第7讲-运输规划与优化

2020/10/251第7讲运输规划与优化1运输规划的理论与模型2综合运输规划方法3货物运输需求的预测方法4运输优化的数学模型5运输优化的实际应用2020/10/252u引导案例长江三角洲地区是我国经济最发达的地区之一。随着改革开放的不断深入，经济发展速度加快，原有的交通运输系统暴露出许多问题，如交通路线少；各种运输方式的能力严重不足；原有的运输基础设施严重老化等等。为此，国家计委和世界银行共同对长江三角洲地区的共同对长江三角洲地区的综合运输进行规划研究。这是我国与世界银行合作的软课题中研究范围最广、投入资金最多的项目之一。在这个规划研究中，采用了先进的运输规划和优化理论，从400多个建设项目中，筛选出92个项目，并计划在10年内投入880亿元，用于相关交通基础设施建设。2020/10/253第一节运输规划理论与模型1运输规划的历史在20世纪60年代以前，运输规划通常以城市的机动车自然力调查（也称为起讫点调查）为基础，预测未来的机动车交通需求，进行道路规划；以定期月票利用者的站点间自然力调查等为基础预测将来的利用者数，进行轨道交通规划。20世纪60年代，在考虑未来的城市交通时，个体运输工具和大运量的运输工具之间的平衡，成了人们关注的焦点。人们逐渐认识到，解决大城市交通阻塞，仅仅通过对断面交通量采用某些局部数据进行运输分析、道路规划是远远不够的，必须以路线及道路网为对象进行全面分析。2020/10/254以定量数据为基础进行城市综合交通运输规划起源于美国，并且在世界范围内得到了迅速发展。1953年，美国大都市圈底特律首先开始进行交通调查。随之，则是称为“芝加哥范围运输学习”的芝加哥都市圈交通规划则对道路规划在内的四阶段交通需求预测法，开了城市综合运输规划的先河。1962年，美国制定的补充联邦道路法，进一步推动了“运输计划”在全美国的实施范围。在其他发达国家，如英国和日本，运输规划的理论和实践同样取得了很大的进展。改革开发以来，我国经济的高速发展、城市化进程加快和机动车辆保有量的迅猛增加，导致了交通运输需求的迅速增长，因此做好交通运输规划，对国民经济的持续快速发展极为重要。在我国，运输规划作为专门的应用学科已有20年的时间，大致经历三个阶段：2020/10/255（1）20世纪70年代末到80年代初：在这一时期，运输规划在方法上引进了发达国家的交通规划理论、计算机技术，开始探讨我国综合交通规划的理论与方法。与此同时，国内几十个大城市开展了大规模的运输调查，利用计算机技术进行调查数据的统计和交通特征分析，运输规划迈开了定量化的第一步。（2）20世纪80年代中到90年代初：结合这一时期的运输规划特点，运输规划在交通调查的基础上，对交通特征进行研究分析，将运输规划的四步模型理论与方法，交通预测技术应用到实际的道路运输规划中，运输规划开始了定量与定性相结合的一步。（3）20世纪90年代到现在：在这一时期，由于计算机技术的普及，运输规划人才素质的提高，市场需求加大，运输规划的基本原理、定量化预测技术等在各种类型的规划实践中得到了广泛的应用。研究重点侧重于运用定量的科学技术进行规划方案的分析、指导设计。与此同时，国内运输规划在调查方法、数据分析、模型精度、预测技术、战略研究、规划的层次划分、交通设计方面进行了广泛的探索研究。2020/10/2562四步模型的基本概念运输规划的基本目的是为了改善客货流运输的条件。运输规划的实践集中在两个主要领域：（1）城市和大都市区模型（2）城市间货物和国家模型2020/10/257◆运输窗口国外铁路智能运输系统研究现状所谓铁路智能运输系统，就是利用计算机技术、现代通信技术、现代信息处理技术、控制与系统技术、管理与决策支持技术和智能自动化技术等。实现信息采集、传输、处理和共享，通过高效利用与铁路运输相关的所有资源，以较低的成本达到保障安全、提高运输效率、改善经营管理和提高服务质量为目的新一代铁路运输系统。