專利名稱：：一種基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于多種交通方式組合運能優(yōu)化的配置
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及用于綜合運輸系統(tǒng)運輸能力資源的規(guī)劃和設(shè)計的一種基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
：運輸需求是指在一定社會經(jīng)濟條件下，在一定時期，某一區(qū)域(國家、經(jīng)濟區(qū)、地區(qū))內(nèi)，國民經(jīng)濟和社會發(fā)展對人與貨物所產(chǎn)生的空間位移的需要。它不以既有綜合運輸市場供給(技術(shù)因素)、管理體制(行政因素)等因素為制約，也不以運輸價格和支付能力為約東。綜合運輸需求是客觀存在的，不針對鐵路、水路、公路、航空、管道等某一單一運輸方式。不是目前實踐中通常所指的鐵路需求、公路以及水路等運輸需求，是它們運輸需求的綜合體現(xiàn)。運輸需求的特征是對運輸需求特性的分析和描述，目前，對運輸需求特征描述從不同的角度有不同的側(cè)重，從運輸規(guī)劃和組織角度，則側(cè)重于運輸需求的時空分布、波動性等的分析和描述；從理論研究角度講，基于需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化的實質(zhì)是綜合運輸系統(tǒng)在運輸效率、運輸質(zhì)量和服務(wù)水平等方面均達到理想要求下的運輸供給；從工程實踐角度來講，運能優(yōu)化的實質(zhì)就是多種交通方式運力合理結(jié)構(gòu)的配置。在國外，該項技術(shù)研究不是重點，很少有相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。大部分發(fā)達國家其運輸系統(tǒng)的發(fā)展往往是超前于社會經(jīng)濟發(fā)展水平，在交通建設(shè)高潮中形成了許多重要的交通干線，并經(jīng)過竟爭與淘汰，保留下來一些重要干線，成為綜合運輸體系。因此，綜合運輸系統(tǒng)運輸能力優(yōu)化配置技術(shù)的研究并不是問題的核心，而他們的研究重點是基于已經(jīng)基本形成的交通運輸系統(tǒng)如何組織高效的綜合運輸?shù)膯栴}，即側(cè)重在運輸組織過程的優(yōu)化。因此國外在該領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)的研究不如國內(nèi)活躍。在國內(nèi)，研究運能優(yōu)化的現(xiàn)有技術(shù)較多，但是從多種交通方式一體化角度研究的很少?，F(xiàn)有技術(shù)，都是針對鐵路、公路、水運、航空、管道等單一交通方式運能優(yōu)化的，并且，多是側(cè)重運輸組織過程，沒有惻重運輸配置方面，同時，采取的方法是基于某種交通方式技術(shù)經(jīng)濟特征的分析，而忽略了對運輸需求特征的分析。沒有從綜合交通體系即鐵路、公路、水運、航空多種交通方式組合優(yōu)化的角度進行運輸資源的配置。存在的主要缺陷從各自單一交通方式出發(fā)，只關(guān)注了本系統(tǒng)即一種交通方式運能的優(yōu)化利用，卻無法保證整個綜合運輸系統(tǒng)運能的優(yōu)化配置，從而也導致實踐中交通運輸能力的緊張。例如，對于京滬綜合運輸通道，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，分別從鐵路、公路、水運、航空等角度提出了各自的運能優(yōu)化方案，從單一系統(tǒng)角度而言都是優(yōu)化的，但是從綜合運輸即各種交通方式組合起來一體化優(yōu)化的角度根本無法保證整個通道綜合運輸系統(tǒng)運能的優(yōu)化，依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)不能給出多種交通方式組合優(yōu)化的配置方案。因此，有必要在分析運輸需求特征和產(chǎn)生規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出綜合運輸系統(tǒng)中多種交通方式組合的運能資源優(yōu)化配置的方法，基于需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化配置方法能夠很好地滿足該方面的要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是一方面通過對綜合運輸需求及其特征進行分析和預測，給出運輸需求產(chǎn)生的一般規(guī)律；另一方面，根據(jù)運輸需求特征構(gòu)建廣義綜合效用函數(shù)，通過多路徑概率分配法在聯(lián)合路網(wǎng)上的交通分配，分析綜合運輸需求的能力缺口，據(jù)此構(gòu)造多種交通方式組合的方案集，判斷各組合方案在運輸效率、運輸質(zhì)量和運輸水平方面的綜合效果，最后提出運輸能力組合優(yōu)化配置的一種基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法。