数值计算方法在公路交通需求预测中的应用

数值计算方法在公路交通需求预测中的应用摘要：贵州是我国西部多民族聚居的省份，也是贫困问题最突出的欠发达省份，交通基础设施薄弱，工程性缺水严重，生态环境脆弱。"十二五"时期，贵州省全面加快铁路、公路、水运、民航、城市交通发展，建成开通了贵广、沪昆（贵阳至长沙段）高铁，实现了县县通高速公路以及每个市（州）有一个机场。贵州省17.62万平方千米的土地面积中山地和丘陵占了92.5%，特殊的地理条件一直以来都阻碍了贵州交通的大发展。随着西部大开发的大力推进，以及“工业强省”和“城镇化带动”两大战略的实施，贵州省的交通业得到了前所未有的发展机遇。贵州省交通发展的现状，是贵州省省两大战略实施进度的折射，直接或间接地影响到了全省全面开发的进度和全省人民进入小康社会的进程。了解贵州省交通发展的现状，能为我们大学生未来的学习规划提供方向。关键词：数值计算方法；公路交通；公路货运；交通运输Abstract:GuizhouisaprovinceinhabitedbymanyethnicgroupsinwesternChina,isalsothemostprominentunderdevelopedprovinces,transportinfrastructureisweak,engineeringwatershortageserious,ecologicalenvironmentfragile."Twelve-Five"period,Guizhouprovincetoacceleratetheoverallspeedofrailways,highways,water,civilaviation,urbantransportdevelopment,completedtheopeningoftheexpensive,ShanghaiKun（GuiyangtoChangshasection）high-speedrailway,therealizationofthecountyandCountyExpresswayandeachcity（state）hasanairport.Thelandareaof176，200squarekilometersinGuizhouprovinceoccupies92.5%，andspecialgeographicalconditionshavehinderedthedevelopmentoftrafficinGuizhou.WiththegreatdevelopmentoftheWestandtheimplementationofthetwostrategiesof"strongindustrialprovince"and"urbanizationDrive"，thetrafficindustryinGuizhouProvincehasbeengivenanunprecedentedopportunityfordevelopment.ThepresentsituationofthedevelopmentoftrafficinGuizhouProvinceistherefractionoftheprogressofthetwostrategiesinGuizhouprovince,whichdirectlyorindirectlyaffectstheprogressofall-rounddevelopmentofthewholeprovinceandtheprocessofpeopleenteringawell-offsociety.TounderstandthecurrentsituationoftrafficdevelopmentinGuizhoucanprovidethedirectionforourcollegestudents'futurestudyplan.Keywords:numericalcalculationmethod;roadtraffic;roadfreight;transportation

