运输网络模型

西南交通大学交通运输学院题目名称:综合交通运输网络相关问题研究姓名:周青峰专业:交通运输指导老师:刘澜教授1.研究背景现代化综合运输体系是由5种运输方式组成的，即：铁路运输、公路运输、水路运输、航空运输和管道运输。运输市场上各种运输方式之间不可避免地进行激烈的竞争：一方面各种运输方式均拥有自己固有的技术经济特征和相应的竞争优势；另一方面运输市场上需求本身的多样性。这两方面为各种运输方式在社会经济发展过程中营造了它们各自的生存和发展空间。在进行交通运输规划时，必须根据上述两方面分析来规划各种运输方式的发展和分工，进行基础设施建设，形成一个合理的确保各种运输方式协调发展的综合运输体系。但是综合运输发展并不尽合理，各运输方式优势并未得到充分发展，运输业整体协同效果不理想。2.交通运输网络概念网络：节点和线段的集合G={N，V}G—运输网络，N—节点集合，V—边（线段）集合交通运输网络：交通运输物理网+交通运输业务网物理指线和点的全部设施；业务是指在物理网的基础上组织客、货运输的运行；性质：物理层有一定的自然垄断性和社会公共性，可以由政府指定企业来运行；业务层则引入竞争，充分发挥市场机制作用，以提高效率，提供物美价廉的运输产品。交通运输网络中的节点和线段（线路）节点交通运输流时空状态发生改变的交通运输设施。小到道路交叉口，大到国际航空枢纽，国际航运枢纽港等。包括铁路公路的站、场，机场，港口等基础物理设施，都称为交通运输物理网络的节点。线段，线路交通运输物理网中的线段，指任何两个节点之间连线的交通运输基础设施；线路则指交通运输设施规划设计的起终枢纽之间连线。交通运输网络中的节点和线段（线路）综合交通运输网络定义综合交通运输网络是指由多种交通运输方式组成结构合理、相互联结、转换方便、运营协调、与国民经济空间布局相适应，并促进经济发展的高效率、高效益的交通运输体系。综合交通运输网络构成综合交通运输体系的构成3.研究现状3.1交通运输网络结构研究现状1、交通网络拓扑关系拓扑关系表示了网络中各个元素之间的关联关系，是交通网络分析的基础。交通网络拓扑关系：主要是指交通网络的连通性和方向性描述。方向性是考虑是否用有向图来表示路网的问题；连通性是指如何表达线路以及节点间的连接关系。按照网络拓扑结构特征划分，我们经常接触到的实际网络有完全规则网络(CompletelyRegularNetworks)、完全随机网络(CompletelyRandomNetworks)、小世界网络(Small—worldNetworks)和无标度网络(Scale—freeNetworks)。西安理工大学的胡海波对中国铁路网拓扑结构进行了全方位研究，得到中国铁路网的累积度分布、车次数的累积概率分布、站点数的累积概率分布，以及铁路网的集聚系数、路径长度等重要参数，发现中国铁路网具有小世界特性。国外学者对交通网的拓扑结构研究Latora和Marchiori(2002)对波士顿地铁的网络特性进行了初步研究；Sen(2002)等研究了印度铁路网络的Small—world特性；Jiang和Claramunt(2004)对城市街道网络进行了研究，以实例说明了此网络具有Small—world特性。Amaral(2000)等学者研究了航空网络的拓扑结构。交通网具有小世界特性。2、综合交通运输网络结构的三个效应各种交通运输方式分工协作、有机结合、连接贯通、布局合理，发挥其技术经济优势，运输效率才能实现最大化，综合交通运输网络需要达到一定的规模，即为其结构的聚合效应。（1）综合交通运输网络结构的聚合效应（2）综合交通运输网络结构的弹性效应运输供给结构能否适应，或在多大程度上适应运输需求结构的变动，直接关系到综合交通运输网络结构效率的高低，此时需要分析运输供给结构就运输需求结构变动的适应能力对综合交通运输网络结构效率的影响。