以通航梯级枢纽为核心的水陆耦合集散交通系统构建方法

摘要

本发明公开了一种以通航梯级枢纽为核心的水陆耦合集散交通系统构建方法，该方法按照下述具体步骤实现：S1，从现有交通底图中提取物流网络图，获取航运枢纽节点和城镇节点；S2，建立航运枢纽节点与城镇节点的连接；所述城镇节点与所述航运枢纽节点道路直接连通；S3，根据物资扩散模型计算每个航运枢纽节点物资的扩散覆盖范围；S4，对目标航道的货运输出能力及货运输出区域输出需求做匹配，更新货运扩散覆盖范围。本发明实现了在综合调度背景下的航运与陆运的综合，更充分地调动现有交通资源和发挥梯级的交通运输价值，本发明还充分考虑了货运能力与区域消费能力的匹配，节省运输能力。

说明书

技术领域

本发明涉及航运开发规划及综合交通设计领域，尤其涉及一种以通航梯级 枢纽为核心的水陆耦合集散交通系统构建方法。

背景技术

在大型江河普遍做过梯级开发的背景下，航运规划主要集中在航道整治、 通航条件的优化及航运调度上，缺乏在已知航运效能的基础上对航运和其它运 输方式的统筹调配。同时，现有综合交通系统的研究侧重于各运输方式内部的 发展与相互间的协调，缺乏航运与陆运间的配合方案及效益分析，没有充分调 动梯级枢纽在区域交通中的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以通航梯级枢纽为核心的水陆耦合集散交通系 统构建方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明所述以通航梯级枢纽为核心的水陆耦合集散交 通系统构建方法，该方法按照下述具体步骤实现：

S1，从现有交通底图中提取物流网络图，获取航运枢纽节点和城镇节点；

S2，建立航运枢纽节点与城镇节点的连接；所述城镇节点与所述航运枢纽 节点道路直接连通；

S3，根据物资扩散模型计算每个航运枢纽节点物资的扩散覆盖范围；

S4，对目标航道的货运输出能力及货运输出区域输出需求做匹配，更新货 运扩散覆盖范围。

优选地，步骤S1，具体按照下述步骤实现：从区域实际交通图中提取出与 航道和航运枢纽相连的道路，以资源中心、需求中心和交通枢纽为节点建立拓 扑网络，统计所有道路的等级和道路所对应的运输能力和运价成本，完成物流 网络图。

优选地，步骤S3，具体按照下述步骤实现：

A1，建立物资扩散模型，所述物资扩散模型包括航运扩散子模型和航运驱 动的陆地扩散子模型；

A2，以航运枢纽节点需输出的货运量数据，根据航运扩散子模型得到航运 物资在航运枢纽节点j的航运扩散范围，所述航运扩散范围包括：以航运枢纽节 点j为中心、以航运枢纽节点j的航运扩散半径r_j为半径的扩散圈的圆面积与前 一航运枢纽扩散圈下游到航运枢纽节点j扩散圈之间形成的面积之和；

其中，所述以航运枢纽节点j的航运扩散半径r_j的计算公式为公式(1)；

$r_j=\sqrt{\frac{{\alpha }^{*}·w_j}{\pi x}}---\left(1\right);$

r_j表示航运枢纽节点j的航运扩散半径，单位km；

x表示航运枢纽节点j的行政区域对运输物资的单位面积消费能力，单位元 /km²；

α^*表示单位重量物资到达航运枢纽节点j时的销售价值，单位元/万吨；所 述销售价值包括物资原始成本价值、物资运输成本和物资基本利润；

w_j表示在航运枢纽节点j的航运扩散范围内所需要的物资重量，单位万吨；

A3，由航运枢纽节点j与城镇节点的连接和城镇节点的对物资的吸收能力 分配在航运枢纽节点j下船后的货物沿城镇节点方向进行陆地传播的配比，在每 个传播方向上根据航运驱动的陆地扩散子模型中的中心城镇辐射半径公式计算 理论陆地扩散覆盖范围，中心城镇辐射半径公式如公式(2)；

