区域公路货运枢纽布局规划模型研究

梁承愿，李 璐

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410004)

区域公路货运枢纽布局规划模型研究

梁承愿1，李 璐2

(长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410004)

随着我国经济的快速发展和区域一体化进程的加快，区域之间的合作和交流增多，区域货运枢纽一体化布局能有效节约资源，提高运输效率。文章立足于区域一体化大背景，对货运枢纽的布局规划方法展开研究，建立了基于效率与公平的双层规划模型，具有较好的理论与实际意义。

区域一体化；货运枢纽；布局规划

0 引言

近年来，我国不断深化经济体制改革，城市之间的经济联系愈发紧密。在城市化发展过程中，区域一体化随之产生，即区位相近的一些城市不断加强经济和区位联系，构成具有显著空间特征的城市群，通过整合经济资源、信息共享及发展区域交通等方式来提升区域的竞争力。在实现区域一体化的进程中，生产要素、商品市场将逐渐向经济体制深化。目前，我国已经产生了以珠江三角洲、长江三角洲、深莞惠、长株潭等为代表的城市群体，通过良好的区位优势，逐渐构筑一个先以核心城市拉动周边城市经济发展再相互促进的良好态势。长期以来，货运枢纽规划的出发点或落脚点都是单个城市货运系统自身，即站在单个城市货运系统本身的立场上，通过一定的分析方法求解最优的规划方案，而没有考虑区域整体的联系，没有进行区域整体的协调和规划，导致区域内货运枢纽布局的不合理性，造成了枢纽的重复建设和资源的浪费。

枢纽选址布局问题的研究始于O’Kelly(1987)的开创性研究。O’Kelly通过研究航空客运网络，运用整数规划模型，以总的运输成本(包括时间、距离等)最小为目标，提出了第一个公认的单分配P-Hub中心选址问题的数学模型[1]。此后，Skorin-Kapov(1994)构建了一个新的线性规划模型求解单分配P-Hub中心选址问题[2]；Kara(1999)证明了单分配P-Hub中心选址问题是NP难问题[3]。Campbell构建了第一个多分配枢纽的选址模型[4]。Haggett Peter通过求解已有交通网络条件下货运枢纽的最佳位置，设计了双层数学规划模型，但只能用来解决单个货运枢纽的选址问题[5]。

国内方面，贾倩采用系统分析法，首先对枢纽场站备选位置进行分析，确定备选方案，建立枢纽布局方案评价体系，使用模糊层次分析法对每个备选方案进行评价对比，确定最佳的布局方案[6]。陆化普通过研究得出了公路交通枢纽的两阶段布局规划模型，第一阶段是运用交通规划的四阶段理论对交通枢纽的布局情况进行分析，确定布局备选方案，第二阶段则是运用交通规划模型对枢纽布局进行优化，确定最佳的布局方案[7]。陈菊构建了基于物流总成本最小的物流节点选址的双层规划模型，并给出了模型的求解方法[8]；姜大立、杨西龙根据易变质产品的特点和节点选址的复杂程度，提出了基于CAGA算法的求解易腐产品物流中心选址问题[9]；李雪凯(2012)考虑了城市空间布局、工业产业布局、城市商业网点布局、货运枢纽(物流中心)布局、城市对外交通通道、其他运输方式货运站场布局等对空间布局的影响，构建整数规划模型，确定货运枢纽的空间布局方案[10]。

1 区域公路货运枢纽功能定位

区域货运枢纽是区域内部和对外货运的重要中转节点，对区域周边地区有很强的吸引和辐射作用，其主要功能表现在以下三个方面：

(1)区域货运枢纽是区域内部和对外货物运输过程中集散和中转的场所，可以有效增强区域间城市的货运联系，拉动区域经济的增长。

(2)区域货运枢纽通过信息化手段，通过对运输组织关系的改进，实现货物运输的连续性，能有效提高运输效率，降低运输费用和节省时间成本，实现资源的有效利用。

(3)区域货运枢纽作为货物运输网络上的重要节点，保证了货运网络的完整性，通过内部设施的分工协作，集中转、仓储、运输组织等功能，对货流进行快速的集聚和疏散。

综上所述，区域货运枢纽的主要功能如图1所示：

图1 货运枢纽主要功能图

2 区域公路货运枢纽空间布局优化模型

研究区域公路货运枢纽布局优化首先要考虑区域一体化背景下影响货运枢纽布局规划的因素，这关系到区域的整体利益，影响规划的整个过程。同时，在建模之前要按一定规则选取研究对象，采用合适的方法，将影响因素体现在模型的目标函数和约束条件之中。

2.1 建模思路

区域公路货运枢纽布局优化模型的建立，需要以区域整体的货运成本最小化和货运效率最大化为目标，综合考虑区域产业的布局，货源点和需求点的分布情况，考虑资金和建设用地条件的约束、区域内各城市的公平性等约束条件，使整个区域货运网络达到一种系统性能最优的目的，其根本上是在一组约束条件下的最优决策和规划问题。区域公路货运枢纽布局优化要满足的定性和定量约束条件较多，定性约束可以通过量化转化为定量约束，本文的公平性约束就是将公平性量化为货运强度进行计算。

