交通樞紐規(guī)劃與設(shè)計

交通樞紐港站布局規(guī) 劃 交通樞紐港站的選址與總體布局，是根據(jù) 對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通需求的預(yù)測結(jié)果， 利用交通規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論，對所規(guī)劃 的交通樞紐的港站數(shù)量、大小和位置進(jìn)行 優(yōu)化，同時調(diào)整樞紐內(nèi)部及相互的關(guān)系。 第一節(jié) 交通樞紐港站布局原則與思 路 交通樞紐港站布局的原則 充分考慮規(guī)劃區(qū)域（城市）在全國綜合交通運 輸網(wǎng)絡(luò)中的地位：港站布局不僅應(yīng)從該規(guī)劃區(qū) 域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運輸需求出發(fā)，還要滿 足全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)布局和對外開放對全國 綜合交通網(wǎng)的需要。 引導(dǎo)需求：積極引導(dǎo)城鄉(xiāng)一體化、多中心分散 組團(tuán)式城鎮(zhèn)體系的形成和發(fā)展，形成合理的交 通結(jié)構(gòu) 適度超前：從交通運輸?shù)挠^點看，交通基礎(chǔ)實 施投資可分為“追隨型投資”和“開發(fā)型投 資”。若交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后于經(jīng)濟(jì)發(fā)展， 則會阻礙經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展；反之， 若過分超前，則會降低投資效益，造成投資成 本的損失。 強(qiáng)調(diào)多交通方式的綜合協(xié)調(diào)：港站的布局規(guī)劃 應(yīng)結(jié)合整個交通系統(tǒng)中的分擔(dān)比率，通過交通 樞紐的布局使各種交通方式有機(jī)銜接 布局建設(shè)和管理運用并重：港站布局既要重視 發(fā)展“硬件”，建設(shè)必要的運輸服務(wù)設(shè)施，又 要研究“軟件”的開發(fā)設(shè)計，建立科學(xué)合理的 組織管理系統(tǒng)，使港站的硬、軟件系統(tǒng)結(jié)合為 一個有機(jī)整體 滿足規(guī)劃區(qū)域（主要為城市）總統(tǒng)規(guī)劃原則： 在土地利用方面與城市用地功能保持一致，并 留有發(fā)展余地，做到“新舊兼容，節(jié)省投資” 并注意減少污染，保護(hù)環(huán)境 交通樞紐港站布局的思路 在站場布局原則的指導(dǎo)下，根據(jù)樞紐客貨適站 量的預(yù)測結(jié)果，分析影響樞紐站場布局的各相 關(guān)因素，宏觀確定客貨站場的總數(shù)量及其理論 分布位置，然后，參照交通部頒發(fā)的有關(guān)站級 標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外樞紐站設(shè)計的有關(guān)參數(shù)，充分考 慮現(xiàn)狀的實際情況和城市規(guī)劃中可能提供或預(yù) 留的用地，綜合確定客貨樞紐站的布局方案。 確定港站布局原則 分析影響港站布局的因素 確定港站的個數(shù)和理論位置 結(jié)合實際和用地規(guī)劃綜合研究 確定港站布局方案 交通樞紐港站布局方法概述 交通樞紐港站的布局，通常采用定量計算與定 性分析相結(jié)合的方法。在規(guī)劃實踐中，人們最 早采用了單純的數(shù)學(xué)物理模型，如重心法、微 分法以及交通運輸效益成本分析法等。隨著運 籌學(xué)、物流學(xué)的完善和發(fā)展，出現(xiàn)了線性規(guī)劃、 整數(shù)規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃等樞紐布局優(yōu)化的方 法 布局規(guī)劃的主要內(nèi)容與影響因素：交通樞紐是 組織交通運輸并保證交通網(wǎng)絡(luò)通暢的基本條件。 