（3）综合交通运输网络结构的成长效应综合交通运输网络结构是不断地从低级形态向高级形态转变的，即为综合交通运输网络结构的成长效应。3.2综合交通运输网络评价研究介绍主要研究思路主要评价指标设计客运货运评价指标计算与分析综合交通运输网络指标体系公路铁路航空水路综合交通运输网络既具有网络自身的一般特性，又具有交通运输网络的系统特性。其特点包括交通运输网络的外部性、交通运输网络的规模经济效应和交通运输网络相容性。进行综合交通运输网络评价应考虑其特性构建综合交通运输网络评价指标体系的原则：1、适应性原则。2、协调性原则。3、效益最大化原则。4、综合交通运输网络的布局要与区域规划相结合。*运行班次密集性(客、货)运输方式评价指标技术性经济性社会效益安全性及时性方便性舒适性安全事故率（客）*死亡率（客）*平均旅行速度（客、货）*正点率（客、货）直达运输比重（客）*人均旅乘面积（客）旅客满意率（客）收入利润率（客、货）资产利润率（客、货）运价成本比（客、货）*单位成本（客、货）资源占用环境影响*单位换算周转量占地(客、货)*能耗强度(客、货)建筑材料及其他资源的消耗(客、货)*单位运输量造成的污染成本（客、货）货损率（货）*赔偿限额（货）*发货时间确定性（货）综合交通运输网络评价指标体系的主要指标有运网连通度，运网可达性，运网适应性，运网能力适应度，路网密度和负荷均衡性。但是对完整评价体系的建立以及这些指标的量化还在理论探索阶段。交通运输网络的分布特征至关重要，路网密度指标往往遗漏了重要的网络特征信息。在对运输网络的评价中，网络覆盖形态这一指标十分重要。建立基于分形理论的网络覆盖形态评价模型。丁以中等人认为交通运输网络评价主要包括技术评价、经济评价、社会评价和综合评价。其中网络覆盖形态是技术评价中的重要指标之一。分形是法国数学家BenoitB.Mandelnbrot在70年代提出的概念，它在定量描述海岸线、山脉的形状、河流及人体血管的分布形态等方面有着崭新的应用前景。广义地，把在形态、功能、信息等方面具有自相似性的研究对象统称为分形，把研究分形的性质及其应用的科学称为分形理论。总之，综合交通运输网络评价体系的构建仍处于探索之中，缺乏深入的研究。综合交通运输网络的评价指标体系建设的理论还有待于进一步完善和发展。不同运输方式组成的交通运输网络在技术经济特性方面存在较大差异，在指标的选取和数据的搜集整理方面缺乏综合性，一些指标的定量化存在较大困难。3.3综合交通运输网络运输模型研究介绍1.多方式多货种综合运输超级网络模型主要研究思路：将生产力布局，空间经济与交通运输系统相综合；构造一个面向区域经济和交通运输协调的多方式、多货种综合运输网络理论和模型。基本方法：超级网络模型；变分不等式建模。交通网络均衡模型空间价格均衡模型供应链网络均衡模型多方式多货种区域运输网络均衡模型超级网络理论变分不等式非线性规划广义费用超级网络概念：在节点与线段对应实体的基础网络上，通过添加虚拟节点和虚拟线段，使得抽象的决策行为具体化为网络元素，或通过添加无实际含义的虚拟节点与虚拟线段使得复杂问题的处理简单化，将不具有网络拓扑结构的问题转化为一般网络问题。基础网络与所添加的虚拟节点、虚拟路段构成的网络称为超级网络。综合运输超级网络模型包括：（1）单方式单货种区域运输网络模型；（2）多方式单货种区域运输网络模型：A.产销平衡且空间价格给定条件下的运输问题；B.产销平衡且空间价格待定条件下的运输问题；（3）多方式运输网络均衡模型：A.考虑广义费用的多货种多方式运输网络均衡模型；B.基于供应链框架的多货种多方式运输网络均衡模型。2.交通运输综合网络货物运输结构合理配置理论模型（1）多运输方式的综合交通运输网络运输问题模型A.单一运输方式问题模型设：有个供应地，其供应量为；有个需求地，其需求量为；从到的单位运价（或运距）为，运量为，则：求使总运费（或运距）最小的运输模型。