综合交通枢纽规划理论与方法课件 第2篇 第5章 交通枢纽规划方法

交通枢纽规划方法交通枢纽规划方法交通枢纽选址目录线

网

规

划5.2交通组织设计5.3五5.15.1交通枢纽选址（1）传统经典的选址方法5.1交通枢纽选址枢纽的选址是运输枢纽总体规划布局的关键环节，对协调地区间运输、调节各运输方式的运输、提高运输效率都起着重要的作用。枢纽选址的方法有很多。本章首先从传统经典模型方面对枢纽选址方法进行介绍。（1）重心法5.1交通枢纽选址重心法的特点是简单、实现容易，但是它将纵向和横向坐标分别视为独立的变量与实际交通系统存在较大差别。求出的解一般不够精确，只能作为枢纽布局选址的初步参考。一元交通枢纽场站布局的重心法是一种静态的模拟选址方法。它将运输成本作为唯一的决策因素，把运输系统中的运输发生点和吸引点看成分布在某一平面范围内的物体系统各点的交通，物体系统的重心就是枢纽设置的最佳点。用求各点重心的方法来确定枢纽的最佳位置。枢纽最佳位置的计算公式为：

（2）微分法5.1交通枢纽选址

一元交通枢纽场站布局的微分法是为了克服重心法的缺点而提出的。它的前提条件、模型中符号的含义与重心法相同。

微分法的基本思路是:选择一个到各点的发生量、吸引量综合运费最小的点作为枢纽的最佳位置。

s.t.（3）成本分析法5.1交通枢纽选址使用成本分析法的前提是:采用一定的枢纽选址模型,为一个枢纽的位置提供了选择集，以枢纽系统的总成本最小化为目标，通过简单的财务计算，经过比较选择出最佳的位置。成本法假设有ｎ个运输发生源,其发生量分别为(Ｗ１、Ｗ２

、...Ｗｎ)而且用一定的选址模型已经得到ｍ个待选枢纽位置(Ｐ１

、Ｐ２

、...Ｐｍ

),每个枢纽的建设、运营成本分别为(Ｒ1、Ｒ2、...Ｒｍ)假设单位运费相同且为Ｆ，其余运输条件相同。各交通发生点到枢纽的距离用矩阵

Ｄ{ｄij}(ｉ

＝１、２...ｍｊ

＝１、２、...ｎ)表示。每个待选站点的总费用为:由此计算出每个枢纽选址的总费用，从中选择出总运输成本最小的点作为最佳的枢纽（4）覆盖模型5.1交通枢纽选址枢纽选址问题的最简单的一类起源于覆盖的概念：

当有临界的服务距离(或时间或费用)时，覆盖模型是适当的在这距离以内需求能提供，否则不行。

Ｉ———需求点集合,通过ｉ索引.Ｊ———候选选址地点集合,通过ｊ索引.ｄij———需求点ｉ和候选点ｊ的距离.Ｎｉ＝{ｊ｜ｄij≤Ｄｃ}———能覆盖需求点ｉ的所有候选点集合,Ｄc为覆盖距离Ｘｊ———决策变量,如果在候选点ｊ选址.Ｘｊ＝１.如果不选,Ｘｊ＝０.s.t.5.1交通枢纽选址

式中:ｈｉ———节点

ｉ

的需求；

Ｐ———选址的数量；

Ｘｊ———决策变量。如果节点

ｊ

为枢纽点，Ｘｊ

＝

１，如果没有被选中，Ｘｊ

＝

０；

Ｚｉ———决策变量。如果需求点

ｉ

被某个枢纽服务所覆盖。Ｚｉ

＝

１。否则

Ｚｉ

＝

０。s.t.5.1交通枢纽选址3.P中心问题式中:

Ｗ———需求节点与所分配的枢纽之间的最大需求加权距离.