交通樞紐港站的合理布局是以整個交通運輸系 統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，用系統(tǒng)工程的理論 和方法，綜合考慮交通發(fā)生吸引源的分布情況、 交通運輸條件以及自然環(huán)境等因素，對交通樞 紐港站的數(shù)量、地理位置、規(guī)模和與其它樞紐 的互相關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整 布局規(guī)劃方法發(fā)展概論：隨著 60年代初“物流” 概念的產(chǎn)生和歐美、日本各國對物流研究的深 入，以及運籌學(xué)原理和模型在物流網(wǎng)點規(guī)劃中 的應(yīng)用不斷改進(jìn)和推廣，物流理論中逐漸形成 了一套用于物流網(wǎng)點選址的模型和方法 貨運交通樞紐的港站布局量化計算模型的研究， 大致分為三個發(fā)展階段：單一的數(shù)學(xué)、物流模 型和效益成本分析法；運籌學(xué)模型 ;交通規(guī)劃理 論與前兩者相結(jié)合的樞紐港站優(yōu)化布局模型 第二節(jié) 數(shù)學(xué)物理模型與效益成本分 析法 一元交通樞紐港站布局的重心法 原理：是一種模擬方法，它將運輸中的交通發(fā) 生點和吸引點看成是分布在某一平面范圍內(nèi)的 物體系統(tǒng)，各點的交通發(fā)生、吸引量分別看成 該店的重量，物體系統(tǒng)的重心就是樞紐港站設(shè) 置的最佳點 數(shù)學(xué)模型 設(shè)規(guī)劃區(qū)域內(nèi)有 n個交通發(fā)生點和吸引點， 各點的發(fā)生量和吸引量為 Wj(j=1,2, n) ， 坐 標(biāo)為 （ xj,yj） ,其中 j=1,2, n ，需設(shè)置樞紐港 站的坐標(biāo)為 (x,y)， 樞紐系統(tǒng)的運輸費為 Cj。根 據(jù)平面物體求重心的方法，樞紐港站最佳位置 的坐標(biāo)為： 11 11 / / nn j j j j j jj nn j j j j j jj x C W x C W y C W y C W 特點：簡單，但是它將縱向和橫向坐標(biāo)視為獨立的變 量，與實際交通系統(tǒng)的情況相去甚遠(yuǎn)，求出的解往往 是不精確的，只能作為初步參考。 例： 交通發(fā)生 （吸引） 點 j 發(fā)生（吸 引）量 Wj 運輸費率 Cj 坐標(biāo) xj yj 1 2000 0.050 3 8 2 3000 0.050 8 2 3 2500 0.075 2 5 4 1000 0.075 6 4 5 1500 0.075 8 8 一元樞紐港站布局的微分法 系統(tǒng)的總費用： 2 2 1 / 2 1 ( ) ( ) n j j j j j F C W x x y y 2 2 1 / 2 1 2 2 1 / 2 1 2 2 1 / 2 1 2 2 1 / 2 1 / ( ) ( ) / ( ) ( ) / ( ) ( ) / ( ) ( ) n j j j j j j n j j j j j n j j j j j j n j j j j j C W x x x y y x C W x x y y C W y x x y y y C W x x y y 微分法需要以重心法的結(jié)果為初始解，不斷迭代， 直到前后兩次迭代的誤差不超過設(shè)定范圍，從而得 到最佳結(jié)果。 成本分析法 本分析方法是在已經(jīng)具有一個樞紐港站位置的 選擇集的前提下，以樞紐系統(tǒng)的總成本最小為 目標(biāo)，通過簡單的財務(wù)計算，比較最佳的位置。 