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        基于旅游資源整合的高速公路網(wǎng)絡(luò)雙層規(guī)劃模型及實(shí)例研究

        2015-11-04 10:28:36王文輝朱曉英
        城市道橋與防洪 2015年1期
        關(guān)鍵詞:交通量路網(wǎng)路段

        王文輝,朱曉英

        (1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海市200092;2.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司,天津市300121)

        基于旅游資源整合的高速公路網(wǎng)絡(luò)雙層規(guī)劃模型及實(shí)例研究

        王文輝1,朱曉英2

        (1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海市200092;2.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司,天津市300121)

        將高速公路資源整合到旅游交通網(wǎng)絡(luò)中,是當(dāng)前高速公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的趨勢(shì)和方向?;诖耍瑥穆糜钨Y源整合的角度出發(fā),建立了基于旅游資源的高速公路網(wǎng)絡(luò)雙層規(guī)劃模型;然后,研究了模型的求解方法,采用遺傳算法,并用Mat1ab編寫了求解的算法程序;最后,給出黑龍江省高速公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的實(shí)例研究,論證了模型的可行性和合理性。

        旅游資源;雙層規(guī)劃;遺傳算法;黑龍江

        0 引言

        隨著旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不斷深入,公路作為旅游活動(dòng)的主要載體備受關(guān)注,成為旅游研究的重要方面。旅游交通作為旅游系統(tǒng)的重要組成部分,是區(qū)域旅游業(yè)發(fā)展的重要支撐和保障[1]。其服務(wù)質(zhì)量和水平影響著游客的旅游決策、旅游目的地的選擇以及旅游資源的開發(fā)建設(shè),進(jìn)而影響到區(qū)域的旅游開發(fā)。一方面,交通為旅游的發(fā)展提供了必要條件;另一方面,旅游對(duì)交通的發(fā)展也起到了相當(dāng)大的促進(jìn)作用[2]。

        高速公路作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物,具有縮短行程時(shí)間、節(jié)約花費(fèi)、便捷舒適、安全等優(yōu)點(diǎn)。隨著居民生活水平的提高、私家車保有量的增長(zhǎng)以及人們對(duì)出行路網(wǎng)環(huán)境需求的提升,將高速公路資源整合到旅游交通網(wǎng)絡(luò)中,建立合理、高效、便捷的交通系統(tǒng),是當(dāng)前區(qū)域路網(wǎng)規(guī)劃的趨勢(shì)和方向,也是促進(jìn)旅游景區(qū)的開發(fā)與資源整合的必然需求。實(shí)踐證明,旅游景點(diǎn)附近高速公路交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),能使依靠公路交通運(yùn)輸?shù)穆糜物L(fēng)景區(qū)輻射半徑擴(kuò)大320~500 km[3]。

        近年來,公路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要方法是實(shí)證調(diào)查、數(shù)理分析方法、系統(tǒng)分析、四階段方法和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題(NDP)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題是指在約束條件下選擇最優(yōu)的投資決策,通過新建路段或改擴(kuò)建路段來使整個(gè)公路網(wǎng)絡(luò)的性能達(dá)到最優(yōu),滿足遠(yuǎn)期交通增長(zhǎng)的需求[4-5]。對(duì)于研究區(qū)域的公路網(wǎng),NDP能使網(wǎng)絡(luò)布局工作更加定量化和科學(xué)化,布局優(yōu)化方案很多,在方案選擇上也更趨于多元化,如何最大限度地滿足公路交通需求成為路線優(yōu)化的重點(diǎn)[6-8]。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的決策變量不同決定了其模型也會(huì)不一樣,決策變量主要有新建路段和改建路段提升能力兩種,同時(shí)NDP也被分為三類:離散性、連續(xù)性和混合性三種,分別對(duì)應(yīng)不同的決策變量[9]。由于雙層規(guī)劃能夠充分解釋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問題的決策過程,因此Gwo-Hshiung Tzeng利用多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃來設(shè)計(jì)連續(xù)性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型,利用雙層規(guī)劃的思想解釋并討論帶有多目標(biāo)決策的網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)問題,建立了非線性雙層規(guī)劃模型[10]。

