（交通运输规划与管理专业论文）综合运输通道客运交通结构优化方法研究.pdf

中文摘要 随着社会经济的发展，人们对出行效率和舒适性等要求的提高，以及我国对 环境、能源的日趋重视，使得运输通道客运交通在综合运输理论中的地位越来越 重要，运输通道客运交通结构的优劣直接关系到通道整体旅客输送能力是否能够 充分发挥。针对运输通道客运交通现状及其存在的问题，本文在广泛分析国内外 有关研究资料的基础上，结合国家“8 6 3 研究课题，运用系统科学、数学、运筹 学等基础学科的理论方法，对运输通道旅客出行选择特征、客运交通结构合理配 置、规划方案时序评价进行详细研究，旨在为通道客运交通结构规划提供理论和 技术上的支持。 本文首先结合我国国情，分析了客运结构在我国产生的宏观背景及存在问题； 其次，根据旅客出行选择行为，对影响出行方式选择行为的因素进行量化分析； 在此基础上，为寻求科学、系统的综合运输通道最优客运分担结构，提出不确定 条件下运输通道内各种运输方式旅客客运分担最优模型，并设计了用于求解模型 的基于随机模拟的遗传算法；随后，从交通资源优化配置角度出发，对未来年通 道内规划方案进行建设时序评价，从运能效率、运输质量、服务水平三方面入手， 给出了8 项具体评价指标，建立了一套基于资源配置的客运交通结构评价指标体 系，并以京沪通道沪宁段作为实例分析。研究成果为综合运输通道客运交通结构 优化配置问题提供理论依据和实践指导。 关键词：运输通道；客运交通结构；旅客出行；时序评价；指标体系 分类号：u 1 1 5 a b s 眦c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n d e f f i c i e n c ya n dc o m f o r t ，t h em o r ea t t e n t i o nt o s o c i e t y , t h eh i g h e rd e m a n df o rt r a v e l e n v i r o n m e n ta n de n e r g yf o rc h i n a , t h e m o r e i m p o r t a n tp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o no fc o r r i d o ri s i nt h e t h e o r ya b o u t c o m p r e h e n s i v et r a n s p o r t a t i o n t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f p a s s e n g e r t r a n s p o r t a t i o ns 觚c t u r i nc o r r i d o ri sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es u f f i c i e n t d i s p l a yo ft h e w h o l ec o r r i d o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t c a p a c i t y f o rt h ep r e s e n te x i s t i n gp r o b l e m so f p a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o no fc o r r i d o r , o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v es t u d y i n gt h er e l a t i v e m a t e r i a li n - a n do u t s i d et h ec o u n t r y , t h ea u t h o rt r yt o c o m b i n et h es t a t e8 6 3s u b j e e t a p p l y i n gt h em e t h o d so fs y s t e ms c i e n c e 、m a t h e m a t i c s 、o p e r a t i o n sr e s e a r c h i td o e sd e t a i l r e s e a r c ha b o u tt h er e a s o n a b l es c h e m ef o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o ns t r u c t u r eo fc 0 而d o r t h ep a s s e n g e r s c h o i c eb e h a v i o r , p l a ne v a l u a t i o na n ds e l e c t i o n ，a n d t h ep u r p o s