$r_e=\sqrt{\frac{{\alpha }^{*}·w_e}{{\mathrm{\pi x}}_e}}---\left(2\right)$

其中，e为中心城镇的编号，w_e为到达中心城镇K的物资重量，单位万吨， x_e为中心城镇e的行政区域对所运输物资的单位面积消费能力，单位元/km²；α^*表示单位重量物资到达中心城镇e时的销售价值，单位元/万吨；

A4，所述航运枢纽节点j的物资扩散覆盖范围为航运扩散范围与中心城镇 的理论陆地扩散覆盖范围之和。

更优选地，在步骤A2中，所述航运扩散子模型中还包括计算在物资到达航 运枢纽节点j后，更新后的物资量，如公式(3)；

w′_j＝w_j-Δw_j+Δw′_j  (3)

其中，w_j表示到达航运枢纽节点j时船承载的货物量，单位万吨；

w′_j表示到达航运枢纽节点j更新后的物资量，单位万吨；

Δw_j表示在航运枢纽节点j被卸载的物资量，单位万吨；

Δw′_j表示在航运枢纽节点j新装船的物资量，单位万吨。

更优选地，步骤A3具体按照下述步骤实现：

A31，根据公式(4)，计算从航运枢纽节点j向与其相连的中心城镇Y陆运 扩散的理论扩散距离d；

$\frac{\Delta w}{2v^2}{d}^2+(k·f-\frac{{\alpha }^{*}w}{v})d+\alpha w=0---\left(4\right);$

其中，Δw表示在航运枢纽节点j被卸载的物资量，单位万吨；

v表示连接航运枢纽节点j与中心城镇Y之间的道路的运输平均速度，单位 km/h；

k表示连接航运枢纽节点j与中心城镇Y之间的道路运输能力，单位万吨 /km；

f表示运输消耗费率，单位元/万吨；

α^*表示单位重量物资到达航运枢纽节点j时的销售价值，单位元/万吨；所 述销售价值包括物资原始成本价值、物资运输成本和物资基本利润；

α表示单位重量物资到达航运枢纽节点j时的成本价值，单位元/万吨；

w表示从航运枢纽节点j到中心城镇Y运输的物资重量，单位万吨；

d表示航运枢纽节点j向与其相连的中心城镇Y陆运扩散的理论扩散距离， 单位km；

A32，判断所述理论扩散距离d是否大于等于所述航运枢纽节点j与中心城 镇Y的实际距离S，如果是，则保留从航运枢纽节点j向中心城镇Y物资扩散 的线路，并进入A4；如果不是，则删除从航运枢纽节点j向中心城镇Y物资扩 散的线路。

更优选地，根据步骤A2中计算得到的航段内所有航运枢纽节点中最大的航 运扩散半径r_max计算航线最适宜修建枢纽对应货运码头的位置，具体方式如下：

B1，通过航运扩散子模型获取航段内所有航运枢纽节点中最大的航运扩散 半径r_max；流域内共有经济中心城镇节点x₁、x₂、x₃……x_n，所述x_n表示经济 中心城镇节点，所述n≥1，表示经济中心城镇节点的数量；

B2，以在基础条件符合需求航段上的变点O为中心、R为半径做圆，所述 r_max≤R≤1.1r_max；计算满足公式(5)的经济中心城镇节点的数量；

d|Ox_n|≤R  (5)；

其中，d|Ox_n|表示经济中心城镇节点与变点O之间的距离，单位km；

B3，记录经济中心城镇节点的数量最多时，航段上的变点O与每个经济中 介节点的距离；然后采用目标函数公式(6)，求得航段上最适宜修建枢纽对应 货运码头的位置；

$min\underset{m=1}{\overset{z}{\Sigma }}d\left|{\mathrm{Ox}}_m\right|---\left(6\right);$