目录第1章绪论 第1章绪论 1.1研究背景和意义当前，在高速公路设计中，由于通道和桥梁等结构物高度的限制，路堤填土高度往往较高。一般在3.4-4.0m之间。如开洛高速公路开郑段平均填土高度为3.7m，个别路段达到7.5m;沪宁高速公路路堤平均填土高度为3.7m，最高达到12m。高路堤有其优点，它可以保证路基工作区处于干燥状态，防止路基冻胀翻浆。但高路堤的缺陷也是不言而喻的。（l）路堤用土量大，取土占地多、破坏地表植被，引起水土流失，减少耕地面积。（2）公路占地宽度增加，增加了征地拆迁费用，提高了工程造价。（3）沉降量大，边坡陡竣，容易遭暴雨冲刷出现塌方，边坡防保加固工程量大，养护困难，费用较高。（4）施工难度大，需要机械数量多，工作时间长，增加了施工工期。（5）自然景观被破坏，与周围环境不协调，不能满足人们视觉、心理上的舒适、安全的需要。曾经有不少先进国家的学者来我国考察公路建设，他们都惊叹我国的高速公路像一条条堤坝高耸在大地上，看似壮观，实为削煞风景，破坏自然景观，而且隐患重生。为了克服高路堤的不足，人们开始尝试低路堤。一般认为，低路堤为填土高度在2.5m以下的路堤。然而，大量的工程实践表明，这种定义方法存在着明显的不足。笔者认为，高、低路堤的划分不仅要看路堤的高度，更重要的应该看车辆荷载对路基的影响情况。在填土较低的路堤中，车辆荷载没有在路堤内得到充分扩散就传递到路基中，加剧了路基的沉降变形。同时，车辆荷载引起的振动也容易导致路基土层的不均匀沉降，而这种不均匀的累计沉降对路面结构的受力影响较大，缩短了路面的使用寿命。对高速公路来说，路基的工后沉降和不均匀沉降是影响公路使用的两大因素，因此，研究车辆荷载对低路堤高速公路路基的影响十分必要。根据交通部印发的“关于在公路建设中实行最严格的耕地保护制度的若干意见”的指导思想，高速公路建设采用低路堤和浅路堑方案，节约不可再生的土地资源，走可持续发展的道路，是今后高速公路建设应重点解决的问题。1.2国内外研究现状subei提出了一种有限元和边界元相结合的方法，用于分析路堤、路基在交通荷载作用下的变形及应力情况。采用有限元法分析荷载作用点区域的变形，而采用边界元法分析场地较远区域的变形，还考虑了道面板连接缝的传荷能力。不过他只考虑了材料的弹性变形，未考虑塑性变形，交通荷载作为静荷载考虑。王林玉采用动态弹塑性有限元法，对交通荷载作用下路堤和软土路基共同作用问题进行了分析，研究了单层路基、成层路基及机场跑道在单次动力荷载和循环荷载作用下的变形规律，讨论了土体弹性模量、塑性参数、加载形式和阻尼等对道面、路堤和软土路基的应力和变形的影响。其采用的是总应力动力分析法，未考虑动荷载作用下软土路基中孔隙水压力对软土动力特性的影响，有限元计算结果明显偏大。许金余将车辆一道面一路基作为一个相互作用的动力系统，采用有限元法对弹性半空间路基上刚性道面板的动力响应进行了计算分析，其计算结果现场实测值吻合很好。江静贝运用二维有限元土层地震反应程序，利用建筑抗震设计规范中基岩加速度反应谱拟合的人工地震波作为基底层的输入运动，分别对四种常见的高速公路复合路基进行了计算。计算分析表明，经过加固的复合路基，地面的地震反应都有不同程度的降低，加固的方法不同，降低的程度也不相同。黄明聪编制了有限元程序，分析了地震荷载作用下天然路基和复合路基的地震响应，用线性、非线性、分时段线性方法分析了加固区、加固区边缘、下卧层以及桩间土和桩顶的振动位移、速度、加速度时程曲线和振动幅值。李海晓编制了上部结构和路基相互作用的动力反应分析有限元程序，分析了路基地震作用的动力反应，考虑了路基模量及软土路基加固深度的影响。研究了软土路基和上部结构相互作用时的地震动力反应。