        在以往的省域高速公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí),一般只考慮主要城市的連通性,未將旅游景區(qū)的連通性納入其中。隨著旅游業(yè)的不斷發(fā)展以及旅游景區(qū)服務(wù)需求的提高,高速旅游公路的規(guī)劃將成為必然?;诖?,本文從高速公路網(wǎng)與旅游資源整合的角度進(jìn)行研究,建立基于旅游資源的高速公路網(wǎng)絡(luò)雙層規(guī)劃模型,并給出了以黑龍江省高速公路網(wǎng)絡(luò)為例的實(shí)證研究。

        1 問題描述

        在進(jìn)行基于旅游資源的公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí),需要考慮多方面的因素,既要考慮到政府部門的規(guī)劃決策,又要考慮到出行者的出行需求。從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者(政府部門)的角度考慮,希望整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出行總費(fèi)用最少,同時(shí),在將高速公路網(wǎng)與旅游資源整合時(shí),希望規(guī)劃后的路網(wǎng)旅游資源需求增加最大。從網(wǎng)絡(luò)用戶(出行者)的角度考慮,每個(gè)用戶都希望出行的時(shí)間或者費(fèi)用最少。綜合考慮,為了使模型建立更接近于真實(shí)情況,單一的優(yōu)化目標(biāo)不能滿足此規(guī)劃的要求,因此,本文采用雙層規(guī)劃模型。雙層規(guī)劃模型中上層從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者(政府部門)的角度考慮,下層規(guī)劃模型從網(wǎng)絡(luò)用戶(出行者)的角度考慮。

        2 模型建立

        2.1優(yōu)化目標(biāo)

        基于旅游資源的高速公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃從微觀分析入手,建立雙層規(guī)劃模型。上層模型的優(yōu)化目標(biāo)為:整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出行總費(fèi)用(時(shí)間)最少,路網(wǎng)旅游資源需求增加最大。下層模型的優(yōu)化目標(biāo)為:?jiǎn)蝹€(gè)用戶的出行費(fèi)用(時(shí)間)最少。

        其中路網(wǎng)旅游資源需求如何量化是目標(biāo)函數(shù)的關(guān)鍵。通常計(jì)算旅游資源需求時(shí),會(huì)將旅游景區(qū)的現(xiàn)有規(guī)模、開發(fā)規(guī)劃、服務(wù)水平以及旅游者的消費(fèi)水平等作為考慮因素,計(jì)算出的需求增加是由于旅游景區(qū)的開發(fā)等因素導(dǎo)致的。本文衡量的是規(guī)劃路網(wǎng)建成后對(duì)于旅游資源需求的影響,可以通過交通量的增加來反映,在此提出旅游交通誘增量的概念。計(jì)算分析規(guī)劃路網(wǎng)建成后由于路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的改善等而增加的旅游交通量。

        在計(jì)算交通誘增量時(shí),一般引用重力模型進(jìn)行計(jì)算[11]。本文提出的旅游交通誘增量為交通誘增量的一個(gè)分支,因此重力模型也適用于旅游交通誘增量的計(jì)算。借鑒張航提出的基于重力模型預(yù)測(cè)交通量的方法[12],給出旅游交通誘增量模型。

        式中:qNij為i區(qū)到j(luò)區(qū)間的旅游交通出行量;Qij為 i區(qū)到j(luò)區(qū)的旅游趨勢(shì)交通量分布,veh/d;Q′ij為i區(qū)到j(luò)區(qū)的旅游誘增交通量,veh/d;ta為無此項(xiàng)目時(shí)(現(xiàn)狀)i區(qū)到j(luò)區(qū)的交通阻抗(時(shí)間);ta′為有此項(xiàng)目時(shí)(將來),i區(qū)到j(luò)區(qū)的交通阻抗(時(shí)間);K、a、β、γ為重力模型參數(shù)。

        2.2符號(hào)定義

        其中,xa,ya為決策變量,是0-1變量,xa為新建路段時(shí),其值為1,否則為0;ya為擴(kuò)建路段時(shí),其值為1,否則為0。va(xa,ya)為路段a上的交通量;ta(va(xa,ya),xa,ya)為路段a上的出行時(shí)間;minz(xa,ya)為公路網(wǎng)的總出行時(shí)間;manFxa,ya)為基于旅游需求的總誘增交通量。