其中，z表示满足公式(5)的经济中心城镇节点的最多数量；

d|Ox_m|表示经济中心城镇节点与变点O之间的距离，单位km；

所述基础条件包括：地形、水深和水流。

本发明的有益效果是：

(1)本发明更紧密地与梯级水库综合调度结合，更充分地发挥梯级的交通 运输价值。

(2)本发明实现了在综合调度背景下的航运与陆运的综合，更充分地调动 现有交通资源，本发明还充分考虑了货运能力与区域消费能力的匹配，节省运 输能力。

(3)随着航道建设与区域道路改造，本发明所述方法具有可持续发展性。

附图说明

图1是航运节点的航运扩散范围示意图；

图2是实施例中获取的实际扩散范围示意图；其中，J1、J2、J3、J4依次为 乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝；Y1、Y2、Y3、Y4依次为九龙坡集装箱码头、 涪陵专业滚装码头、红溪沟港区、秭归港三峡翻坝物流园区码头；C1为成都， C2为重庆，图2中被Y1九龙坡代替，C3为贵阳，C4为昆明；t1-t27为27个主要城 市，其中t16为攀枝花；中心黑点五边形注记代表稀土矿，白心菱形代表磷矿， 黑色方块代表煤矿，黑心三角形代表铁矿及伴生黑色金属矿；黑边灰色带为金 沙江及长江；黑白相间粗线为铁路，深灰带黑虚线心粗线为高速公路，黑色稍 细线为国道，灰色更细线为省道；左上-右下方向斜线区域为匹配后的实际航运 扩散范围，右上-左下方向斜线区域为匹配后的实际陆路扩散范围。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述以通航梯级枢纽为核心的水陆耦合集散交通系统构建方法，按 照下述具体步骤实现：

S1，从现有交通底图中提取物流网络图，获取航运枢纽节点和城镇节点；

S2，建立航运枢纽节点与城镇节点的连接；所述城镇节点与所述航运枢纽 节点道路直接连通；

S3，根据物资扩散模型计算每个航运枢纽节点物资的扩散覆盖范围；

S4，对目标航道的货运输出能力及货运输出区域输出需求做匹配，更新货 运扩散覆盖范围；其中，更详细的解释如下：

(一)、步骤S1，具体按照下述步骤实现：从区域实际交通图中提取出与航 道和航运枢纽相连的道路，以资源中心、需求中心和交通枢纽为节点建立拓扑 网络，统计所有道路的等级和道路所对应的运输能力和运价成本，完成物流网 络图。

(二)、步骤S3，具体按照下述步骤实现：

A1，建立物资扩散模型，所述物资扩散模型包括航运扩散子模型和航运驱 动的陆地扩散子模型；

A2，以航运枢纽节点需输出的货运量数据，根据航运扩散子模型得到航运 物资在航运枢纽节点j的航运扩散范围，所述航运扩散范围包括：以航运枢纽节 点j为中心、以航运枢纽节点j的航运扩散半径r_j为半径的扩散圈的圆面积与前 一航运枢纽扩散圈下游到航运枢纽节点j扩散圈之间形成的面积之和，见图1， 在图1中A、B、C表示三个航运节点，但是在图1中仅仅表示出了航运节点B 和C的航运扩散范围，其中，粗实线的阴影部分表示航运节点B的扩散范围， 细实线的阴影部分表示航运节点C的扩散范围；

其中，所述以航运枢纽节点j的航运扩散半径r_j的计算公式为公式(1)；

$r_j=\sqrt{\frac{{\alpha }^{*}·w_j}{\pi x}}---\left(1\right);$

r_j表示航运枢纽节点j的航运扩散半径，单位km；x表示航运枢纽节点j的 行政区域对运输物资的单位面积消费能力，单位元/km²；α^*表示单位重量物资 到达航运枢纽节点j时的销售价值，单位元/万吨；所述销售价值包括物资原始 成本价值、物资运输成本和物资基本利润；w_j表示在航运枢纽节点j的航运扩散 范围内所需要的物资重量，单位万吨；

