一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法

本发明涉及一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，属于内河水运。

背景技术：

1、随着我国京杭运河水系、长三角地区内河货运船舶流量上升，沿线内河航道和船闸的交通压力越来越大，为充分利用干支线航道组成的交通网络的运输能力，结合不同船舶的航线特征，利用支线航道对干线航道的交通流进行分流势在必行。由于内河航道系统和运输模式具有典型的开放性，干线航道上的船舶具有多样的od，对某一特定航线的船舶分类势必会影响其他航线的船舶。这种由交通分配所引发、改变的交通活动对除参与者之外的第三方个体或社会整体产生的影响，被归类为交通的外部效应。

2、关于如何在涉及交通外部效应的情况下对内河航道中的货运船舶进行交通分配，目前看来国内外研究中成果寥寥。事实上，在交通分配模型中，航道网络的交通阻抗计算与道路交通网络有一定差异。船闸等设施存在排队过闸过程，其容量限制、工作模式、开启时间等因素会和船舶交通流产生多形态的相互作用，使相关模型的目标函数和约束条件更加复杂。

技术实现思路

1、基于上述问题，本发明专利京杭运河水系干支航道网状结构的船舶交通分配问题，考虑船闸节点的通过能力和船舶交通流的交通外部效应，构建了系统最优交通分配模型，并可以基于模型求解得到交通分配结果，可为内河航道网规划与建设提供参考。

2、为达成上述目的，本发明的解决方案是：。

3、一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，包括以下步骤：

4、步骤1，建立航道网络单元的拓扑结构；

5、步骤2，以步骤1所述航道网络单元内行程时间最小和航行费用最小为目标函数，构建交通分配模型；

6、步骤3，对步骤2所述交通分配模型进行求解，获得交通分配方案。

7、进一步地，步骤1所述航道网络单元的拓扑结构具有以下特征：

8、(1)拥有单一的起点与单一的讫点；

9、(2)包含代表航道交叉点与船闸的节点，以及代表由干线航道与支线航道的边；

10、(3)起讫点之间具有两条的可达路径；

11、(4)具有外部开放性，即该航道网络单元中的边不仅允许该起讫点下的船舶流量通行，也允许其他起讫点不包含在该航道网络单元内的船舶流量过境流动。

12、进一步地，单位时间内进入所述航道网络单元的船舶交通量均流出所述航道网络单元，船舶不在所述航道网络单元内停泊。

13、进一步地，船舶在同一航道段内以平均速度单向航行，船闸的通过能力显著小于其上下游航道的通过能力，船舶到达和服务时间符合一般分布。

14、进一步地，步骤2所述交通分配模型的目标函数具体为：

15、minz1＝tp(qp)′-tp(qp)+tf(qf)′

16、minz2＝cp(qp)′-cp(qp)+cf(qf)′

17、

18、

19、

20、

21、

22、

23、式中，z1为行程时间，z2为航行费用；a为所述航道网络单元中的航段集，a为航段；qf为内部流量，即所述航道网络单元所包含的od对所对应的船舶流量；qp为外部流量，即其他起讫点不包含在该航道网络单元内的船舶流量；qa为不采取交通控制措施的初始状态下经过航段a的船舶流量，分别为不采取交通控制措施的初始状态下经过航段a的内部流量和外部流量；qa′为经过交通分配之后经过航段a的船舶流量，为经过交通分配之后经过航段a的内部流量；tp(qp)为初始状态下qp的总行程时间，为qa的总行程时间，为qa的待闸时间；tp(qp)′为经过交通分配之后qp的总行程时间，为qa′的总行程时间，为qa′的待闸时间；tf(qf)′为经过交通分配之后qf的总行程时间；cp(qp)为初始状态下qp产生的总费用，为qa产生的燃油费用，为qa产生的过闸费用；cp(qp)′为经过交通分配之后qp产生的总费用，为qa′产生的燃油费用，为qa′产生的过闸费用；θa为参数，当航段a上有船闸时θa取1，否则θa取0。

