（系统工程专业论文）港区货运交通配流模型及算法研究.pdf

北京交通人学硕f j 学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：交通配流理论作为城市道路规划和评价的基础，一直是学术界感兴趣的课 题。传统的交通配流模型仍然存在很多不足和有待完善之处，尤其在我国交通路 况复杂、基础设施建设标准差别较大的情况下，传统交通配流模型的应用存在很 大的局限性，针对港区货运交通配流的理论研究较少。本文通过分析港区货运交 通流特性，并结合连云港连云区路网实例，在现有的基础理论之上，提出了专用 于港区货运交通配流的p l t e 模型，并在文章中对模型进行了理论和实例推理验 证。同时本文还提出了交通配流理论中的核心路阻函数p l t eb p r ，同样给出了 p l t eb p r 函数的具体算法与实例应用分析，并且结合实例介绍了p l t eb p r 函 数各参数值的具体计算方法。 关键词：港区；交通配流；p l t e 模型：p l t eb p r 函数 北京交通人学硕f ：学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：t r a f f i cf l o wa s s i g n m e n tt h e o r yi st h ef o u n d a t i o no fc i t yr o a dn e t w o r k p l a n n i n ga n de v a l u a t i o n ，a n dh a sw o nm a n ys c h o l a r s f a v o ra n di n d e p t hs t u d y b u tt h e t r a d i t i o n a lt r a f f i cf l o wa s s i g m n e n tm o d e li ss t i l li n a d e q u a t ea n dt h e r ea r em a n yt ob e p e r f e c t e s p e c i a l l yi nc h i n a ，t h er o a ds i t u a t i o ni sc o m p l e xa n dt h ec o n s t r u c t i o ns t a n d a r d s a r cg r e a t l yd i f f e r e n t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h et r a d i t i o n a lt r a f f i cf l o wa s s i g n m e n tm o d e li s u n d e ral o to fl i m i t a t i o n s t h r o u g ha n a l y s i so ft h ep o r tc i t yt r a f f i cf l o wc h a r a c t e r i s t i c s c o m b i n e dw i t hl i a n y u n g a n gl i a n y u nd i s t r i c tr o a dn e t w o r ke x a m p l e ，p l t em o d e li s p r o p o s e d t h ev e r i f i c a t i o no fp l t em o d e l i sg i v e ni nt h i sp a p e r , a n dt h ec o r ed e l a y f u n c t i o n - p l t e b p ra n di t sa l g o r i t h ma r ea l s op r o p o s e d k e y w o r d s ：p o r t a r e a ；t r a f f i cf l o wa s s i g n m e n t ；p l t em o d e l ；p l t e b p r f u n c t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名： 翻乏 签字日期：z 彬年f 月户日 汐 1 山批 驴j “ 轻 俾 签 劣 一 蚴 僦 字 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果除了文中特别加以标注和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表或 撰；过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位沦义作并笛轻：j 易 笔字h 期： 劢矿年多 致谢 在论文的撰写过程中，我得到了来自师长及同学的殷切指导和热心帮助，另 外我还得到了来自网络的大量朋友的热心帮助，我要在此一一表示感谢。 首先感谢我的导师纪寿文教授这些年来对我的教导和帮助。