A3，由航运枢纽节点j与城镇节点的连接和城镇节点的对物资的吸收能力 分配在航运枢纽节点j下船后的货物沿城镇节点方向进行陆地传播的配比，在每 个传播方向上根据航运驱动的陆地扩散子模型中的中心城镇辐射半径公式计算 理论陆地扩散覆盖范围，中心城镇辐射半径公式如公式(2)；

$r_e=\sqrt{\frac{{\alpha }^{*}·w_e}{{\mathrm{\pi x}}_e}}---\left(2\right)$

其中，e为中心城镇的编号，w_e为到达中心城镇K的物资重量，单位万吨， x_e为中心城镇e的行政区域对所运输物资的单位面积消费能力，单位元/km²；α^*表示单位重量物资到达中心城镇e时的销售价值，单位元/万吨；

A4，所述航运枢纽节点j的物资扩散覆盖范围为航运扩散范围与中心城镇的 理论陆地扩散覆盖范围之和。

①、在步骤A2中，所述航运扩散子模型通过各个航运枢纽的上船物资量、 下船物资量、航行过程中船中物资持有量，计算每个航运枢纽的货运量及航运 扩散范围，具体为：各货源地货物在距离最近的航运枢纽上船沿航线下行，在 离货物需求地最近的航运枢纽下船，然后以下船航运枢纽为中心扩散，同时， 有其他货物在下船航运枢纽上船，在航运过程中，相邻两个航运枢纽之间，航 运货运物资量没有变化。其中，航运货运物资量由调度方式调节的航运能力、 枢纽码头货运吞吐量和货物需求量决定。因此，所述航运扩散子模型中还包括 计算在物资到达航运枢纽节点j后，更新后的物资量，如公式(3)；

w′_j＝w_j-Δw_j+Δw′_j  (3)

其中，w_j表示到达航运枢纽节点j时船承载的货物量，单位万吨；w′_j表示到 达航运枢纽节点j更新后的物资量，单位万吨；Δw_j表示在航运枢纽节点j被卸 载的物资量，单位万吨；Δw′_j表示在航运枢纽节点j新装船的物资量，单位万吨。

②、步骤A3具体按照下述步骤实现：

A31，根据公式(4)，计算从航运枢纽节点j向与其相连的中心城镇Y陆运 扩散的理论扩散距离d；

$\frac{\Delta w}{2v^2}{d}^2+(k·f-\frac{{\alpha }^{*}w}{v})d+\alpha w=0---\left(4\right);$

其中，Δw表示在航运枢纽节点j被卸载的物资量，单位万吨；v表示连接 航运枢纽节点j与中心城镇Y之间的道路的运输平均速度，单位km/小时；k表 示连接航运枢纽节点j与中心城镇Y之间的道路运输能力，单位万吨/km；f表 示运输消耗费率，单位元/万吨；α^*表示单位重量物资到达航运枢纽节点j时的 销售价值，单位元/万吨；所述销售价值包括物资原始成本价值、物资运输成本 和物资基本利润；α表示单位重量物资到达航运枢纽节点j时的成本价值，单位 元/万吨；W表示到达航运枢纽节点j时船承载的货物量，单位万吨。

A32，判断所述理论扩散距离d是否大于等于所述航运枢纽节点j与中心城镇 Y的实际距离S，如果是，则保留从航运枢纽节点j向中心城镇Y物资扩散的线路， 并进入A4；如果不是，则删除从航运枢纽节点j向中心城镇Y物资扩散的线路。