Ｙij———如果需求节点ｉ是指派到枢纽节点

ｊ.Ｙij

＝

１.如果不是,Ｙij

＝

０.在覆盖模型中,大多数模型对网络节点很敏感.例如,在一个覆盖集问题中,增加需求节点(或许这个节点具有很小的需求)可能导致选址方案的变化.并且也可能导致需要再增加一个枢纽.围绕这类问题,研究学者阐述了两个新的覆盖模型:ａ.部分覆盖问题:寻找最小的选址数量,这些选址点需要覆盖规定部分的需求点或者规定的总需求.ｂ.部分覆盖的Ｐ中心问题:寻找指定数量的枢纽选址,使得在需求集中的需求点和最近的选址点间的最大距离最小化.在需求集中的总节点数量或者总需求一定要大于或者等于使用者指定的值.（5）平均中位距离

Ｐ-median模型5.1交通枢纽选址枢纽选址问题的最简单的一类起源于覆盖的概念：

当有临界的服务距离(或时间或费用)时，覆盖模型是适当的在这距离以内需求能提供，否则不行。

s.t.目标函数使需求加权的总距离最小化.不难注意到,若各点的需求ｈｉ相同,这等价于使要求加权的平均距离最小化（6）特定枢纽选址模型5.1交通枢纽选址最大选址问题(MaximumLocationProblem)是寻求Ｐ个的选址,以使需求节点和枢纽之间的总需求加权的距离最大.s.t.这个公式与Ｐ-median问题类似,但有两个显著的不同.

首先,该模型的目标是最大化需求权重总距离,而不是使它最小化.

其次,增加了约束.3.最大选址问题（7）特定枢纽选址模型5.1交通枢纽选址Ｐ

离散模型的目标是在任何两个选中枢纽之间的最小距离最大化.s.t.Ｍ——一个无穷大常量.例如,maxｉ∈Ｉ,ｊ∈Ｊ{ｄij}.Ｄ———任两个枢纽之间的最小距离3.Ｐ离散模型基于交通需求的枢纽选址模型5.1交通枢纽选址设在一个供需平衡的系统中有

ｍ

个发生点

Ａi(ｉ＝１、２、...ｍ)，各点的发生量为αｉ.有

ｎ个吸引点βｊ(ｊ

＝

１、２、...ｎ).各点的需求量为

ｂｊ,有

ｑ

个可以选择的备选场站

ＤＫ(Ｋ

＝

１、２...ｑ).如下图所示，

多元枢纽场站布局的混合整数规划模型多元枢纽场站布局的结构示意图

基于交通需求的枢纽选址模型5.1交通枢纽选址ＸiK———从发生点ｉ到备选枢纽场站Ｋ的交通量；ＹKj———从备选枢纽场站Ｋ到吸引点ｊ的交通量；Ｚij———直接从发生点ｉ到达吸引点ｊ的交通量；ＷＫ———备选枢纽场站Ｋ是否被选中的决策变量；ＷＫ

＝

１

表示Ｋ被选中,０表示Ｋ被淘汰；ＣiK———从发生点ｉ到备选枢纽场站Ｋ的单位费用；ＣKj———从备选枢纽场站Ｋ到吸引点ｊ的单位费用；Ｃij———从发生点ｉ到备选枢纽场站ｊ的单位费用；ＦK———备选枢纽场站Ｋ选中后的基建投资；ＣＫ———备选枢纽场站Ｋ中单位交通量的中转费用；Ｍ———一个相当大的正数。1.多元枢纽场站布局的数学模型s.t.基于交通需求的枢纽选址模型5.1交通枢纽选址ｄＫ———备选枢纽场站Ｋ最大可能设置的规模；ＸＫ———备选枢纽场站Ｋ的闲置能力；其余符号意义同前。2.不考虑枢纽场站的基建投资的模型s.t.基于交通需求的枢纽选址模型5.1交通枢纽选址3.两阶段综合交通枢纽布局模型两阶段综合交通枢纽布局模型.主要分为下面两个阶段:第一阶段包括七个步骤:①确定综合交通枢纽的服务范围.②以交通枢纽为基准,根据土地使用特性划分综合交通枢纽内部的客货运交通小区.③确定交通路网.④小区发生、吸引交通量预测.⑤交通分布预测.⑥客、货运交通量分配.⑦初步确定客货运枢纽场站的备选位置.在完成第一个阶段的计算后,进行第二阶段.

第二个阶段包括五个步骤:①枢纽交通小区运输量的发生、吸引预测.②确定运输网络(转运点、发生点、吸引点).③确定广义费用矩阵.④客、货运枢纽场站位置和规模计算.⑤反馈调整.枢纽选址研究的新方向和模型5.1交通枢纽选址(１)多目标枢纽选址决策有着长期的战略影响,

它可能影响工作组织的许多方面,同时也将影响许多的参与者和感兴趣的团体,因此必须考虑多目标.(２)随机输入传统的模型假设输入参数大多数是确定的,但是实际上这些输入参数应当是随机的.(３)动态的决策正如选址问题输入应该当作随机的或不确定的一样,选址决策应该当作动态的.