论文是在纪老师 细心而严格的指导和审阅下最终完成的。纪老师渊博的知识、严谨的治学态度、 j f 直的人格都深深地影响着我，让我在未来的人生道路上深受裨益。 感谢关伟、马继辉老师一直以来对我的关心和指导，尤其感谢关老师在交通 流理论方面给予的悉心指导，正是在关老师领导的项目组中，让我对交通流理论 有了全面的了解和不断的学习。 感谢连云港项目组所有同学在实地调研和数据整理方面做出的大量工作；感 谢何蜀燕同学在t r a n s c a d 软件应用方面给予的大力帮助和热心指导；感谢李伟征 同学在v c 编译方面给予的大力帮助；感谢谢海尧同学提供的连云港货物到港规律 分析数据。 感谢c a l i p e r 公司交通部门杨齐经理在自定义v d f 功能原理方面给予的指导 性意见：感谢交通部规划研究院赵凛博士和耿彦斌博j j 在v d f 测试与调用方面给 予的大力支持：感谢吉林大学滕鲁同学提供的v d f 学习资料。 感谢连云港市疏港办吉国旗工程师、交通局公路处韦全余工程师、金港湾集 团伏厚勤经理在实地调研中给予的大力支持和帮助。 感谢所有曾经支持、鼓励、帮助和批评过我的老师同学们。 北京交通人学硕l j 学位论文绪论 1 绪论 i 1 选题背景 目前，随着我国港口经济的强势崛起，港口的竞争已经从成本差异竞争转向 质量竞争，进而转向服务竞争。而在以服务为核心的竞争中，物流服务是其中最 重要的一环。在港口物流服务中，实际上涉及到港口的资源优化配置问题。如何 在装卸存放中增加增值服务，通过增值服务实现资源的合理配置，这其中大有可 为。入世后，我国沿海港口从门户港发展到枢纽港，快速融入世界经济，在这个 过程中，港口的功能正在逐步提升。在这种背景之下，港口物流园区这种综合的 港口物流服务设施开始获得了大力的发展。 港口物流园区是一个综合服务，包括信息化、自动化、网络化等层面的内容。 港口有很多新的理念在发展，提升港口物流园区物流服务能力也是港口发展的一 个新的发展理念。虽然我国各港口的吞吐量均呈现上升的趋势，但是如何提供更 优良的服务品质，把发展的方向定位为现代物流服务，才是港口保持持久竞争力 的核心所在。 由于道路交通是港区货物交通运输中的重要组成部分，因此现代的交通运输 在港口的现代物流服务中占有重要的地位。道路交通是联系港口与园区的重要纽 带，同时也是货物中短途运输的主要运输方式，货物的集散部离不开交通运输这 条生命线。因此，在港口物流园区的建设过程中，相关的道路网规划和交通配套 设施建设就显得尤为关键，甚至直接影响到一个物流园区的生命力与竞争力。 交通流特性分析一直以来都是对道路建设和道路使用特性进行分析的主要手 段，而且一般的道路交通流理论已纾获得了深入的研究，在理论与应用方面都获 得了丰硕的成果。但是，港区的交通流特性却有其独特之处，其依托于港口建设， 却又与城市保持紧密的关联，其货物的集敞都与城市交通流紧密地交织在一起， 形成了港区特有的一种交通流特性。 我国目前对带有行业特性的交通配流理论的专项研究分析较少，本文决定在 此方面进行一些有益的理论探索。纷合作者所学的争业及科研项目，本文选择了 港区的货运交通配流为主要研究内容，一方面j 以为交通流特性分析这个大的理 北京交通人学硕l j 学位论文绪论 论框架灌输新的血液，另一方面也可以为国内如火如荼的港口城市建设提供一种 交通分析的方法与手段，提高港区建设的质量。 1 2 国内外研究现状 交通配流理论一直是路网规划领域的重要组成部分。交通配流的实质是对道 路使用者交通出行路径选择过程的模拟，从而了解各起讫点间的交通量在道路网 内的流动情况，确定各路段上的交通量，用于评价道路网的规划设计、扩容改造 的合理性等问题。通常，交通配流方法根据均衡准则可分为均衡模型与非均衡模 型。相比较而言，非均衡模型具有结构简单、概念明确、计算简便等优点，在实 际应用中效果良好。主要的非均衡模型有最短路分配模型、容量限制分配模型及 多路径分配模型等。但由于它们属于非均衡模型，分配结果既不满足w a r d r o p 原 理的要求，也和实际情况有较大出入，因此本文将重点介绍均衡分配相关理论， 以及分配模型中的核心路阻函数内容。 1 2 1 国外研究现状 最先，由w a r d r o p 提出了关于使用者选择路径准则的第一原理( 1 9 5 2 ) 和第 二原理( 1 9 5 9 ) ，其内容如下： 第一原理：网络上的交通以这样一种方式分布，就是任一o d 对问所有使用 者的路径的出行费用都相等，且比没在使用的路径费用小。 第二原理：网络上的交通分布，使得网络上所有出行的总费用最小。 满足w a r d r o p 第一原理的平衡状态为用户最优平衡，简称u e ( u s e r e q u i l i b r i u m ) ，满足w a r d r o p 第二原理的平衡状态是系统最优，简称s o ( s y s t e m o p t i m u m ) 。虽然在某一个特定网络中平衡状态只仃一种，但研究者分析问题时前 提假设不i 川，就会有不同的平衡定义。一般来说，系统最优是系统规划者所期望 得到的一种平衡状态，其前提假设是出行者恻必须互相协作，所以是计划指向型 分配原则。