（系统工程专业论文）区域公路网发展规模的预测与优化方法研究.pdf

中文摘要 摘要 公路网合理发展规模是用来指导公路网建设和布局规划的基本控制量 近 年来我国虽然对区域公路网发展规模进行了一些研究 取得了一些丰硕的成果 但是由于区域路网发展规模的影响因素较为复杂 既有社会经济发展 交通需求 经济实力 国土资源等客观因素的限制 还有国家和区域交通政策的影响 各种因 素错综复杂 相互交织 再加上各个地区发展历史的特殊性以及未来发展的不确 定性 更增强了影响因素的复杂性 而目前的理论对区域公路网规模的研究还有待 完善 多仅限于经验总结和简单类比 带有较强的主观随意性 结果缺乏可靠性 和适应性 进而影响到公路网规划建设的准确性 为此 本文旨在改进目前公路 网发展规模确定方法 使其能很好的指导我国现阶段不同地区的公路网建设和发 展 本文先以社会经济与公路交通互动关系为基础 用系统结构分析方法建立了公 路网规模影响因素的递阶层次结构 同时借鉴国外发达国家公路网发展历程 从 定性角度阐述了公路网发展本身具有的内部规律 并依据上述对公路网规模发展 机理和规律分析的结论 深入分析我国目前存在的几种公路网规模预测方法的优 缺点及其适用条件 为交通规划确定路网规模的方法和模型的选择提供参考依据 论文还利用神经网络与马尔可夫链预测的优势 为达到提高预测精度和增加结果 可靠性的目的 建立基于b p 神经网络与马尔可夫链的公路网规模预测方法 对湖 北省公路网总规模进行了预测 并通过实证验证了模型的可行性和合理性 最后 在分析公路网等级结构要求的基础上 确定以建设资金最少 路网通行能力最大 路网平均行程时间最少和公路网技术等级最高为等级结构优化的目标 进而建立 公路网技术等级结构优化的多目标规划模型 并结合湖北省公路网建设情况进行 案例分析 为湖北省今后公路建设的发展提供理论以及数量依据 关键词 公路网 规模 b p 神经网络 多目标规划 分类号 u 4 9 1 a bs t r a c t a b s t r a c t r e a s o n a b l ed e v e l o p m e n ts c a l eo fh i g h w a yn e t w o r ki st h eb a s i c p a r a m e t e rw h i c hu s e dt og u i d et h ed e v e l o p m e n to fr o a dn e t w o r kp l a n n i n g a l t h o u g h m a n ys c h o l a r sh a v eg e ts o m ef r u i t f u lr e s e a r c h i n gr e s u l t so nt h es c a l eo fh i g h w a y n e t w o r ki nr e c e n ty e a r s d u et ot h es c a l eo fr e g i o n a lr o a dn e t w o r ki se f f e c t e db ym o r e c o m p l e xf a c t o r s a n dm e ym a i n l yc o n f i r mt h es c a l eo fh i g h w a yn e t w o r ko nt h e e x p e r i e n c es u mu pa n ds i m p l ea n a l o g ys ot h a tt h er e a s o nl a c ko fr e l i a b i l i t ya n d a d a p t a b i l i 够 t h u st h ec u r r e n tt h e o r yo f t h es c a l eo ft h er e g i o n a lr o a dn e t w o r kr e m a i n s h a sm a n ys h o r t a g ea n dn o tt ob ep e r f e c t t h e r e f o r e t h i sa r t i c l ea i m st oi m p r o v et h e c u r r e n tm e t h o do fd e t e r m i n i n gt h ed e v e l o p m e n ts c a l eo fh i g h w a yn e t w o r ka n dt oe n a b l e i tg u i d et h ed i f f e r e n tr e g i o nr o a dn e t w o r kc o n s t r u c t i o na n dd e v e l o p m e n t f r o mt h ep o 硫o fv i e wo fs y s t e me n g i n e e r i n g 啦sa r t i c l ef i r s ta n a l y z e dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h er o a dn e t w o r ks c a l