区域交通网络结构分析与优化

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1、南京理工大学课程论文作者：蒋增权 学号： 511101826学院（系）：自动化学院专业：交通运输工程题 目 :区域交通网络结构分析与优化评阅者：得分：二o年十二月区域交通网络结构分析与优化摘 要:本文对区域交通网络的结构、主要组成要素等部分进行了分 析，建立了区域交通网络及其组成部分的表示方法;通过建立定性和定量 结合的目标函数组合，建立了包括结构、性能、环境等方面的区域交通网 络结构的多目标优化模型，为区域交通网络科学的定量分析提供方法参考 关键词:区域交通网络;交通结构分析;交通优化。经济全球化和区域经济一体化是当前和未来人类社会经济发展的一 个主要趋势。区域经济持续、快速发展将对区域交通

2、网络的布局、结构、 功能等各方面不断提出新的要求。现代区域交通网络不仅是传统交通网络 的升级换代，更是带动交通运输方式发生变革的设施平台，也是区域经济 全面、协调、可持续发展的重要基础设施。一、基本概念（一）区域。区域（region）是一个被广泛使用、内涵十分丰富的概念。 一般认为，地球表面的一定地域空间是我们通常所说的区域，人类的任何 生产、生活活动都离不开一定的区域。区域的自然含义泛指一定的地域空 间，即一定范围的土地或空间的扩展。目前对区域比较全面和本质化的界 定是由美国地理学家惠特尔西提出的“区域是选取并研究地球上存在 的复杂现象的地区分类的一种方法”，认为“地球表面的任何部分，如果

3、它在某种指标的地区分类中是均质的话，即为一个区域”，并认为“这种 分类指标，是选取出来阐明一系列在地区上紧密结合的多种因素的特殊组 合的”。（二）区域交通的概念 目前，对区域交通还未见有一个确定规范的定义。根据区域相关理论，本文把区域交通概括为:它是区域社会经济系统的子系统，通过交通网络 将处于区域系统中的不同区位或不同组成部分连接起来的交通运输系统。从宏观角度来看，区域交通研究的是某个区域内的交通运输的整体 ;在范 围上，应该包括区域交通网络的布局、交通网络的运输方式、线路等级特 性以及交通网络的效率和质量特性，在业务上包括整个区域交通网络的规 划、建设和管理等。区域交通网络，可以定义为:布

4、置在该地区的各种交通运输方式的线 段、节点及相应地辅助设施所组成的复合体。相应，“交通网络结构”可 以定义为:交通运输方式的种类、数量、点线的类型、衔接关系以及需求 的匹配程度。在结构上，区域交通网络包括节点、边和权。(1) 节点。在交通网络拓扑结构中，节点通常表示路段的连接处，是 交通流产生、消失和交通流路径变换的地点。(2) 边。在交通网络拓扑结构中，边用于连接两个节点，具有方向性， 通常是交通流行进的主要载体。(3) 权。权是与该网络有向边相关的指标，例如运输方式的旅行时间、 旅行距离、运输费用，以及换乘距离和时间等。(四)区域交通网络的层次 一个区域交通网络一般都比较复杂，包括为数不少

5、的边和节点，差不 多是没有边界的非封闭系统。因此，需要分析交通网络的层次性，划清每 一层次的边界，以便可以分层次研究交通网络。交通网络的层次结构是根 据地理条件、行政区划分、交通设施等状况人为地确定的，可以根据具体 情况对网络层次、节点划分和弧线的连接等问题进行具体分析。如在水运 网络中，分主干线和支流;在公路网络中，分国道、省道、县道、乡道。二、区域交通网络结构分析(一) 区域交通网络组成 区域交通网络包含各种运输方式的车站、枢纽以及纵横交错的运输线 路，区域交通网络的基本要素包括节点、边、权以及相应配套设施。(二) 区域交通网络的表示区域交通网是区域内各交通线路及其交通节点所组成的一个系统

