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1、第三章 交通枢纽规划布局,3.1 交通枢纽港站规划布局概述,1.规划布局的主要内容,交通枢纽布局是指枢纽内部各种交通设施的合理配置，以实现整个交通枢纽的运输效率最大化的目的。交通枢纽所在区域，由于受到交通发生吸引源的分布、交通运输网络特点和自然环境等因素的影响，使得在同样的地域范围和同样的交通运输网络上，布局不同的枢纽站场，会导致不同的交通运输效率和社会经济效益。因此，交通枢纽的合理布局，是根据对社会经济发展和交通需求的预测结果，利用交通规划和网络优化理论和方法，综合考虑交通发生吸引源的分布情况、交通运输条件及自然环境等因素，对枢纽站场的数目、地理位置、规模、与其他枢纽的相互关系进行优化和调控
2、，实现整个交通枢纽运输效率的最大化。,2.布局的基本要求,服从交通运输网络的规划（考虑运输网络整体的系统化）；保证各种运输方式之间的相互协调（通达性）；考虑生产力布局（在能力上留有余地，以适应社会、经济发展，同时也不能造成浪费）；方便城市生产和居民生活，尽量避免和减少对城市的不良影响。,3.规划布局遵循原则,充分考虑规划区域在全国运输网络中的地位；（定位问题，是干什么的？能够满足市场需求不？等等。）引导需求（“城乡一体化、区域组团、城镇体系化”衔接点等）；适度超前（为未来的发展提供空间，但要考虑有序性、预期性）；多种运输方式相互协调（提高运输效率，规模化、系统化）；规划、建设、管理三位并重（规
3、划合理、建设质量高、管理水平现代化）；遵从区域（城市）规划（顾全大局）。,4.枢纽规划布局的概念模型,基本思想建模求解；结合网络设计和规划求解（运筹学）的基本手段和理念，可以构想，通过构建一模型，设计算法，定能求出枢纽布局的数目、设计到发量（规模）、具体位置等。问题描述如下：,目标函数（obj.）：客运系统旅客的最求目标（在枢纽内停留时间最短或完成 出行花费时间最短）货运系统货物运输最求目标（在枢纽内作业费用最少或完 成运输花费成本最小）技术作业系统设施设备运行最求目标（最大的作业能力）,注：旅客在枢纽内的停留时间主要包括购票、候车、托运、换乘或其他业务所需时间等；旅客出行时间花费包括枢纽内停
4、留时间、其他方式乘车时间等；货物运输在枢纽内的作业费用主要包括装卸费、换装费、办理相关手续时间消耗费用等；货物完成运输成本包括枢纽内作业费用、运输过程费用等。,约束条件（st.）：业务需求约束（客货源）投资约束（枢纽点运行前期投资成本）运营费用约束（后期费用约束，是难点）其他约束（如用地约束、与周边衔接约束等）,5.枢纽规划布局的一般流程,3.2 交通枢纽规划布局理论与方法,发展历程（三个阶段）：单纯的数学物理方法运筹学等现代交通流理论、现代交通规划学。,3.2.1 数学物理方法,1.重心法,是一种模拟（平面几何）的方法，它将运输系统中的交通产生点看成是分布在某一平面范围内的物体系统，各点的交
5、通产生量看成该点的重量，物体系统的重心就是枢纽场站设置的最佳点，用求几何重心的方法来确定交通枢纽场站的最佳位置。,1）方法定义,一般重心法求解结构图,该方法实质上就是要求以下几点即可求解：定义一个几何平面系统；各点的坐标（点是指在区域内相互间有业务量的点）；点到点的运输量；运输费率。,2）前提条件,3）模型表达,4）特点分析,只能对一元问题求解；解的实用性不强，往往与实际存在较大差距，一般可作为其他方法的初始解；求解过程考虑的因素过于简单化、理想化，很多问题都为考虑（如：系统最优问题，节点到发问题，费率问题等）。,2.微分法,1）产生背景,在重心法的基础上，按照系统最优的理念，提出系统总费用最
6、小化。,2）方法思想,各产生点到决策点间的费用和构成系统总费用，在连续的平面区域内，要使得总费用有极小值，则可依托求偏导数的思想解决问题。,3）模型表达,4）模型求解,在此基础上，定义一个初始可行解（重心法所求），采用迭代法，经过N次迭代，对所求解进行反馈比较，在N个解中哪个使得系统的总费用最小，即为所求的满意解。,5）特点分析,弥补了重心法没考虑系统总费用的缺点；迭代法求解是有终止的，N次后的解可能更优，因此所求解只是满意解（局部最优解）；其一元问题的实质没变，其他因素也未做更多考虑。,3.重心法与微分法的改造,1）对多元问题求解的改造,连续性的枢纽选址问题往往是多元的，按照平面区域的分布原