m),,2,1(miAi),,2,1(miain),,2,1(njBj),,2,1(njbjiAjB),,2,1;,,2,1(njmicij),,2,1;,,2,1(njmixijzB.多运输方式的综合网络优化模型设：可供选择的运输方式有种，有个供应地，其供应量为;有个需求地，其需求量为；若选择第种运输方式从到的单位运价（运距）为，求使总运费最小的运输模型。m),,2,1(miAi),,2,1(miain),,2,1(njBj),,2,1(njbjiAjBz),3,2,1(Kkkk(1,2,,;1,2,,;1,2,,)kijckKimjn(1,2,,;1,2,,;1,2,,)kijckKimjn（2）多运输方式多目标的综合交通运输网络运输问题模型目标函数：其中:——总运输费用，包括直接运输费用、缺货损失费用、库存费用，即；——剩余货物周转量；——设备平均利用率。)min(321zzzZ1z11z12z13z1312111zzzz2z3z各子目标函数分述如下：1）直接运输费用2）卸货损失费用mimjKkPpTtTtijkijkpijkpijkiItYdtXCz10011)()(PpMjTtpjpjpjtQtbqz11012))()((3）库存费用4）剩余货物周转量5）设备平均利用率PpMiMjPijijZLz1112TTzii3PpMjTtMiTtpjpjKkpijkpjtUtatXqz11010113))()(()(213.综合交通运输网络旅客运输结构规划与配置模型设旅客可按社会经济特性分为类，可供选择的运输方式共有种，为了表示出行者的交通方式选择行为，引用效用函数(Utility-Function)。假设第种交通方式，其出行者的效用与服务属性之间具有线性关系，其函数表达式如下：mnUi),2,1;,2,1(mtniVUititit——第类旅客选择第种方式的效用函数；——效用函数中的系统成分，指可观测到的确定性效用；——效用中的随机项，指由干扰因素或观测误差引起的非确定效用。itUitVitti北京交通大学的董晓岩等人对快捷运输网络的结构进行分析，建立基于多种运物方式的综合快运换装网络模型，并探讨求解算法。将行包快捷货物运输方案的编制分解为极优路径选择和运输网络优化两部分，提出具体的解决方法。其它模型4.课题研究目标、研究内容、解决的关键问题4.1研究目标在分析总结国内外研究现状的基础上，构建交通运输网络拓扑分析、网络形态、层次的基础理论，对综合交通运输网络进行科学、定量的评价，构建综合协调优化的超级运输网络运输模型，并进行算法求解。在理论研究的同时，就其具体实现手段进行探索，以某一区域为实例对象，对该区域综合交通网络结构进行分析，评价优化。4.2研究内容1.对交通运输网拓扑结构的研究包括对交通运输网络拓扑特征分析；交通运输网络结构形成机制原理；构建交通运输网络拓扑结构模型；分析综合交通运输网络拓扑结构演变进程与机制。2.综合交通运输网络评价包括对综合交通运输网络的特征分析；构建综合交通运输网络评价指标体系的原则；构建综合交通运输网络评价指标体系；以及评价指标的定量化。3.综合交通运输网络结构的优化及协调对交通运输系统各子系统及构成要素间合作、互补、同步等多种关系，以及由于这些关联关系使系统呈现出的协调结构和状态进行分析，建立综合协调优化的超级运输网络运输模型，研究综合交通运输网络结构协调性算法。4.3解决的关键问题1.对综合交通运输网络拓扑结构分析，掌握综合交通运输网络结构特性。2.建立综合交通运输网络评价体系及评价量化方法。3.寻求交通运输网络内部各个环节的衔接和不同网络之间的衔接协调方法。4.对各种综合交通运输网络运输模型进行系统整合。5.求解综合协调优化的超级运输网络运输模型的算法设计。5.采取的研究方法（1）课题首先利用数学