eb a s i n go nt h et h e o r yo fr o a dt r a f f i ca n d s o c i o e c o n o m i ci n t e r a c t i o n t h e ne s t a b l i s h e dt h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r em o d e lo f i n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h er o a dn e t w o r ks c a l e a c c o r d i n gt of o r e i g nd e v e l o p e dr o a d n e t w o r kd e v e l o p m e n tp r o c e s s t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ei n t e r n a lr u l eo ft h ed e v e l o p m e n t o fh i g h w a yn e t w o r k t h e ni ta p p r a i s e da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a le x i s t i n g f o r e c a s t i n gm e t h o d so fr o a dn e t w o r ks c a l e i no r d e rt oi m p r o v ef o r e c a s ta c c u r a c ya n d i n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo ft h er e s u l t s t h ep a p l ef o u n d e dt h em o d e lo fh i g h w a yn e t w o r k s c a l ep r e d i c t i o nb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r ka n dm a r k o vc h a i n st of o r e c a s tt h ea m o u n t o f h i g h w a yn e t w o r ki nh u b e ip r o v i n c e t h ef o r e c a s tt e s tr e s u l t sp r o v e t h a tt h em o d e lh a s ah i g h a c c u r a c ya n dr e a s o n a b l e n e s s f i n a l l y t h ep a p e rd e f i n e d t h es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no b j e c t i v e a n de s t a b l i s h e dt h em u l t i o b j e c t i v ep r o g r a m m i n gm o d e l i n c l u d i n gt h ep o l i c yi n f l u e n c et or e a s o n a b l ec o l l o c a t et h eh i e r a r c h i c a lo fh i g h w a y t h e p a p e rc a l c u l a t et h eh i g h w a ys c a l ea n dr e a s o n a b l eh i e r a r c h i c a lo r g a n i z a t i o no fh i g h w a y f o r t h ey e a ro f 2 0 1 0 2 0 1 5a n d2 0 2 0i nh u b e ip r o v i n c e k e y w o r d s h i g h w a yn e t w o r k s c a l e b p n e u r a ln e t w o r k m u l t io b j e c t i v e p r o g r a m m i n g c i a s s n o i j 4 9 1 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 学位论文作者签名 王刍泛绛 签字日期 珈占年占月 e t 导师签名 签字日期 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 撰写过的研究成果 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 学位论文作者签名 三很鼻 签字日期 妇忐年 月 日 致谢 本论文的研究工作是在我的导师贾元华教授的悉心指导下完成的 从论文的 选题 构思 