研究表明，当软土路基加固深度不大时，地震动力反应随加固深度变化不明显；当加固深度较大时，地震动力反应规律比较复杂，要与软土路基模量和加固体模量等因素综合考虑，土体模量较小时，体系的地震动力反应幅度较大，土体模量较大时，体系的地震动力反应幅度较小。加固区弹性模量、地震荷载作用范围对软土路基与上部结构相互作用时的动力反应有明显影响。侯永峰采用动态弹塑性有限元分析了道路的变形性状，研究了软土路基的加固范围、置换率以对软土路基变形性状的影响。LEI等建立了轨道一车辆祸合体系的有限元动力模型，将体系分为两个子结构，上部子结构为车辆，用十个自由度来模拟，下部子结构为轨道，枕木考虑为离散支撑，得到了体系在时间域和频率域的响应。WU等采用有限元法，基于车辆及其悬挂体系的动力平衡，推导了车辆的动力特性矩阵，分析了多轮车辆作用下轨道和车辆的动力响应，其中，考虑了车辆惯性力、车辆悬挂体系对体系响应的影响。可以看出随着计算机发展，数值计算技术突飞猛进，有关交通荷载对路基的影响的数值计算取得了许多有用的成果。但很少涉及到低路堤条件下的交通荷载作用，随着低路堤公路的推广，交通荷载对低路堤高速公路路基影响研究不仅会有较高的理论价值，而且会有良好的应用前景。第2章公路交通需求现状研究2.1当前贵州省交通系统面临的主要问题和原因贵州省从2000年起连续几年实施大规模的路网结构改造后，基本消灭了低等级公路和差等路，干线公路网基本形成。至2011年，贵州省公路建设已形成以贵阳为中心，以高速公路和一，二级公路为主骨架的纵横交错的公路网络，贵广高速公路贵州段已全部贯通，全省公路线路里程达到157820千米，其中高速公路2023千米。而全省高速公路总里程将在今年年底达到3281千米。以贵阳为中心的公路网络，纵向是国家兰海高速公路G75线崇溪河至新寨，通往渝，桂；横向是国家沪昆高速公路G60线鲇鱼铺至胜境关，通往湘，滇；联线是玉屏至铜仁，贵阳至毕节，关岭至兴义，黄果树至水城。这个公路网，省外接重庆等5个周边省，直辖市，自治区至全国。今年年底贵州省将建成高速公路651公里，高速公路通车里程突破3000公里，达到3281公里。新增8个县通高速公路，通高速公路县达到68个；新增两个高速公路出省通道，形成9个高速公路出省通道和贵阳到兴义的双通道连接。至2014年底，全省公路通车里程达17.91万公里。其中，等级公路10.76万公里，占公路通车里程的60.07%；二级以上的高等级公路8897公里，占公路通车里程的5%；等外公路7.15万公里，占公路通车里程的39.93%；高级、次高级路面8.02万公里，占公路通车里程的44.8%；公路密度为每百平方公里101.69公里，63.8%的建制村实现通畅。全省公路客运量8.02亿人、旅客周转量412.92亿人公里、货运量7.8亿吨、货物周转量776.95亿吨公里，内河客运量1932万人、旅客周转量5.19亿人公里、货运量1337万吨、货物周转量30.94亿吨公里。“十二五”以来，在省委、省政府的正确领导下，在国家有关部委的大力支持下，全省交通战线干部职工克难攻坚，砥砺奋进，大力实施高速公路建设、水运建设三年会战，普通国省干线公路建设攻坚，“四在农家•美丽乡村”小康路行动计划，“多彩贵州•最美高速”、“多彩贵州•平安高速”创建活动（简称“两会战一攻坚一行动两创建”），交通运输呈现出“投资高位增长、建设加速推进、通道加快形成、网络覆盖扩大、运输能力提升”的良好态势。2014年投资达1185.64亿元；高速公路通车里程达4002公里，通高速公路的县（市、区）达79个，形成10条高速公路出省大通道；启动环贵州高速公路南部三州段建设。建设国省干线公路改造项目3139公里。实施通村沥青（水泥）路3.99万公里，通客运建制村比例达72.7%。开工建设水运项目11个，建成西南水运出海中线通道（贵州段）航运扩建工程、乌江（乌江渡-龚滩）航运建设工程、三板溪库区航运建设工程，1000吨级运输船舶投入使用，改写了贵州无高等级航道的历史。