③、所述公式(4)是按照下述方法推到的：

首选，已知在与航运枢纽节点相连的任一道路方向上，当达到公式(7)时， 则表示沿该方向运输的物资消耗完，扩散停止；

∑X_i＝X+fw^*  (7)

其中，∑X_i为货物在此时的累计消费额，单位元，X为货物成本价值，元， f为运输消耗费率，元/万吨，w^*为沿途参与运输实际总重量，单位万吨；w^*更进 一步的解释为计算消耗的道路单位路程上的运输量之和；

然后，道路运输能力k已知时，通过公式(7)得沿该道路方向的最大传播 距离d的公式(8)

$d=\frac{{\mathrm{\Sigma X}}_i-X}{k·f}=\frac{{\alpha }^{*}{w}^{*}-\alpha w}{k·f}---\left(8\right);$

其中w^*更进一步的解释为计算消耗的道路单位路程上的运输量之和，即 w(t)表示物资在陆地运输途中任意时间点的货运重量，T为到 物资停止扩散时运输总时间，单位h；f表示运输消耗费率，单位元/万吨；k表 示道路运输能力；α^*表示单位重量物资到达航运枢纽节点时的销售价值，单位 元/万吨；α表示单位重量物资到达航运枢纽节点时的平均成本价值，单位元/ 万吨；w表示从航运枢纽节点到沿所述道路方向的中心城镇运输的物资重量， 万吨；

最后，在获取单位路程、单位时间物资在该道路上的消耗量、获取该道路 的运输平均速度和的条件下，推到出公式(4)即：

$\frac{\Delta w}{2v^2}{d}^2+(k·f-\frac{{\alpha }^{*}w}{v})d+\alpha w=0---\left(4\right).$

(三)航段上最适宜修建枢纽对应货运码头的位置的方法

在本发明中根据步骤A2中计算得到的航段内所有航运枢纽节点中最大的 航运扩散半径r_max计算航线最适宜修建枢纽对应货运码头的位置，具体方式如 下：

B1，通过航运扩散子模型获取航段内所有航运枢纽节点中最大的航运扩散 半径r_max；流域内共有经济中心城镇节点x₁、x₂、x₃……x_n，所述x_n表示经济 中心城镇节点的编号，所述n≥1，表示经济中心城镇节点的数量；

B2，以在基础条件符合需求航段上的变点O为中心、R为半径做圆，所述 r_max≤R≤1.1r_max；计算满足公式(5)的经济中心城镇节点的数量；

d|Ox_n|≤R  (5)；

其中，d|Ox_n|表示经济中心城镇节点与变点O之间的距离，单位km；

B3，记录经济中心城镇节点的数量最多时，航段上的变点O与每个经济中 介节点的距离；然后采用目标函数，公式(6)，求得航段上最适宜修建枢纽对 应货运码头的位置；

$min\underset{m=1}{\overset{z}{\Sigma }}d\left|{\mathrm{Ox}}_m\right|---\left(6\right);$

其中，z表示满足公式(5)的经济中心城镇节点的最多数量；d|Ox_m|表示经 济中心城镇节点与变点O之间的距离，单位km；所述基础条件包括：地形、水 深和水流。

实施例

以长江上游(包括金沙江下游)攀枝花-宜昌段为例，以攀枝花-乌东德-白 鹤滩-溪洛渡-向家坝-重庆(九龙坡)-涪陵-万州(红溪沟)-宜昌(秭归)为航 运梯级枢纽，包括规划正在建设中的金沙江四梯级枢纽对应货运码头，建设长 江上游水陆耦合集散交通系统为目的，具体实施步骤如下：