到论文的写作 修改和最终定稿 整个过程都渗透着导师的智慧和 心血 凝聚着导师对我的关怀和启迪 在攻读硕士学位期间 导师无论在科研还 是生活上都给予了我细致的关怀 由衷感到自己点点滴滴的进步 都离不开导师 的辛勤培育和细心教导 在此 谨向我的导师 贾元华教授表示我最诚挚的感 谢和最崇高的敬意 在研究生学习期间 我一直得到学院多位老师的指导和关怀 在这里一并表 示感谢 并祝各位老师身体健康 工作顺利 同时 向评审本论文以及参加论文 答辩的专家们表示谢意 感谢他们在百忙之中抽出时间审阅和指正我的论文 由 于作者学术水平 时间和精力有限 论文中对一些问题的讨论可能存在不当或不 够严谨之处 还请各位专家给予指正 助其完善 此外 在项目研究及撰写论文期间 我得到了刘奕师姐 熬谷昌师兄 李健 师兄 墨素娟师姐 魏邦成和高磊等同学的热情帮助 在此向他们表达我的感激 之情 祝愿他们今后事业有成 同门的师弟师妹与我朝夕相处 情如一家 帮助 甚多 在此也祝愿他们学业有成 前程似锦 最后 也感谢远在家乡的父母 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成 我的学业 1 1 研究背景及意义 1 1 1 问题的提出 1 绪论 改革开放二十多年来 我国的公路交通事业取得了长足发展 单以公路通车 里程来说 全国公路通车总里程由1 9 8 0 年的8 8 3 3 万公里增至2 0 0 7 年底的3 5 7 3 万公里 年均达到8 5 7 而以国道主干线为重点的高等级公路建设更是取得举世 瞩目的成就 其建设速度令世人惊叹 从起步到通车1 力 公里用了1 2 年时间 从 1 万公里到2 万公里用了4 年时间 从2 万公里到3 万公里用了2 年时间 从3 万 公里到5 万公里用了3 年时间 截止到2 0 0 7 年底我国高速公路通车里程已经达到 5 3 9 万公里 从1 9 8 8 年我国第一条高速公路沪嘉高速公路 全长1 8 5 公里 建成 至2 0 0 7 年底 短短1 9 年期间我国高速公路总里程已经达到5 3 9 公里 位居世界 第二 年均速度达到3 9 2 4 见图和表l 一1 图1 1 我国1 9 8 0 2 0 0 7 年我国公路和高速公路里程变化趋势 f i g 1 1g r o w t ht r e n d so f c h i n a h i g h w a ya n de x p r e s s w a ym i l e a g ef r o m l 9 8 0 t 0 2 0 0 7 注 从2 0 0 5 年统计年鉴将村道里程纳入公路总里程统计 2 0 0 5 2 0 0 7 年我国公路总里程 实际分别为3 3 4 5 2 3 4 5 7 0 3 5 7 3 为与历史数据可比 故朱计入2 0 0 5 2 0 0 7 年的村道数 表1 1 我国1 9 8 0 2 0 0 7 年主要年份公路和高速公路里程数单位 万公里 t a b 1 lt o t a lm i l e a g eo f c h i n a h i g h w a ya n de x p r e s s w a yf r o m l 9 8 0t 0 2 0 0 7 年份 全国公路 高速公路年份全国公路 高速公路 1 9 8 08 8 3 32 0 0 0 1 4 0 3 1 6 3 1 9 8 59 4 2 42 0 0 11 6 9 91 9 4 1 9 9 01 0 2 8 3o 0 52 0 0 21 7 6 52 5 1 1 9 9 51 1 5 70 2 l2 0 0 31 8 0 9 12 9 7 1 9 9 61 1 8 50 3 42 0 0 41 8 7 0 43 4 3 1 9 9 71 2 2 6 40 4 82 0 0 51 9 3 0 54 1 1 9 9 81 2 7 8 5o 8 72 0 0 62 0 4 74 5 3 1 9 9 91 3 5 1 7 1 1 62 0 0 72 1 7 3 75 3 9 从我国东 中 西部地区最近几年公路建设情况来看 各地区公路里程仍在 持续增长 公路技术状况也在进一步完善 虽然各地区由于经济 地理和资源等 因素 导致不同地区的公路发展具有差异性 但是从全国整体来看 公路建设的 快速发展 无疑都大大提高了我国不同地区公路网的整体技术水平 优化了各地 区交通运输结构 改善了城乡交通条件 缓解了交通运输的 瓶颈 制约 有力 地促进了我国不同地区经济发展和社会进步 表1 22 0 0 2 2 0 0 7 年我国各地区二级以上公路情况比较单位 万公里 t a b 1 2c o m p a r eo fr o a dm i l e a g eo fd i f f e r e n tr e g i o ni nc h i n a 年份 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 高速公路 1 3 41 5 71 7 11 9 92 0 32 2 5 东部二级以上公路 1 2 21 3 0 51 4 2 11 5 1 7 1 5 8 91 7 0 l 总里程 5 6 1 25 7 9 l6 0 6 86 3 1 39 9 3 51 0 2 1 3 高速公路 0 7o 8 31 0 11 31 3 31 6 