ei st o p r o v i d ea nb e n e f i c i a ls u p p o r t i n gt o o lf o rt h ep a s s e n g e rt r a n s p o r ts t r u c t u r e p l a n n i n g f i r s t l y , t h i sp a p e rl i n k sw i t ht h ec o n d i t i o no fo u rc o u n t r ya n dt h ep r o b l e m so ft h e p a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o ns t r u c t u r e ；s e c o n d l y , a c c o r d i n gt op a s s e n g e rt r a f f i cm o d ec h o i c e b e h a v i o r , t h i sp a p e rq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h em a j o ri n f l u e n c i n g f a c t o r s ；t h e na c o m p u t a t i o nm o d e lo fp a s s e n g e rt r a f f i cs h a r i n gr a t e si ss e tu p ，w h i c hi s p a s s e n g e r e q u i l i b r i u mm o d e l ，ag e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do ns t o c h a s t i cs i m u l a t i o nt oc a l c u i a t et h e m o d e li sp u tf o r w a r d ；l a s t l y , t h i sp a p e ru t i l i z e st h et i m i n ge v a l u a t i o nm e t h o df o rt h e p l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o np r o g r a m so fc o r r i d o r , a n da n a l y z e st h ee i 曲ti n d e x e so f t r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y , q u a l i t ya n ds e r v i c el e v e lr e s p e c t i v e l y , d e v e l o p sar a t i o n a l s y s t e mo fe v a l u a t i n gi n d i c a t o r sa n db r i n g si ti n t od e m o n s t r a t i o na n a l y s i si n t y p i c a l s e c t i o n so fs h a n g h a i - n a n j i n gt r a n s p o r tc o r r i d o r k e y w o r d s - t r a n s p o r t a t i o nc o r r i d o r ；p a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o ns t r u c t u r e ；p a s s e n g e r t r i p ；t i m i n ge v a l u a t i o n ；i n d e xs y s t e m c l a s s n 0 ：u 1 15 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 留梦 签字日期：? 卯7 年_ | ；只b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：秒嗲 签字日期：口夕年易月1 1 日 新躲南功 签字日期：c 7 2 例甲年厂月，r 日 致谢 随着硕士论文即将完成，两年的研究生学习也将要结束，这两年的学习和生 活让我学会了很多，也成熟了很多。一路走来，需要感谢很多曾经给予过我关怀、 支持和培养的人们。 首先，感谢我最敬爱的导师袁振洲教授。导师严谨的治学态度，精益求精的 工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、 平易近人的人格魅力对我影响深远。他渊博的专业知识、开阔的视野和敏锐的思 维给了我深深的启迪。论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的。 