一般认为，出行者的出行决策过程足棚互独立：的，路网上的交通流状 态是行者独立选择的结果。s o 交通流模式下，j f 】尸可以仅仅通过改变走行路径 的方j = 宋减少其交通时间，因此出行者必然转向费用较小的路径，其结果，路网 2 北京交通人学硕i j 学位论文 绪论 上的交通量分布最终必然趋于使用者平衡状态。所以，使用者平衡状态最接近实 际的交通状态，或者说，使用者平衡状念能最好地描述路网上的交通状态。使用 者平衡分配准则是交通平衡分配模型的基础，它的前提假设为：出行者了解整个 交通网当前交通状况下的全部信息，而且能够持续做出正确选择：所有出行者的 路径选择准则相同。 自1 9 5 6 年b e c k m a n n 提出了一种关于w a r d r o p 原理的数学优化模型后，曾经 近2 0 年无人能解此模型，直到1 9 7 5 年l e b l a n c 终于用一种解非线性数学规划的算 法- - f r a n k w o l f e 算法对该模型成功地进行了求解，实现了交通配流的计算技术从 非均衡问题到均衡问题的一个飞跃，丌创了关丁均衡交通配流问题算法设计的新 方向。后来，分别由a a s h t i a n i ( 1 9 8 1 ) 等人和s m i t h ( 1 9 7 9 ) 、d a f e r m o s ( 1 9 8 2 ) 提出了描述w a r d r o p 均衡原理的更广义的数学模型：非线性互余( n c - n o n l i n e a r c o m p l e m e n t a r i t y ) 模型和变分不等式( v i v a r i a t i o n a li n e q u a l i t y ) 模型，这些模型 的适用范围更广。这两种模型所描述的问题分别叫非线性互余问题( n c p ) 和变 分不等式问题( v i p ) ，在应用数学领域分别对这两种模型进行了大量的研究，提 出了多种算法，这蝗算法都可以用来求解均衡分配问题【l 】。 在路阻函数的研究中，美国联邦公路局的路阻函数模型一b p r 函数是最有代 表意义的一个研究成果，此模型在交通规划界影响最大、使用最广。但是，由于 b p r 函数提出的初衷是用于公路网规划，未考虑因交叉口存在而产生的延误，因 此在城市道路网规划应用中必须对函数进行相应的修正。多年来，国外学者不断 对b p r 函数加以改进，其中包括：s p i e s s 2 】针对b p r 函数中b 值过高所引起的精 度过低以及在饱和度较低时运行时间变化幅度小的问题提出的改进模型 f ( g ) = “2 + 2 ( 1 一g c ) 2 + 口2 一n 1 一q c ) 一口】od a v i d s o n 则针对b p r 函数曲线在q c 趋向于1 时并未趋向于无穷大，提出了改进后的b p r 函数r ( g ) = “l + j ( q ( q c ) ) 】， 用于解决分配结果往往会 f 现路段流量大于其通行能力的问题。 1 2 2 国内研究现状 国内对于交通分配的研究也比较多，提出了一些适合我囡路网实际状况的模 型和算法，并进行r 一些仿真分斫。 北京交通人学颀 学位论文绪论 在用户均衡分配方面，有学者提出了一种离散时间的随机交通分配模型。该 模型以离散时间形式提供在一天或高峰期f b j 内路网交通流的变化。模型中路段交 通条件假设为两部分：一部分为自由流，一部分为排队车流。模型中考虑了先入 先出的原则和路段拥挤效应，运输需求调整采用马尔可夫模型，当每个出行者不 能再通过改变出行选择而增加其效应时达到随机用户平衡1 3 】。在这个基础上有学者 采用改进l o g i t 模型作为路径选择模型，广义的出行成本作为交通阻抗，对交通 微观仿真系统中发出的车辆进行分配，实现路网的随机用户均衡配流【4 l 。依据最优 控制理论，有学者提出了一种能够用于多o d 对拥挤道路网上的瞬时交通流形态 预测的用户最优分配模型，讨论了此模型离散形式的解法，并利用f r a n k w o l f e 算 法对模型进行了仿真【5 1 。部分学者在离散化的条件下分析了交通中建立模型的约束 条件，在此基础上建立了用户最优( d u o ) 配流问题的变分不等式( v i ) 模型， 并对此模型用修正投影算法来求解，该算法在每一个小时段都能给出路段流入率、 流出率及路段流量，从而为交通诱导提供必要的可用的信息【6 】。黄海军2 0 0 5 年在 国家自然科学基金项目( 7 9 7 7 0 0 0 6 ) 中研究了用户均衡解的存在性，用投影系统 方法，设计了能模拟一般系统向均衡状态演进的算法。这种算法模仿自然系统从 非均衡到均衡的转变过程，即按照某种规则不断地交换和调整出行者的路径和出 发时间，以达到与用户均衡条件等价的“零极值 最小化问题的极值点，并研究 了算法的稳定性，并且在格子网络上完成了计算验证【7 】。 在路组函数研究方面，国内学者在结合我国实际情况下，取得了大量研究成 果。有学者在广义交通阻抗概念下，提出了综合路阻函数模型，把时间、费用、 交通流、收费站和城市节点影响通过参数标定建立起综合函数关系，避免了一般 综合性路阻函数费用与时间相互转换过程中，需要时问价值参数这一难定量的指 标。