在实际中,当前作出的决策可能会随环境的演变而改变.(４)车流径路考虑在经典选址问题中,服务是通过车辆从枢纽送给顾客并返回，或者顾客自己到枢纽接受服务的.(５)枢纽选址与网络的相互作用本章列举的所有的枢纽选址模型，都是尝试在给定网络配置中发现最佳的枢纽位址。在许多情况中，同时决定网络配置和枢纽选址是非常重要的。新的模型研究5.1交通枢纽选址(１)多目标模型

对于总需求固定且独立于服务水平的这些问题，最大化覆盖需求数等价于未被覆盖的需求数的最小化。

这样使用上面定义的概念，多目标问题可定义如下:s.t.

注意到，目标函数不再是标量的函数，而是被矢量代替了第一目标Ｖ１是使需求加权总距离最小化，或者是Ｐ-median问题的目标。第二目标Ｖ2是使全部未被覆盖的需求最小化。模型约束与Ｐ-median问题的约束相同。新的模型研究5.1交通枢纽选址(２)随机输入

传统模型中对待问题输入是作为确定性常量处理的。事实上几乎所有实际选址模型输入都是不确定的，因此，考虑这些输入参数固有的随机性是非常重要的。关于随机选址模型的研究主要有三个方面:其一，以不确定的输入构造随机模型，或基于那些确定的输入改变模型的约束。其二，把排队论模型嵌入选址模型，以说明顾客到达时间和枢纽服务时间的不确定性。当选择紧急服务基地时，如救护车、基站和消防站，这些模型是最适当的。

其三，为采用情景规划的方法作为说明未来不确定事件的方式。(３)概率的选址模型

在选址研究中，研究人员对考虑随机需求的

Ｐ-median模型展开研究，试图找到Ｋ的最小值。

还有学者提出覆盖集模型的一个类似的扩展。要求以概率β保证所有需求被覆盖的枢纽数减到最少。此外还有学者使用一个Ｍ/Ｇ/ｓ-loss排队模型来计算枢纽的最少个数ꎬ这些枢纽要保证以至少概率α覆盖需求节点。(４)基于排队的选址模型

该类方法采用概率分析来决定枢纽个数。这些枢纽以一个规定的概率覆盖需求:通过额外增加一个枢纽覆盖一个需求节点，决定能够提供的预期增大的覆盖范围。

在第一种情况中，目标一般是使覆盖所有需求的枢纽数减到最少或最大化覆盖需求。在第二种情况中，目标是最大化全部期望的覆盖范围，

这两个方法都没有明确地解释在一个空间分布排队系统发生排队的相互作用.新的模型研究5.1交通枢纽选址(5)基于情景的选址模型

第三种处理问题不确定输入的途径是使用情景，概率的和基于排队论的方法主要用于处理短期的随机性。基于场景的方法能处理问题的长期随机性，在情形ｋ下用Ｖk

表示

Ｐ-median问题的最优解，

通过情景ｋ索引分配变量(Ｙij)、需求(ｈi)和距离(ｄij)。这些变量是依赖于情景的。令Ｋ是所有的情景集合。为了使最大的遗憾最小化，需要解决下列优化问题：目标函数式表示在所有的情景上使最大的遗憾最小化，最大遗憾为所有情景集下的差异。s.t.新的模型研究5.1交通枢纽选址(6)动态决策

在动态规划的早期研究中，有学者指出在选址分析中，不能忽视未来时间维度的影响。其设计了一个算法，用以解决需求随着时间变化的单枢纽选址问题。

还有学者使用动态规划来为多枢纽选址和随着时间推移的重新选址决策建模，

但是他们的方法将因为新选择枢纽的数量或者枢纽重新选址的数量太大而失去作用。

同样，还有学者使用了动态规划来解决多阶段问题。

通过假设最后一个时期的最佳静态选址规划也是动态实例的最佳结果来简化问题。大部分动态模型只是通过给选址添加临时时间进行变量赋值，将一个时期的选址决策与之前和之后时期的决策联系起来等方式简单扩展了动态模型。