        在約束條件中,需要考慮路網(wǎng)造價(jià)、規(guī)劃里程、服務(wù)水平等約束。其中,m1為新建路段a的單車道造價(jià),萬(wàn)元/km;m2為擴(kuò)建路段a的造價(jià),萬(wàn)元/km;M為預(yù)期建設(shè)資金的最大值,常數(shù);la為新建路段a的里程,km;lyy為規(guī)劃前(即原有)公路網(wǎng)里程,km;La為公路網(wǎng)規(guī)劃總里程;ωa為規(guī)劃路段a的服務(wù)水平,即V/C(路段交通量與路段通行能力之比);ωmin為最小允許服務(wù)水平;ωman為最大允許服務(wù)水平。

        2.3雙層規(guī)劃模型形式

        由上述可以建立公路網(wǎng)絡(luò)路線布局的雙層規(guī)劃模型。

        其中,優(yōu)化目標(biāo)①、②為上層優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),①表示基于旅游需求的總誘增交通量最大,②表示路網(wǎng)系統(tǒng)的總時(shí)間最少。優(yōu)化目標(biāo)③為下層優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),③表示單個(gè)用戶出行時(shí)間最少。其實(shí)質(zhì)是路網(wǎng)的平衡配流模型。本文采用Beckmannde用戶平衡分配模型。此模型較為成熟并且應(yīng)用頗多,在此不再贅述。

        約束條件中①表示高速公路網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在最佳規(guī)模內(nèi);②表示路段服務(wù)水平(V/C)在一定范圍內(nèi);③表示規(guī)劃總投資在預(yù)期建設(shè)資金內(nèi);④表示交通流守恒;⑤表示路段流量守恒。

        3 模型求解算法

        3.1上層優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)的轉(zhuǎn)化

        在本文上層優(yōu)化模型中,有兩個(gè)目標(biāo)函數(shù),應(yīng)先轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)。將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)一般可采用加法或乘除法。本文中上層優(yōu)化模型中的兩個(gè)目標(biāo)為:基于旅游需求的總誘增交通量最大,路網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間最小,兩目標(biāo)處于沖突狀態(tài)。因此,本文適合用乘除法進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化后的單目標(biāo)函數(shù)為:

        3.2遺傳算法求解步驟

        類似上述交通網(wǎng)絡(luò)的雙層規(guī)劃模型常用的解法通常有Bender分解法、分枝定界法、極點(diǎn)算法、互補(bǔ)旋轉(zhuǎn)算法、模擬退火算法以及一些啟發(fā)式算法求解[13]。由于模型的上層和下層均為0-1混合整數(shù)規(guī)劃問題,比較適合采用遺傳算法進(jìn)行求解。

        遺傳算法的應(yīng)用目前比較成熟且較為廣泛,因此有關(guān)算法的原理、迭代步驟等在此不再贅述。本文對(duì)遺傳算法的求解步驟進(jìn)行改進(jìn)。

        考慮現(xiàn)狀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、規(guī)劃年0D交通量以及專家意見等因素,生成初始可能連接圖。

        首先,進(jìn)行交通流分配,計(jì)算各個(gè)體對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值,對(duì)個(gè)體按目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行排序。將目標(biāo)函數(shù)值不大于當(dāng)前最優(yōu)值的個(gè)體轉(zhuǎn)入下層規(guī)劃進(jìn)行交通流分配,計(jì)算路段交通量和負(fù)荷度V/C。如果Gen>Maxgen或stop>Maxstop,結(jié)束計(jì)算;否則,Gen=Gen+1,根據(jù)交通流分配結(jié)果檢查上層約束條件,將不滿足條件的個(gè)體省去。然后,計(jì)算種群的個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)值,利用“無回放隨機(jī)選擇法”進(jìn)行選擇操作,依概率進(jìn)行交叉、變異操作,交叉采用兩點(diǎn)交叉操作,轉(zhuǎn)向第1步。結(jié)束,輸出結(jié)果,得到最終的路網(wǎng)優(yōu)化方案。