国外先进的铁路智能运输系统（RITS）主要包括欧洲的铁路运输系统（ERTMS）和日本的列车运行管理系统。前者优于后者。欧洲铁路运输管理系统的目标在于建立全欧洲铁路网统一的标准，保证各国列车在欧洲铁路网内的互通运营，并提高铁路运输管理水平。ERTMS的核心是欧洲列车控制系统（等等）和超速防护系统。日本从2000年初开始铁路（CyberRail）的研究。CyberRail是日本铁路系统发展的一个参考模型，是从智能运输系统的角度建立起通用的标准体系框架。目前CyberRail正处于体系框架定义阶段。资料来源：贾利民，李平著，国外铁路智能运输系统研究现状2020/10/258我国交通运输发展的长期目标是建立客运快速化和货运物流化的智能型综合交通运输体系，智能型综合交通运输体中的智能是以模型体系为核心的，其中现代化的规划方法和科学的决策体系是以规划模型和决策模型为基础的。2020/10/259四步模型由四个步骤组成：①即生成（产生）②分布（发布）③方式选择（形式的切分）④路径分配（赋值）2020/10/25103四步模型的基本原理3.1交通量的生成根据所研究对象地区的特性直接求得生成交通量的步骤被称为交通量的生成（旅行产品）。2020/10/2511本文主要介绍两类方法：①增长率法②函数法所谓发生（或吸引）的交通量是指研究对象地区内由各运输小区内发生（或吸引）的交通量。而生成能力（包括产生和吸引）是土地利用和社会经济发展的函数。2020/10/2512（1）增长率法（生长-因素模型）'iiiTFT(7－1)iiiF(7－2)这种方法就是把现在的不同分区生成的交通量与到预测时点的增长率相乘从而求得各分区的交通生成量，即2020/10/2513ii、分别表示人口增加率，每人平均拥有自行车数量的增长率：即iiii目标年度区域的推定人口基准年度区域的人口iii目标年度区域的每人平均拥有自行车推定台数＝基准年度区域的每人平均拥有自行车台数(7—4)(7－3)这种方法的关键问题是如何确定。通常可以用表示各运输小区活动的指标的增长率作为生成交通量的增长率。例如：2020/10/2514jjFRR(7－5)对象地区外运输小区的生成交通量的增长率；对象地区外运输小区的常住人口的增长率；对象地区内全体的常住人口的增长率。增长率法的最大优点是可以处理用原单位法和函数法都很难解决的问题。这就是，当我们进行区域的生成交通量预测时，研究对象地区外的预测也是必要的。这种时候，对于对象地区外的区域，通常只需要处理此区域与对象区域之间的交通。此类问题，通常采用增长率法.设定2020/10/2515（2）函数模型法也被称为多元回归分析法（衰退分析）作为模型公式，多采用以下三个模型：0expikikkTaax0ikikkTaax0ikikkTaax(7－6)这里的大多是表示运输小区的活动的人口指标ikx2020/10/25163.2交通分布在交通的分布阶段，主要是预测交通生成量的来源和去向。在交通分布中最基本的概念是自然力表。O表示出发地（起点），D表示目的地（目的地）。较为简单的自然力表如下：2020/10/2517所谓交通量分布的预测是指给定发生交通量和吸引交通量，对于全部自然力求、之间的分布的运输量。对运输量分布预测的方法主要分为两大类，即增长率法和构造模型法。下面对构造模型法中的重力模型法（重力模型）进行阐述。2020/10/2518重力模型是模拟物理学中万有引力定律而开发出来的运输分布模型。此模型假定、间的分布运输量与起点发生的运输量与终点吸引的运输量成正比，与两点之间的距离成反比。即ijijrijGAtkR(7－7)2020/10/2519上式为线性函数，可用线性重回归分析求各系数。2020/10/2520方式选择（形式的切分），某种方式的选择决定于运输成本、运输时间等因素，选择中最重要的特征是成本和时间（包括换乘时间）。方式选择的模型很多，通常分为两大类。