因此，有学者使用加了时间下标的选址和分配变量的整数线性规划，以考虑出现需求下降时关闭枢纽的最优顺序。并使用分支定界法求解问题。(７)整合的径路选址模型

对于该方面的研究，研究学者提出了一个整合的整数线性规划问题，以解决枢纽的径路选址问题。

这个问题包含三个相互关联的基本决策:在哪儿选址，怎么给枢纽分配服务顾客，以及枢纽与乘客之间怎么选择车辆路径。

他们通过一系列包含三个启发式算法的迭代解决了这个问题。

还有学者为易腐商品提出一个径路选址问题ꎬ该问题作为固定费用的枢纽选址地点问题的一个变形。

在该模型中线路被限制成为短的(由于商品是易腐的)，并且车辆不需要在时间窗以内回到原来的起点仓库。正是如此，其没有构建费用或时间的模型，在该模型中它没有考虑在线路上从最后服务的顾客点回到仓库的车辆有关的费用或者时间。新的模型研究5.1交通枢纽选址(８)Hub选址模型这类模型在机场枢纽的选址中经常用到，考虑航班从支线到达枢纽进行中转。其目标通常是使需求加权的总运输成本减到最小。

此外，还提出过以其他目标函数建立的模型。如覆盖模型和平均中位模型。(９)整合的网络设计和枢纽选址模型最早的这类论文研究了当枢纽选址位置确定的情况下，路网中弧段的减少和增加对Ｐ-median目标函数的影响。

当弧段增加时，实际上改变了网络的拓扑。然后学者们为验证不同的网络拓扑和目标函数值对于

Ｐ-median问题的影响做了很多实验。

他们得出的结论是:网络拓扑结构对枢纽选址优化有影响。传统选址模型的这些新变化，与交通枢纽选址中考虑运输需求问题的结合，使交通枢纽选址问题的研究及实际应用得到了进一步的发展。(10)考虑与运输需求反馈的交通枢纽选址双层优化模型可以把枢纽的选址问题看作一个领导者和跟随者问题。其中决策部门是指导者，客户对枢纽的选择行为或者客户需求在各枢纽点的分配为跟随者。决策部门可以通过政策和管理来改变某个枢纽中心的位置和配送成本ꎬ从而影响客户对枢纽中心的选择，但不能控制他们的选择。

客户则对现有的枢纽中心进行比较。根据自己的需求特点和行为习惯来选择枢纽中心。

这种关系可以用双层规划模型来描述。新的模型研究5.1交通枢纽选址模型的上层规划为传统的离散选址模型如下：s.t.s.t.上层目标：下层规划：

上层目标函数是从决策者的角度出发使总的变动费用和固定投资费用最小。

约束了保证至少建ｐ个新的枢纽中心。下层规划表示客户对枢纽中心的选择行为，目标函数表示各个用户在各枢纽中心间分配需求量，以使其总费用最小。其模型遵循用户最优原则。

从宏观上讲，下层规划主要是得到客户需求量的分布情况，从而为确定枢纽中心建设规模提供科学依据。

约束保证了每个用户的需求都能得到满足和保证需求量总是在已建的枢纽中心处分配。最后的约束为变量的非负约束。5.2线网规划（1）交通枢纽的层次5.2线网规划规划方法与技术路线交通枢纽是包括站点、线路、辅助设施、管理系统等构成的设备综合体。要充分了解交通枢纽规划与线网规划的关系，应明确交通枢纽的层次划分。交通枢纽具有明显的层次性，不同层次的交通枢纽具有不同的表现形式。

按照宏观、中观、微观三个层次，对交通枢纽进行以下划分：（2）不同类型枢纽相关线网规划的重点5.2线网规划不同类型的交通枢纽由于其所属层次及运输特性等不同，所以与其相网规划重点分析如下：线网和枢纽的规划关系主要存在于两个方面:一方面是交通枢纽在线网上布设。另一方面是枢纽内部的线路设计城市道路网线网规划5.2线网规划交通网络结构与布局１)交通网络结构与布局包括方格网式路网、带状路网、放射状路网、环形放射状路网、自由式路网等。方格网式路网带状路网放射状路网环形放射状路网自由式路网城市发展形态结构与路网形式5.2线网规划城市的基本布局形态一般分为:中央组团式、分散组团式、带状、棋盘式和自由式。中央组团式结构(1)中央组团式城市的特点是有一个强大的城市中心，因此与此对应的交通网络应该是放射形或环形放射状，以处理城市的内外交通和过境交通。(2)分散组团式结构.分散组团式城市的特点是城市由几个中心组成,与此对应的交通网络应该是环形放射状或带状形式.(3)棋盘式结构.棋盘式城市的特点是城市均匀分布,与此对应的交通网络为方格式交通网.它适用于地形限制较少的平原地区,如北京、西安、开封等城市.(5)自由式结构.自由式城市的特点是城市受特定的地形、水系等约束而自由发展.与此对应的交通网络为自由式交通网.（2）公路交通线网规划5.2线网规划