一種基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法，其特征在于，所述多種交通方式組合運能優(yōu)化方法是利用投入產(chǎn)出理論和空間價格均衡方法，預測得到區(qū)域間運輸需求的價值量和實物量，解決當前實踐中用運輸量代替需求量而不能反映實際需求的問題；利用交通工程理論和運輸經(jīng)濟學的成本分析方法，從運輸供給者成本、運輸需求者成本和社會運輸成本的角度構(gòu)建廣義綜合運6輸效用函數(shù)，利用多路徑概率分配方法在多種交通方式疊加構(gòu)成的聯(lián)合路網(wǎng)上進行交通分配，根據(jù)需求運輸能力和設(shè)計運輸能力的比較，得到能力缺口數(shù)據(jù)，利用多目標滾動優(yōu)化方法，得到多種交通方式組合運能優(yōu)化配置的方案；具體包括步驟一.建立基于投入產(chǎn)出法的運輸需求預測模型，進行綜合運輸需求分析及預測；步驟二.分析各種交通方式的供給者成本、需求者成本和社會成本，構(gòu)建廣義綜合運輸效用函數(shù)，提出運輸方式配置的選擇模型；步驟三.利用運輸方式配置的選擇模型進行交通分配，根據(jù)交通分配結(jié)果計算運輸網(wǎng)絡(luò)的需求運輸能力和設(shè)計運輸能力，分析運輸網(wǎng)絡(luò)的運能缺口狀況；步驟四.根據(jù)運能缺口狀況，構(gòu)建多種交通方式組合方案，優(yōu)化運能配置，提出多種交通方式組合運能優(yōu)化配置推薦方案。所述步驟一中的建立基于投入產(chǎn)出法的運輸需求預測模型步驟如下，根據(jù)區(qū)域間投入產(chǎn)出表可以計算出區(qū)域間產(chǎn)業(yè)流動量2>，+及產(chǎn)業(yè)流動系數(shù)(sw)/i;》W其中^為區(qū)域R部門i對區(qū)域S部門j的投入；乂是區(qū)域R部門i的產(chǎn)品所提供的區(qū)域S的最終需求，根據(jù)上述模型即可得到區(qū)域間運輸需求量。所述步驟二中，在分析供給者成本、需求者成本和社會成本基礎(chǔ)上廣義綜合箭效用函數(shù)為q(x)=fi'rar.x,+/A.^其中，q(x)為第k種方式的廣義綜合運輸效用，"為第k種方式的長度；^為第k種方式所承擔的運輸需求量；、為第k種方式的設(shè)計速度；「GT為單位貨物的時間價值，包括預計的在途時間內(nèi)可能的損失與資金占用的機會成本；^為單位貨物周轉(zhuǎn)量的運輸費用；,為第k種方式的單位里程的工程造價，即該路段建設(shè)全過程中所投入的全部費用；Ph為能源消耗的經(jīng)濟轉(zhuǎn)化系數(shù)；Yk是第k種方式完成單位貨運周轉(zhuǎn)量所需要的能源消耗量；h為每噸公里貨運應負擔的環(huán)境污染成本；運輸方式配置的選擇模型為《=^XP(—/《L，《為r-s之間第k種運輸方式被選擇的概率；《為r-s之間第k種方式的廣義綜合運輸效用；所述步驟三中運輸能力缺口分析，首先統(tǒng)計得到運輸網(wǎng)絡(luò)中第k種方式在路徑cc上的需求運輸能力C^222yj《其中:Vre五,V^F，V"",表示公式中下標變量定義域。式中，/J為運輸需求流量對n間在路徑cc上對第k種方式的運輸需求量，^為0、l變量，如果路徑cc在第k種方式運輸需求流量對r-5間的配流路徑上，其值為l,否則為0。E為產(chǎn)生運輸需求的起點的集合，F(xiàn)為吸引運輸需求的終點的集合，A為運輸網(wǎng)絡(luò)中路徑的集合。然后計算運輸網(wǎng)絡(luò)中第k種方式在路徑a上的設(shè)計運輸能力C:^M"h,，C;2…,CV.hM/"{C"}，C&為路徑a中第k種方式在區(qū)段y的設(shè)計運輸能力，m為路徑a中區(qū)段的數(shù)量。所述步驟四中，根據(jù)運能缺口狀況，構(gòu)建多種交通方式組合方案通過如下過程1.進行能力缺口狀況判斷，能力缺口通過C=Cl-C:=J22>^《—G計算得到。2.提出多種交通方式組合運能優(yōu)化配置推薦方案根據(jù)如下首先計算每種交通方式所承擔運輸需求的熵值^^為運輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某區(qū)段的運輸需求，&為每種方式所承擔的換算需求量；該運輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)熵為￡=-*i;i:iV0g^。