专利名称：：一种基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法
技术领域：
：本发明属于多种交通方式组合运能优化的配置
技术领域：
，特别涉及用于综合运输系统运输能力资源的规划和设计的一种基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法。
背景技术：
：运输需求是指在一定社会经济条件下，在一定时期，某一区域(国家、经济区、地区)内，国民经济和社会发展对人与货物所产生的空间位移的需要。它不以既有综合运输市场供给(技术因素)、管理体制(行政因素)等因素为制约，也不以运输价格和支付能力为约東。综合运输需求是客观存在的，不针对铁路、水路、公路、航空、管道等某一单一运输方式。不是目前实践中通常所指的铁路需求、公路以及水路等运输需求，是它们运输需求的综合体现。运输需求的特征是对运输需求特性的分析和描述，目前，对运输需求特征描述从不同的角度有不同的侧重，从运输规划和组织角度，则侧重于运输需求的时空分布、波动性等的分析和描述；从理论研究角度讲，基于需求特征的多种交通方式组合运能优化的实质是综合运输系统在运输效率、运输质量和服务水平等方面均达到理想要求下的运输供给；从工程实践角度来讲，运能优化的实质就是多种交通方式运力合理结构的配置。在国外，该项技术研究不是重点，很少有相关的现有技术。大部分发达国家其运输系统的发展往往是超前于社会经济发展水平，在交通建设高潮中形成了许多重要的交通干线，并经过竟争与淘汰，保留下来一些重要干线，成为综合运输体系。因此，综合运输系统运输能力优化配置技术的研究并不是问题的核心，而他们的研究重点是基于已经基本形成的交通运输系统如何组织高效的综合运输的问题，即侧重在运输组织过程的优化。因此国外在该领域现有技术的研究不如国内活跃。在国内，研究运能优化的现有技术较多，但是从多种交通方式一体化角度研究的很少。现有技术，都是针对铁路、公路、水运、航空、管道等单一交通方式运能优化的，并且，多是侧重运输组织过程，没有恻重运输配置方面，同时，采取的方法是基于某种交通方式技术经济特征的分析，而忽略了对运输需求特征的分析。没有从综合交通体系即铁路、公路、水运、航空多种交通方式组合优化的角度进行运输资源的配置。存在的主要缺陷从各自单一交通方式出发，只关注了本系统即一种交通方式运能的优化利用，却无法保证整个综合运输系统运能的优化配置，从而也导致实践中交通运输能力的紧张。例如，对于京沪综合运输通道，根据现有技术，分别从铁路、公路、水运、航空等角度提出了各自的运能优化方案，从单一系统角度而言都是优化的，但是从综合运输即各种交通方式组合起来一体化优化的角度根本无法保证整个通道综合运输系统运能的优化，依据现有技术不能给出多种交通方式组合优化的配置方案。因此，有必要在分析运输需求特征和产生规律的基础上，提出综合运输系统中多种交通方式组合的运能资源优化配置的方法，基于需求特征的多种交通方式组合运能优化配置方法能够很好地满足该方面的要求。
发明内容本发明的目的是一方面通过对综合运输需求及其特征进行分析和预测，给出运输需求产生的一般规律；另一方面，根据运输需求特征构建广义综合效用函数，通过多路径概率分配法在联合路网上的交通分配，分析综合运输需求的能力缺口，据此构造多种交通方式组合的方案集，判断各组合方案在运输效率、运输质量和运输水平方面的综合效果，最后提出运输能力组合优化配置的一种基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法。一种基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法，其特征在于，所述多种交通方式组合运能优化方法是利用投入产出理论和空间价格均衡方法，预测得到区域间运输需求的价值量和实物量，解决当前实践中用运输量代替需求量而不能反映实际需求的问题；利用交通工程理论和运输经济学的成本分析方法，从运输供给者成本、运输需求者成本和社会运输成本的角度构建广义综合运6输效用函数，利用多路径概率分配方法在多种交通方式叠加构成的联合路网上进行交通分配，根据需求运输能力和设计运输能力的比较，得到能力缺口数据，利用多目标滚动优化方法，得到多种交通方式组合运能优化配置的方案；具体包括步骤一.建立基于投入产出法的运输需求预测模型，进行综合运输需求分析及预测；步骤二.分析各种交通方式的供给者成本、需求者成本和社会成本，构建广义综合运输效用函数，提出运输方式配置的选择模型；步骤三.利用运输方式配置的选择模型进行交通分配，根据交通分配结果计算运输网络的需求运输能力和设计运输能力，分析运输网络的运能缺口状况；步骤四.