6、。区 域交通网络的表示就是如何实现对网络的抽象，并在抽象的基础上通过某 种介质表示出来。目前一般是表示在计算机上，方便进行计算机处理，使 计算机能对各种交通网络进行辨识、搜索、存储及运算，为交通分配、网 络优化、交通量预测分析及交通质量评价等提供技术和方法支持。(三) 区域交通网络的结构模型鉴于现实的交通运输网的复杂性，在规划中不可避免地要对交通网进 行一定程度的简化、假设和抽象描述。依抽象程度不同，区域交通的描述 形式有以下几种:(1)详尽的交通网络。即近乎完全按照现实网络进行表示和绘制，内 容全面，但可能表示和分析较为困难。详尽的表示方法可以是在计算机上 的图形全息表述，也可能是通过复杂的

7、数据结构的数值表示，也可以是比 较详细的文字描述。对于宏观网络或者小区域网络适用。(2) 逻辑网络。对实际网络进行功能性、或者结构关系的简化，得到 抽象的逻辑性网络，其中的节点和边主要代表交通逻辑关系。(3)功能性、可达性网络表示。属于逻辑网络的一种，用于对区域部 分交通性能的分析。(4) 结构网络。仅仅模拟区域交通的结构，进行辅助性的管理使用。(5) 参数网络。仅仅对主要参数进行抽取，一般更适用于规划或者管 理的某个方面。在网络复杂性和组成方面，区域性交通网络可大致分为:(1)蛛状网络 每一节点与所有邻近节点均有运输线相连的网络;(2)通道网络，每对运输 起讫点间均有数条运输路径的网络;(3

8、)单线网络，每对运输起讫点间只有 一条运输路径的网络;(4)单一运输线，仅用一条运输线描述整个区域的运 输网;(5)单一节点，不对区域运输网从空间结构上描述，仅用一个节点表 示。(四) 区域交通网络基本形式和特性在区域交通网络中，有一些具有典型的形式和特征的基本形式，对它 们进行组合可以形成各式各样的区域形式的交通网络，如图1所示。这几种网络基本形式在某些情况下是可以相互转换的，而他们之间的优点和缺 点也是因具体的情况会有所不同。图1 区域交通网络的基本单元形式(1) 全通网络单元 :网络单元中的各个节点之间全部相连，一般在区域 性的部分网络，或者很大范围内的网络容易出现这种情况。优点是运输费

9、 用最省，运输可靠性最高，各节点运距最短，缺点是基本建设最多，建设 总里程最多为数量级为n*(n-l)/2,适用于各个节点之间运量比较大，交 通联系很密切的情况，适用于城市群、城镇群以及城市内部交通。(2) 辐射形式(星形)单元:用于中心城市或者一些中心节点的情况，这 个节点在区域交通中占据中心位置和枢纽作用。建设总里程少，数量级为 n-1,可靠性一般，中心枢纽交通压力最大。(3) 树形单元:全部节点通过几个层次贯通一体，和顶层的节点链接， 适用于人口稀少或者部分特殊用途网络，优点是链接各节点的建设总里程 最少，数量级为n-1，可靠性相对较差。(4) 条状(带状)单元:全部节点以直线方式链接。

10、每个节点只和相近的 两个节点链接，如果要和别的节点链接必须通过其他的节点。用于一些干 线交通方式的建设模式，建设总里程数量级为n-1，可靠性极差，简单的 条状网络单元是其他各种网络的组成部分。(5) 环形单元:全部节点连城一个环，整个网络也是不中断的网络，适 合于一些特殊环境(如沙漠、湖泊、大山周围的交通)以及一些城市和区域 的环绕交通，当某个缓解断裂时候，类似于直线的情况，里程数量级为 n， 可靠性中等。(五) 区域交通网络的几何模型合理的区域交通网络形式有助于整个区域交通系统效率的发挥，提高 区域交通的整体可达性，节约建设资金，降低运输时间和运输费用，取得 良好的经济、社会和环境效益。区域

11、交通网络的典型布局形式(见图 2)。 通常实际的区域网络总是由以下几种基本的网络组成的。图 2 区域交通网络的典型几何模型(1)放射状。放射式路网一般适用于重要程度相差较大的节点间的交 通联系，有助于促进区域重要城市对周围地区的辐射和影响作用，如我国 以北京为核心的铁路网络和以各个中心城市为核心的航空网络都是如此。(2) 全图形式。路网的通达性好，一般适用于重要程度相当的节点间 的直达交通联系，如区域干线网布局规划，如城市交通网、城市群交通网 络。(3) 树形。一般适用于连接干线公路与支线公路，如县乡公路网的布局规 划。这样的网络在一些政治、经济区域具有明显层次特征的情况出现。(4) 并列形式