3 中部二级以上公路8 3 59 2 71 0 4 31 1 0 41 1 6 51 1 6 8 总里程 6 0 7 36 2 3 46 4 2 36 5 9 91 2 0 2 51 2 2 3 高速公路0 4 7 o 5 7 0 6 90 8 l1 1 71 5 西部 二级以上公路 4 4 24 8 45 3 l5 7 68 49 3 5 总里程 5 9 6 86 0 6 66 2 1 36 3 9 31 2 6 11 3 3 9 4 根据我国公路网建设中长期规划 到2 0 2 0 年我国公路总里程将达到4 2 0 万公 里 这意味着我国每年将以1 4 万公里的增长速度进行公路建设 到2 0 2 0 年我国 高速公路将达到8 5 万公里 但是按照我国高速公路迅猛发展的态势 到2 0 2 0 年 应该远远超过这个数据 虽然公路建设在数和质上的大幅度提高会促进经济社会 的发展 但是公路建设需占用大量资金 养护 维修和管理费用极高 例如高速 公路每公里造价高达2 0 0 0 5 0 0 0 万元 建造一座普通立体交叉口需投资2 0 0 1 0 0 0 万元左右 而我国处于发展中国家 建设资金本就短缺 加上近几年原材料 人 工等成本大幅度上涨等原因 公路建设的费用已经大大高于以往建设的费用 此 外由于国内货车超载严重 公路大修维护周期缩短 维护费用加大 公路建设和 2 营运成本的增加 造成公路建设的资会需求巨大 然而 随着中国投融资体制改革的深入 积极财政政策的淡出以及公路费改 税政策的实施 公路的跨越式发展将面临巨大的挑战 一方面路网结构优化升级 需要大量的资金 另一方面 公路建设的资金筹集难度越来越大 因此为了有效 地利用资金 解决建设和资金的矛盾 提高公路建设的社会经济效益 必须对区 域公路网的合理发展规模加以研究 即研究区域规划期内公路网总里程为多少 各等级公路保持一个什么样的比例 使得资金最省而又能最大满足交通需求 如 果在公路建设的规模和标准的设计总体方案上决策失误 将会给国家带来巨大的 资源浪费和经济损失 当前多数的研究集中在城市路网的规划设计研究上 而对于城市以外的大部 分道路组成的路网很少有所涉及 本论文就立足于此 以湖北省为例 对区域公 路网的合理规模进行系统的研究 1 1 2 研究的目的与意义 1 研究目的 定量确定公路网的合理发展规模 就是要确定公路网总里程及其各等级结构 合理只是一个相对概念 是在给定条件下达到预期目标的一种结构组合 公路网 发展的合理规模 应以能在一定程度的服务水平上满足交通需求并使建设费用最 省为目标 在此前提下 可以确定规划期内公路网发展建设的总里程 并对其等 级结构进行优化配置 从而得出投资最省 能满足一定服务水平所需要的各等级 公路里程组合方案 为安排建设计划提供依据m j 从区域公路网规划流程来看 图 1 3 公路网规模的确定处于一个承上启下位置 不仅是影响路网的设计和布局的 宏观控制量 也是投资决策的重要依据 近年来我国虽然对区域公路网合理发展规模进行了一些研究 取得了一些丰 硕的成果 但由于诸多不确定因素的影响 在实践工作中推求合理发展规模往往 缺乏指导 多限于经验总结和简单类比 带有较强的主观随意性 从而影响了规 划的准确性和可靠性 因此有必要以经济和交通发展的关系为基础 从供应与需 求角度分析影响区域公路网发展的规律 在确定路网总里程和各等级公路结构优 化理论方面做出一些新的有益探索 以期在确定区域公路网发展规模时能提高其 准确性 适应性和稳定性 使其能很好的指导我国现阶段公路建设和发展 2 现实意义 公路网建设必须符合或者超前国民经济发展及社会发展的需求 不同的发展 阶段应有相应的发展规模p 1 因此系统分析和研究区域公路网合理发展规模 对于 3 把握公路交通与经济发展的适应程度 不足 明确今后公路交通的发展思路 找出公路建设与发展过程中存在的问题与 发展目标和建设重点 促进公路交通与经 济的协调发展实现公路交通的现代化和可持续发展等无疑具有重要的现实意义 图1 3 区域公路网规划总量控制法流程 f i g 1 3f l o wc h a r to fm a c r o c o n t r o lm e t h o d 此外 就我国公路网的现状来说 公路建设耗资巨大 建设资金尤为短缺 为了有效的利用资金 提高公路建设投资的社会经济效益 必须对区域公路网合 理规模加以研究 如果公路网规模建设超过实际公路交通需求 将导致大量建设 资金的过早占用 并造成土地资源的浪费和大量拆迁损失 这有悖于我国处于发 展中国家 建设资金短缺的国情和建设资源节约型的社会 而建设规模过低则规 划建设的公路在投入使用后会因为实际交通的迅速增加而产生交通饱和 车辆拥 挤 运输效率低下 交通事故频繁等一系列后果 成为制约区域社会经济持续健 康发展的瓶颈 因此 根据经济的发展情况 从宏观上把握公路建设投资的总体 规模 调整投资强度 对于合理利用资金 解决建设和资金的矛盾 以最小代价 来缓解交通运输的供需矛盾 改变当前被动局面 使其成为国民经济发展的保障 4 从而保证交通的可持续发展 具有非常重要的现实意义 1 2 国内外研究情况 1 2 1 国外研究情况 1 国外公路网规划历程 最早的路网规划实践可以追溯到2 0 0 0 年前罗马人对整个欧洲的道路规划 但 是早期的实践多以具体的工程技术为核心内容 