还有学者针对我国非机动车现状提出了改进的b p r 函数 t ( q ，q 6 ) = t o 1 + a l ( q c ) s + 口2 ( g c ) 岛卜另外还有学者提出了改进后的b p r 函数 f ( g ) = t o 1 + 口( p g ) p g h ( p r ) 】，用于反映不同道路服务水平时下车速受交通量大小 的影响【引。 】2 3 国内外研究现状分析 4 北京交通人学硕 j 学位论文绪论 从理论上讲，交通均衡模型较非均衡模型具有结构严谨、思路明确、结果合 理、适用于宏观研究等优点1 9 】。但这类模型常常由于变量较多、维数太大、约束条 件太多，使得对这类模型的求解显得较为困难，影响了它在实际中的应用。而且 国内外对交通配流理论的研究范围仍然集中于单一性质流在简单路网的交通流分 配，比如高速公路连续流分配、城市多车道居民出行分配等，对于多种流互相干 扰问题以及像港区货运流等存在明显行业特征的交通流分配研究较少【i0 1 。同样， 国内外学者对路阻函数的研究主要是单一性质流不同状态的路阻特性分析，很少 有多种交通流相互干扰及带有行业特性交通流的路阻特性分析。 1 3 研究内容、主要创新点 1 3 1 研究内容 本文将结合从事的科研项目，对港区货运交通配流理论进行初步的探索，提 出更适合港区货运交通流分配的交通流均衡分配模型，并提供相应的模型算法。 本文在第四章还将结合连云港连云区路网配流对模型进行实例分析，并提供一整 套建模方法和模型分析方法。 基于交通流理论涵盖面广、内容繁杂，在此，部分相关理论直接引用现有的 理论研究成果，仅对核心的路阻函数算法进行研究，此部分可以看作是本文的研 究重点。传统的交通配流一般以空间距离，或基于空日j 距离计算而产生的广义费 用为路段阻抗，其中缺少对港区货运交通特性的考虑。本文将在结合现有理论的 基础上，对现有理论进行改进，使之能更合理的反映港区的交通流特性。 本文研究对象为港口城市的港区货运交通配流理论。其中，港口城市是指以 连云港为代表的、港区规划与城市生活区高耦合的、建有港口物流园区并且货物 集疏运交通与城市，活交通存在较大干扰的城市。此类城市一般为随着港口经济 发展而兴起的中小型滨海城f 肓，后兴的港口建设j 现仃的城市生活区域紧密结合 在一起，并且伴随港口吞吐鼍的不断增加，为了i i i i i 足港口发展的需要而在就近建 有港口物流园区，服务于港口与物流园区的集疏远车辆与城市， i 活出行车辆在部 分路段互相干扰严藿，整个城市的交通网络构成较为复杂。 以连云港为例，连云港港区与港口物流园区自：j 建设均依托于连云区，进出港 北京交通人学硕f 学位论文绪论 口的多条主要集疏通道均与现有城市主干道路对接，由于连云区特殊的地形特性， 港口物流园区与港口i 日j 的集疏运网络在西北部与城市交通网络存在大面积的交织 现象。虽然规划有东疏港通道、北输港通道、南输港通道、新光路等多条主要服 务于港口集疏运的道路，但北输港通道、南输港通道、新光路均与海棠路、新港 城大道等城市主干道对接，而作为东部港区主要集疏运道路的东疏港通道必定无 法承载所有的货运交通流量，与其邻接的城市主干道中山路必定受到部分分流的 影响。 本文最初的出发点即寻求一个科学合理的方法，能够使交通配流理论很好的 反映上述港区路网的交通流特性，而对于理论相应算法的研究及模型的实例应用 分析就构成了本文的主要内容。 1 3 2 主要创新点 正如前面所述，如何在模型中体现港区集疏运交通网络的复杂特性将是本文 的研究重点，而国内在此方面的研究较少。在之前的交通配流理论研究中，国内 外学者更多的是通过对路阻函数参数值的拟合来表现不同路况下交通阻抗的特 性，而本文将另辟蹊径，通过对港区货运交通流特性分析，提出路阻放大系数感 念，通过路阻放大系数来表现道路交通阻抗特性。本文提出的相关概念及算法通 俗易懂、计算简便，具有极强的可操作性，配流结果也较传统的配流模型更符合 实际情况。 传统的交通流分配模型虽然在理论上非常严谨，通过复杂的模型参数同样可 以应用于复杂的路网分配，但是多数模型参数的意义往往晦涩难情，参数值的求 解通常较困难，实际的可操作性并不强。虽然本文曾尝试通过颅分配城市生活交 通流的方法，以此宋体现城市生活交通流对货运交通流的影响，f jl 是最终的配流 结果并不理想。 j 下是由于在实际应用中深刻体会到了传统交通配流模型在实勋：应片j 上的局限 性，所以本文决定针对港区的交通流特性，提出专用于港区货运交通流分配的p l t e 模型，并且提出了整套模犁的算法及应用方法。本文主要创新点如下： l 、在传统b p r 函数的基础jo ，提出了p l t eb p r 函数，通过设计路阻放大 系数a ( q ) ，使得b p r 函数呵以反映港区路网的交通阻抗特性，j t - g ，八, h 了具体算法， 6 北京交通人学颂f ：学 迂论文 绪论 使传统b p r 函数在应用领域及可操作性方面得到了进一步的推广。 2 、总结出了三种港区货运交通流特性，并将其量化、模型化，进而提出了理 论p l t 道路通行能力利用率n 和时间分布特性值m 两种参数概念，提供了简单可 行的参数值计算方法，并且成功地在路阻函数中加入了对上述两种参数的考量， 使得配流结果更加接近实际情况。 