即集计模型（合计模型）和非集计模型（使崩溃模型）。非集计模型也叫个人选择模型（个人选择模型），或分散选择模型（离散的(选择)模型）等。其中使用较多，又比较成熟的是非集计模型中的Logit模型。Logit模型的理论基础是数理统计理论与经济学理论。该模型中的许多参数必须通过标定来完成。多项Logit模型（多项的Logit模型）的选择概率为：exp()exp()inininjVPV(7－9)3.3方式选择2020/10/2521模型的推导过程这一模型虽可以由判别分析、刺激－反映过程模型导出，但以随机效用理论为基础推导出来却是美国的McFadden的成绩。以随机效用为基础的多项Logit模型是在假定与独立的，而且选择支之间服从Gumbel分布（也叫Weibull分布）的前提下推导出来的。也就是说，假定各的密度函数的分布函数如下式所示：expiiFe(7－10)2020/10/252212,,...,expjicjFee(7－11)将此式代入下式1,...,,...,iniinnincnFFVVVVd(7－12)即可得到（7－9）式2020/10/2523路径分配（Assignment），根据路径上的不同成本、旅行时间函数进行分配。这一分配理论的基础是沃德罗普原理（1950年，欧洲），实际上是一种迭代分配法，什么时候路网平衡，就是分配完成。只介绍两种简单的路径分配方法①0-1分配法②增量分配法3.4路径分配2020/10/2524（1）0-1分配法0-1分配法（all-or-nothingassignmentmethod）。它有两个特点。第一个特点是不考虑拥挤对走行时间的影响，即认为所有路段上的走行时间都是不随路段上交通流量的大小而变化的常数；第二个特点是认为同一组OD的所有驾驶员都选择完全相同的路线。因此，这种分配法的主要计算是寻找最短路径。0-1分配法十分简单但却很近似。在道路稀少的偏远地区的交通量分配中可以采用这种方法，一般城市道路网的交通量分配不宜采用这种方法。（2）增量分配法增量分配法（incrementalassignmentmethod）是一种近似平衡分配法。这种方法的基本思路是将OD运输量平分成若干等分，循环地分配每一等分的OD运输量到网络中。每一次循环分配一等分的OD交通量到相应的最短路径上，每循环分配一次重新计算并更新各路段的走行时间，然后按更新后的走行时间重新计算并更新各路段走行时间，然后按更新后的走行时间重新计算网络各OD间的最短路径。下一循环中按更新后的最短路径分配下一等分的OD运输量。其计算步骤如下：2020/10/25252020/10/2526◆运输窗口7-2美国未来的城市交通规划M.D.Muyer认为，在探讨美国的未来的城市交通规划，需要在下面十个领域进行研究，即：人口结构变化；经济与市场的作用；多方式的交通规划；运输系统管理目标；强化新技术的应用；新的社会团体意识；实行道路定价策略；加强土地使用管理；交通的可持续发展；公众参与交通规划。在进行美国城市未来的交通规划的时候，必须考虑以下几条：在交通规划的不同阶段，决策者注重于不同因素的影；在未来的规划中，交通与环境的联系将会越来越紧密，轨道交通将日益受到重视，规划也将越来越注重于对环境的影响；社会上不同的关注及需要将影响规划的进行；技术及环境还会体现在今后对决策的评价中。2020/10/25274四步模型的应用在实际应用中，通常采用抽样调查的办法，并与发展政策、项目规划挂钩起来。这种方法通常被称为非完全矩阵法。非完全矩阵法不是将全部的交通流分配到路网上，与完全的现场OD调查得到数据会有一个区别。事实上，不能所有的OD流都考虑进去，当然有些应该纳入进去而未被纳入的OD流，要单独处理。2020/10/2528在模型的应用过程中，通常把交通分成两大类:■一部分称为经过模型的交通流■另一部分称为未经模型的交通流纳入模型中的交通流通常用矩阵表示，用观测值导出现