7、则，可以对重心法进行改造，对应前提如下：满足连续性枢纽布局决策的一般原则，即不超出一个给定的平面区域范畴，各节点对间运算满足传统重心法计算法则；整体平面区域可以按照多元枢纽布局需求特征进行分割，在每一个分割的小区中分别存在一个枢纽决策点；各分割小区不影响需求节点对的相互关系。,多元问题求解结构图,2）考虑障碍约束的改造,重心法与微分法能够求解一元交通枢纽的规划布局，同时也能改造为带分区限定的多元枢纽规划布局，但在实践中，由于交通枢纽节点一般是依托于城市而生存的，在给定的城市平面区域中，往往有很多区域是不可以利用的，是不能作为待决策交通枢纽点进行选择的，表明平面区域可能存在障碍。,区域障碍约束重
8、心法改造结构求解图,4.成本比较法,1）方法定义,成本分析法是在已经具有一个枢纽场站位置的选择集的前提下，以枢纽系统的总成本最小为目标，通过简单的财务计算，比较选择最佳的位置。,2）模型表达,5.数学物理方法特点归纳,一元交通枢纽布局决策的本质未变。传统重心法、微分法以及成本分析法只能求解一元问题，改造后的重心法、微分法等尽管能够求解多元问题，但带有很强的局限性，若以分区的角度分析，其一元问题的本质未变，不能将其纳入到全域范围中求解所有的多元性问题。重心法、微分法求解的前提是连续型交通枢纽决策问题，而成本分析法是一类简单的离散型一元问题的比较分析方法。数学物理方法对交通枢纽布局网络层次性考虑不
9、足。重心法、微分法仅仅考虑两层网络结构，即交通枢纽待决策点与需求点的关系，而在现实中存在交通网络结构可能具有多层次性。数学物理方法没有区分交通网络需求的双向关系。在求解模型中，仅仅以交通枢纽待决策点与需求点的需求总量进行分析，没有区别交通发生与吸引，因此对系统的总成本可能把握不准确。重心法、微分法仅从数学物理角度考虑问题，与实际结合不紧密，但所求得的解可以作其他方法的初始解。成本分析法是一个简单的比较分析法（在确定型决策问题求解中常用），但考虑因素不够全面，如：枢纽自身服务水平、能力、与其他方式的竞争问题等。,3.2.2 运筹学方法,1.0-1混合整数规划模型,1）方法特点,确定一个整体交通供
10、需平衡系统（如图），存在m个交通需求发生点，n个交通需求吸引点，k个交通枢纽备选点，发点可直接到枢纽点，也可直接到吸点（不经过枢纽点），发点可从枢纽点中转后到吸点，枢纽点可直接到吸点。可以看出，该交通网络需求结构为一个三层结构体系。,混合整数规划模型枢纽布局网络需求结构图,2）模型的构建,目标：发点到备选枢纽点运费+备选枢纽点到吸点运费+发点直接到吸点运费+枢纽点建设费用（涉及到0-1变量问题）+中转费用,约束条件：a.发点到备选枢纽点的流量+直接从发点到吸点的流量总的发量 b.备选枢纽点到吸点的流量+直接从发点到吸点的流量总的吸量 c.总的发量总的吸量（供需平衡）,3）模型求解,该问题为“混
11、合整数规划模型”（与纯整数规划的区别），可用“分枝定界法”求解（对于整数规划求解方法有：分枝定界法、割平面法、隐枚举法等）。,可求得的解：a.选择的枢纽点（决定枢纽的数目）；b.发点到选择枢纽点的流量（决定枢纽的吸引规模）；c.选择枢纽点到吸点的流量（决定枢纽的发送规模）；d.直接从发点到吸点的流量（决定系统内其他方式的分担率）。,4）方法特点,理论上十分完美，但对实际问题还过于简化；没有考虑建设成本、运营（实际中运营成本很高）成本变化；没有考虑枢纽规模、服务水平、能力的限制；求解过程复杂，只用于简单的网络中。,2.运输规划模型,1）运输问题的提出（产销平衡、产销不平衡）,Ai个产地（m），产