1 4 论文体系框架 第一章为绪论部分，介绍交通流理论发展的过程、传统交通流理论的主要内 容、本论文的选题背景等。 第二章为交通配流基础理论介绍部分，分别介绍了交通网络、交通阻抗、交 通均衡及b e c k m a n n 均衡分配模型等内容，是本文港区货运交通配流模型建立的理 论基础。 第三章具体介绍了本文提出的港区货运交通配流模型及模型的算法，同时还 介绍了作为配流模型核心的p l t eb p r 路阻函数。 第四章为模型应用部分。通过运用p l t e 模型和传统u e 模型分别对连云港连 云区路网进行交通流分配，进行结果对比分析，对模型进行实例验证。 第五章为论文总结，对论文所取得成果及需要改进之处进行总结。 北京交通人学硕 ：学位论文 交通配流桀矗出理论研究 2 交通配流基础理论研究 作为路网规划的一个重要组成部分，交通配流问题的研究一直是学术界感兴 趣的课题，对其的研究与应用都已取得了丰硕的成果。交通配流就是将各种出行 方式的o d 矩阵按照一定的规则符合实际地分配到交通网络中的各条线路上，求 出各路段的流量及相关交通指标，从而为交通网络的设计、评价等提供依据。本 章将介绍交通配流相关的基础概念与理论。 2 1 交通网络基本概念 交通网络是进行交通配流的基础，交通网络主要由路段和路径组成。 l 、路段：交通网络上相邻两个节点之间的交通线路称作“路段”。 2 、路径：交通网络上任意一对p a 点之间，从产生点到吸引点一串连通的路 段的有序排列叫做这对p a 点之间的路径。一对p a 点之i 日j 可以有多条路径。 3 、最短路径：一对p a 点之间的路径中总阻抗最小的路径叫“最短路径一。一 对p a 点之间的最短路径也可能不止一条，用心厂，s ) 表示点对( 厂，s ) 间的最小阻抗。 最短路径和最小阻抗的求法是交通配流的基本问题。 为了方便对交通网络的数学处理，首先必须把交通网络抽象化。一般地，用 陶论中的“图”表示交通网络比较方便。此时，把交通网络中的出行生成点、线 路交叉点看作是图的节点，把任意两个节点之间的交通线路看作是图的边。一般 地，将一些次要的路段和交叉点忽略掉，以简化交通网络图。如果某条交通线路 是单向的，则用一条带箭头的有向边表示它，而无箭头的边则表示双向的交通线 路。图2 1 是一个简单的交通网络图。 图2 1 交通9 】4 络图 北京交通人学硕i j 学位论文交通配流堆础理论研究 图2 1 只是交通网络图的形象描述，还必须将它进行数学描述。关于交通网 络的数学描述方法很多，这里介绍常用的三种【2 5 1 。 l 、邻接矩阵 邻接矩阵是一个刀阶方阵( 刀是节点的数目) ，其中的元素，。表示交通网络 中节点的邻接关系，定义为： ，f 0 ，图巾不存在边( f - ，) 1 1 ，图巾存在边( f ，_ ，) 图2 1 所示的交通网络的邻接矩阵如表2 1 。 表2 1 图2 1 的邻接矩阵 123456789 lolol o0 o oo 2 1 olol o 0o o 3 o1oooloo0 4o ooololo o 5ololooolo 6 o0 l ol o o01 7oo0lo00lo 8ooo0lolol 9ooooololo 注意，由于图2 1 中( 1 ，4 ) 是有向边，意味着是它单行线路，故邻接矩阵中 “= 1 ，而厶l = o 。 2 、邻接目录表 邻接矩阵中有绝大部分的元素为o ，是个稀疏矩阵，对一个实际的交通网络， 如含1 0 0 个节点的城市道路网，只有约4 0 0 个元素为l ，其它9 6 0 0 个元素为0 ， 占9 6 ，要浪费大量的计算机内存空间。邻接目录表就可以克服这个缺点。 所谓邻接目录表也是一个矩阵以是以七阶的，此处k 表示图中街道最多邻 接的节点数，如对一个没有四路连接以上的城市道路网，可取k = 4 。元素y 打表示 第i 个节点的第，个邻接的节点，不足的用虚拟节点0 表示。如图2 1 的交通m 络 图的临界目录表为 9 北京交通人学硕i ：学位论文交通配流培础理论研究 24o0 l3 50 26 00 5 70o 矿= l2480 3 、阻抗矩阵 邻接矩阵和邻接目录表都只能表达节点之间是否相邻，而没能表达相邻节点 之间交通线路的阻抗。阻抗矩阵则可以弥补这个缺陷。在交通网络图上，标上各 边的阻抗值，就得带阻抗的交通网络图。针对带阻抗的交通网络图可定义阻抗矩 阵：胪 以】。确，其中，矩阵中的元素 1 0 i j 馘 叱= 车辆在路段上的平均行驶时间 臆勖点相邻 【i 、糠小相邻 图2 2 是带阻抗的交通网络图，它的5 j l 抗矩阵如表7 3 所示。 l l 图2 - 2 带阻抗的交通网络图 、 j 3l2 l 1 o3 2403 3 3 o 4 3 52 64 7 8 9 衷2 - 2 图2 - 2 的阻抗矩阵 45 3 2 o 3 3 0 2 3 3 1 0 6789 4 3 3 o5 o 4 402 520 o o o 0 9 0 9 o 5 8 7 8 3 4 5 6 北京交通人学硕l ：学位论文交通蚍i j f c 堆础理论研究 2 2 交通阻抗理论 交通艮l 抗足指交通网络上路段或路径之问的运行距离、时间、费用、舒适度， 或这些因素的综合。