在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢! 本论文的i r o n 完成，还应感谢身边诸位好友、实验室的师兄师姐以各位及同 门的鼓励和帮助。尤其要感谢李艳红师姐和赵莉师姐在本文建模最困难的时候给 予了热情的帮助，感谢好朋友明俊和李响在本文数据贫乏的时候全面细致地协助 完成基础数据的搜集工作。 同时还要特别感谢我的父母，他们默默地支持和理解使我在学校的学习和生 活没有任何后顾之忧，能够专心完成论文的撰写工作，也希望我学业的完成能给 我的父母带来欣慰和骄傲。 1 引言 1 1 研究的背景及意义 论文选题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 项目( 编号2 0 0 6 a a l l z 2 0 1 ) “基于需求特征的多种交通方式组合运能优化技术”研究中“综合运输方式组合 运能优化及评价指标体系任务的相关内容。 交通运输业是第三产业，对国民经济和社会发展具有服务性质；同时，交通 运输业又是国民经济的基础产业，是国家进步和社会发展的基础，它的规模和质 量直接决定着社会经济发展的规模和发达程度。长期以来，我国一直是以货运为 主的交通运输体系。但随着经济的发展和人民生活水平的提高，客运任务逐渐加 大，客运比例明显上升，而且客运的增幅也远远高于货运，这种发展趋势表明， 我国的交通体系正经历着由货运体系向客运体系逐步转变的过程，客运在交通运 输中的地位越来越重要。 1 1 1 研究的背景 “十一五 及其后十年是我国全面建设小康社会，实现经济社会整体发展的 重要时期，我国旅客运输发展将面临着供给变化、需求变化和资源约束三方面因 素的影响，需要在错综复杂的情况下进一步明确其发展战略。 供给方面，根据已制定的中长期铁路发展规划，在主要运输通道上将建设 “四纵四横 的铁路客运专线；根据民航的发展思路，机场数量将进一步增加， 机场布局将进一步得到优化；根据全国高速公路网发展规划，将建设“7 9 1 8 高速公路网。运输供给的变化将使中长途旅客运输面临更多选择。 需求方面，随着经济社会发展和人民生活水平的提高，旅客需求快速增加。 1 9 7 8 年、1 9 9 0 年、2 0 0 0 年、2 0 0 7 年全国客运量【l j 分别为2 5 4 亿人、7 7 3 亿人、 1 4 7 0 亿人、2 2 2 8 亿人，相应的全社会客运周转量分别为1 7 4 3 1 亿人公里，5 6 2 8 3 亿人公里、1 2 2 6 1 0 亿人公里，2 1 5 9 2 6 亿人公里，从各阶段两者增幅比较结果来 看，周转量的增幅略高于客运量的增幅，这充分表明旅客的平均出行距离在逐步 延长。另外，除了旅客需求总量将呈现刚性增长外( 见表l - 1 所示) ，旅客运输的 需求结构也会发生重大变化，个体旅客随着支付能力、时间价值等的提高，总是 倾向于以追求个人效用最大化为目标，选择更加舒适和更加个性化的、更加便捷 的运输方式，从而影响运输市场的重新分配，促使新的运输格局形成。 | l1 0 01 7 0 46 8 4 39 5 23 2 82 0 41 5 6 474 6 7 在2 0 0 k m 以内短距离出行中，公路占有优势；l l o o k m 以上长距离出行中，民 航旅客较多，优势凸显；2 0 0 1 l o o k m 中长途距离出行中，铁路占优势。 图3 2 显示京沪通道时间价值与距离的关系： 1 9 鲁 1 1 r j 粤 $ 扈 鲁 5 o 2 0 02 0 0 3 0 03 0 0 5 0 05 0 0 7 0 07 0 0 11 0 0 11 0 0 距离( k m ) 图3 2 京沪通道时间价值与距离关系图 f i g u r e3 - 2d i a g r a mo f t h ev a l u eo ft i m ea n dd i s t a n c e 根据图3 2 ，2 0 0 k m 以下的短途出行，时间价值较高，这主要是由于大城市与 周边中小城市之间客流较大，出差及探亲访友比重较高；2 0 0 , - , 1 1 0 0 k m 出行中，铁 路比重大，时间价值较低，这说明铁路旅客以普通百姓为主，他们收入水平较低； 1 1 0 0 k i n 以上距离段，民航旅客较多，相对时间价值应较高，但由于铁路相对公路、 民航比重较大，综合起来，时间价值较2 0 0 k m 以下距离段要低。 通过统计数据揭示出的旅客行为时间价值，较职工年均工资要高得多，也比 按g d p 计算出的单位时间产值高。原因有两个：一是出行者的收入水平高于全社 会职工平均收入水平；二是在现行体制下，很多单位职工的工资收入仅仅是职工 收入的一部分，许多福利和收入未统计在职工年工资中。 3 3 服务属性的量化 由于各地区社会经济、交通运输发展水平不同，各运输方式的服务属性随着 地区的差别略有变化，但并不影响本文对一般性情况的分析。 1 经济性 旅客接受运输服务的前提是支付相应的运费，各种运输方式所需运费的多少 是旅客选择运输工具时要考虑的重要因素。旅客考虑到经济性因素时，主要是直 接以该运输方式的票价作为依据【2 0 】，再间接考虑中转衔接费用。