假設(shè) n個交通發(fā)生點，分別具有發(fā)生量 (W1,W2,W n)， 而且用一定的準(zhǔn)則已經(jīng)得到 m個待選港站位置 (P1,P2, ,P m)，每個港站的建設(shè)運營成本為 (R1,R2, ,R m)，單位噸千米運費相同為 F，各交通發(fā)生 點到港站的距離用矩陣 Ddij(i=1,2, ,n) 表示，則每個 待選站點的總費用為： 1 n i i ij j j C R d W F 上述三類方法的缺點： 在求解過程中都以靜態(tài)的總費用為選優(yōu)目標(biāo)， 運輸費率為固定值，既沒有考慮實際的路網(wǎng)結(jié) 構(gòu)，也沒有考慮客貨流在道路上的相互交織混 雜對交通流在路網(wǎng)上分配結(jié)果的影響，實際上， 路網(wǎng)上每個路段的流量不同，其通行時間、運 輸費用也不同，單一費率無法反映樞紐運轉(zhuǎn)的 實際情況。 重心法和微分法是純粹的數(shù)學(xué)解析方法，它求 解采用的距離是平面上的幾何距離，而實際的 交通網(wǎng)絡(luò)并非如此，所求數(shù)學(xué)解沒有實際意義， 只能作為下一步分析的最粗略的初始解 成本分析法實際只是一個簡單的港站選址成本 比較法，除了具有上述費用計算的不足外，由 于它必須得到一個待選站點集合，又面臨如何 合理劃分樞紐所在區(qū)域的客貨流通服務(wù)區(qū)，如 何得到待選站點初始解等問題。 第三節(jié) 運籌學(xué)模型與方法 多元樞紐港站布局的混合整數(shù)規(guī)劃法 在交通樞紐的貨運系統(tǒng)中，由于存在著貨種的 差別，不同貨種在樞紐內(nèi)部流動的費用和對港 站布置的要求不同，因此樞紐貨運港站的布局 比客運港站的布局要復(fù)雜，不確定運輸也更多。 但從區(qū)域整體的角度看交通樞紐的布局，可以 從貨流整體的角度來進(jìn)行規(guī)劃，多元樞紐港站 布局的模型應(yīng)運而生。 設(shè)在一個供需平衡的系統(tǒng)中有 m個發(fā)生點 A（ i 1， 2， 3， ， m），各點的發(fā)生量為 ai；有 n 個吸引點 Bj ，各點的需求量為 bj ；有 q個可 能設(shè)置的備選港站地址 Dk 。發(fā)生點發(fā)生的交通 量可以從設(shè)置的港站中中轉(zhuǎn)，也可以直接到達(dá) 吸引點。假定各備選地址設(shè)置樞紐港站的基建 投資、中轉(zhuǎn)費用和運輸費率均為已知，以總成 本最低為目標(biāo)確定樞紐港站布局的最佳方案。 A1 A2 A3 D1 D2 B1 B2 B3 B4 多元樞紐港站布局的數(shù)學(xué)模型為： 1 1 1 1 1 1 1 1 m i n ( ) q q qm m m n m i k i k k j k j i j i j k k k i k i k i k i j k i F C X C Y C Z F W C X 約束方程為： 11 11 11 1 0 ; 1 0 0 q n ik ij i kj q m k j ij i ki mn ik k j ij m ik k k k i ik k j ij X Z a Y Z b XY X M W W W X Y Z 表 示 選 中 ， 表 示 淘 汰 ， ， 其中 Xik， Ykj， Zij表示交通量； Wk為決策變量； Cik， Ckj， Cij為單位費用， Fk為備選港站的基建 費用； Ck為備選港站單位交通量的中轉(zhuǎn)費用， M為一個相當(dāng)大的正數(shù) 這種方法在理論上是非常完善的，但仍然是對 實際問題的大大簡化，沒有考慮樞紐站點規(guī)模 的限制、建設(shè)成本、運營費用的非線性等實際 影響因素。 運輸規(guī)劃模型 從一個較長的時間段來考慮，港站樞紐的基建投資對 整個選址過程的經(jīng)濟(jì)效益影響并不大，可以不考慮， 模型可簡化為 1 1 1 1 1 1 m i n ( ) qqm m m n i k k i k k j k j i j i j i k i k i j F C C X C Y C Z 約束方程為： 11 11 1 1 0 q n ik ij i kj q m k j ij i ki q ik k k k q k j k k k ik k j ij X Z a Y Z b X X d Y X d X Y Z ， ， 