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第35章 运输规划与优化(2)

经过了20年即1975年才由Le Blanc等学者将Frank Wolfe算法用于求解Becmann模型并获得成功,从而形成了现在的实用解法。本书由于篇幅所限,只介绍两种简单的路径分配方法,即0—1分配法和增量分配法。

(1)0—1分配法

0—1分配法(all or nothing assignment method)有两个特点:第一是不考虑拥挤对走行时间的影响,即认为所有路段上的走行时间都是不随路段上交通流量的大小而变化的常数;第二是认为同一组OD的所有驾驶员都选择完全相同的路线。因此,这种分配法的主要计算是寻找最短路径。0—1分配法十分简单但却很近似。在道路稀少的偏远地区的交通量分配中可以采用这种方法,一般城市道路网的交通量分配不宜采用这种方法。

(2)增量分配法

增量分配法(incremental assignment method)是一种近似平衡分配法。这种方法的基本思路是将OD运输量平分成若干等份,循环地分配每一等份的OD运输量到网络中。

每一次循环分配一等份的OD交通量到相应的最短路径上,每循环分配一次重新计算并更新各路段的走行时间,然后按更新后的走行时间重新计算并更新各路段走行时间,然后按更新后的走行时间重新计算网络各OD间的最短路径。下一循环中按更新后的最短路径分配下一等份的OD运输量。

由于增量分配法具有简单可行,精确度可以根据N的大小来调整等特点,在实际的道路网运输量的分配中经常被采用,而且有比较成熟的商用软件可供使用,缺点就是有时得不到平衡解。

运输窗口7‐2

美国未来的城市交通规划

M.D.Muyer认为,在探讨美国的未来城市交通规划时,需要在下面10个领域进行研究,即人口结构变化、经济与市场的作用、多方式的交通规划、运输系统管理目标、强化新技术的应用、新的社会团体意识、实行道路定价策略、加强土地使用管理、交通的可持续发展、公众参与交通规划。在进行美国城市未来交通规划的时候,必须考虑以下几条:在交通规划的不同阶段,决策者注重于不同因素的影响;在未来的规划中,交通与环境的联系将会越来越紧密,轨道交通将日益受到重视,规划也将越来越注重于对环境的影响;社会上不同的关注及需要将影响规划的进行;技术及环境还会体现在今后对决策的评价中。

7.1.3 四步规划模型的应用

四步模型的前两步是为了得到OD矩阵,OD矩阵也可以通过现场OD调查得出。

直接调查可得到一个实际的矩阵,如果用生产分布模型做,得出的OD矩阵一定和现实状况有偏差。然而直接进行OD调查,要花费许多人力、物力和财力,即使得到现状的OD,如果不知道土地的使用情况,也无法进行预测,而分布模型比较复杂,做起来又相当困难。所以无论是用模型测算的OD,还是直接调查得到的现状OD,都各有利弊。通常研究中采用的方法大都是通过直接调查得到一个OD矩阵,这样前面两步先不用模型测算,当进行到一定阶段时,再回头开发生产、分布模型,并进行测算。现状OD矩阵得出后,预测期各年的矩阵即可通过增值系数法推算,这样既简单又安全。OD调查是非常艰巨和繁重的,实际应用中通常采用抽样调查的办法,并与发展政策、项目规划挂钩,这种方法通常被称为非完全矩阵法。非完全矩阵法不是将全部的交通流分配到路网上,与完全的现场OD调查得到数据的会有一定的差别。事实上,不能将所有的OD流都考虑进去,当然有些应该纳入进去而未被纳入的OD流要单独处理。

在模型的应用过程中,通常把交通分成两大类,一部分称为经过模型的交通流,另一部分称为未经模型的交通流。纳入模型中的交通流通常用矩阵表示,用观测值导出现状OD矩阵,通过推算求出预测OD矩阵。对一部分未经模型的交通流,按区段分别导出。

简单的方法是,观测的交通流减去模型交通流就是未经模型的交通流,这意味着交通流矩阵外还要有许多其他的数据,如每一区段的总交通量,这些数据各运输管理部门都有,在每个区段上究竟有多少交通流量被模型化,这要作具体的研究,如所有的大宗货物运输要进入模型,城市间的旅客运输要进入模型,市郊短途运输不纳入模型等等。在实践中要靠模型开发和应用专家在实际的应用过程中不断地总结。