進行路徑的方式選擇時，使運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的熵達到最大的運輸方式組合就是最優(yōu)的配置路徑；即，對于集合Q中所有的元素的熵，有￡、>&，五,為最優(yōu)組合方案s的系統(tǒng)熵；^為集合Q中除元素s外的系統(tǒng)熵。至此，就完成了基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化的規(guī)劃和設(shè)計。本發(fā)明的有益效果能夠真實反映客觀實際的運輸需求，從運輸供給者(運輸行業(yè))、運輸需求者(旅客或貨主)和社會運輸(囯家政府)角度，綜合考慮運輸時間和費用、運輸設(shè)施建設(shè)費用以及運輸方式的資源、能源消耗費用等因素，將鐵路、公路、水運、航空等多種交通方式一體化組合考慮，來進行運輸資源的規(guī)劃和設(shè)計，從而克服只考慮單一交通方式、只側(cè)重供給者角度進行運輸資源規(guī)劃和設(shè)計而帶來的資源和資金的浪費，有效緩解運輸能力對國民經(jīng)濟的瓶頸制約。圖1多種交通方式組合運能優(yōu)化方法流程圖。圖2運輸需求時間波動曲線，用來分析運輸需求的時間波動特征。圖3運輸需求空間分布期望線，用來分析運輸需求的空間分布特征。圖4多種交通方式組合運能優(yōu)化配置圖。具體實施例方式本發(fā)明提供一種基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明予以說明以北京至上海的京滬運輸通道為例，按照如下步驟給出京滬運輸通道2020年遠期各種運輸方式能力優(yōu)化配置的建議方案，流程圖見圖1:步驟一.建立基于投入產(chǎn)出法的運輸需求預測模型，進行綜合運輸需求分析及預測；步驟二.分析各種交通方式的供給者成本、需求者成本和社會成本，構(gòu)建廣義綜合運輸效用函數(shù)，提出運輸方式配置的選擇模型，進行交通分配；步驟三.利用運輸方式配置的選擇模型進行交通分配，根據(jù)交通分配結(jié)果計算運輸網(wǎng)絡(luò)的需求運輸能力和設(shè)計運輸能力，分析運輸網(wǎng)絡(luò)的運能缺口狀況；如果需求運輸能力^設(shè)計運輸能力，則執(zhí)行步驟四，否則提出多種交通方式組合運能優(yōu)化配置推薦方案。步驟四.根據(jù)運能缺口狀況，構(gòu)建多種交通方式組合方案，優(yōu)化運能配置，如果組合運能優(yōu)化方案是最優(yōu)，則提出多種交通方式組合運能優(yōu)化配置推薦方案，否則返回步驟二；以北京至上海的京滬運輸通道為例，首先按照步驟一、建立基于投入產(chǎn)出法的運輸需求預測模型，進行綜合運輸需求分析及預測；具體步驟如下1)根據(jù)基年區(qū)域間投入產(chǎn)出表(國家統(tǒng)計局每逢2、7年度都發(fā)布該表)，首先計算直接分配系數(shù)得到需求矩陣H，如表l所示；2)估算目標年的分行業(yè)增加值的數(shù)據(jù)；3)利用列向模型(分配平衡模型)建立總產(chǎn)出與增加值之間的關(guān)系，從而計算總產(chǎn)出的變化量；4)根據(jù)目標年總產(chǎn)出進一步求得中間投入量，再利用中間產(chǎn)品+最終產(chǎn)品=總產(chǎn)出的關(guān)系式，將基年投入產(chǎn)出表擴展為目標年的投入產(chǎn)出表(其中區(qū)域R提供給區(qū)域S-1，…，J的最終產(chǎn)品通過分配系數(shù)來確定)；5)在得到目標年投入產(chǎn)出表的基礎(chǔ)上，計算出區(qū)域間貨運需求價值量OD矩陣。計算結(jié)果如下面表l所示北京，經(jīng)天津、濟南、徐州、蚌埠、南京、至上海表12020年京滬運輸通道省市間運輸需求量單位(口屯)0D北京天津濟南徐州蚌埠南京上海北京459410001395700743480359010602100650890228190天津16527009599000051908001415200464940026630001441300濟南53751056981001530200002813700514090020443001727800徐州33806016446005613600108810000323280017038002908000蚌埠85594038753006893500312360011284000034538002905200南京4186505008400734490249110108300047122000742390上海9483337840093485049972001267700112630055547000運輸需求的時間波動特征分析如圖2所示1953-2006年全國貨運量變化趨勢，運輸需求的空間分布特征分析圖如3。