所以，经济性的 衡量指标g 包括两部分，计算公式如下： q = r 厶+ c x i + c 2 式中：r 一第f 种运输方式的运价率； 厶一第i 种运输方式的运行里程； q 。一旅客出发到车站的费用； e ：一旅客到站后到目的地的费用。 各运输方式的运价率随地区差异略有不同，其参考值见下表3 - 5 2 1 】： 表3 - 5 不同运输方式运价率表 t a b l e3 - 5f r e i g h tr a t e so fd i f f e r e n tt r a n s p o r tm o d e s 方案 运价率( 元人公里) 客运专线 0 4 0 高速公路 o 2 7 航空o 5 0 2 快速性 快速性是影响旅客出行方式选择的主要因素之一。快速性主要是反映旅行的 时间属性，它也反映了旅客出行效率，通常描述快速性的指标有速度和时间，而 对于旅客而言，最直接的反映便是时间，用时间来衡量出行的效率。旅客总的出 行时间包括运输工具的运行时间和市内交通的衔接时间【2 2 1 。市内交通的衔接时间 应包括通道两端的市内交通衔接时间，即旅客出发到车站的衔接时间以及旅客到 站后到目的地的衔接时间。 则快速性的属性值用z 表示： ， 石= 詈+ i + 乞2 lt ， l ，f 式中：z 一选择第i 种运输方式旅客总的出行时间； 厶一第f 种运输方式的运行里程； 形一第i 种运输方式旅行速度； f ，一旅客出发到车站的衔接时间： 气：一旅客到站后到目的地的衔接时间。 各种运输方式的旅行速度和衔接时间的参考值见表3 - 6 1 2 3 】： 表3 - 6 各种运输方式旅行速度表 t a b l e3 - 6t r a v e ls p e e do fd i f f e r e n tt r a n s p o r tm o d e s 方案旅行速度 衔接时间 客运专线2 0 0 3 0 0o 7 高速公路8 0 1 2 0o 4 航 空5 0 0 7 5 01 5 3 方便性 对于方便性属性值的定量描述，由于在快速性属性值中已考虑旅客前往乘车 点的出行衔接时间，这里主要考虑候车时间等因素的影响。 2 l 方便性属性值用e 表示。当第f 种运输方式采取公交化模式运营时，旅客的平 均候车时间为发车间隔时间的一半。而当发车数目较少，采用定点发车时，旅客 的候车时间需进行专门调查确定。航空候机时间取1 5 小时【2 2 1 。 e = k l n + k 2 d 式中，为相应方案在起讫点间所需换乘交通工具的次数；d 为相应方案所 需的候车时间；厩、k 2 为换乘次数、候车时间的权重系数。 根据相关研究，各运输方式的平均候车时间取值如表3 - 7 2 3 】： 表3 7 各种运输方式候车时间表 t a b l e3 - 7w a i t i n gt i m eo fd i f f e r e n tt r a n s p o r tm o d e s 方案候车时间 客运专线0 5 0 高速公路 o 2 5 航空 1 5 0 4 舒适性 舒适性是现代旅客交通运输追求的服务特性之一，它包括列车运行的平稳性、 坐席的舒适性、旅客在旅行过程中就餐、如厕以及活动身体的方便性等。该项属 性一般不易定量表示，但为了在效用函数中体现各种运输方式的舒适度特性，必 须将舒适度量化。对旅行中人均占有的空间大小、运输工具行驶过程中的振动加 速度等量化指标进行标度处理，形成舒适度属性值的无量纲指标c 。 c = k s + k 2 c 。 式中，e 为交通工具上人均占有的空间大小；c a 为交通工具运行过程中坐席 的平均振动加速度峰值；k l 、k 2 为人均占有空间因素和振动因素对舒适度的影响 系数。 旅客追求舒适度的目的是减轻旅行的疲劳。引入疲劳程度指标e ，并取值为 舒适度指标的倒数，即f o = 1 c 。 旅客乘车的疲劳感觉随着旅行时间的增加而急剧增强，因此，对各方案的疲 劳程度指标要考虑旅行时间的因素加以处理。根据有关研究资料，旅客的疲劳感 约在旅行三小时后开始逐渐增强，在此，把疲劳程度指标引入旅行时间的修正公 式如下： f = f o x + 吩m a x ( 。，弓一。) = 磊 1 + 吩m a x ( 。，瓦l 一。) 式中，昂为疲劳程度指标基本值；q 为考虑旅行时间的疲劳程度修正系数， 按每小时增加l o 考虑， a s - - 0 1 ；弓为主要交通工具的旅行时间( h ) ；0 为旅 客疲劳感开始逐渐强烈的旅行时间( h ) ；三为旅行距离( k m ) ；矿为主要交通工具 的旅行速度( k m h ) 。 取三种交通工具的人均占有空间和振动加速度如表3 - 8 2 4 1 所示。 表3 8 不同交通工具的舒适性指标 t a b l e3 - 8c o m f o r ti n d e xo fd i f f e r e n tt r a n s p o r tm o d e s y 人均占有空间( m 6 )振动加速度峰值( r i g s 2 ) 方案 火车3 0 2 1 汽车 1 44 5 飞机 1 62 0 5 安全性 安全性是旅客出行的必要条件，是影响旅客选择运输方式的重要因素。