具体到不同交通网络其含义随人们的关注点不同而有所偏重， 或为了简单起见，干脆单指其中某个因素。如对城市道路网，一般指出行时间， 公路网较多地指距离。 交通阻抗由两部分组成：路段上的阻抗、节点处的阻抗。 l 、路段上的阻抗 在诸多交通阻抗冈素中，时间因素是最主要的。对于单种交通网络，出行者 在进行路径选择时，一般都是以时间最短为目标。有些交通网络，路段上的走行 时间与距离成正比，与路段上的流量无关，如城市轨道交通网。此时用时间或距 离作为阻抗是等价的，为量测方便起见，选用路段的距离较好。有些交通网络， 路段上的走行时间与距离不一定成正比，与路段上的交通流量有关，如公路网、 城市道路网。此时就选用时间作为阻抗。这类走行时间与距离、流量的关系比较 复杂，以公路刚为例，车辆在公路路段上所需走行时i 日j 是随着该路段上交通流量 的增加而增加，其走行时间交通流量的关系可表达为： t o = f ( q 。) 其中， f 。路段a 的所需时间； 吼- 路段a 上通过的交通流量。 对于公路走行时间函数的研究，既有通过实测数据进行回归分析的，也有进 行理论研究的。其中被广泛应用的是由美国道路局( b p r b u r e a uo f p u b l i cr o a d ) 歹1 ：发的函数，被称为b p r 函数，形式为： 帆心m 刎 其中， c 口路段an 勺交通容瞳，即单位时间罩可通过的最大车辆数； 乞( o ) 一道路“e 的平均车辆自由走行时问： a 、f ；待杯定的参数，b p r 建议取：a 0 1 5 ，$ = 4 ，也可有实际数据用回归 北京交通人学硕f ：学位论文交通配流桀础理论研究 分析求得。 对于参数c a 、乞( o ) ，可由道路a 的实测数据分析得到。 2 、节点处的阻抗 车辆在节点处也是要花费或多或少时间代价的，如机动车在城市道路信号灯 交叉口等待绿灯。节点处的阻抗可分为两类： 不分流向类，在某个节点各流向的阻抗基本相同，或者没有明显的规律性的 分流向差别。对这类问题比较好处理，其总阻抗可以用下式表示： t q 2 d 七y j 式中， 分车辆在相邻交叉口f 、- ，所花的总时间； 珊车辆在路段上瓴力的行驶时问： 弗- 车辆在节点的延误。 分流向类，不同流向的阻抗不同，且服从某种规律。城市道路网是这样的， 车辆在城市道路的交叉口一般有三个流向：直行、左转、右转，所延误的时间差 别明显，且服从规律：右转 直行 u 。jf ? = 0 容易证得，上述条件等价于： c 7 u r , f 220 ( 簟一) = 0 f 2 和c ? 都是路径的参数，另外还有一组参数，那就是路段的参数：毛和f d 。 这两组参数存在密切的关系，那就是： 路段上的流量是由各个p a 对的途径该路段的路径的流量累加而成，即： x a = 酩 v a ，jk h _ 路径的阻抗应等于它途径的各个路段的阻抗之和： 茚= ( ) 碍 b e c k m a n n 提出的数学规划模型是： m i n ：z ( ) = j f l f d ( w ) 咖 ( 2 - l a ) s f ：t 斤= q 。， v r , s ( 2 一l b ) t 芹o ，v r ，j ( 2 一l e ) 其中，x a = 5 豫 v a ( 2 l d ) 北京交通人学硕 j 学位论文港【货运交通配流模霉! 研究 3 港区货运交通配流模型研究 根据港区货运交通流特性，本章将提出专用于港区货运交通流分配的p l t e 模 型及算法，并对其进行推理验证。同时还将提出模型必不可少的p l t eb p r 路阻 函数，并对函数的具体计算方法做初步的探讨。 3 1 港区货运交通流特性分析 港区货运交通流存在明显的行业特性，主要包括时问分布不均匀性、路网功 能导向性和道路混流特性。本章节将对港区货运交通流特性做深入分析。 3 1 1 时间分布不均匀性 港区内的交通流存在明显的时间分布不均特性。交通预测的第一步是预测交 通产生量和吸引量，在城市生活交通中，这个预测值一般是以“人 为单位的， 后来经过方式划分，将以人为单位的出行量转化成了以车为单位的出行量。而在 港区的交通流中，预测值主要由物流园区货物吞吐量得出，然后根据货物种类与 重量与交通工具载重特性之问的转换，将以重量为单位的出行量转化成了以车为 单位的出行量。 港区基于货流量产生的交通流量存在显著的产业特性，到港货物的数量会存 在时间上的波动性，而且往往波动性会很显著，波动的幅度很大。一方面，不同 类型的货物到港分布从全年来看存在明显的周期性，例如粮食货物就存在季节性 周期特性。另一方面，港口容易受到天气情况的影响，大风大浪会造成入港船只 的延期入港，进而造成入港船只数量的小规模剧增，运载货物的交通流也会相应 出现剧增现象。以上两点都会造成交通流分配上的时间不均匀性，而目前的静态 交通配流理论并不能很好的反映这一点。 在此以连云港为例，通过运用圆分布法计算方法【3 3 1 分析到港船只的时1 1 l j 分布 特性。通过实地调研，本文得到2 0 0 7 年4 月到港船只信息数据，取其中两天的数 据如表3 1 、3 2 所示。 