可先期开展工程建设的前期规划、设计工作，待时机成熟即可上马.

综上，利用Q值决策准则为：① 0.6≤Q < 0.8，进行快速路网的规划; ② 0.8≤Q < 1.1，进行首条快速路的设计; ③ 1.1≤Q < 1.6，进行首条快速路的建设; ④ Q≥1.6，全面推进快速路网的建设.

3 快速路网建设时序安排 3.1 快速路网建设时序安排的影响因素

快速路网建设时序的影响因素主要包括土地开发(更新)指标、功能影响、交通需求、工程实施条件、建设资金等.

(1) 土地开发(更新)指标.城市空间结构发展有3种基本模式：旧城改造、摊大饼、造新城，3种开发模式均离不开便捷、高效的交通系统作为支撑.土地开发(更新)指标可以从土地开发(更新)时序优先级、土地开发(更新)完成率、产业及人口导入率3方面来衡量.决策准则：快速路网的建设时序应和城市土地开发(更新)指标相匹配，快速路建设时序安排应支持城市空间布局的拓展和调整.

(2) 功能影响.快速路功能影响通常包括：形成中心城交通保护壳、疏解过境交通、缓解市区道路交通压力，串联沿线组团、实现外围组团间及其与中心城间快速联系，连接主要交通枢纽、承担枢纽集疏运体系等功能.决策准则：优先建设承担功能重要度高、串联组团多、显著缓解城市交通压力的快速路.

(3) 交通需求.交通需求是反映快速路建设紧迫性的最直接的因素.快速路沿线现状及未来的人口和岗位分布决定了沿线的交通发生量和吸引量，而快速路吸引的交通量的大小直接影响快速路建设时序安排.决策准则：优先建设交通流量大、人口岗位分布密集区段的快速路.

(4) 工程实施条件.不同的工程实施条件直接关系到快速路项目实施的难易程度，由3个子指标组成：征地拆迁、社会影响、施工技术难度.近期实施的快速路必须具备可实施条件，给后续实施的快速路也不增加实施难度，同时还要考虑同期实施快速路之间的相互影响，考虑相关的配套道路工程.决策准则：优先建设具备实施条件的快速路工程.

(5) 建设资金.快速路网的建设是一项长期的工程，需要有充足的资金不断投入，才能保证建设有序进行，避免出现建设资金不足的快速路仓促开工建设.国内外快速路建设资金模式有多种，主要有政府财政直接投入、国有融资平台、民间投资、PPP(公私合营)、BT(建设移交)等.决策准则：优先安排建设资金能落实的快速路实施.

3.2 快速路网建设时序安排模型

城市快速路网的完全形成，随着城市空间拓展需求变化，一般需要经历较长的建设周期，如时序安排缺少科学性，容易带来不必要的交通拥堵以及道路功能重复等问题.

依据快速路建设的关键影响因素指标构建快速路建设时序迫切度模型，具体思路为：分析快速路建设的影响因素指标，量化拟建设每条快速路的迫切度，然后分别计算拟建序列快速路的迫切度，并对结果进行聚类分析，得到快速路建设时序结果.快速路网建设时序的影响因素指标的度量标准或计量单位不一致，在进行多目标决策分析前，应对决策指标值与指标间关系进行量化.最常用的规范化方法包括极差变换法、向量规划法、线性变换等^[11].根据指标特点，量化思路如下：步骤1，对于定量指标，经计算，参照指标分类的准则转化为定性指标，如果是定性指标直接进入下一步; 步骤2，将定性指标转化为区间尺度指标; 步骤3，将区间尺度指标进行标准化处理; 步骤4，快速路建设时序迫切度计算; 步骤5，快速路建设时序排序.具体论述如下：

步骤1：交通需求指标和建设资金指标为定量指标，其中交通需求属于效益型指标，转化为定性指标可参照表 4;建设资金属于成本型指标，转化为定性指标可参照表 5，分类的具体数值可根据实际情况进行调整; 土地开发(更新)时序指标、功能影响指标分别采用对应3个子指标的加权值(表 6、表 7)，属于效益型指标; 工程实施条件指标直接采用3个子指标的加权值(表 8)，属于成本型指标.采用式(2)可分别计算出土地开发(更新)时序指标、功能影响指标、工程实施条件指标的得分，式(2)中R为指标取值，r为对应子指标取值，γ为对应子指标权重，k为对应子指标数量.

$ R = \sum\limits_{k = 1}^3 {{\gamma _k}} \cdot {r_k} $

(2)

步骤2：将定性指标转化为区间尺度指标，可采用Bipolar尺度，具有10格的刻度，使用范围是0~10，采用双极标度的方法可以同时表示成本型和效益型指标(表 9).