从交 通事故发生概率来讲，无疑铁路具有安全稳定的特点，事故率相对较低，几乎不 受自然、天气的影响，并且不像民航那样一旦发生事故无可挽回。与公路、航空 相比更为安全可靠【2 5 1 。对于安全性属性值的量化，根据各种运输方式的事故伤亡 人数比例进行设定取值，则方案的安全属性指标见表3 - 9 2 4 1 ，用s 表示： 表3 - 9 各种运输方式安全性参数 t a b l e3 - 9s e c u r i t yp a r a m e t e r so fd i f f e r e n tt r a n s p o r tm o d e s 芝事故死亡率( 人亿人公里) 方案 火车0 0 1 8 汽车1 9 2 0 0 飞机0 1 4 0 4 基于旅客出行行为的综合运输通道客运结构优化配置模型 目前，国内外对于运输通道客运结构配置的研究大多借用城市交通分配理论 中基于l o g i t 的交通方式划分模型【2 6 】，采用p r o b i t 或具有p r o b i t 一些优点的l o g i t 模型的改进形式，如d o g i t 、b c l 等【2 7 1 。但是，基于l o g i t 模型的旅客出行分配模 型有很多局限性，如不能反映各运输方式的运能限制及时间、空间上的竞争特性； 效用函数的确定依赖于个体的出行行为调查，参数估计非常困难；解决多o d 点 对分配问题比较困难等。因此，一些学者将旅客时间价值( v o t ) 视为随机变量 【2 8 】【2 9 】【3 0 1 ，建立了比较直观的方式分模型，克服了l o g i t 模型的上述局限性；还有 学者针对不同的出行距离和时间价值分析了高速铁路的最优定价p ，以及针对动 态随机交通网络提出交通选择熵模型等【3 2 】【3 3 】【3 4 】，但总的来说，还缺乏将这些方法 结合在一起的综合性研究成果。 本文认为，探讨运输通道内客运结构的优化问题，就是要解决在一定条件下， 比如出行的经济性、出行的舒适程度、出行的方便性等因素固定，区域间的总的 客运需求在不同的交通方式之间的合理分配模式，即区域通道内各种交通方式的 客流量分担率，以便评估通道内各种运输方式对运输需求的适应情况，为通道增 加新的交通供给、确定合理的建设时机、提高运输通道资源利用效率提供参考依 据。 4 1 综合运输通道内客运结构模型的建立 本章针对综合运输通道的客运结构配置问题，结合不同出行距离、不同收入 水平的旅客对运输方式服务属性的评价，用数学期望表示旅客出行的效用，建立 了不确定条件下运输通道内各种运输方式旅客最优客运量分担模型，并设计了基 于随机模拟的遗传算法，从而实现运输通道内的客运量最优分担。 4 1 1 效用函数的建立 效用函数是指出行的经济性、快速性、方便性、舒适性、安全性等因素的综 合体现。旅客选择某一种交通运输方式的效用值随着该交通方式客流的需求而变 化，因此，这种效用跟客运量是相互影响的。只有准确地掌握旅客对各种运输方 式的效用函数，才能准确地计算各种运输方式的客运分担率。本文采用幂函数形 式的效用函数【划： f ( q j ，等) = 口( 联) 6 - 嚣= 口( n x 6 。( 4 - 1 ) ( q c ? + 岛? + 岛霹+ 幺f + 岛掣) + 等 氲= ( 掣，管) n = 备选交通方式) 式中：s 为运输通道内o d 对的集合，s s ；n 为与o d 对对应的运输方式 的集合；毒为第j 个o d 对( s s ) 之间运输方式的效用；群为第s 个o d 对之间运 输方式押的客运量( 人) ；c 为运输方式，z 的经济性属性值；f 为运输方式n 的快 速性属性值【3 1 】：f 为运输方式以的方便性属性值【3 l 】；f 为运输方式，l 的舒适性属 性值；研为运输方式聆的安全性属性值【3 1 】；a 、b 为待定参数，根据统计资料或 试算法计算得到；为第f 项服务属性的权系数；等为第j 个o d 对( s s ) 之间第 刀种运输方式效用函数的不确定项。 效用函数的不确定项决定着客运量分担率模型的形式，假设运输方式，l 的效用 等服从正态分布( ，雕) ，为鼠q + 幺? + 岛群+ 幺f + 岛霹，则关服从，z 维 联合正态分布( 以，4 ) ，即与o d 对s ( s s ) 之间运输方式以0 n ) 的效用的数 学期望为 = i 厂( 鳏，等) 矽( 等) d 笄f ，d ( 缶) = ( 2 万) 一 ，21 1 4 - 1 2c x p i 一圭( 一从) 4 ( 点一以) ( 4 3 ) 4 = ( ) 式中：( 关) 为分布密度函数；4 为协方差矩阵，反映了运输方式之间的相 关性。 i = j ( i n ，) 时d 蹦为，当f 时，为刚( o o ) ( 4 - 4 ) 【乞( 。i n ) ( 吼n = 0 ) 式中：表示o d 对j ( s s ) 之间第n ( 以) 种交通方式的出行效用数学期望， g 劬) 表示均衡状态下，o d 对s ( s s ) 之间最小的出行效用数学期望。 