表3 1 剑港船只数量统计表1 1 6 北京交通人学硕f ：学位论文港区货运交通配流模型研究 2 0 0 7 年4 月1 日 时间剑达船只数( 艘)船只平均吨位( 吨艘) 0 0 ：0 0 _ 0 2 ：0 0l5 3 5 0 5 0 2 ：0 0 - 0 4 ：0 00o 0 4 ：0 0 - 0 6 ：0 0l5 2 8 6 0 6 ：o o m 8 ：o o14 3 0 0 0 8 ：o o 10 ：0 012 1 0 4 1 0 ：0 0 1 2 ：o o5 1 0 8 2 5 1 2 ：0 0 一1 4 ：0 039 9 9 7 1 4 ：o o l6 ：0 033 4 6 0 3 1 6 ：0 0 1 8 ：o o49 0 8 9 l8 ：0 0 2 0 ：0 0l2 3 5 0 2 0 ：0 0 2 2 ：0 0oo 2 2 ：0 0 - 2 4 ：0 0 o o 表3 2 剑港船只数晕统计表2 2 0 0 7 年4 月2 6 日 时间到达船只数( 艘)船只平均吨位( 吨艘) 0 0 ：0 0 0 2 ：o ol4 5 2 5 9 0 2 ：0 0 加1 4 ：0 0l2 4 2 6 8 0 4 ：0 0 _ 0 6 ：o o22 0 6 8 0 6 ：0 0 0 8 ：0 043 6 1 2 6 0 8 ：0 0 1o ：o o26 7 1 0 1 0 ：0 0 12 ：0 0l6 4 1 2 0 1 2 ：0 0 1 4 ：0 047 3 0 t 1 4 ：0 0 l6 ：0 0 l2 0 3 7 4 1 6 ：0 0 l8 ：0 000 l8 ：0 0 2 0 ：0 0l2 2 0 2 7 2 0 ：0 0 2 2 ：0 019 5 0 5 2 2 ：o o 2 4 ：0 0 24 8 2 0 运用圆分布法计算方法，其计算过程及结果如表3 3 、3 叫4 所示： 表3 32 0 0 7 年4 月1 日周期性及高峰时段验证计算结果 时间转换角度a s m 口 c o s 口 f s i n 口f c o s 口 0 0 ：0 0 0 2 ：0 01 50 2 5 8 8 1 9 60 9 6 5 9 2 52 o oo 5 1 7 6 3 91 9 3 1 8 5 0 0 2 ：0 0 如1 4 ：o o4 50 7 0 7 1 0 80 7 0 7 1 0 5 50 o oo 0 0 0 0 0 00 o o o o o o 1 7 北京交通人学硕f ：学位论文港区货运变通配流模型研究 0 4 ：0 0 - 0 6 ：0 07 5 0 9 6 5 9 2 6 0 2 5 8 8 1 6 l2 o o1 9 3 1 8 5 20 5 1 7 6 3 2 0 6 ：0 0 0 8 ：0 01 0 50 9 6 5 9 2 40 2 5 8 8 2 32 o o1 9 3 1 8 4 8 o 5 1 7 6 4 6 0 8 ：o o i o ：0 01 3 50 7 0 7 l0 20 7 0 7 1 ll2 o o1 4 1 4 2 0 41 4 1 4 2 2 2 l o ：o o 1 2 ：o o 1 6 50 2 5 8 8 1 20 9 6 5 9 2 8 l o o o 2 5 8 8 l2 0 9 6 5 9 2 8 0 l2 ：o o _ 1 4 ：0 01 9 50 2 5 8 8 2 70 9 6 5 9 2 46 0 01 5 5 2 9 6 25 7 9 5 5 4 4 1 4 ：0 0 1 6 ：0 02 2 50 7 0 7 1 1 30 7 0 7 l6 0 0- 4 2 4 2 6 7 84 2 4 2 6 0 0 1 6 ：o o 1 8 ：o o 2 5 50 。9 6 5 9 2 9 0 2 5 8 8 0 9 8 o o 7 7 2 7 4 3 22 0 7 0 4 7 2 l8 ：o o - 2 0 ：o o2 8 50 9 6 5 9 2 30 2 5 8 8 3 0 32 o o1 9 3 1 8 4 60 5 17 6 6 1 2 0 ：0 0 2 2 ：0 03 1 50 7 0 7 0 9 80 7 0 7 l l5 9o 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 2 2 ：0 0 2 4 ：0 03 4 50 2 5 8 8 0 50 9 6 5 9 2 9 50 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 ，值 0 。6 8 9 7 1 3 z 值 1 9 0 2 8 1 6 高峰时闻点1 4 ：4 3 s 值( 。) 