今天，当人们行进在贵州各主要干线公路上，感受到的不仅仅是四通八达，处处坦途的高等级公路，还能享受到“车在绿中走，人在画中游”的旖旎风光。2.2贵州省公路交通需求分析2.2.1城市交通现状需求状况贵州省是一个不沿江、不沿海的山区省，特殊的地理、经济条件决定了贵州综合交通运输体系的结构特点：全省没有海运，内河航运所占比重较小，山区铁路运输发展难度较大，航空运输起步较晚。因此，公路运输成为贵州省主要的交通运输方式，承担了全省大一部分的客货运量。在西部开发以来近八年里，公路客货运总量占全省客货运总量的90%和70%左右。2016年，贵州省全省旅客运输量总计为74440万人，其中公路旅客运输量为70377万人，占全省的95%；全省货物运输量总计为2678了万吨，其中公路货物运输量为18834力一吨，占全省的70%。公路交通在贵州省交通运输业中的有着重要的地位和举足轻重的作用，对贵州省社会经济发展的影响巨大。2.2.2贵州省公路交通主要问题公路技术等级偏低。长期以来，贵州省等级公路发展平稳，二级及以上公路发展趋势较为缓慢，且占公路通车里程比重较低。至2007年底，全国等级公路里程比重为70.7%，贵州省等级公路里程比重仅为45%，远远低于全国水平。其中，二级及以上公路占全省公路通车里程的3%，占全省等级公路里程的6.67%，分别低于全国平均水平7%和8%。贵州省公路交通发展不足，特别是高等级公路发展不足，制约着贵州经济社会的发展。公路设施建设筹资能力不足。贵州省经济的相对落后，使得城市化水平较低，投资环境较差，市场化融资手段在贵州省道路交通基础设施建设中运用不顺畅，道路交通建设资金仍然主要依靠国家补助和银行贷款，筹资渠道较为单一。尽管国家在贵州省道路交通投入方面给予了较大的倾斜，但由于省内经济总量小、各经济产业属于发展时期，地方财政收入微薄，财政在道路交通建设方面投资能力不足，且还贷能力不足。因此，筹款能力不足是制约贵州省公路建设发展的主要因素。“十五”期后，贵州省重点公路建设正处于高投入期，已完成的公路项目进入了还贷期。由于交通量小，仅依靠征收通行费来还贷还不能实现。再加上路网建设和改造的资金需求庞大，贵州省公路建设资金缺口很大，交通扶贫任务十分艰巨。目前，贵州省高速公路网中己建成高速公路924公里、在建高速公路808公里，达到标准的公路里程占规划总里程的13.50/0。未来高速公路网建设所需资金约4400亿元，己争取中央和省财政资金1560亿元，资金缺口高达2840亿元，这对贵州省道路交通设施建设资金的筹集提出了很高的要求，对公路交通的发展提出了很大的难题。公路交通安全现状差。贵州省内沟壑纵横的地理条件降低了公路行驶的安全系数，许多公路路段蜿蜒于悬崖峭壁之间，路窄、弯急、坡陡，有的路段甚至有长达20余公里长坡；同时，受地区经济发展水平的限制，贵州省公路等级偏低，交通安全设施和安全防护设施等方面都相对欠缺。因此贵州省一直是我国重、特大交通事故多发的省份之一。近几年来，随着西部大开发的进行，贵州省加大了交通基础设施建设，公路交通都得到快速的发展，通车里程持续增长；但公路交通安全设施和交通安全管理方面并没有及时的跟上，交通事故数仍然急速增加。2007年全国道路交通万车死亡率为5.1，贵州道路交通万车死亡率为9.33，高出全国近两倍（万车死亡率=(死亡人数/机动车辆数）x10000)。2.3数值计算方法的介绍数值计算指有效使用数字计算机求数学问题近似解的方法与过程，以及由相关理论构成的学科。数值计算主要研究如何利用计算机更好的解决各种数学问题，包括连续系统离散化和离散形方程的求解，并考虑误差、收敛性和稳定性等问题。从数学类型来分，数值运算的研究领域包括数值逼近、数值微分和数值积分、数值代数、最优化方法、常微分方程数值解法、积分方程数值解法、偏微分方程数值解法、计算几何、计算概率统计等。