步驟二、分析各種交通方式的供給者成本、需求者成本和社會成本，構(gòu)建廣10義綜合運輸效用函數(shù)，提出運輸方式配置的選擇模型;+4_/;+(AA+〃s^)計算廣義綜合運輸效用，其中rar=-ra7^z。)/K。，A。,為運輸項目所在地平均單位時間內(nèi)產(chǎn)生的國民生產(chǎn)總值；rar;是旅客時間價值；厶為本地區(qū)的勞動力總數(shù)。計算中，根據(jù)北京、天津、濟南、徐州、蚌埠、南京、上海等城巿社會和國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料，貨物時間價值分別取值為17、10、13、10、10、15、18元/小時。乂單位里程工程造價，鐵路運輸當設(shè)計時速為200公里/小時，取值為3000-4000萬元/公里，當設(shè)計時速為公里/小時，取值為9100萬元/公里。不同運輸方式環(huán)境污染成本取值參照下面表2:表2貨運的各種運輸方式的環(huán)境污染成本參考值(元/噸公里)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>步驟三、利用運輸方式配置的選擇模型進行交通分配，根據(jù)交通分配結(jié)果計算運輸網(wǎng)絡(luò)的需求運輸能力和設(shè)計運輸能力，分析運輸網(wǎng)絡(luò)的運能缺口狀況；將京滬通道依主要控制點分為北京-天津，天津-濟南，濟南-南京，南京-上海4個區(qū)段，每一區(qū)段內(nèi)不同交通方式之間屬于并聯(lián)關(guān)系，區(qū)段的運輸能力為各種交通方式運輸能力之和，而該4個區(qū)段在京滬通道中為串聯(lián)關(guān)系，根據(jù)"木桶短幫"原理，京滬通道設(shè)計輸送能力為542209呻/天，合計19791萬噸/年。瓶頸區(qū)段仍為天津-濟南段。目標年京滬通道路網(wǎng)設(shè)計運輸能力為542209噸/天，而京滬通道的需求運輸能力為1003819噸/天，能力缺口為"1610噸/天，合計168M萬噸/年，仍由于各區(qū)段設(shè)計運輸能力及需求的不均衡性，京滬通道的能力緊張區(qū)段仍存在于北京-天津之間，每天能力缺口高達159782咱，緊張狀況比2006年減少了146605口屯，這與京津第二高速、京津第三高速的建成通車有相當關(guān)系；而其他區(qū)段在2010年能力均有剩余。步驟四、根據(jù)運能缺口狀況，構(gòu)建多種交通方式組合方案集，優(yōu)化運能配置，提出多種交通方式組合運能優(yōu)化配置推薦方案。京滬通道內(nèi)能力存在著路線及區(qū)段的不平衡性，而能力緊張區(qū)段在北京-天津、南京-上海間；北京-天津間鐵路能力存在很大的缺口，未來最好能夠修建一條貨運復線或?qū)嵭锌拓浄志€，提高鐵路的貨運能力，同時，公路方面至少修建兩條高速公路或者對既有京津塘高速公路、103、l(M國道進行改擴建，以提高其運輸能力；南京-上海區(qū)段，蘇州-上海段鐵路運輸能力需要加強，而公路方面，由于2006年滬寧高速公路的改擴建，其運輸能力存在一定的剩余，能夠適應未來短期需求的增長，可保持不變。運輸能力組合優(yōu)化配置方案如圖4。權(quán)利要求1.一種基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法，其特征在于，該方法在進行運輸能力配置時，進行步驟如下步驟一.建立基于投入產(chǎn)出法的運輸需求預測模型，進行綜合運輸需求分析及預測；步驟二.分析各種交通方式的供給者成本、需求者成本和社會成本，構(gòu)建廣義綜合運輸效用函數(shù)，提出運輸方式配置的選擇模型；步驟三.利用運輸方式配置的選擇模型進行交通分配，根據(jù)交通分配結(jié)果計算運輸網(wǎng)絡(luò)的需求運輸能力和設(shè)計運輸能力，分析運輸網(wǎng)絡(luò)的運能缺口狀況；步驟四.根據(jù)運能缺口狀況，構(gòu)建多種交通方式組合方案集，優(yōu)化運能配置，提出多種交通方式組合運能優(yōu)化配置推薦方案。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟一中的建立基于投入產(chǎn)出法的運輸需求預測模型步驟如下，根據(jù)區(qū)域間投入產(chǎn)出表可以計算出區(qū)域間產(chǎn)業(yè)流動量2>，+及產(chǎn)業(yè)流動系數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>《為區(qū)域R部門i對區(qū)域S部門j的投入；r"是區(qū)域R部門i的產(chǎn)品所提供的區(qū)域S的最終需求，根據(jù)上述模型即可得到區(qū)域間運輸需求量。