根据运能缺口状况，构建多种交通方式组合方案，优化运能配置，提出多种交通方式组合运能优化配置推荐方案。所述步骤一中的建立基于投入产出法的运输需求预测模型步骤如下，根据区域间投入产出表可以计算出区域间产业流动量2>，+及产业流动系数(sw)/i;》W其中^为区域R部门i对区域S部门j的投入；乂是区域R部门i的产品所提供的区域S的最终需求，根据上述模型即可得到区域间运输需求量。所述步骤二中，在分析供给者成本、需求者成本和社会成本基础上广义综合箭效用函数为q(x)=fi'rar.x,+/A.^其中，q(x)为第k种方式的广义综合运输效用，"为第k种方式的长度；^为第k种方式所承担的运输需求量；、为第k种方式的设计速度；「GT为单位货物的时间价值，包括预计的在途时间内可能的损失与资金占用的机会成本；^为单位货物周转量的运输费用；,为第k种方式的单位里程的工程造价，即该路段建设全过程中所投入的全部费用；Ph为能源消耗的经济转化系数；Yk是第k种方式完成单位货运周转量所需要的能源消耗量；h为每吨公里货运应负担的环境污染成本；运输方式配置的选择模型为《=^XP(—/《L，《为r-s之间第k种运输方式被选择的概率；《为r-s之间第k种方式的广义综合运输效用；所述步骤三中运输能力缺口分析，首先统计得到运输网络中第k种方式在路径cc上的需求运输能力C^222yj《其中:Vre五,V^F，V"",表示公式中下标变量定义域。式中，/J为运输需求流量对n间在路径cc上对第k种方式的运输需求量，^为0、l变量，如果路径cc在第k种方式运输需求流量对r-5间的配流路径上，其值为l,否则为0。E为产生运输需求的起点的集合，F为吸引运输需求的终点的集合，A为运输网络中路径的集合。然后计算运输网络中第k种方式在路径a上的设计运输能力C:^M"h,，C;2…,CV.hM/"{C"}，C&为路径a中第k种方式在区段y的设计运输能力，m为路径a中区段的数量。所述步骤四中，根据运能缺口状况，构建多种交通方式组合方案通过如下过程1.进行能力缺口状况判断，能力缺口通过C=Cl-C:=J22>^《—G计算得到。2.提出多种交通方式组合运能优化配置推荐方案根据如下首先计算每种交通方式所承担运输需求的熵值^^为运输网络内某区段的运输需求，&为每种方式所承担的换算需求量；该运输网络的系统熵为￡=-*i;i:iV0g^。进行路径的方式选择时，使运输网络系统的熵达到最大的运输方式组合就是最优的配置路径；即，对于集合Q中所有的元素的熵，有￡、>&，五,为最优组合方案s的系统熵；^为集合Q中除元素s外的系统熵。至此，就完成了基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化的规划和设计。本发明的有益效果能够真实反映客观实际的运输需求，从运输供给者(运输行业)、运输需求者(旅客或货主)和社会运输(囯家政府)角度，综合考虑运输时间和费用、运输设施建设费用以及运输方式的资源、能源消耗费用等因素，将铁路、公路、水运、航空等多种交通方式一体化组合考虑，来进行运输资源的规划和设计，从而克服只考虑单一交通方式、只侧重供给者角度进行运输资源规划和设计而带来的资源和资金的浪费，有效缓解运输能力对国民经济的瓶颈制约。图1多种交通方式组合运能优化方法流程图。图2运输需求时间波动曲线，用来分析运输需求的时间波动特征。图3运输需求空间分布期望线，用来分析运输需求的空间分布特征。图4多种交通方式组合运能优化配置图。具体实施例方式本发明提供一种基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法。下面结合附图和实施例对本发明予以说明以北京至上海的京沪运输通道为例，按照如下步骤给出京沪运输通道2020年远期各种运输方式能力优化配置的建议方案，流程图见图1:步骤一.建立基于投入产出法的运输需求预测模型，进行综合运输需求分析及预测；步骤二.分析各种交通方式的供给者成本、需求者成本和社会成本，构建广义综合运输效用函数，提出运输方式配置的选择模型，进行交通分配；步骤三.利用运输方式配置的选择模型进行交通分配，根据交通分配结果计算运输网络的需求运输能力和设计运输能力，分析运输网络的运能缺口状况；如果需求运输能力^设计运输能力，则执行步骤四，否则提出多种交通方式组合运能优化配置推荐方案。步骤四.