4 9 3 8 7 6 0 7船舶到港高峰时段l l ：2 4 一1 7 ：5 8 表3 _ 42 0 0 7 年4 月2 6 日周期性及高峰时段验证计算结果 时何转换角度o s m ( z c 0 s 口 ff s i n af c o s o f 0 0 ：0 0 0 2 ：o o1 50 2 5 8 8 1 9 6o 9 6 5 9 2 52 0 0o 5 1 7 6 3 91 9 3 1 8 5 0 0 2 ：o o - 0 4 ：0 0 4 50 7 0 7 1 0 80 7 0 7 1 0 5 5 2 o o 1 4 1 4 2 1 6 1 4 1 4 2 i l 0 4 ：0 0 - 0 6 ：0 07 5o 9 6 5 9 2 60 2 5 8 8 1 6 l4 0 03 8 6 3 7 0 41 0 3 5 2 6 4 0 6 ：o o - 0 8 ：o o1 0 50 9 6 5 9 2 40 2 5 8 8 2 38 0 07 7 2 7 3 9 22 0 7 0 5 8 4 0 8 ：o o 一10 ：o o 1 3 50 7 0 7 10 2 0 7 0 7 1 l l4 o o 2 8 2 8 4 0 8 2 8 2 8 4 4 j 4 l o ：0 0 1 2 ：o o1 6 50 2 5 8 8 1 20 9 6 5 9 2 82 o o0 5 1 7 6 2 41 9 3 1 8 5 6 1 2 ：o o 1 4 ：o o1 9 50 2 5 8 8 2 70 9 6 5 9 2 48 o o2 0 7 0 6 l67 7 2 7 3 9 2 1 4 ：o o 1 6 ：0 02 2 5- 0 7 0 7 11 30 7 0 7 l2 o o1 4 1 4 2 2 61 4 1 4 2 0 0 l6 ：0 0 - l8 ：0 02 5 50 9 6 5 9 2 9o 2 5 8 8 0 90 o o0 0 0 0 0 0 0o o 0 0 0 0 0 l8 ：o o 2 0 ：0 02 8 50 9 6 5 9 2 30 2 5 8 8 3 0 32 0 01 9 3 18 4 60 5 1 7 6 6 l 2 0 ：o o - 2 2 ：o o3 1 50 7 0 7 0 9 80 7 0 7 1 15 92 o o1 4 1 4 1 9 61 4 1 4 2 3 2 2 2 ：o o 2 4 ：0 03 4 5- 0 2 5 8 8 0 50 9 6 5 9 2 9 54 o oi 0 3 5 2 2 03 8 6 3 7 l8 厂值o 6 9 1 3 9 5z 值1 9 1 2 1 0 8高峰时间点0 4 ：4 3 s 值( 。) 4 9 2 4 8 9 4 船舶到港高峰时段0 l ：2 7 _ 0 7 ：5 9 通过该结果可以发现，角度离散值厂0 6 9 ，船舶到港确实存在一定周期性， 港区内的货运交通量变化规律应符合船舶的到港规律，其高峰值即为到港货物的 高峰值转化成的交通量值。 3 1 2 路网功能导向性 港区的路网建设也有其行业特性。港区的路网在规划建设阶段就有其功能导 向性，路网的建设是与港区的交通需求密切相关的，反映在交通配流模型上，就 北京交通人学硕二j j 学位论义港区货运交通配流模型研究 是某些特殊路段对于货运交通流具有较强的吸引力，而不仅仅取决于传统上的广 义费用。虽然广义费用可以将多种条件量化，但是目前还没有对功能导向性路段 阻抗量化的相关研究，这主要是因为不同行业有不同的情况，很难得到一个统一 的量化模型，因此，本文将针对港区的特性，在此方面进行初步的研究。 ，、一 1、一一一 图3 1 连云港港区路网图 还是以连云港中云区路网为例，在整个港区路网中，主要存在以下三种功能 导向的路段： 1 、港口物流功能导向路段p l r p l r 是指道路的建设是以满足港口货物集疏运( p l t ) 交通需求为主的路段， 图3 1 中标识为绿色的路段，主要包括：东输港通道、北输港通道、新光路、云门 路等。 2 、城市交通功能导向路段u t r u t r 是指道路的建设是以满足城市一般出行( u t f ) 需求为主的路段，图3 1 中标识为黄色的路段，此类路段的典型代表为海棠路。 3 、混合交通功能导向路段m t r m f r 是指存在较严重的混流现象的路段，p l t 和u t f 流量均较大，图3 1 中 标识为蓝色的路段，主要包括：新港城大道、中山路、黄河路、昆山路等。 1 9 北京交通人学硕f ：学位论文港【：货运交通配流模型研究 3 1 3 道路混流特性 港区货运交通流还有一个显著的特性，就是货运交通流与城市交通流的混流 及相互影响。虽然港区不会位于城市的中心地带，但是作为货物的集散及流通加 工场所，港区与城市中心也不会相距太远，一般会处于城市的边郊地带，而且要 与城市主干道有良好的衔接，港区与城市交通的相互影响较为明显，经常城市道 路网与物流园区道路网错综复杂地交织在一起。因此，在考虑港区的交通配流时， 不可避免的要考虑城市交通流对其的影响。 部分港区在建设时已经考虑到了城市交通与货物运输交通间的相互影响问 题，在道路的设计中已经运用了多种手段将这种影响降到了最低，例如：在交叉 口进行渠化设计，对右转的交通流进行疏通；尽量减少城市生活交通与城市运输 交通间的多向交叉，降低交叉口左转通行压力。在连云港的实地调研中，本文也 观察到了这一点，城市交通与货物运输交通流之间基本只存在垂直交叉现象，而 且主要的交叉口都有右转向渠化设计，降低城市右转交通流对交叉口通行能力的 影响。 连云港连云区连徐高速公路与3 1 0 国道设有