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟二中，在分析供給者成本、需求者成本和社會成本基礎(chǔ)上，廣義綜合運輸效用函數(shù)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中q(x)為第k種方式的廣義綜合運輸效用；^為第k種方式的長度；&為第k種方式所承擔的運輸需求量；^為第k種方式的設(shè)計速度；KQ7為單位貨物的時間價值，包括預計的在途時間內(nèi)可能的損失與資金占用的機會成本；々為單位貨物周轉(zhuǎn)量的運輸費用；Z為第k種方式的單位里程的工程造價，即該路段建設(shè)全過程中所投入的全部費用；Ph為能源消耗的經(jīng)濟轉(zhuǎn)化系數(shù)；^是第k種方式完成單位貨運周轉(zhuǎn)量所需要的能源消耗量；^為每噸公里貨運應負擔的環(huán)境污染成本；依據(jù)上述各項成本估計，選擇的運輸方式配置模型為/T=;其中《為r-s之間的第k種方式被選擇的概率；《為r-s之間第k種方式的廣義綜合運輸效用。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟三中運輸能力缺口分析，首先統(tǒng)計得到運輸網(wǎng)絡(luò)中第k種方式在路徑a上的需求運輸能力q^222yj《其中We五,V^F,Vc^A表示公式中下標變量定義域；式中，/J為運輸需求流量對n間在路徑a上對第k種方式的運輸需求量，《:為0、1變量，如果路徑a在第k種方式運輸需求流量對n間的配流路徑上，其值為l,否則為0。E為產(chǎn)生運輸需求的起點的集合，F(xiàn)為吸引運輸需求的終點的集合，A為運輸網(wǎng)絡(luò)中路徑的集合；然后計算運輸網(wǎng)絡(luò)中第k種方式在路徑cx上的設(shè)計運輸能力G=M"{ctl,C^..,cJ=M/"{C^.},C化為路徑cx中第k種方式在區(qū)段y的設(shè)計運輸能力，m為路徑a中區(qū)段的數(shù)量。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟四中，根據(jù)運能缺口狀況，構(gòu)建多種交通方式組合方案的過程如下(1)進行能力缺口狀況判斷，能力缺口通過c-c:-c222yj《-C:計算得到；(2)提出多種交通方式組合運能優(yōu)化配置推薦方案根據(jù)如下首先計算每種交通方式所承擔運輸需求的熵值P,A為運輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某區(qū)段的運輸需求，為每種方式所承擔的換算需求量；該運輸網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)熵可為￡=4ZZ/y0g&;進行路徑的方式選擇時，使運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的熵達到最大的運輸方式組合就是最優(yōu)的配置路徑；即，對于集合Q中所有的元素的熵，有AA為最優(yōu)組合方案s的系統(tǒng)熵；^為集合Q中除元素s外的系統(tǒng)熵。全文摘要本發(fā)明公開了屬于多種交通方式組合運能優(yōu)化的配置
技術(shù)領(lǐng)域：
的一種基于運輸需求特征的多種交通方式組合運能優(yōu)化方法。該方法是通過對綜合運輸需求及其特征進行分析和預測，給出運輸需求產(chǎn)生的一般規(guī)律；根據(jù)運輸需求特征構(gòu)建廣義綜合效用函數(shù)，通過多路徑概率分配法在聯(lián)合路網(wǎng)上的交通分配，分析綜合運輸需求的能力缺口，構(gòu)造多種交通方式組合方案集，判斷各組合方案在運輸效率、運輸質(zhì)量和運輸水平方面的綜合效果，最后提出運輸能力組合優(yōu)化配置。本發(fā)明能夠真實反映客觀實際的運輸需求，將多種交通方式一體化組合考慮，進行運輸資源的規(guī)劃和設(shè)計，從而克服只考慮單一交通方式、而帶來的資源和資金的浪費，有效緩解運輸能力對國民經(jīng)濟的瓶頸制約。文檔編號G06Q50/00GK101593320SQ20091008075公開日2009年12月2日申請日期2009年3月27日優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日發(fā)明者李艷紅,袁振洲,莉趙申請人:北京交通大學