步骤3：采用式(3)将效益型与成本型的区间尺度指标进行标准化处理，式中S_ij表示第i条快速路关于第j个指标值，m为快速路总条数，S_ij^*为标准化后指标值，满足0≤S_ij^*≤1.

$ S_{i j}^{*}=S_{i j} \cdot \max \left(S_{1 j}, S_{2 j}, \cdots, S_{m j}\right)^{-1} $

(3)

步骤4：利用式(4)可以计算每条快速路建设时序迫切度指标，式(4)中I_i为区域内第i条快速路建设时序迫切度，γ_j为第j个指标权重，n为指标数量.指标赋权常用方法包括用专家咨询法、层次分析法等主观赋权法和变异系数法、相关系数法、熵值法等客观赋权方法.根据以往工程经验，由于城市交通系统构成元素复杂、影响因素众多，采用客观赋权方法所需大量参数难以获取和量化，因此，邀请深入了解城市情况的专家对难于直接计算的指标权重进行主观赋权，往往更为准确、高效，因此采用专家咨询法或层次分析法等对各指标赋权.

$ {I_i} = \sum\limits_{j = 1}^n {{\gamma _j}} \cdot S_{ij}^* $

(4)

步骤5：一条快速路可以由若干不同的路段所组成，一条快速路建设时序迫切度指标为若干不同路段加权平均之和.决策者可根据I_i的大小将所有快速路项目进行排序，确定快速路建设项目集合.利用迫切度值决策准则是：0.9≤I < 1.0，非常迫切建设项目; 0.8≤I < 0.9，迫切建设项目; I < 0.8，一般建设项目.可将建设项目分为：非常迫切建设项目集合、迫切建设项目集合和一般建设项目集合，科学合理地指导实际建设.

4 案例实践

嘉兴市位于长江三角洲杭嘉湖平原的腹心地带，是沪杭发展轴上的桥头堡.2016年，嘉兴市GDP总量3 760.12亿元，中心城区面积与人口分别为257.29 km²、120万人^[12]，机动车保有量145万量^[13]，主城区内机动车平均出行距离8.7 km^[14]，嘉兴境内已建成多条高速公路，区域一体化程度较高^[12-13].将以上数据代入式(1)计算，嘉兴市快速路建设启动时机因数Q=1.82，根据相应决策准则，应全面推进快速路网的建设，目前嘉兴市正全力推进全市快速路网建设工作，计划于2021年全部工程完工，与计算结果相符(详见表 10).

嘉兴市快速路网由“一环七射”组成，其中“一环”由中环北路、中环西路、长水路、三环东路组成; “七射”由城东路、城北路、东升路、桐乡大道、南湖大道、三环东路(延伸线)、广益路组成(图 1).其中，环线快速路交通需求量超10 000 pcu·h^-1，起到疏解过境交通、缓解市区拥堵等多重功能，周边用地开发强度较高，但建设成本较高，下穿现状铁路段施工难度较大，并涉及规划永久农田调整问题.7条射线中，三环东路(延伸线)、桐乡大道分别衔接高铁站与新机场这2个重要交通枢纽，预测流量超8 500pcu·h^-1，工程建设成本相对较低，但该段周围民宅密集，社会影响较大; 广益路是嘉兴市与上海及平湖对接的重要道路，南湖大道为嘉兴市门户性道路，衔接中心城区，与高速公路及外围组团，预测流量8 000 pcu·h^-1，建设条件较好，周边开发强度一般; 城北路、城东路、东升路预测流量7 500 pcu·h^-1，联系外围组团与中心城，建设条件较好，周边地块开发强度相对较低.将各项指标利用前文所述方法量化并标准化处理后，利用式(4)计算快速路环线及7条射线的建设时序迫切度分别为：0.96、0.94、0.95、0.84、0.83、0.78、0.73、0.74.根据决策准则，快速环路、三环东路(延伸段)、桐乡大道为非常迫切项目，拟作为一期工程尽快实施; 广益路、南湖大道为迫切项目，拟纳入二期工程，后续实施; 城北路、城东路、东升路为一般项目，纳入储备项目，择机实施(详见表 11);与目前嘉兴市快速路网建设计划相符.

5 结语

在城市发展过程中，如何把握恰当的时机、选择合适的时间窗口推动快速路建设对于支撑城市发展有着重要的意义.通过对已往30年间国内典型城市快速路建设的经验进行梳理，从城市建设资金的供应和城市交通需求两方面出发，归纳出快速路建设启动时机的主要影响因素，提出了简单可行的快速路建设启动时机因素模型和决策准则; 另外，从城市土地开发(更新)指标、功能影响、交通需求、工程实施条件、建设资金5个方面入手，提出了对于城市快速路网的建设时序迫切度模型和决策准则.最后，以嘉兴市快速路为案例进行验证，证明所提方法可靠、有效，可为快速路建设决策提供参考.