24、进一步地，对步骤2所述交通分配模型进行求解[q1′,…,qa′,…]t，得到最优解即为交通分配方案。

25、进一步地，待闸时间的表达式如下：

26、

27、式中：tq(q)为单位时间交通流量q的待闸时间，ρ为船闸的服务强度；v1为船舶到达船闸与上一船舶到达船闸间隔时间的方差；v2为船舶在闸室中接受过闸服务时间的方差；n为单位时间内开放的闸次数；nm为一次过闸船舶数；t为交通流量q中最后一艘船舶到达时相对第一艘船舶到达时间的时间间隔；st为船舶在闸室中接受过闸服务的平均时间。

28、进一步地，行程时间的表达式如下：

29、th(q)＝s/vactual

30、vactual＝vc±vw

31、vactual＞vm

32、式中：th(q)为单位时间交通流量q的总行程时间，e为自然常数；s为航段中心线的几何长度；vc为船舶静水航速；vw为水流速度，船舶航行方向与水流方向相同时取+号，反之取-号；vactual为船舶实际航速；vm为航段内交通流量达到最大时的船舶的临界航速。α、β为指数模型的拟合参数，取正常数，应当根据当地船舶交通流的速度-流量关系进行实测确定。

33、进一步地，燃油费用的表达式如下：

34、

35、式中：cr(q)为单位时间交通流量q产生的燃油费用，w为船舶燃油消耗率；b为船舶负荷；p为船舶功率；f为燃油价格；vd为船舶的设计航速，vc为船舶静水航速。

36、本发明还提供一种电子设备，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如上所述的内河航道船舶交通分配方法的指令。

37、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

38、本发明通过理论分析和参数推导，建立一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，在考虑特定方向的船舶交通流对同一航道上的其他船舶的影响后，将船舶交通外部效应产生的成本作为区域综合交通成本的一部分，结合内河航道船舶交通流的特征，改进传统交通分配模型的目标函数，在经典交通分配模型的基础上，提出了一种新的考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配模型，并基于模型求解得到交通分配结果，既兼顾了交通分配模型的基本理论，又具有内河船舶交通流自身特点，其成果有助于交通分配理论的发展，为分析船舶交通造成的拥堵等外部效应提供新视角，并为内河航道网缓解交通压力提升整体性能提供重要的依据。

技术特征：

1.一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，步骤1所述航道网络单元的拓扑结构具有以下特征：

3.根据权利要求1所述的一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，单位时间内进入所述航道网络单元的船舶交通量均流出所述航道网络单元，船舶不在所述航道网络单元内停泊。

4.根据权利要求1所述的一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，船舶在同一航道段内以平均速度单向航行，船闸的通过能力显著小于其上下游航道的通过能力，船舶到达和服务时间符合一般分布。

5.根据权利要求1所述的一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，步骤2所述交通分配模型的目标函数具体为：

6.根据权利要求5所述的一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，对步骤2所述交通分配模型进行求解[q1′,…,qa′,…]t，得到最优解即为交通分配方案。

7.根据权利要求5所述的一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，待闸时间的表达式如下：

8.根据权利要求5所述的一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，行程时间的表达式如下：

9.根据权利要求5所述的一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，其特征在于，燃油费用的表达式如下：

10.一种电子设备，其特征在于，包括一个或多个处理器、一个或多个存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述一个或多个存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-9中任一所述内河航道船舶交通分配方法的指令。

技术总结本发明公开了一种考虑交通外部效应的内河航道船舶交通分配方法，该方法依照OD对是否在交通网络单元中对船舶流量进行划分，将船舶交通外部效应纳入交通分配模型目标函数涵盖范围，使船舶交通造成的拥堵外部效应内部化；从航行费用和行程时间两个维度设置目标函数，推导了基于船舶延误时间、船舶航行成本的区域综合交通成本计算公式，构建了系统最优交通分配模型，并基于模型求解得到交通分配结果。该方法对内河航道网络内船舶交通分配问题与航道交通负载均衡提出优化方案，填补了传统船舶交通分配模型无法评估外部效应的空缺，为提高繁忙内河航道网络的整体运行效率，优化内河船舶交通时空分布等提供了理论依据。技术研发人员：廖鹏,谢博祎受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23