根据运能缺口状况，构建多种交通方式组合方案，优化运能配置，如果组合运能优化方案是最优，则提出多种交通方式组合运能优化配置推荐方案，否则返回步骤二；以北京至上海的京沪运输通道为例，首先按照步骤一、建立基于投入产出法的运输需求预测模型，进行综合运输需求分析及预测；具体步骤如下1)根据基年区域间投入产出表(国家统计局每逢2、7年度都发布该表)，首先计算直接分配系数得到需求矩阵H，如表l所示；2)估算目标年的分行业增加值的数据；3)利用列向模型(分配平衡模型)建立总产出与增加值之间的关系，从而计算总产出的变化量；4)根据目标年总产出进一步求得中间投入量，再利用中间产品+最终产品=总产出的关系式，将基年投入产出表扩展为目标年的投入产出表(其中区域R提供给区域S-1，…，J的最终产品通过分配系数来确定)；5)在得到目标年投入产出表的基础上，计算出区域间货运需求价值量OD矩阵。计算结果如下面表l所示北京，经天津、济南、徐州、蚌埠、南京、至上海表12020年京沪运输通道省市间运输需求量单位(口屯)0D北京天津济南徐州蚌埠南京上海北京459410001395700743480359010602100650890228190天津16527009599000051908001415200464940026630001441300济南53751056981001530200002813700514090020443001727800徐州33806016446005613600108810000323280017038002908000蚌埠85594038753006893500312360011284000034538002905200南京4186505008400734490249110108300047122000742390上海9483337840093485049972001267700112630055547000运输需求的时间波动特征分析如图2所示1953-2006年全国货运量变化趋势，运输需求的空间分布特征分析图如3。步骤二、分析各种交通方式的供给者成本、需求者成本和社会成本，构建广10义综合运输效用函数，提出运输方式配置的选择模型;+4_/;+(AA+〃s^)计算广义综合运输效用，其中rar=-ra7^z。)/K。，A。,为运输项目所在地平均单位时间内产生的国民生产总值；rar;是旅客时间价值；厶为本地区的劳动力总数。计算中，根据北京、天津、济南、徐州、蚌埠、南京、上海等城巿社会和国民经济统计资料，货物时间价值分别取值为17、10、13、10、10、15、18元/小时。乂单位里程工程造价，铁路运输当设计时速为200公里/小时，取值为3000-4000万元/公里，当设计时速为公里/小时，取值为9100万元/公里。不同运输方式环境污染成本取值参照下面表2:表2货运的各种运输方式的环境污染成本参考值(元/吨公里)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>步骤三、利用运输方式配置的选择模型进行交通分配，根据交通分配结果计算运输网络的需求运输能力和设计运输能力，分析运输网络的运能缺口状况；将京沪通道依主要控制点分为北京-天津，天津-济南，济南-南京，南京-上海4个区段，每一区段内不同交通方式之间属于并联关系，区段的运输能力为各种交通方式运输能力之和，而该4个区段在京沪通道中为串联关系，根据"木桶短帮"原理，京沪通道设计输送能力为542209呻/天，合计19791万吨/年。瓶颈区段仍为天津-济南段。目标年京沪通道路网设计运输能力为542209吨/天，而京沪通道的需求运输能力为1003819吨/天，能力缺口为"1610吨/天，合计168M万吨/年，仍由于各区段设计运输能力及需求的不均衡性，京沪通道的能力紧张区段仍存在于北京-天津之间，每天能力缺口高达159782咱，紧张状况比2006年减少了146605口屯，这与京津第二高速、京津第三高速的建成通车有相当关系；而其他区段在2010年能力均有剩余。步骤四、根据运能缺口状况，构建多种交通方式组合方案集，优化运能配置，提出多种交通方式组合运能优化配置推荐方案。京沪通道内能力存在着路线及区段的不平衡性，而能力紧张区段在北京-天津、南京-上海间；北京-天津间铁路能力存在很大的缺口，未来最好能够修建一条货运复线或实行客货分线，提高铁路的货运能力，同时，公路方面至少修建两条高速公路或者对既有京津塘高速公路、103、l(M国道进行改扩建，以提高其运输能力；南京-上海区段，苏州-上海段铁路运输能力需要加强，而公路方面，由于2006年沪宁高速公路的改扩建，其运输能力存在一定的剩余，能够适应未来短期需求的增长，可保持不变。运输能力组合优化配置方案如图4。权利要求1.一种基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法，其特征在于，该方法在进行运输能力配置时，进行步骤如下步骤一.建立基于投入产出法的运输需求预测模型，进行综合运输需求分析及预测；步骤二.