7.2 综合运输规划方法

7.2.1 国外综合运输规划方法的发展

1.综合运输方法的概念

综合运输即多种运输方式综合协调发展,其规划就是确定综合运输发展目标,设计达到该目标的过程。前者主要包括运输需求预测,后者主要涉及运输供给方案的设计、评价和选择等。运输需求预测是运输物质设施需求预测的基础和关键,因此,其在整个运输规划过程中受到更多的注意。运输需求预测过程包括建模和预测两大部分,即建立相应的模型,确定主要运输需求因素和运输空间分布、时间变化特点间的相互作用关系式,然后利用这些模型(即所谓的综合运输规划方法)预测未来运输网络或设施的需求。

2.综合运输规划方法的发展

在国外,综合运输规划或综合运输需求分析很早就存在了。19世纪中叶,考尔(Kohl,1850)研究了资源的地区分布与运网形状间的关系,这是公认最早的运输需求分析,而公认的重力模型的最早形式是莱文斯(Ravensteina,1895)在研究城市间人口迁移方式时提出的。雷利(Reilly,1929)对零售重力模型的研究,斯托芬(Stouffer,1948)对空间互作用模型的研究,及济普(Zipf,1946)对城间出行重力模型的研究,代表当时的运输需求分析研究水平,构成当前大多数运输需求分析研究的基础。随后,运输需求分析出现了两大发展。首先是解释城市土地利用和出行活动间关系的城市运输需求模型,虽然近年在类别需求分析方面的发展似乎使土地利用法相形失色,但土地利用和运输间的关系继续在运输需求分析的研究中占据重要地位。第二个重大发现大概是贝克曼(Beck‐mann,1955)等人的研究,他们将一般经济的需求和供给的微观形式用于运输中,很明确地构造出运输需求和供给间的平衡。这项研究成为随后运输需求分析大多数研究的重要基础。

运输需求分析的最新进展包括大量的概念和分析方法的应用。首先是出行行为概念的采用。此时,微观经济学理论的基本假设成为需求分析方法发展的主要推动因素。

旅行者或货主被假定为一个有理性的人,并力求使其社会经济活动(包括旅行和运输)的效用最大化,效用最大化模型导出出行生成模型、出行方式和路线选择模型及货主行为模型等。这种采用定量的方式研究人类对运输的需求,将有助于对运输需求性质的更好理解,且能对运输需求模型进行更确切的说明。

运输需求分析最新发展的另一个重要方面,是确认旅行和运输决策中所包括的重要随机因素。即使人们以理性的方式进行活动,且始终如一地这样做,仍存在一些干扰因素,使得在决策过程重复进行时,行为方式不能精确重复进行。由于模型不能包括上述干扰因素的全部影响,及行为过程本身尚未得到充分认识,因此,即使在决策人员的思想中,目前也认为各种需求模型中存在随机因素。将随机因素包括在运输需求模型中,并采用概率统计法作分析工具,目前的研究已达到较高的水平。

7.2.2 综合运输规划的一般步骤和一般方法

为预测和及时解决运输中存在的各种问题,应研究运输规划的步骤。众所周知,目前运输存在的主要问题包括能源短缺、环境影响、公众参与和社会公平。这些问题没有简单易行的解决方法,但研究有效的规划工具可能有利于运输决策人员对投资水平和工程项目计划编制作出明智的选择。

由于城市运输设施建造成本的不断上升,长期规划和短期计划间必须保持高度的协调,运输规划必须更重视多式综合运输规划和低投资的改进项目。长期规划(通常在15年以上)将继续是必不可少的,因为运输系统面貌发生重大的变化(特别是运输基础设施的新建)需要相当长的时间。短期规划(1—5年)将使长期规划更加具有动态性质,且易于管理。其方法是将长期规划划分为可以实现的几个阶段,这样就能更好地适应需要。

运输规划包括五个主要步骤,即建立目标和任务、确定系统的各个组成部分、建立这些组成部分间相互作用的模型、分析和评价各种政策方案的全部参考数据,以及建立进行工程项目决策的必要框架。