根据随机规划理论【35 1 ，构造与式( 4 4 ) 等价的数学规划模型来描述区域间多 种运输方式条件下的用户选择行为： m i n z ( 矿，缶) = i r n 三fm ，彘) 出矽( 彘) d 氲 ( 4 5 ) 赋鳄- - q , ( 4 - 6 ) 靠0 ( 4 - 7 ) 第s 个o d 对之间运输方式n 的客运量分担率为 m ? = 彰q ( 4 - 8 ) 具有多个o d 点对的运输通道，第n 种运输方式占全线总的客运分担率为 m ”= e l , q ：厶q ( 4 - 9 ) _ _ o o s e ss e s 式中：酣为第j 个o d 对间运输方式n 的客运量( 人) ；q 为第s 个o d 对间 的客运量( 人) ；厶为第s 个o d 对间的距离( k m ) 。 其中，出行效用函数的自变量是不同交通方式的客运量，即= 厂( 鲜，鼻) ， n ( 刀) ；约束( 4 6 ) 表示区域间总的客流需求是已知并且固定的；约束( 4 7 ) 为变量的非负约束。 ( 1 ) 模型的等价性证明 构造式( 4 5 ) ( 4 7 ) 的拉格朗日函数，仇、1 ，? 是拉格朗日乘子，根据 k u b _ n - t u c k e r 条件，l 在极值点必须满足 = z ( 钟，缶) + 仉( q 一酲) + 嵋( o 一鳄) ( 4 - 1 0 ) 对上式求偏导数 嚣= 肌移删驯磊飞一w ( 4 - 对( 4 1 1 ) 化简并整理得 嚣母”恻 ( 4 - 1 2 ) 如果矿 0 ，必有彬为0 ，即 = 仉 如果q ? = 0 ，必有嵋 0 ，即 仇 ( 2 ) 模型的凸性证明 对每一个确定的磊，记 g ( 群，磊) = h e n 肌而触 ( 4 1 3 ) 对任意给定的解玩、g ；和五 o ，1 ，由期望值算子的定义 g 2 q ：+ ( 1 一五) 彩，缶 a g ( 玩，磊) + ( 1 一五) ( g ；，晏) ( 4 - 1 4 ) e g 五g ：+ ( 1 一名) 菇，缶 兄研g ( 毹，六) 】+ ( 1 一旯) 研g ( g ；，彘) 】 ( 4 - 1 5 ) 因此，目标函数 r a i nz ( q f ，彘) = e g ( 酊，晏) 】 关于矿也是凸函数，又因为式( 4 - 6 ) 和式( 4 7 ) 都是线性函数，线性函数既 是凸函数又是凹函数，符合约束条件为凹函数的条件，所有由式( 4 5 ) 一( 4 - 7 ) 组成的数学规划模型为凸规划。 4 2 优化模型的求解算法 旅客最优的客运分担量模型属于期望值模型，本文采用基于随机模拟的遗传 算法【3 5 】对其进行计算求解，步骤如下： ( 1 ) 输入节点之间运输方式的种类数、节点之间的客运量、计算出行效用的 相关变量和参数、种群数p o ps i z e 、交叉率只和变异率只。 ( 2 ) 按照浮点型表达形式，即每个染色体编码( k ，妇) 应为实 数向量，并且与解向量( g ：，g ；) 等长，产生初始解向量等于种群数，利用蒙特 卡罗方法计算所有解向量的目标函数值。 对于旅客最优的客运量分担率模型，令 g ( 缶) = s ；sh e nf m ，触 ( 4 - 1 6 ) 4 - lnj 由式( 4 6 ) 估算目标函数值为 撕磊) 2 吉萎否g ( 劲 ( 4 - 式中，缶。，六：，知为由正态分布函数( 六) 产生的随机变量；m 为抽样个 数。 ( 3 ) 对染色体进行交叉和变异操作，并检验后代染色体的可行性。 交叉操作：定义参数为交叉概率。为确定交叉操作的父代，从i 到p o p s i z e 重复以下过程：从 0 ，1 中产生随机数，如果， ，则选择巧作为一个父代。假 设( k ，k ) 为交叉操作的一个父代，从开区间( o ，1 ) 中产生一个随机数c ，则 交叉操作按以下方式进行，产生两个后代x 和】，： x = c k + ( 1 一c ) v 2 y = c k + ( 1 一c ) k 。 i 变异操作：定义参数己为变异概率。为确定变异操作的后代，从 f = 1 至忉印一s i z e ，重复下列过程：从 o ，1 中产生随机数，如果厂 己，则选择k 作为变异的父代。对于每个选择的父代，用v = ( x i ，吒，) 表示，按下列方法 进行变异： 定义一个足够大的数m ，以保证遗传操作能遍及整个可行集。在尺“中随机选 择变异方向d ，如果矿+ m d 可行，则变异的后代x 就为矿+ m d ；否则，则置膨 为0 和膨之间的随机数，直到矿+ m d 可行为止。 ( 4 ) 根据目标函数值由小到大将解向量排序，并保留最好的目标函数值和解 向量。 ( 5 ) 根据目标函数值，采用基于序的评价函数【3 6 1 计算每个解向量的适应度。 评价函数：设该代染色体为k ，圪，吆咖，根据染色体的优劣给出一个由 好到坏的序关系；染色体越好，序号越小。设参数口e o ，1 给定，基于序的评价函 数定义为： e v a t ( k ) = 口( 1 一口) 卜。，f = 1 , 2 ，o o tp o p s i z e ( 6 ) 对解向量进行遗传选择操作，并使用解向量检验子函数检验后代的可行 性。 选择过程：根据每个染色体适应函数值的大小运用轮盘赌选择【3 7 】( 比例选择 法) 、最优解保存法和模拟退火算法中基于m e t r o p o l i s 判别准则的策略相结合的方 法进行群体选择，产生下一代群体。