        其中,設(shè)置初始進(jìn)化代數(shù)Gen=0,最優(yōu)值維持步長(zhǎng)stop=0;設(shè)置初始目標(biāo)值Zmax為一相當(dāng)大的正數(shù),隨機(jī)設(shè)定一個(gè)由初始可能連接圖的子圖構(gòu)成的種群作為上層規(guī)劃的初始方案。群體規(guī)模取10,交叉概率和變異概率分別取0.9和0.1,最大進(jìn)化代數(shù)取100。利用Mat1ab軟件及其提供的遺傳算法工具箱編寫程序。

        4 算例分析

        為了方便對(duì)雙層規(guī)劃模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,以黑龍江省現(xiàn)有高速公路網(wǎng)絡(luò)為例,來驗(yàn)證模型的可行性和合理性。

        4.1方案描述

        為了更好地反映實(shí)際規(guī)劃需求,本文給出了4個(gè)優(yōu)化方案分別進(jìn)行模型的求解,進(jìn)行對(duì)比分析,選取最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果。

        現(xiàn)階段黑龍江省大部分旅游景區(qū)并未在高速公路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi),即旅游景區(qū)與高速公路網(wǎng)絡(luò)是不連通的,這會(huì)對(duì)模型的求解造成困難。因此,在設(shè)計(jì)方案之初,首先要連接一些旅游高速公路,從而保證路網(wǎng)的連通性。本文將5個(gè)旅游景區(qū)(亞布力、五大連池、杜爾伯特、鏡泊湖、饒河縣)納入路網(wǎng)節(jié)點(diǎn),除亞布力外,其他景區(qū)均與高速公路網(wǎng)絡(luò)不連通,因此,需要在現(xiàn)有路網(wǎng)基礎(chǔ)上增加4條旅游高速公路作為設(shè)計(jì)方案。

        將高速公路網(wǎng)絡(luò)與5個(gè)旅游景區(qū)連接可以有很多種方案,考慮到設(shè)計(jì)旅游高速公路線路的人為因素,僅做出一種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行路網(wǎng)優(yōu)化的計(jì)算是不合理的、片面的。由于篇幅的限制,本文不能給出所有旅游高速公路連接的可能性,在綜合專家建議、選線合理性等情況的基礎(chǔ)上,本文給出了3個(gè)設(shè)計(jì)方案。依據(jù)上文提出的模型,將3個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,選擇出最優(yōu)的路網(wǎng)優(yōu)化方案,以期為實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供參考。

        同時(shí),給出方案4作為基本方案,僅將15個(gè)主要城市作為路網(wǎng)節(jié)點(diǎn),不考慮5個(gè)旅游景區(qū)的情況,與方案1~3進(jìn)行對(duì)比分析。

        4.2模型參數(shù)取值

        根據(jù)《黑龍江省骨架路網(wǎng)規(guī)劃》的公路遠(yuǎn)景規(guī)劃,2020年公路建設(shè)總投資約600億元,高速公路總里程將達(dá)到7 000 km。單位里程造價(jià)新建道路2 000萬(wàn)元/km,擴(kuò)建道路800萬(wàn)元/km。上層模型中路段負(fù)荷度約束上限取為1,下限取0。

        4.3數(shù)據(jù)信息

        (1)路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)編碼

        將黑龍江省內(nèi)的15個(gè)主要城市(包括地級(jí)市)與5個(gè)旅游景區(qū)進(jìn)行編號(hào),節(jié)點(diǎn)編號(hào)如表1所示。

        表1 路網(wǎng)節(jié)點(diǎn)編碼

        (2)黑龍江省高速公路網(wǎng)絡(luò)距離矩陣

        根據(jù)《黑龍江公路水路交通“十一五”規(guī)劃》和《黑龍江省骨架路網(wǎng)規(guī)劃》以及專家意見,在現(xiàn)狀公路網(wǎng)的基礎(chǔ)上,給出每種方案的路網(wǎng)距離矩陣。矩陣中包括現(xiàn)有路段和備選路段,現(xiàn)有路段的距離為已知數(shù)據(jù),備選路段的距離根據(jù)專家選線的方案得出。

        (3)黑龍江省內(nèi)小區(qū)劃分及編碼

        為了進(jìn)行交通流分配,以各市政府所在地為形心,所管轄范圍為小區(qū)范圍,將路網(wǎng)劃分為8個(gè)交通小區(qū),各小區(qū)編號(hào)如表2所示。圖1為黑龍江省0D交通小區(qū)劃分示意圖。