如干线道路的选线等问题 真正 的公路网规划出现在2 0 世纪初 汽车大量普及产生了公路网建设的强烈需求后 在这将近1 个世纪的历程中 公路网规划逐渐从工程技术的一部分 发展成为了 f i 不断完善的新学科 公路网规划的方法研究大体可分为5 个阶段 4 1 直观判断型阶段 在2 0 世纪5 0 年代以前 此阶段的规划主要是技术负责 人和规划人员根据专业知识和个人经验 借助于较少交通资料进行定性的预测和 规划 公路网规划主要成果有1 9 1 0 1 9 2 0 年的美国加州公路规划 2 0 世纪3 0 年代 德国的公路建设规划等 2 集计模型阶段 在2 0 世纪5 0 6 0 年代间 为了服务于经济发展 人们出行 的需要 以各小区为研究单元 研究人们出行 货物流动的集计模型得到发展 其中最具代表性的是四阶段法模型 此后 人们又在四阶段中的各个阶段提出了 具体的理论 建立相应的模型 其中较具代表性的研究有弗雷塔法 5 熵法 6 机 会模型 7 1 交通网络均衡理论 8 以及最短路径探索法等 3 非集计模型阶段 在2 0 世纪7 0 年代 随着生产力水平的迅速提高 出现了 社会需求多样化 交通需求多样化的趋势 在此背景下 以个人出行选择的离散 量研究为基础的非集计模型逐渐发展起来 具有代表性的模型主要有l o g i t 模型和 p r o b i t 模型i 州 4 出行选择行为模型阶段 从2 0 世纪7 0 年代末期到2 0 世纪8 0 年代 交通 规划中最重要的参数一出行次数被认为由心理过程 相应的外部条件和决策人的 特征数据等因素决定 此外 在此阶段基于人的活动模拟与观测技术亦得到发展 代表性模型有牛津大学研究人员的基于活动的出行选择模型 1 2 在实际应用中最 具有代表性的技术是英国h a t s 观测方法 1 3 1 5 计算机阶段 随着2 0 世纪9 0 年代计算机被大众广泛应用 各种依赖于巨大 数据的模型相继出现 一些大型的专业规划软件被开发和使用 如用于区域运输 规划中决策分析的l u t s u t p p 软件 荷兰公路管理局开发的公路投资综合规划系 统软件h i p s 美国的公路模拟模型软件f r e q 美国c a l i p e r 公司开发的t r a n s c a d 5 软件等 大大提高了交通规划的便利性和科学性 2 国外公路网规模方面的研究 国外学者在公路网合理规模发展理论及方法方面 各自根据本国的经济发展 和交通状况 提出了不同的方法 前苏联学者研究建立了地区发展水平 运输量和公路网合理长度之间的相关 关系 提出了公路网合理长度的计算公式 另外还采用多元回归和相关分析法 建立了地方道路网密度的线性函数式 东欧学者根据国土和经济发展状况 提出下列公式l a m n o 式中l 为公路 长度 m 为人均可利用土地面积 n 为人均国民生产总值 a b 为待定参数 西 欧一些学者也提出了上述模型 但是由于国情不同 式中的待定参数有较大的差 别 另外一些学者提出了l a b l n m n 式中各符号意义与上述的指数模型相同 日本学者提出了国土系数理论 认为道路密度与人口平方根成正比 国道网线路 长度与该地区的交通需求成正比 与建设及养护费用成反比 并提出了各种模型 的地区参数 为国道网规划提供了理论基础和计算方法 1 2 2 国内研究情况 1 国内公路网规划历程 中国公路网规划研究起步较晚 在早期 鉴于中国的公路建设规模有限 研 究决策人员主要关注于省 市 县等行政中心的连通问题 基本上利用定性方法 来进行公路网的规划 如1 9 6 4 年编制的 中国干线公路网规划草案 在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初 随着改革开放的进行 在中国开始强调公路 网规划的重要性 加强了对区域公路网规划的研究工作 中国交通部参照国外公 路建设经验 在1 9 8 0 年提出 国家干线公路网规划 试行方案 随后 开始在一 些地区进行公路网规划的实践 2 0 世纪8 0 年代中期 中国一些高校对公路网规划理论和实践进行了较为系统 全面的研究 并取得了一系列研究成果 1 9 9 0 年 中国交通部在总结中国公路网 规划研究取得的成果和经验并借鉴国外理论和方法的基础上制定了 公路网规划 编制办法 在指导思想上确立了从经济角度出发研究交通 同时以交通建设发展 反馈促进经济发展 在研究方法上 由过去的以经验为主的决策法发展到现在的 以经验为导向 以数学模型为依据的定性和定量相结合的科学决策法 2 国内在公路网规模方面的研究 我国在公路建设规模以及合理布局方面进行了许多探索性的研究 分别在理 论研究和实践运用方面都取得富有创见的成果 6 交通部科学研究院的周伟在 欠发达地区公路建设规模的发展规律 中就公 路建设规模的影响因素及欠发达地区的公路建设规模的发展规律进行了研究 l 引 长安大学王选仓教授等在 基于需求函数模型的公路网规模预测 中针对公 路网规划中路网总量的确定问题 系统分析了公路网密度与人口密度 人均g d p 的关系 得出了人口增长和经济发展对公路建设速度 规模需求的规律 同时基 于c o b b d o u g l a s 生产函数模型 建立了人1 3 经济增长对公路的需求函数模型 1 5 长安大学于江霞博士在 公路网最佳经济规模模型研究 中从经济学的投入 