12、量为ai；Bj个销地（n），销量为bj，产地到销地的运价为Cij。xij为产地到销地的运量。则：,求解：表上作业法（1、最小元素法求初始解；2、闭回路法求最优解）,2）针对枢纽布局的运输模型,形成条件：在整数规划的基础上，不考虑枢纽站场建设成本，消除0-1变量的影响。,目标函数：发点到备选枢纽点的运费+备选枢纽点到吸点的运费+发点到吸点的运费+中转费用约束条件：1）发点到备选点流量+发点到吸点流量总发量；2）备选点到吸点流量+发点到吸点流量总吸量；3）发点到备选点流量+备选点吸引闲置能力备选点吸引规模；4）备选点到吸点流量+备选点发送闲置能力备选点发生规模。,3.双层规划模型,双层规划模型是求
13、解交通枢纽规划布局问题的一类重要方法，其特点是不仅考虑交通网络系统的整体费用最优（上层规划模型），同时还注重最终需求终端对交通枢纽备选点及线路的选择行为（下层规划模型），要求问题的求解能够满足该两个目标，也可将其称作为双目标规划问题。不同的目标对应不同的决策问题、决策者以及决策行为，上层目标可以看做是Leader（领导者）行为，而下层目标为Follower（跟随者）行为，因此交通枢纽规划布局的双层规划模型通常也被看做是一个Leader-Follower问题。该问题实质上是最终用户利益与系统整体利益的分配问题，模型的上下层决策者都期望自己能够获得最大的利益，而个体（下层）与整体（上层）的利益往往
14、是相互冲突的，因此模型的求解要解决的问题是既能保证交通网络系统整体费用的最优，同时又要能够最大限度满足最终用户的利益需求。故该问题求解的思路表现为：上层决策根据可能的决策形式对下层给出一些信息，在此基础上，下层按自身的利益或偏好对该信息作出反应反馈给上层，上层再在这些反应上调整符合整个物流系统的对策，最终作出相应的决策。,4.CFLP法（设施容量限制的选址问题）,首先假定交通枢纽布局方案已经确定，由交通枢纽的服务能力和需求分布状况确定各暂定枢纽的供应范围，在各服务范围内移动交通枢纽到其他备选地点，寻求可能的改进，比较新旧枢纽，费用最低代之，依次迭代，求最佳地点。,5.运筹学模型方法特点综述,对
15、多元问题求解，过程一般比较复杂。运输（交通）网络高度抽象化、简化（如静态配流）；对运输费用的把握程度不同（一般不准确，运输费用非线性的）；静态网络，与实际差距大（动态）；没有区别运输方式的不同（对综合交通枢纽影响大）；模型侧重于交通枢纽内部站场数量、规模计算，缺乏对交通枢纽和交通网络一体化分析；缺乏反馈机制分析（由于枢纽的规划布局，可能改变原有交通网络的交通特性，模型无法反映）。,3.2.3 现代交通规划模型,1.产生背景,前面方法不能基于网络一体化分析，实际联系性不强；前面方法不能区别运输方式的差异性，在费用计算上过于笼统化。,2.方法思路,寻找一个基本交通方式（与其他交通方式联系密切的，可
16、调整余地较大），运用现代交通规划理论，考虑网络特征，通过优化该方式的枢纽布局，带动整个枢纽的优化（通常用公路）。,3.两阶段模型（基于现代交通规划理论）,1）第一阶段模型,以UE（用户平衡）原理为基础，从交通网络角度出发，采用“四阶段法”模式进行配流，以期寻求枢纽节点选址的初始备选方案集。,方法原理,假设前提,交通需求者对枢纽港站的选择，取决于该次出行的距离，而且按照一般化费用最小的原则（最短路）选择通往场站的路径；每个交通港站内部运营管理已达最优状态（为出行者所满意，不存在顾客对其服务水平和能力的怀疑）。,求解过程,确定综合交通枢纽服务范围以公路交通枢纽为基准，划分交通小区确定交通网络结构交通发生预测交通分布预测交通分配初选方案的确定。,2）第二阶段模型,方法思路,旅客或货物到达枢纽的有关场站后，由运输企业根据本企业的运营管理情况，按一定的时间、线路和配载方法,把它们运到目的地。,求解过程,小区运量产生预测确定运输网络结构确定广义费用矩阵枢纽位置和规模计算。,3）模型综合特点分析,第一阶段实质上交通规划的网络配流模型，第二阶段采用运输模型求解；能用理论分析方法求备选方案集（与其他方法不同）；模型中同时考虑UE和SO，可操作性强；求解过程复杂，通常要结合计算机技术完成。,3.2.4 交通枢纽布局规划方法比较分析,