1.运输规划方法的主要类型

地区运输规划方法一般分为三类:即运输需求—标准法、单一运输方式模拟—评价法和多种运输方式模拟—评价法(综合运输规划法)。

(1)运输需求—标准法

这是一种在地区运输规划中采用的比较传统、简单的方法。当用这种方法时,要求制定适用于不同运输方式的标准,如网络结构设计和安全标准。然后对系统的未来状态进行预测。标准的状态和对未来的预测的状态间存在的任何差别被认为是“需求”。这种方法的优点是简单易行;缺点是标准的选择不容易完成,运输方式间的关系无法确定,且用户和非用户的收益量不能直接测量。

(2)单一运输方式模拟—评价法

用这种方法制定地区运输规划,实际上分四步完成。第一步是陈述规划的目标和任务。这些目标和任务与运输需求—标准法所规定的不同,不是网络结构设计标准,而是用户和非用户的目标。第二步是制定达到这些目标和任务的多种规划方案。这种规划是短期的,因此不可能面面俱到。第三步是对现有的网络和规划方案所提出的未来的网络进行模拟。第四步是对新制订的规划方案进行评价。

运输需求—标准法只要求收集定性的数据,而单一运输方式模拟—评价法则要求收集定量的数据。这种方法的优点是可根据用户和非用户的目标来评价规划方案,可对该种运输方式直接进行处理,可对多种运输方式进行某种类型的评价。其明显缺点是数据收集困难,执行比较困难。

(3)综合运输规划方法

这种方法包含以下几个步骤:首先对所有运输方式的客货运输需求量进行预测;第二,将预测的需求量分配给多种运输方式,然后进行网络模拟,并进行信息反馈,以考虑这种运输方式运量的分担率的变化。这种方法的优点是,在理想的情况下可对各种运输方式同时进行处理,因此可大大提高网络的运营效率,并加强各种运输方式间的协调配合。这种方法的缺点是,其结构极端复杂,它所需的数据量巨大,且这些数据不易收集。

2.综合运输规划方法的组成

近年来,随着计算机技术、数据处理方法和数学方法的发展,综合运输规划方法存在缺点,在很大程度上已不复存在,因此,这种方法日益受到重视,研究成果不断涌现,应用日趋成熟,并在很多国家得到推广,成为运输规划中的主导方法。

综合运输规划方法一般包括五类模型,即出行需求、模拟和影响预测模型,经济、土地利用、经济活动布局模型,资源分配、财政政策和计划模型,分析和评价模型,观测(数据收集和监测)模型。

在第一类模型中,对未来出行需求是用各种方法预测的,包括使用经济和人口数据及其现有趋势数据和现有网络系统数据。这些出行的需求预测数据要满足各种约束条件,如土地利用政策、网络边界的限制及通过能力的限制。然后将需求预测数据用作模型输入,模拟模型的输出是有关出行需求所产生影响的一系列数据。这些出行需求影响数据可按自然、社会、经济和环境方面进行分类,然后根据有关政策进行评价。这类模型的结构比较复杂,并需要大量繁杂的数据。

第二类模型类似于第一类模型。经济模型综合人口、经济和运输系统数据,产生未来运输需求的预测数据。运输需求和经济活动布局(配置)受货物土地利用政策的影响,因此,这类模型以适当的方式将运输系统规定为自然和经济环境中的连线。对系统进行模拟并进行信息反馈,然后输出备选规划方案矩阵。

第三类模型比前两类简单。其建模的基本思想是:资源的配置将决定未来的运输系统,即资源配置将影响经济,经济又影响人口等。资源配置模型的输出必须满足规划地区财务政策所规定的一系列约束条件。由此产生资金利用的优先顺序计划并使资金效益达到最大化。这类模型比较简单,不要求很多数据。

在第四类和第五类模型中,前者不必作很多的预测和判断就可建立各种不同的备选方案,并可以进行比较和评价。后者将现有社会经济发展趋势制成图表,并拟定多种计划方案满足这些发展趋势。除非需要利用很小的数据库快速制订规划,否则不应使用后两类方法。

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