产出角度分析 建立公路最佳经济规模模型 在公路建设总体规模一定的约束条 件下 来确定不同公路等级结构 即效益成本比最大的等级结构 1 6 北京工业大学石兆旭博士在其论文 区域公路网布局形态及发展规模研究 中建立了公路建设与社会经济协调发展的带有a h p 层次分析法 约束锥的d e a 数 据包络分析 评价模型和区域公路网在不同的社会经济发展阶段应具有的发展规模 以及与发展阶段相适应的路网等级结构的优化配置模型 l7 1 东南大学顾振华博士在 区域高速公路网合理发展规模研究 中 在分析现 有研究方法 包括时间序列法 因素分析法 连通度分析法 和影响因素 包括区域 面积 人口 经济发展水平 交通需求等 的基础上 提出以运输强度法进行区域 高速公路网合理规模的研究 1 8 1 北京交通大学刘艳慧 贾元华教授在 高速公路建设规模与经济发展关系探 讨 中应用弹性系数法对我国高速公路建设规模进行了预测 l 9 武汉理工大学蒋斌在其论文 湖北省公路网络结构优化理论研究 中利用生 长曲线模拟区域路网发展的轨迹 运用运输强度分析法 确定区域公路网当量总 里程 在公路网总里程确定后 采用目标规划理论 寻求一种最优的等级结构方 案 2 0 1 大连理工大学郭崇恩等在 干线公路网等级结构优化的目标规划模型及算法 中建立了一个干线公路网等级结构优化的目标规划模型并给出算法 2 1 1 3 在实践运用方面 北京市城市规划设计研究院樊怀玉等在 北京市公路网合理发展规模的国际 类比预测 中通过比较各种确定路网规模的方法适用性 结合北京市实际情况选 择国际类比法计算了北京市2 0 1 0 和2 0 2 0 的路网规模 2 2 甘肃省公路网规划办公室雷鸣涛在 甘肃省公路网合理发展规模预测 中考 虑影响公路网合理发展规模的多种因素出发 采用公路周转量分析法 经济分析 法 节点分析法 时间序列趋势外推法和线性规划法 建立了甘肃省未来公路网 发展规模预测模型2 3 湖北省交通规划设计院巴可伟等在 基于累计重要度的路网规模研究 中针 7 对传统公路网规模预测方法中存在缺乏节点层次需求分析 容易造成因节点特性 平均化所引起的路网规模预测过大或过小问题 提出了基于累计重要度确定路网 规模的方法 在计算节点重要度 路段重要度的基础上 通过分析路段累计重要 度与路网总里程之间的关系 预测路网总规模 2 4 1 广东省公路勘察设计院汪春华等在 广东公路网发展规模和层次配置探讨 中通过对世界上部分国家和地区不同经济发展水平下的路网规模进行对比分 析 建立按国际标准计算各层次道路目标长度的模型 结合广东国民经济发展规 划 确定广东公路网发展的理论目标长度 并就各层次公路配置规划问题进行了 探讨 2 5 1 青海省公路科研勘察设计院徐安花等在 青海省公路网合理规模预测研究 中运用国土系数法 时间序列法 弹性系数法对青海省各规划期公路网建设规模 进行了分析 3 j 宁波市交通设计院常福海 蔡良斌在 宁波市公路网合理发展规模研究 采 用国土系数法模型 生长曲线模型和相关分析及趋势拟合来确定宁波市公路网总 里程 采用最大通行能力模型和最小费用化模型来确定宁波市的公路网等级结构 2 6 1 o 盐城市交通规划设计院的何申明等在 盐城市县道公路网规划中路网规模的 研究确定 中通过对节点连通度法 国土系数法 弹性系数法 我国和江苏省公 路现代化标准四种方法思路和计算过程的探讨 通过对比和论证 对盐城市县道公 路网规模进行研究和确赳2 7 1 综上所述 直至目前国内外对路网规模预测的研究方法主要有 国土系数法 国际类比法 节点连通度法及因素分析法 对路网技术等级优化的方法主要有线 性规划法和多目标规划法 尽管每种方法都有自己的理论支持及相应的算法 但 是由于每种方法本身存在的问题和交通系统的复杂性而导致的各种方法考虑因素 的不完善 因此各种方法的结果无法令人满意 1 3 论文研究方法及思路 公路网具有复杂的系统特性 因此必须以系统分析原理为基础 通过定量分 析系统诸元素之间 系统与环境因素之间的相互关系 以系统功能及综合效益为 目标 运用多种数学分析方法对其进行系统优化 本文采取的研究方法主要有 1 n 论与实践相结合 理论为主 实践为辅 论文行文思路采取先阐述理论 然后进行案例分析的模式 以理论来指导实 践 以实践来检验理论 2 定量与定性相结合 定量为主 定性为辅 公路网具有特殊的自然属性 其结构的演变虽然遵循一定的规律 但是受政 策的影响也较大 因此 必须把定量分析与定向分析结合起来才能更准确地反映 其演变规律 但是为了便于理论研究 本文采取定量为主 定性为辅的研究方法 在理论分析中可能把某些情况理想化 或提出一些可行的假设 而在实践分析中 则对具体情况进行具体分析 3 广泛收集国内外有关资料 对现有方法进行改进完善 基于目前国内外在相关领域的研究情况 在总结现有方法的基础上 对其进 行改进 完善 创新 是本文的一大特色 本文研究思路如下图所示 l 一 图l 4 本文研究思路 f i g 1 4r e s e a r c ha p p r o a c hi nt h ep a p e r 1 4 论文的主要研究内容与创新点 1 论文分为六章 主要章节安排如下图所示 9 图1 5 本文研究内容 f i g 1 4e a c hc h a p t e ro ft h ep a p e r 2 论文主要有以下创新点 