由于轮盘赌选择方法是基于概率选择的，存 2 8 在统计误差，所以对算法进行改进，即父代群体中的最优个体直接进入子代群体 中。具体操作如下： 计算出群体中每个个体的适应度值正，i = 1 , 2 ，p o p s i z e ； 适应度最优的个体直接进入下一代群体中； 利用比例选择算子的公式，计算出每个个体被遗传到下一代群体中的概率 k 退= f j | 了i 唰嘲f ? ； o j o 计算出每个个体的积累概率q = ，只； 在 o ，1 区间内产生出一个均匀分布的随机数厂； 若，c l ，则选择个体1 ，否则，选择个体k ，使吼一。 ，吼成立： 重复共m 次； 轮盘赌法选择一个染色体后z ，剩余群体中随机选择一个染色体，f 和竞 争进入下一代群体的准则采用m e t r o p o l i s 判别准则：令a f = 巧一e ，若a f 0 ，则 把染色体j 复制到下一代群体；否则产生 0 ，1 】之间的随机数，如果 ， 1 时，表示方案属于滞后建设，且此时的7 7 值越大， 规划方案的建设紧迫性也越大。 如考为线路经济饱和度 建设的滞后程度越大， 玎 1 时，表示方案属于超前建设，此时r 值越小，建设超前程度越大，资源配 置效率就越低，反之亦然。 鉴于相关资料搜集困难，实例中对单位运能环境污染损害成本、单位运能能 源消耗量指标暂不做讨论。 综上所述，规划方案建设时序评价指标体系如图5 2 所示： 图5 2 规划方案建设时序评价指标体系图 f i g u r e5 - 2i n d i c a t o r ss y s t e mo ft i m i n ge v a l u a t i o no np l a n n i n gp r o g r a m 3 6 6 实例应用与分析 6 1 京沪运输通道概况 京沪通道在国家综合交通基本网中具有十分重要的地位，该通道纵贯北京、 天津、河北、山东、江苏、上海等省市，沿途地区的社会指数状况如表6 1 所示。 它表明该地区是世界上最大的政治、经济和文化通道，是由既有和规划中的京沪 铁路线、京沪高速公路及主要国道线、京杭大运河、航空运输线等共同构成的大 型交通运输走廊。其中铁路线包括既有京沪铁路、京沪高速铁路、京津城际铁路 和沪宁城际铁路等；公路包括1 0 3 国道、1 0 4 国道北京一南京段、1 0 5 国道北京一 德州段、2 0 5 国道天津一海安段、3 1 2 国道南京一上海段、京沪高速公路、京福高 速公路北京一南京段、京津塘高速公路、京津高速公路第二线、规划中的京津高 速公路第三线和沪宁高速公路；水路包括济宁以下的大运河和长江南京一上海段； 航空运输线包括京沪、京宁、京济、津沪和济沪等航线及相关机场。京沪通道不 但属于国家综合交通基本网中的主干线，同时也分别属于铁路、公路、水运、航 空各种运输方式基本网中的主干线，其运输地位的重要性在国内综合运输通道中 非常典型。 表6 1 北京上海铁路沿途地区社会指数 t a b l e6 1s o c i a li n d i c a t o r so ft h ea r e a sa l o n gb e i j i n g - s h a n g h a ir a i l w a y 初级工业产品二级工业产品第三产业产品 面积1 0 4 k i n 2人口万人g d p 亿元 亿元亿元亿元 通道6 2 33 2 6 3 73 0 4 9 74 0 1 01 4 6 5 41 1 8 3 3 全国 9 6 01 2 1 1 9 78 1 9 1 11 4 4 5 74 0 4 1 82 7 0 3 6 通道全国 6 52 5 93 7 22 7 73 6 34 3 8 数据来源于中国2 0 0 0 年统计年鉴 京沪通道是我国东部地区最重要的运输大动脉。不仅连接环渤海和长江三角 洲两大经济区及城市群，而且涵盖着内部相随的京津和沪宁等若干子通道。并与 关内外通道、北煤南运通道、沪汉蓉沿江通道等其它重要通道的部分路段重合， 又与数条东西向大通道相交。虽然运输线路众多，但沪宁通道依然是目前全国最 繁忙、运输密度最大的运输通道。据粗略估计该通道上大约集中了国内旅客运输 总量的1 0 ，特别是京津段和沪宁段处于高度紧张的状态。京沪铁路一直是中国 最繁忙的铁路干线，其沿线人口占全国人口的1 4 以上，其运输密度是全国铁路平 均水平的4 倍。在这条长度仅占全国铁路营运线2 的线路上，每年却承载着全国 3 7 j l 塞窑通厶堂班坐位垃奎 塞倒廑田与盐蚯 1 0 2 的客运量和72 的货物周转量】。随着沿线经济的发展交通运输需求仍 然在不断的增加，运输瓶颈将进一步凸现，增加沿线运输能力成为当务之总。 目前在既有京沪通道运输方式中，中长途旅客运输铁路所占份额超过5 0 。 高速铁路建成后，年输送旅客单方向可达8 0 0 0 余万人次，铁路旅客运输将发生质 的飞跃，向更高层次、多元化服务方向发展，其大运能、高密度、快速、安全、 舒适等特点将在综合运输体系中显示无可比拟的优势，旅客运输发展前景广阔， 未来京沪通道铁路旅客运输份额还会有较大提高。 ：甜丑 _ _ _ _ r 。 