1、估计区域整体货运需求

首先根据航道所在流域内的资源和产业分布、规模、产量，得到各资源地 最多可以输出的货运量，以各产地的工业中心为输出中心。根据流域内的工业 区位和规模分布，对资源的需求进行估计。以最近原则及最后以梯级综合调度 和航运枢纽货运吞吐能力为依据，对物资可输出产能和输入需求量进行匹配， 估计以各个枢纽为中心输出的货物种类和重量、价值。这里的可输出产能指在 攀枝花-宜昌段流域腹地内各种资源或物资产出在满足当地需求之余可向外供应 的量；输入需求量指流域腹地内资源产地之外的地区对某种资源或物资的需求 量，也包括自产某种资源但不能完全满足其自身工业需要，还需输入的一些地 区的需求量。

根据四川、云南、重庆和湖北宜昌的十一五、十二五发展状况、资源、工 业区位和生产能力现状，得出2015年、2020年的流域内货运需求预测如表1。

表1 2015年、2020年的流域内货运需求预测表

2、提取综合交通网络图、然后再进一步提取物流网络图，从而获取航运枢 纽节点和城镇节点

从区域实际交通图中提取出与航道和航运枢纽相连的道路，以资源中心、 需求中心和交通枢纽为节点建立拓扑网络，统计所有道路的等级和对应的一般 运输能力和运价成本。

由长江上游区域交通图抽取的国道及以上等级交通网络、经济中心节点， 提取物流网络图；获取各航运枢纽所连接的道路平均运输成本、速度和经济中 心服务范围内的单位面积消费能力如表2。

表2 航运枢纽所连接的道路平均运输成本、速度和经济中心服务范围内的单位面积消费 能力表

3、根据物资扩散模型计算货运扩散范围

以各航运枢纽需输出的货运量数据，根据航运扩散子模型得到货运综合扩 散的理论航运覆盖范围，具体为应用公式(1)。再由每个枢纽与周边节点的连 接和这些节点的吸收能力分配各枢纽货物下船后沿各方向进行陆地传播的配 比，在每个传播方向上根据货运陆地扩散模型计算理论陆地扩散覆盖范围，具 体为应用公式(2)。

4、实际扩散范围获取与货运动态匹配

对于已具备完整货运码头的枢纽货运扩散影响范围，根据所覆盖区域的县 级行政边界，如县交通及经济中心(一般也为行政中心)在范围内，即认为影 响范围内的该县区域货运可达；如县中心不在范围内，则在理论范围内裁去该 县区域。对于已有枢纽，待规划对应货运码头的情况，根据航道条件和现有陆 地交通道路条件，以航运枢纽对应最大理论航运扩散圈为窗口，在符合地质、 水流和水深条件的航段上选择使得窗中心与窗内经济中心节点连接度最大的航 段为建议码头建设带，详细将(三)航段上最适宜修建枢纽对应货运码头的位 置的方法中所述内容，然后再在以建议码头规划点为航运枢纽的理论货运扩散 范围内截取对应的实际货运扩散范围。最后根据实际货运扩散范围和范围内的 工业消化能力更新整个综合集散交通系统的货运输出量和所创造的货运经济价 值。

以前两步中的数据为基础，由物资扩散模型得到长江上游梯级枢纽为货运 中心的综合交通网络理论货运扩散范围，再对金沙江四梯级对应的货运码头位 置进行规划，最后获取的实际扩散范围见图2，建议修建或扩建码头段如表3， 实际扩散范围、匹配的货运量和经济价值见表4。其中白鹤滩坝前计划新建码头 将和金阳县上码头共同完成对白鹤滩枢纽的翻坝；溪洛渡坝前计划新建码头和 雷波港区共同完成对溪洛渡的翻坝。

表3 建议修建或扩建码头段

表4 实际扩散范围、匹配的货运量和经济价值表

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：(1)本发 明更紧密地与梯级水库综合调度结合，更充分地发挥梯级的交通运输价值。(2) 本发明实现了在综合调度背景下的航运与陆运的综合，更充分地调动现有交通 资源，本发明更充分考虑了货运能力与区域消费能力的匹配，节省运输能力。(3) 随着航道建设与区域道路改造，本发明所述方法具有可持续发展性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。