式中， dk為備選網(wǎng)點 k最大可能設(shè)置的規(guī)模， Xk為備選 網(wǎng)點 k的閑置能力 該方法敘述明確，但事先需要確定備選站點集合的數(shù) 量及位置，以及節(jié)點之間的運輸價格，由于不同區(qū)域、 不同運輸方式、不同貨物的運輸價格差異較大，使得 運輸價格的確定具有相當(dāng)難度，模型中通常取一個宏 觀的統(tǒng)計值來統(tǒng)一表征運輸價格，這樣做的缺點是無 法對運輸價格的變化產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，同時也無法衡 量交通樞紐所處交通網(wǎng)絡(luò)的變化對樞紐規(guī)劃的影響。 P1 P2 P3 P4 適站量 F1 8.00 7.80 7.70 7.80 7000 F2 7.65 7.50 7.35 7.15 5500 F3 7.15 7.05 7.18 7.65 12500 F4 7.08 7.20 7.50 7.45 12500 吸引量 4000 8000 7000 6000 例： 運輸費用表 P1 P2 P3 P4 適站量 F1 6500 500 7000 F2 5500 5500 F3 4000 8000 500 12500 吸引量 4000 8000 7000 6000 在 F3處設(shè)置站場時的適站量分配表 P1 P2 P3 P4 適站量 F1 7000 7000 F2 5500 5500 F4 4000 8000 500 12500 吸引量 4000 8000 7000 6000 在 F4處設(shè)置站場時的適站量分配表 CFLP法 CFLP(Capacityed Facility Location Problem) 法是針對交通樞紐的港站規(guī)模有限的情況提出 的。 基本思想：首先假設(shè)交通樞紐的港站布局方案 已經(jīng)確定，即給出一組初始港站集合，根據(jù)該 初始方案，按照運輸規(guī)劃模型求出各初始港站 系統(tǒng)的發(fā)生、吸引范圍，然后在各港站的服務(wù) 范圍內(nèi)分別移動港站到其他備選地址，以尋找 各服務(wù)范圍內(nèi)總成本最小的新港站位置，再將 新港站位置代替初始方案，重復(fù)上述過程，直 至整個綜合交通樞紐的港站服務(wù)范圍內(nèi)的總成 本不能再下降為止。 這種方法在理論上是非常完善的，但仍然是對 實際問題的大大簡化，沒有考慮樞紐站點規(guī)模 的限制、建設(shè)成本、運營費用的非線性等實際 影響因素。 上述幾種模型在實際的綜合交通樞紐規(guī)劃 應(yīng)用中還存在很多問題，例如運輸費用的 非線性變化、交通網(wǎng)絡(luò)的改變對樞紐布局 的影響、不同交通樞紐之間的相互關(guān)系等， 都不能得到很好的解答。因此，我國目前 的交通樞紐規(guī)劃實踐中，采用數(shù)學(xué)模型進(jìn) 行定量計算的并不多，或者定量計算的結(jié) 果僅僅作為定性分析的參考。 第四節(jié) 交通規(guī)劃理論優(yōu)化布局模型 前面介紹的各種交通樞紐港站布局模型和 方法，都是從數(shù)學(xué)角度進(jìn)行的分析和建模， 沒有區(qū)分不同的交通方式，也不能同時計 算不同交通方式的樞紐布局。這是綜合交 通樞紐布局面臨的第一個問題。 在綜合交通樞紐規(guī)劃中，一方面由于受自 然條件的限制，使得火車站、港口和機(jī)場 的選址和布局可以調(diào)整的空間比較狹窄， 另一方面對綜合交通樞紐在中轉(zhuǎn)換乘、運 輸組織方面的要求，又使得一體化的考慮 綜合交通樞紐中的各種交通運輸港站的布 局非常必要。 所謂 “ 綜合交通樞紐規(guī)劃 ” ，是從綜合交 通系統(tǒng)的角度，最大程度的協(xié)調(diào)各種交通 樞紐的港站布局，使它們在整體最優(yōu)的目 標(biāo)下有機(jī)銜接。因此，要求用一個數(shù)學(xué)模 型來囊括所有交通方式的樞紐規(guī)劃，不僅 沒有必要，而且在現(xiàn)階段是不現(xiàn)實的。 