随着计算机的广泛应用和发展，许多计算领域的问题，如计算物理、计算力学、计算化学、计算经济学等都可归结为数值计算问题。数值积分求定积分的近似值的数值方法，即用被积函数的有限个抽样值的离散或加权平均近似值代替定积分的值。求某函数的定积分时，在多数情况下，被积函数的原函数很难用初等函数表达出来，因此能够借助微积分学的牛顿-莱布尼兹公式计算定积分的机会是不多的。另外，许多实际问题中的被积函数往往是列表函数或其他形式的非连续函数，对这类函数的定积分，也不能用不定积分方法求解。由于以上原因，数值积分的理论与方法一直是计算数学研究的基本课题。对微积分学作出杰出贡献的数学大师，如I.牛顿、L.欧拉、C.F.高斯等人也在数值积分这个领域作出了各自的贡献，并奠定了它的理论基础。数值计算具有以下5个重要特征：1、数值计算的结果是离散的，并且一定有误差，这是数值计算方法区别与解析法的主要特征。2、注重计算的稳定性。控制误差的增长势头，保证计算过程稳定是数值计算方法的核心任务之一。3、注重快捷的计算速度和高计算精度是数值计算的重要特征。4、注重构造性证明。5、数值计算主要是运用有限逼近的思想来进行误差运算。第3章数值计算法在贵州省公路交通中的运用3.1贵州省公路货运、客运道路交通发展现状“十二五”期间，贵州省实施路网改造及农村公路建设52686公里，2002年实现了乡乡通公路，到2005年底，通乡油路比例达到61.70/0，全省通公路或机动车的行政村比例达到85%，超计划完成交通部对贵州省80%通村比例的要求。2005年，贵州省人民政府批准了《贵州省骨架公路网规划》。规划的主要目标是：到2020年，通过达到二级及以上公路标准、路面等级为高级且具有完善的安全服务设施的骨架公路将贵州省内所有的市、县连接起来，实现市、县到所属地、州、市的高等级公路连接；基本建成贵州省高速公路网，实现地、州、市到省会及相邻地、州、市之问的高等级公路连通：以贵州省所辖地（市）、县（市）政府驻地为节点，将省内各地（州、市）、县（市）政府驻地、区域经济中心、重要交通枢纽以及军事战略要地、主要的工农业生产基地、能源工业基地、矿产区、主要旅游风景名胜区等连接起来，同时与邻省（区、市）的干线公路顺畅连接，使贵州省的公路网融入到整个中西大区域路网中，起到连接东西、沟通南北的作用，充分利用西部大开发战略带来的机遇，发挥贵州省的区位优势和在西南地区的交通枢纽的地位。在“规划”的指导下，通过贵州省各级人民政府不懈努力，截至2016年底，贵州省共实施公路路网改造三万余公里，公路路网技术等级大幅度提高。2016年贵州省公路通车总里程123247.062公里（包括农村公路通车里程）中，包括7条国道3658.243公里（主干线985.944公里）、34条省道7217.061公里，495条县道15533.94公里，乡道21079.25公里，专用公路745.568公里，村道75013.005公里：实现了68.7W0的乡镇通油路、64.8ry0的建制村通公路、23.7%的建制村通油路。截至2007年底，由省会贵阳到各市州地政府所在地实现了高等级公路连通，“一横一纵四连线”高速、高等级公路主骨架网全部建成。3.2贵州省工具交通需求预测从贵州省未来公路交通需求预测结果来看，2020-2030年间贵州省公路客货运输需求增长快速，2015年公路客运需求比2010年增长了近三成，公路货运需求增长了近一半，平均每年分别增长5和9个百分点；2020年公路客货运输需求分别比2015年增长25.8%和35.7%，增长趋势较“十二五”期缓慢，但平均每年仍保持较高的增长率。这是由于贵州省一直致力于交通运输，特别是公路运输基础设施的建设发展，省内丰富的旅游资源被开发，农业、工业等产品陆续开拓新的市场，社会经济快速增长，公路交通客货需求大幅度增加；而随着贵州省综合运输体系的完善和人民生活水平的提高，人民出行选择更多，公路客货运输需求继续增长的同时增长趋势将有所放缓。