公路是城市道路的延续是布置在城市郊区、联系其他城市和市域内乡镇的道路.公路与城市道路在本质上属于同一类型的交通基础设施。(１)公路网及公路运输现状分析是区域公路网规划的前提.(２)交通量预测为公路网规划与设计提供基本依据.它主要以现有的数据为依据,科学预测远景交通量.(３)根据该区域的远景规划及公路网的预测交通量可以确定公路网规划的重点,并对公路网进行功能层次划分.(４)公路网的设计方法可采用经验调查法、数理解析法、系统分析法等.由此得到路网初步设计方案,并从社会、经济、技术等方面对其进行评价.从而选取最优方案进行实施.铁路线网规划原则5.2线网规划①统筹考虑与其他运输方式及能源等相关行业的发展，通道布局、运力分配与公路、民航、水运、管道等规划有机衔接。②能力紧张的繁忙干线实现客、货分线、经济发达的人口稠密地区发展城际快速客运系统。③加强各大经济区之间的连接、协调点线能力，使客、货流主要通道畅通无阻。④增加路网密度，扩大路网覆盖面，为经济持续发展、国土开发和国防建设创造有利的条件。⑤提高铁路装备国产化水平，大力推进装备国产化工作。

新的国家«中长期铁路网规划»构筑“八纵八横”高速铁路主通道，如右图所示：内河航道线网布局规划5.2线网规划规划的原则：对内河航道与港口的规划发展必须统筹考虑、协调发展。在制订航道规划时应遵循以下原则:①适应国家战略和流域经济可持续发展要求，促进区域经济协调发展和对外交流。②结合水资源条件，加强协调，贯彻水资源综合利用方针，统筹兼顾航运与防洪、排涝、发电、灌溉、供水等的关系，与相关规划衔接，提高内河水运与其他行业协调发展水平。③充分发挥内河水运的优势，通过加强与其他运输方式的有效衔接来完善综合运输体系。④注重航道与港口、船舶以及干线与支线的协调发展。⑤因地制宜、突出重点、注重效益，妥善处理需要与可能的关系。⑥合理和节约使用港口岸线资源，提高资源利用效率。5.3交通组织设计枢纽交通组织设计的主要内容5.3交通组织设计(１)内部交通组织：内部交通组织主要是针对枢纽内部的人流和车流进行组织，以实现枢纽内旅客的快速换乘，具体要求包括:明确枢纽内各类换乘客流的重要度。枢纽内标志指示清晰、专用通道设置合理，车流简洁、顺畅。(２)外部交通组织：外部交通组织就是将枢纽这个点通过合理的方式与城市综合交通网络这个面联系起来，以实现枢纽内车流快速有效的集散。具体要求包括:车流快速集散、枢纽周边路网负荷均衡，具有一定的容错功能。(３)内外交通组织：内外交通组织主要是分析枢纽出入口的设置问题，使得内部交通流与外部路网服务能力匹配，能够在干扰最小、绕行最短的前提下，最快地融入交通网络中。具体要求包括:快速便捷、绕行距离短、压力分散、对主干道干扰小、相互干扰小、能力匹配、灵活替代、可靠性强。（2）交通枢纽组织的规划程序5.3交通组织设计铁路货运站生产流程铁路货运站办理的货运作业包括整车、零担和集装箱三种。以整车运输为例，其在车站办理货运作业的全过程包括:发送作业(托运、受理、收费、进货检查、货物保管、装车、制票、递送票据)、途中车站作业(货运检查交接及货物的整理与换装等)以及货物在货运站的到达作业(包括接收重车和票据、卸车、货物保管和发出到货通知、交付、搬出货物等)。铁路货运站生产流程如图所示：5.3交通组织设计公路枢纽组织汽车客运站的生产流程包括旅客及其托运行包的发送、到达、客车的接送、到达和停靠等工作。天汽车客运站的生产流程如图所示，其要求如下：ａ)