1 深入分析路网规模的影响因素 利用系统结构分析方法建立公路网规模影响 因素的递阶层次结构 2 系统总结传统的路网规模预测方法的优缺点和适用条件 对其理论支持和 实际应用进行了综合的评价 为尽可能将影响区域公路网规模的众多因素考虑在 内 并且提高预测精度和可靠性 尝试提出将b p 神经网络与马尔可夫链预测进行 公路网规模的组合预测方法 并用该方法进行实例分析 3 本文在确定公路网技术等级结构优化目标时 不仅综合 全面地考虑路网 的建设资金投入 路网的营运效果以及路网使用者对路网的要求等 而且也考虑 了从满足公路网的远景交通需求并能够提供良好的服务水平和最大限度地寻求网 络的交通供给能力 进而改进以往的公路网等级结构优化的多目标规划模型 并 给出模型求解算法 1 0 2 区域公路网发展规模研究的理论基础综述 2 1 公路网规划的集计与非集计模型理论 在公路网规划中 根据所采用的模型的不同 可以将公路网规划方法分成不 同的体系 如集计模型 非集计模型等 2 1 1 公路网规划的集计模型 在集计模型中 通常先将对象地区和群体划分为若干个小区或群体等特定的 集合体 然后以这些小区或群体为基本单位 展开问题的讨论 较具代表性的模 型是四阶段法和总量控制法 2 引 1 四阶段法 四阶段法在中国的研究以同济大学 东南大学 吉林大学等为代表 四阶段 法通过将规划区域划分为交通小区 以居民出行调查及大量的居民出行o d 数据 为基础 确定o d 交通的分布现状 在此基础上 做出未来规划年的o d 交通分布 再根据模型 通过模型参数的标定 进行交通方式的划分及交通量分配 将具体 的交通量分配到具体的路段上去 以此为依据确定公路的技术等级 建设规模 建设序列等 在各个阶段 又有许多较为成熟的模型支撑 如在交通需求生成阶段 常用 的方法模型有增长率法 产值系数法等 在交通需求方式划分阶段有总量控制法 专家经验法等 在交通分布阶段有平均增长系数模型 弗雷塔模型 重力模型 插入机会模型及熵模型等 在交通分配预测阶段有平衡模型和非平衡模型等 四阶段法在方法论上反映的是从微观到宏观的过程 其技术性较强逻辑思路 清晰 近期交通量预测结论较能切合实际 一般在经济发达 路网稠密 并行线路 较多 未来年路网格局变化大的地区最适用 因而在国际上被广泛应用 但是在 具体技术层面的逻辑结构上 四阶段法仍然存在着诸多的缺陷 1 四阶段法布局优化的着眼点在于车的出行 以车辆为基本单位 是一种基于 交通需求的规划方法 以交通量为核心变量 而对入和货物的运输流动考虑不够 反映在结果上 路网经济性评价会出现偏差 最终的规划路网不一定最具经济性 2 在交通方式划分阶段 利用现期的数据 以时间差 费用等进行交通方式划 分 并且假设未来交通方式的划分保持不变 这种方式缺乏明确的理论依据 同 时交通方式划分保持不变的假设通常并不符合客观实际 3 模型成立的前提是现有的交通服务水平不变 即路网规划基于现有的交通供 给与需求上 这仅仅反映了土地利用与交通状态之间的单向作用关系 而忽略了 公路运输网络自身的发展对土地利用和公路交通状态的影响 是一种典型的 追 随型 路网规划 获得的路网结果往往是对现有交通需求的满足 取得的只是暂 时的平衡 而无法动态地适应未来交通的发展 4 需要大量的数据和时间 为了得到o d 表 需要进行大规模的调查 处理 数据亦需要大量的时间和费用 同时 在进行长期的路网规划时 中国2 0 世纪8 0 年代前的统计数据基本空缺 而且统计口径亦一变再变 所需的数据往往无法得 到 无法满足统计学上要求的统计期大约为预测期2 倍的要求 此外 利用o d 数据建立的集计模型也只能提供较少的方案 2 总量控制法 总量控制法主要由长安大学提出并完善 其基本思路是从宏观整体出发 以 现状公路网的道路交通特征参数来揭示现有公路网的主要问题 以区域内公路交 通总需求来控制公路网建设的总规模 并根据规划区域内社会经济发展 产业布 局特性 结合区域的社会经济发展规划 综合交通规划 确定公路网的总格局 在公路网的具体布局中 首先计算节点重要度 通过动态聚类分析 划分节点层 次 对公路网进行分层布局 整体优化 再通过交通流量分配和投资决策过程 将总规模分解落实到各条具体路线上 最后以路线建设的迫切度来安排公路项目 建设序列 总量控制法以交通特征参数为理论基础 关键是对公路网交通需求做 出科学 准确的预测 在确定公路网合理规模的前提下 以综合评价为手段 利 用 最优树 原理 重点研究公路网的布局优化 总量控制法提供了一套可最大限度利用现有相关资料进行公路网规划的方 法 侧重于宏观上的关联分析 简便易懂 经济节约 可操作性强 比较适合中 国国情 但由于其侧重于宏观分析 着重经验的应用 对交通需求缺乏深入的调 查分析 在理论上还有待于进一步完善和检验 总量控制法的主要缺陷主要表现 在 1 节点重要度的计算 从远期规划的视角看 节点重要度在路网规划实施过程 中会随着土地利用状态的变化而变化 不同的区域特性会引起土地利用状态的差 异 从而影响未来节点的重要度变化 总量控制法忽略了区域发展的差异对路网 布局及流量预测的影响 2 把节点重要度作为节点对交通发生吸引的综合指标来处理 抹杀了交通发生 与吸引的区分 节点交通发生强度 吸引强度也是随着土地利用状态的变化而变 化的 因此应该通过预测未来的社会经济发展状况 