3.3公路交通（货运量和客运量）需求比较分析将未来贵州省各地区公路客货需求量进行比较，我们发现，2020-2030年间贵州省各地区公路客货需求稳定增加，其中六盘水、遵义、安顺、黔东南、黔南、黔西南几个地区的公路客运及货运需求比例皆呈上升趋势，贵阳公路客货运量比例呈下降趋势，其他地区微妙改变。这是由于贵州省经济的发展和交通基础设施的建设，贵州省内各地区通行限制得到缓解，区域经济不平衡状态逐步得到改善，各地区经济和谐稳定发展，经济薄弱地区厚积薄发，经济增长快速，公路客货运输需求量大幅度增加，所占比例增长。第4章结论随着西部大开发的进行，贵州省政治、经济也有较大的发展。公路交通作为贵州省主要交通运输方式得到迅速的发展，通车里程持续增长，技术等级也不断提升。但同时，公路交通发展的不足也一直制约着贵州经济的发展。随着贵州省政府对综合交通体系的完善，对低等级公路的改造和对高速、高等级公路的建设，贵州省道路交通运输的服务质量和服务水平都得到提高，公路发展不足制约经济的状况得到改善。因个人的能力和时间有限以及资料的不足，对贵州省高速公路建设对沿线区域影响分析较浅，进行分析的高速公路主观意识强烈，对沿线区域产业变化、新增经济增长点认识不足，从面对高速公路对沿线区域客货需求影响分析不够深入，这是今后继续研究分析的部分。致谢本论文是在XXX老师的谆谆教诲和指导下完成的，论文从选题、构思到定稿无不渗透着导师的心血和汗水；教授渊博的知识和严谨的学风使我受益终身，在此表示深深的敬意和感谢。我还要感谢含辛茹苦、任劳任怨、望子成龙、不图回报的父母的养育之恩，他们给予我的爱和支持让我顺利地完成了自己的学业。最后，因本人水平有限，在文中难免有不足之处，恳请各位老师批评指正。

参考文献[1]金佳旭，许彬，董天文，郎俊彪.路桥结合部位水毁破坏规律研究[J].公路交通科技，2017，34（08）：98-104.[2]刘辉，冯榆坤，陈作钢，代燚，田喜民.船舶艏侧推器脉动压力数值计算[J].上海交通大学学报，2017，51（03）：294-299.[3]孙洋，廖卫平，刘强，邓斌，朱丽晴.云母片岩隧道二衬开裂特征数值计算研究[J].公路，2017，62（02）：237-243.[4]唐前松.岩溶区公路路基稳定性及处治效果三维数值分析[J].公路工程，2017，42（01）：143-146.[5]张景，何川，耿萍，何悦，王维，蒙力.穿越软硬突变地层盾构隧道纵向地震响应振动台试验研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36（01）：68-77.[6]曹国旭.地铁隧道施工对地表及建筑物的影响分析[J].低温建筑技术，2016，38（07）：115-117.[7]马勤国，赖远明，吴道勇.多年冻土区高等级公路路基温度场研究[J].中南大学学报（自然科学版），2016，47（07）：2415-2423.[8]舒敏骅，陈科，尤云祥，胡天群，刘恒.动网格方法在螺旋桨非定常轴承力数值计算中的应用[J].中国舰船研究，2016，11（03）：25-31.[9]刘建国，张波路，王加磊.上跨下穿施工对城市轨道交通既有隧道的影响分析[J].城市轨道交通研究，2016，19（02）：92-96.[10]彭军.路边坡疲劳稳定性分析及其数值计算——基于交通荷载作用[J].福建建筑，2016（01）：35-38.[11]彭惠，陈建兵，王佐，马巍，穆彦虎.青藏高原多年冻土区道路工程热影响范围[J].中国公路学报，2015，28（12）：92-99+142.[12]王道良，肖博，胡学兵，廖俊逸.渝中连接隧道公轨重叠段设计与施工技术[J].地下空间与工程学报，2015，11（S2）：576-584.[13]王玉朋，韩昌瑞，张东焕.数值计算与经验公式联合应用预测隧道地表沉降[