12、。采用几条平行线路联系着一系列节点，而处于两条线 上的节点之间联系不强，具有效率高、充分发挥两个节点之间的连接作用 的优势，其可靠性随着并联的数目的增加而增加。(5) 环形加放射状。目前很多中心城市和周围区域之间，以及一些重 要的交通枢纽和周边区域的交通形式都是这样。优点是中心区域和连接的 各个区域之间非直线系数最小，缺点是，对中心区域的交通组织具有很大 的复杂度，中心区域交通压力大，而且一旦中心区域交通发生故障，整个 网络将陷入瘫痪，可靠性不够。(6) 棋盘形式。对于一些区域中交通枢纽重要度差别不大的情况，容 易形成这样的形式，优点是交通组织简单方便，机动性强，不会形成复杂 的交通枢纽，可靠

13、性相对高，缺点是非直线系数大，而且工程量最大，不 容易形成突出的枢纽，不容易集中发展。（7）混合形式。往往是几种形式的组合，这样的组合可能会具有几种 形式的优点，也可能会具备了几种形式的全部缺点。实际的区域交通网络 往往都是这样的形式，特别是微观的网络大多如此。（六）区域交通网络的表示方法 在区域交通网络分析处理过程中，须将其抽象为节点和边的集合体。如图3图 3 示例交通网络的抽象图1. 邻接矩阵区域交通网络最常用的数值表示方式是用邻接矩阵（或连通矩阵）L。邻接矩阵表示各交通节点之间的一般邻接关系，它的元素L（i，j）按下列 规则确定1”两节点之间存在之间连接0,两节点之间不存在之间连接或者i

14、 = j图 3所示网络的邻接矩阵如下表所示。因为假设了网络中的每条路都是可双向行驶的，所以有L（i，j） =L（j，i）o即邻接矩阵L是对称矩阵。在计算机中表示网络结构的另一种方法是路编目表。该方法可将网络 中的多条路任意编排，每条路对应一个顺序号，计算机根据顺序号及每条 路的起讫节点号存储网络。一般情况下，可采用顺序编目的办法 :从数值 小的节点号开始，在与该节点相邻的各边中，路的另一端的节点号数值小 的先排序，己编排过的路（路段）不再编排。根据路编目表对网络进行搜索， 运算不很方便，已不常采用。但在分配交通量的过程中，为了确定和显示 路段上的交通量，需将路段号与路段起讫节点号对应起来，这时

15、用路编目 表可带来方便。图 3网络的路编目表如下：路段号12$45678节点号 1, 2 2, 41, 3 2, 3 4, 5 3, 53, 65, 63. 路权矩阵根据邻接矩阵（或路编目表），计算机可识别节点与节点之间的邻接关 系，即能确定网络的连接方式。但邻接矩阵只是给出节点与节点之间的一 般邻接关系，没有给出数量关系（如两节点之间的行驶时间、行驶费用和 路程等）。交通节点与交通节点之间的数量关系通过路权矩阵 D 来反映。 路权矩阵的元素d（i, j）由下式确定：=两节点没有直接边连接0苗节点有直接边连接，连接权值为疣矩阵的权，依实际需要而定。如图3所示网络中，如路上的数据为相邻两 节点间

16、的公路长度（Km），则该网络的路权矩阵为距离权矩阵，如下表所示。4. 邻接目录法邻接矩阵和路权矩阵都是nxn阶的，n为交通网络节点个数。对于较 复杂的网络，这两个矩阵都很大，而且矩阵中的绝大多数元素都无意义， 网络越复杂，边与节点越多，无效元素所占比例越高，会严重影响表示的 可靠性和效率。为了解决这一问题，一般不把两矩阵的全部元素输入，而 是采用邻接目录法建立网络结构的邻接关系邻接目录法,一般采用三组数 组表示网络的邻接关系，一组为一维数组R(i)，表示与节点i相连接的路 段的条数;另一组为二维数组v(i,j)，表示与节点i相连接的第j个节点 的节点号，第三组数组表示边的权，这里是边的长度。如下表所示。针对 实际需求，