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区域交通网络结构分析与优化
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：
二〇一一年十二月
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。
（三）区域交通网络的概念
区域交通网络，可以定义为:
布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。
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）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-1）/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。
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。
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:
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）。
即邻接矩阵L是对称矩阵。
2.路编目表
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，这时用路编目表可带来方便。
图3网络的路编目表如下：
3.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:
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。
路权矩阵可包括更多的信息，包括静态信息和动态信息。
4.邻接目录法
邻接矩阵和路权矩阵都是n×n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，还可以对这个数组进行扩展，增加其他的权数据。
5.信息矩阵表示方法
前面几种方法总的来说信息还是非常的少。
但对于一个区域网络来说，仅仅知道连通度是不够的，因此本文针对矩阵的使用要求，设计了网络信息矩阵。
希望能在这个矩阵中包括使用这个矩阵的相关信息。
比如在规划的过程中，希望能包括节点的位置信息、节点的关键参数信息（人口、GDP）等，对于路段来说，可以包括交通方式、设施的主要参数、服务能力等。
首先在给定矩阵表示之前，对节点和边表示进行描述，一个节点可以表示为一个数据结构或者一个数据记录，记为节点i（参数列表），如节点（位置、人口、通行能力等）。
对于边，一个边可能是一个简单边，也可能是个复杂边，对于一个具有三条路径的边的表示方法为矩阵数据结构，可以表示为:
则这个区域交通网络的信息矩阵可以表示为下表的形式：
（七）典型区域网络结构
常见的几个典型的区域交通网络结构形式:
（1）城市交通网络。
城市
交通网络是典型的区域性的交通网络，城市交通网络一般由城市小区节点、
交通路段、交叉口组成。
（2）中心城与卫星城之间各通道多路径的网络结构。
作为目前大型城市发展的一个模式，中心区与卫星城之间各通道多路径的功能与网络结构具有典型的区域交通网络特征。
（3）单中心环放式交通网络。
几个典型的区域交通网络结构如下图：
（1）城市交通网络
（2）中心城与卫星城之间各通道 （3）单中心环放式交通网络
三、区域交通网络结构优化
在网络结构分析基础上，建立有效的区域交通网络结构优化的数值模型，此模型可用于对区域交通网络结构定量分析，为交通网络的分析、规划、评价提供方法支持。
（一）优化的前提假设
1.交通需求的相对确定性。
研究区域为限定某个性质的地理范围、某个时间范围内，相对来说，这样就把研究的对象限定到某个具体的相对静态的需求上。
2.交通需求的一定可知性。
关于研究区域的小区界定、划分作为本研究的前提，在优化过程中不进行，因此可以假设对研究范围区域的OD需求是某种程度上了解的。
3.交通需求的合理性。
出行者具有理性，对于路径的选择具有理性的目的和一定的获取信息的手段和能力，因此出行者能够选择其比较理想的路径，在总体上，交通需求具有合理性。
4.区域交通网络的可控性。
区域交通网络结构在宏观上是可以调控的，
在微观上是可以操作的，因此网络结构的调整、网络的布局都是处于一种可行的条件下。
5.环境的相对稳定性。
在研究的空间、时间范围内，区域交通运输的环境（政策环境、社会环境等）相对稳定，这样保证区域本身及相关影响因素变化不大;运输市场相对稳定（运输价格），计算的运输费用也相对稳定。
（二）目标函数（f）的确定
根据对区域交通网络性能的分析，在本文中提出了几个关联性较强的目标函数，同时，区域交通网络面对的目标还不仅仅是这几个目标函数，但是只有少数的目标函数才会在实际应用过程中进行量化的表示和使用，而其他的更多情况下是定性的分析利用。
１、区域内出行广义费用最小f1（x）。
２、区域交通网络建设和维护成本最小f２（x）。
３、良好的网络性能f３（x）。
４、交通网络的可靠性要高f４（x）。
５、区域交通网络使用土地广义价值最小f５（x）。
６、对环境的污染最小f６（x）。
（三）约束函数的确定
1.定量指标（g）主要包括:
（1）枢纽的服务能力大于可以选择此枢纽进行运输组织的量g1。
（2）交通枢纽出入口交通量应小于对应交通网络的供给能力g2。
（3）区域内交通发生和交通吸引量应该持平g3。
（4）其他一些逻辑约束，比如发生、吸引、费用等各个参数的值或限制。
2.定性指标（h）主要包括:
（1）交通网络满足区域规划其他相关的要求。
（2）交通网络需要满足交通工程设计以及交通管理目标的需求，就是某些在优化方案中虽然是可行的，但是在工程上、技术上或者交通工程设计方面难度较大，或者不容易实现，因此也是不可行的。
（3）交通网络配置需要交通安全相关技术明确和隐形的要求。
（4）对区域影响最小的要求。
（5）区域内交通设施绩效发挥最佳的要求。
（6）设施经久耐用，维修任务轻。
（四）建立一个概念优化模型
等式左边为多目标极小化模型，
为目标函数,
为约束函数。
四、结束语
区域经济社会发展将对区域交通网络的结构、功能等各方面不断提出新的要求。
本文在综合交通网络的框架内，对区域交通网络的结构进行了研究，重点在区域交通网络组成要素、结构优化方面进行了探索。
建立了区域交通网络及其组成部分的表示方法，为区域交通网络分析奠定了基础。
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。
本文对完善区域交通网络结构分析方法体系和进一步补充完善区域交通运输系统理论有一定帮助。
参考文献
[1]杜进有《区域交通网络分析方法研究》 博士论文 2007
[2]陈大伟《区域综合货运枢纽布局优化模型》华南理工大学学报11期 2009
[3]于世军《区域多方式货运网络随机平衡配流模型研究》交通信息与安全 1期 2009
[4]孙华灿《基于综合运输网络的货运配流方法研究》 博士论文 2009
[5]张璐《基于运输需求的区域公路网络可达性评价》 硕士论文 2010
[6]李娟《区域公路网络分析》博士论文 2008
[7]李健《区域交通运输网络综合分析评价研究及实践》 硕士论文 2006
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