少 图6 - 1 规划建设中的京沪高速铁路 f i g u r e 6 - 1 埘曲印。甜虺i l w a y i n - b u i l d i n g b e t w a b 面i n g s h a n g h a i 6 2 沪宁段发展规划 沪宁段主要包括南京、镇江、常州、无锡、苏州、上海6 座城市，己形成以 上海为龙头的城市密集带，沿线地区己形成了由特大城市、大城市、中等城市、 小城市、县城、乡镇组成的多级城镇体系。全区城镇密度达到1 3 5 个万k m 2 ，其 中县级城市密度为1 8 6 个历k m 2 。区域平均人1 1 密度1 1 4 1 人船n 2 为全国平均水 平的8 5 倍。现已基本形成南京、苏锡常和上海三大都市圈，其中苏锡常都市圈较 大的区域又被上海都市圈所涵盖。区域内客货运输需求巨大，既有道路系统己经 无法满足，因此，形成了一系列的交通规划，以缓和运能不足的局面，尤其是公 路和铁路。 铁路方面，根据国务院批准的中长期铁路网规划和长江三角洲地区城 际轨道交通规划( 2 0 0 5 2 0 2 0 年) ，沪宁通道将新建京沪高铁、沪宁城际铁路， 同时还有京沪既有铁路，三者共同承担通道中繁忙的客货运输任务。 1 京沪高铁沪宁段 根据规划，未来京沪高铁沪宁段全长2 9 3 k m ，仅设车站8 个，平均站间距超 过4 0 k i n ，基础设施速度目标值为3 5 0 k m h ；沪宁城际轨道交通线全长2 9 6 k m ，设 站3 0 个，平均站间距l o k m ，速度目标值为2 0 0 - - - , 2 5 0 k m h 、线间距4 4 - , 4 6 m ；既 有沪宁铁路全长3 0 3 k m ，全线共设车站4 3 个，平均站间距7 2 k m 但办理客运的车 站仅1 5 个，平均站间距2 0 k m ，速度目标值为1 6 0 2 0 0 k m h 。京沪高铁将主要承 担沿线地区对外的中长距离客流和通过本地区的长途客流，同时兼顾部分沿线地 区大城市之间点到点的客流。而既有沪宁铁路以货物运输为主，兼顾少量中长途 普速客车。 2 沪宁城际轨道交通 沪宁城际轨道是长三角地区城际客运铁路规划网的主骨架，是构成城际线网 宁沪杭甬“z ”型主轴的重要组成部分。线路全长约2 9 6 公里。具体线路位于现 有沪宁铁路的北侧，自新建的上海南站引出，经苏州、无锡、常州、镇江至南京 枢纽的南京站，基本与沪宁铁路平行：在铁路等级上属于客运专线，按双线建设， 设计区段旅客列车速度为2 0 0 公里小时。列车采用电力牵引，运行时自动控制。 全线共设2 7 座车站，平均站距约1 1 公里，建成后，沪宁城际轨道线日单向客流 可达1 2 万人次，南京至上海只需1 个半小时。项目建设工期4 年，是长江三角洲 地区城际网的重要组成部分，规划于2 0 1 1 年前建成。 规划建设总投资为2 6 4 亿元，其中工程静态投资2 1 4 亿元，建设期贷款利息 1 0 亿元，动车组购置费4 0 亿元。线路引入上海站时，将与拟建的七宝站通过联络 线相接。引入南京站后，规划与拟建的南京南站通过联络线相接。 沪宁城际轨道主要服务于沿线各城市、次中心城镇、城市组团之间的区域旅 客交流，是密集开行公交化列车的新型快速客运铁路，以短距离旅客运输为主， 兼顾少量跨线客车。开行2 种旅客列车的客观需求，以及以人为本，方便旅客， 列车开行尽量周期性、规格化、节拍化的原则，此线每小时在开行2 列大站直达 列车后，还可开行1 6 列站站停列车，即总通过能力为1 8n 单向小时，最大输送 能力为3 1 万人单向小时，能够满足远期高峰小时1 6 万人( 单向) 的能力需求， 并适当留有余地。沪宁城际轨道交通单向输送能力高峰小时达1 6 万人，远景年输 送能力为6 0 0 0 万人。建设该项目可有效扩大沪宁通道运输能力，缓解运输能力紧 张局面。 公路方面，沪宁段的规划项目较多，包括苏沪高速公路、沪苏浙高速公路、 沪宁高速公路扩建以及江南沿江高速公路等等。 6 3 客运结构优化模型应用 3 9 ( 一) 背景数据的收集与整理 本节的数据来源：2 0 0 2 年相关数据来源于国家发展和改革委员会综合运输研 究所在当年对京沪通道客运的调查与统计；2 0 0 7 年数据来源于“基于需求特征的 多种交通方式组合运能优化技术”课题前期调研数据。 为简化研究的问题，假设各种运输方式的线路长度相等，行程时间仅与技术 速度有关。票价按等费率计算( 不考虑距离折减) 。只考虑北京、天津、济南、南 京、上海5 座城市的单向客流分离问题。 表6 2 为各o d 点间线路长度，表6 3 为京沪通道结构配置现状，表6 4 为通 道内各方式的运营参数，表6 5 为各种运输方式单位出行费用。 其中，规定长距离出行为距离大于1 1 0 0 k m ( 包括上海天津、北京；南京 北京；3 个o d 点对) ，中距离为出行距离在2 0 0 k m - - 1 l o o k m 之间( 包括济南；南 京济南、天津；济南天津、北京；5 个o d 点对) ，短距离为小于2 0 0 k m 的出 行( 包括上海南京、天津北京2 个o d 对) 。 表6 2 京沪通道多个o d 对之间的距离 t a b l e6 - 2d i s t a n