动态地调整节点交通发生强 度和吸引强度 1 2 2 1 2 公路网规划的非集计模型 非集计模型是2 0 世纪7 0 年代发展起来的 它以随机效用理论为基础 描述 每个交通参与者的交通出行行为 非集计模型以个人为交通行动决定的基本单位 由个人选择在某种状态下的最希望的方案 对于运输的选择包括对出行频率 目 的地 时间 交通工具及交通路径的选择 从这些选择方案组合中选择一个出行 方式 2 9 非集计模型可以广泛地应用在具有选择行为的社会各个方面 在交通工程上 其主要应用在需求量预测 政策评价 交通服务效益评价等方面 弧3 6 此外 还 有近年出现的交通区位论理论 37 1 其特点是运用交通场的概念及理论预测未来交 通量 依照交通区位线法反映地理空间上的路网几何联系规律 研究路网以大概 率出现在某些特定地带来进行路网规划等 非集计模型直接应用个人调查数据 通过减少数据集计环节来防止信息丢失 所需数据较少 大大节约了调查成本 并且在建模中操作比较简单 模型可移植 性较强 能包含较多的变量 提供更多的备选方案 因而具有较广阔的应用前景 非集计模型理论研究还在逐步完善成熟中 亦存在一些缺陷 1 非集计模型以描述单个的出行者选择为基础 但是模型无法将所有可能影 响选择行为的变量均包含在选择函数内 因而在某种情形下会缺乏对实际出行的 描述能力 另一方面 在模型理论上可引入较多的变量 但是当引入过多的变量 后 选择函数将变得十分复杂 会无法求解而丧失实用价值 2 以出行者出行选择为描述对象 但是出行者出行选择并非总是严格地遵循 某种特定的模式 总是具有某种偶然性 而某些非集计模型无法有效地表现出行 者的特性及影响 3 非集计模型目前在交通工程的应用领域仅限于需求量预测 交通方式分 布 政策评价等几个环节 并没形成完整的规划方法体系 需要与其他规划方法 结合使用 取长补短 才能取得更好的效果 2 1 3 公路网规划理论发展趋势 随着未来公路交通的发展 公路网规划理论方法将呈现如下趋势 1 在规划技术上 随着2 0 世纪9 0 年代以来智能控制领域的迅速发展 模糊 控制 专家系统控制 遗传算法控制及其与神经网络控制的成功结合应用 采用 现代计算机技术与模糊理论 神经网络技术和专家系统相结合的方法将会越来越 广泛地应用到公路网规划中 2 在规划视角上 公路网规划将更多地考虑综合运输系统与公路网系统间的 影响作用 尤其是对公路网布局规划的作用机理 并越来越注重公路交通与区域 社会 经济发展的双向互动作用的协调发展 将公路网与区域社会 经济发展有 机结合 注重路网与社会 经济的动态平衡与协调发展 3 在规划方法上 将会更多地侧重定量分析方法的应用 并且注重多学科的 综合应用 实现公路网规划在政策 经验 数理 技术方面的结合 4 在规划目标上 公路网规划将不仅仅以适应型路网为目标 随着社会经济 的发展 交通基础设施建设的逐步完善 将越来越着重于引导型路网的建设 充 分考虑公路网对经济发展的引导作用 在路网功能上 不但强调 路通 更注重 效率为指向的 路畅 此外 公路网规划的可持续发展问题也会越来越受到关注 2 2 公路交通与区域社会经济发展互动关系 2 2 1 社会经济发展对公路交通的影响 1 综合运输体系与公路交通 区域综合交通运输体系是由公路 铁路 水运 航空 管道等多种运输方式 构成的 各种运输方式有其明显的技术经济特征 承担着各自的运输任务 相互 联系和相互补充 在综合交通运输体系中 公路运输有其独到特点和突出的优越 性 可完成其它运输方式的客货集散与联系 承担铁路 水运 航空 管道 固 定线路场站之外的延伸和补充运输任务 实现1 t n i j 的直达运输 减少运输中转 环节 是一种点 线 面相结合的运输方式 一个区域早期的运输结构会对该地 区今后的货运发展产生一定的影响 因此区域内的公路建设发展受到现有综合运 输的状况影响与制约 2 经济总量与公路交通 客 货运需求均随经济水平的提高而增大 这是经济水平影响的最基本趋势和 特征 区域经济活动的规模直接影响着区域货运生成的规模 在经济结构类似的 状况下 经济实力雄厚 综合发展水平高的区域一般均具有较大的货运生成规模 和较强辐射力与吸引力 生产的发展增加了对能源 原材料 矿物等的需求 同 时又生产出了大批多样化的生产资料 中间产品及最终产品 这些都需要运输 经济的增长促使着基础设施的完善 基建项目的增加产生了大量相关的货运需求 农业的发展增加了对农产品 农用机械的运输及农产品的外运 经济增长促进了 公私消费 使地区间物资来往更加频繁 经济增长的变动是短期内影响货运需求 的重要因素 经济繁荣时期 时常活跃 消费增加 生产扩大 运输需求随之旺 1 4 盛 而当经济走势平缓甚至下降时则会出现与上面相反的情况 运输需求受到抑 制 3 产业结构与公路交通 不同产业对运输的需求不同 随着产业结构的变化 经济发展对运输需求必 然发生变化 工业化初期 能源的产量及消耗量大幅度增长 需要增加铁路和水 运的能力 以满足对煤炭 钢铁 粮食这些大宗货物的长距离调运 当工业加工 能力明显提高 国民经济增长对煤 钢增长的依赖减少时 铁路运输量的增加也 就放慢了 但是总运量的增长仍旧很快 在工业化过程中 生产高附加值工业品 和消费品的轻工业在工业中所占比重上升 货物运输量对国民生产总值的弹性系 数下降 根据国家产业发展政策 第三产业