        表2 黑龍江省OD小區(qū)編號(hào)

        (4)黑龍江省高速公路網(wǎng)絡(luò)機(jī)動(dòng)車0D矩陣

        根據(jù)《黑龍江省骨架路網(wǎng)規(guī)劃》及《黑龍江公路水路交通“十一五”規(guī)劃》中的公路運(yùn)輸量需求分析以及主要公路通道交通量預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行反推,預(yù)測(cè)各節(jié)點(diǎn)交通生成量后進(jìn)行交通分布,得到2020年各小區(qū)之間的機(jī)動(dòng)車0D交換量的預(yù)測(cè)結(jié)果,如表3所示。但是由于調(diào)查方式及數(shù)據(jù)的局限性,所計(jì)算出的機(jī)動(dòng)車0D交換量存在一定的誤差,僅為此案例做以計(jì)算分析使用。

        圖1 黑龍江省OD交通小區(qū)劃分示意圖

        表3 黑龍江省高速公路網(wǎng)絡(luò)機(jī)動(dòng)車OD表(單位:100pcu)

        4.4模型優(yōu)化結(jié)果

        將所有的數(shù)據(jù)信息錄入,運(yùn)用Mat1ab程序進(jìn)行運(yùn)算,得出4種方案的優(yōu)化結(jié)果。將4種方案的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,如表4所示。

        表4 四種優(yōu)化方案結(jié)果比較

        方案4的總建設(shè)費(fèi)用較少,但是由于其只考慮了主要城市的連通性,而沒有將主要旅游景區(qū)納入其內(nèi),不能更好地發(fā)揮高速公路網(wǎng)在旅游資源優(yōu)化上的優(yōu)勢(shì),只作為對(duì)比方案使用,不能作為最優(yōu)方案。

        方案1、2、3均為納入旅游景區(qū)為節(jié)點(diǎn)的高速公路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,雖然總建設(shè)費(fèi)用較多,但都在其約束條件的范圍內(nèi)。不僅能夠滿足整個(gè)路網(wǎng)總通行時(shí)間最小的優(yōu)化目標(biāo),還能滿足提高旅游誘增交通量的目標(biāo)。方案1共新建了8條連接旅游景區(qū)的高速公路,分別為:杜爾伯特—大慶、五大連池—杜爾伯特、五大連池—北安、饒河縣—佳木斯、亞布力—佳木斯、饒河縣—同江、亞布力—鏡泊湖、鏡泊湖—牡丹江。方案2共新建7條連接旅游景區(qū)的高速公路,分別為:五大連池—北安、杜爾伯特—齊齊哈爾、鏡泊湖—牡丹江、饒河縣—佳木斯、五大連池—杜爾伯特、亞布力—佳木斯、亞布力—鏡泊湖。方案3共新建8條連接旅游景區(qū)的高速公路,分別為:五大連池—北安、杜爾伯特—大慶、鏡泊湖—牡丹江、饒河縣—同江、杜爾伯特—齊齊哈爾、五大連池—杜爾伯特、亞布力—佳木斯、亞布力—鏡泊湖,且方案3的總建設(shè)費(fèi)用比方案2少27.36億元,比方案1少42.64億元,大大減少了投資費(fèi)用。綜合比較,選擇方案3作為最終的優(yōu)化方案。

        5 結(jié)語(yǔ)

        高速公路網(wǎng)絡(luò)與旅游資源整合的發(fā)展策略將成為未來公路網(wǎng)規(guī)劃的一個(gè)趨勢(shì)和方向。本文建立了基于旅游資源的高速公路網(wǎng)絡(luò)雙層規(guī)化模型,采用遺傳算法進(jìn)行求解,并用Mat1ab軟件及其工具箱編寫了算法程序。以黑龍江省高速公路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化作為實(shí)例分析,驗(yàn)證了模型的可行性。

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        U412.36+6

        A

        1009-7716(2015)01-0133-05

        2014-11-20

        王文輝(1971-),男,河北石家莊人,高級(jí)工程師,在職研究生,研究方向?yàn)榻ㄖc土木工程,現(xiàn)從事市政能源、碼頭航道等工作。

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