分析各种交通方式的供给者成本、需求者成本和社会成本，构建广义综合运输效用函数，提出运输方式配置的选择模型；步骤三.利用运输方式配置的选择模型进行交通分配，根据交通分配结果计算运输网络的需求运输能力和设计运输能力，分析运输网络的运能缺口状况；步骤四.根据运能缺口状况，构建多种交通方式组合方案集，优化运能配置，提出多种交通方式组合运能优化配置推荐方案。2.根据权利要求1所述的基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法，其特征在于所述步骤一中的建立基于投入产出法的运输需求预测模型步骤如下，根据区域间投入产出表可以计算出区域间产业流动量2>，+及产业流动系数<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>《为区域R部门i对区域S部门j的投入；r"是区域R部门i的产品所提供的区域S的最终需求，根据上述模型即可得到区域间运输需求量。3.根据权利要求1所述的基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法，其特征在于所述步骤二中，在分析供给者成本、需求者成本和社会成本基础上，广义综合运输效用函数为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中q(x)为第k种方式的广义综合运输效用；^为第k种方式的长度；&为第k种方式所承担的运输需求量；^为第k种方式的设计速度；KQ7为单位货物的时间价值，包括预计的在途时间内可能的损失与资金占用的机会成本；々为单位货物周转量的运输费用；Z为第k种方式的单位里程的工程造价，即该路段建设全过程中所投入的全部费用；Ph为能源消耗的经济转化系数；^是第k种方式完成单位货运周转量所需要的能源消耗量；^为每吨公里货运应负担的环境污染成本；依据上述各项成本估计，选择的运输方式配置模型为/T=;其中《为r-s之间的第k种方式被选择的概率；《为r-s之间第k种方式的广义综合运输效用。4.根据权利要求1所述的基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法，其特征在于所述步骤三中运输能力缺口分析，首先统计得到运输网络中第k种方式在路径a上的需求运输能力q^222yj《其中We五,V^F,Vc^A表示公式中下标变量定义域；式中，/J为运输需求流量对n间在路径a上对第k种方式的运输需求量，《:为0、1变量，如果路径a在第k种方式运输需求流量对n间的配流路径上，其值为l,否则为0。E为产生运输需求的起点的集合，F为吸引运输需求的终点的集合，A为运输网络中路径的集合；然后计算运输网络中第k种方式在路径cx上的设计运输能力G=M"{ctl,C^..,cJ=M/"{C^.},C化为路径cx中第k种方式在区段y的设计运输能力，m为路径a中区段的数量。5.根据权利要求1所述的基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法，其特征在于所述步骤四中，根据运能缺口状况，构建多种交通方式组合方案的过程如下(1)进行能力缺口状况判断，能力缺口通过c-c:-c222yj《-C:计算得到；(2)提出多种交通方式组合运能优化配置推荐方案根据如下首先计算每种交通方式所承担运输需求的熵值P,A为运输网络内某区段的运输需求，为每种方式所承担的换算需求量；该运输网络的系统熵可为￡=4ZZ/y0g&;进行路径的方式选择时，使运输网络系统的熵达到最大的运输方式组合就是最优的配置路径；即，对于集合Q中所有的元素的熵，有AA为最优组合方案s的系统熵；^为集合Q中除元素s外的系统熵。全文摘要本发明公开了属于多种交通方式组合运能优化的配置
技术领域：
的一种基于运输需求特征的多种交通方式组合运能优化方法。该方法是通过对综合运输需求及其特征进行分析和预测，给出运输需求产生的一般规律；根据运输需求特征构建广义综合效用函数，通过多路径概率分配法在联合路网上的交通分配，分析综合运输需求的能力缺口，构造多种交通方式组合方案集，判断各组合方案在运输效率、运输质量和运输水平方面的综合效果，最后提出运输能力组合优化配置。本发明能够真实反映客观实际的运输需求，将多种交通方式一体化组合考虑，进行运输资源的规划和设计，从而克服只考虑单一交通方式、而带来的资源和资金的浪费，有效缓解运输能力对国民经济的瓶颈制约。文档编号G06Q50/00GK101593320SQ20091008075公开日2009年12月2日申请日期2009年3月27日优先权日2009年3月27日发明者李艳红,袁振洲,莉赵申请人:北京交通大学