解決這一問題的思路是： 從尋找一個與其他交通方式聯(lián)系最為密切、可調(diào)整余 的較大的基本交通方式入手，通過優(yōu)化這一基本交通 方式樞紐布局，來帶動整個綜合交通樞紐的優(yōu)化。五 種交通方式中，公路運輸系統(tǒng)作為聯(lián)系其他交通方式 的紐帶，其靈活性和可調(diào)整性較大，因此可以從公路 交通樞紐的布局入手，對其站場數(shù)量、位置進(jìn)行優(yōu)化 和調(diào)整，在優(yōu)化過程中，把鐵路、水運、航空和管道 這幾種交通方式的樞紐作為公路站場布局的約束條件， 使得公路站場的布局最大限度地保證各種交通方式的 有機(jī)銜接，從而提高綜合交通樞紐的運轉(zhuǎn)效率。 以公路交通樞紐的站場規(guī)劃布局為基礎(chǔ)， 分兩個階段進(jìn)行綜合交通樞紐港站布局規(guī) 劃模型和方法。 第一階段是在公路交通樞紐服務(wù)范圍內(nèi)，分別 從其客、貨發(fā)生源出發(fā)，根據(jù)用戶平衡原理， 選擇各自認(rèn)為最優(yōu)的路徑，到達(dá)客、貨運站場。 第二階段是旅客或貨物到達(dá)樞紐的有關(guān)港站后， 有運輸企業(yè)根據(jù)企業(yè)的運營管理情況，按一定 的時間、路線和配載方法，把它們運到目的地。 兩個階段的連接點就是綜合交通樞紐的港站。 由于規(guī)劃者不能控制交通市場供需雙方的微觀 行為，只能通過合理規(guī)劃和布局樞紐的港站， 來達(dá)到宏觀引導(dǎo)需求者的選擇和供給者的運營 行為，使整個運輸系統(tǒng)達(dá)到社會效益最大或者 廣義費用最小的目標(biāo)。 第一階段模型 假設(shè) 1：交通需求者對不同交通方式港站的選 擇，取決于該次出行的距離。 假設(shè) 2：每個交通港站內(nèi)部的運營管理已達(dá)到 最優(yōu)狀態(tài)。 在第一階段，對外交通需求者是利用城市道路 來實現(xiàn)從出發(fā)地到交通港站的出行，這一部分 交通量與城市交通混合在一起，主要具有城市 交通流的特征。因此我們采用傳統(tǒng)的四階段交 通需求預(yù)測法，分析它們在城市交通網(wǎng)絡(luò)上的 分布特征，并根據(jù)這一特征初步確定公路交通 樞紐站場的備選集合，計算步驟如下： 1、確定綜合交通樞紐的服務(wù)范圍 2、以公路交通樞紐為基準(zhǔn)，根據(jù)土地使用特征劃分 綜合 3交通樞紐內(nèi)部的客貨交通小區(qū) 3、確定交通路網(wǎng) 4、公路交通樞紐交通小區(qū)的交通量發(fā)生、吸引預(yù)測 5、交通分布預(yù)測 6、客貨運交通量分配 7、初步確定客貨運樞紐港站的備選位置 第二階段模型 得到公路交通樞紐站場的備選集合后，第二階段的模 型采用物流學(xué)中求解“物流中心選址”問題的運籌學(xué) 模型和方法，從備選集合中求解合適的站場位置。由 于四階段交通需求預(yù)測法預(yù)測的是道路交通量，而與 交通站場各項指標(biāo)關(guān)系更為密切的是客貨運的運輸量， 因此需要對綜合交通樞紐的總運輸量、分交通運輸方 式運輸量進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)我國交通部的規(guī)定，預(yù)測 公路交通樞紐組織量、適站量。 第二階段模型的計算步驟如下： 1、綜合交通樞紐交通小區(qū)的運輸量的發(fā)生、吸引預(yù) 測 2、確定運輸網(wǎng)絡(luò) 轉(zhuǎn)運點、發(fā)生點、吸引點 3、確定廣義費用矩陣 4、客貨運樞紐站場理論位置和規(guī)模的計算 綜合交通樞紐的規(guī)劃是一個受多種因素影響和約 束的過程，上述的理論計算結(jié)果是經(jīng)過多種抽象 后得到的，它們還不能完全代表實際情況。因此， 應(yīng)該根據(jù)理論計算的結(jié)果，在國家宏觀政策和上 級規(guī)劃的指導(dǎo)下，結(jié)合綜合交通樞紐所在的區(qū)域 的實際土地利用情況和交通干道分布情況，對計 算得到的港站規(guī)劃布局方案進(jìn)行調(diào)整，最后確定 港站的實際布局方案。