2.2 模型假设

为了简化研究的内容，首先对建模条件做以下假设：

(1)备选枢纽已确定；

(2)货物可以直接从发生点到达吸引点，也可由货运枢纽中转，但最多中转一次；

(3)不考虑仓储和运输过程中货物的损耗，进入枢纽的货物总量与运出枢纽的货物总量相等；

(4)不考虑路径的选择，起讫点之间的距离按直线距离计算；

(5)备选枢纽到各交通小区的货运OD已知。

2.3 决策变量

本研究的决策变量有三个，分别为备选点变量Xr、货种组合变量Ar和枢纽建设规模变量Pr。其中备选点Xr为0-1变量，1表示被选中，0表示不被选中；货种组合变量Ar为向量变量，表示备选枢纽不同的货种组合；枢纽规模Pr为连续变量，是实数。见表1。

表1 决策变量表

2.4 目标函数

目标函数主要考虑两个方面：(1)考虑货物运输费用；(2)考虑运输过程中的时间成本，将时间成本折算成费用，目标函数以货物总的运输费用和时间成本之和最小为目标。

(1)运输费用

(1)

(2)时间成本

(2)

(3)

综上，考虑目标函数为：

(4)

式中：

R，S，J分别为枢纽点集合，需求点集合，货物种类集合；

cj——第j种货物的单位运输费用(元/t·km)；

drs——枢纽点r到需求点s的直线距离(km)；

v——枢纽点到需求点的平均运行速度(km/h)；

xr——0-1变量，当选中备选枢纽r时为1，否则为0；

λj——第j种货物的单位时间费率(元/t·h)；

IR——社会贷款年利率，代表资金的年利率，单位为(%)；

HY——365×24h，将单位货物年价值转换为时间价值。

2.5 约束条件

考虑到影响公路货运枢纽规划的若干因素，为保证枢纽布局方案的经济合理性、技术可行性和区域各城市的公平性，需要给模型增加约束条件。约束条件有建设成本约束、货运总量约束、规模约束和公平性约束等。

(1)建设成本约束

政府部门对货运枢纽的建设投资有一定的限度，货运枢纽的建设应考虑建设成本。所有货运枢纽的建设成本相加得到总的建设成本，考虑到规模、土地利用条件等都是影响建设成本的因素，而土地利用条件无法进行具体的量化，本文只研究规模对建设成本的影响，假设单位面积的建设费用为G建。

(5)

gr=C建·Pr

(6)

式中，gr——第r个枢纽的建设成本；

G——总的建设投资；

Pr——第r个枢纽的规模。

(2)不同货种的货运总量约束

(7)

(3)规模约束

枢纽规模应考虑出入枢纽的货物种类和货种运量，结合不同货物的单位占地面积，得到货运枢纽规模的计算公式为：

(8)

式中，pj——第j种货物的单位用地面积。

(4)公平性约束

货运枢纽的建设不应单纯考虑货运量，还应综合考虑区域各城市的产业特点和单位GDP所产生的货运量，即城市的货运强度，随着产业向高端化、轻型化发展，产品附加提高，而体积、重量减小，因此货运强度会不断减少。在货运枢纽的规划阶段，需要以区域内各城市的货运强度为依据，并以此作为公平性约束。

a≤Wl≤b

(9)

(10)

式中，wl——第l个城市的货运强度；

Hl——第l个城市的货运量；

a、b——分别表示货运强度的下界和上界，为常数。

2.6 双层规划模型的建立

货运枢纽布局和货运量的分配之间是互相影响的，枢纽节点的确定会影响货运量的分布，而货流量的分布也会影响枢纽的选择。双层规划法可以较好地处理两者之间的关系，比单层规划更加符合实际应用。因此，本文选择使用双层规划建模。

本文将运输费用和时间成本最小作为上层函数的目标函数，下层选用基于效率的货运量分配模型来计算各货运枢纽的货运分布量。

上层：

(11)

a≤Wl≤b

xr∈(0，1)

下层：

(12)

tuv——表示枢纽u到需求点v的时间；

GA——标准货车载重(一般为20t/车)；

H——标准日工作小时(一般为8h)；

Qr——第r个枢纽的吞吐量(万t)。

3 结语

(1)本文对区域货运枢纽基本功能进行总结。

(2)通过分析区域一体化背景下影响货运枢纽布局的因素，构建了基于效率与公平的公路货运枢纽布局规划模型，上层以运输费用和时间成本之和最小为目标，下层则是货运量分配，形成双层规划模型。

本研究没有考虑路网及与其他运输方式之间的衔接，有待进一步研究。

[1]ME O’Kelly.A quadratic inter program for the location of interacting hub facilities[J].European Journal of Operational Research.1987，32(3)：393-404.

[2]Skorin-Kapov.Research on tabu search for the location of interacting hub facilities[J].European Journal of Operational Research.1994，73(3)：502-509.

[3]Bahar Y Kara，Barbaros C Tansel.On the single-assignment p-hub center problem[J].European Journal of Operational Research.2000，125(3)：648-655.

[4]James F.Campbell.Integer programming formulations of discrete hub location problems[J].European Journal of Operational Research.1994，72(2)：387-405.

[5]Haggett Peter.Locational Models[M].New York：John Wiley and Sons，1997.

[6]贾 倩.综合交通枢纽布局规划研究[D].西安：长安大学，2006.

[7]陆化普.综合交通枢纽规划——基础理论与温州的规划实践[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8]陈 菊，何美玲，牟能冶.物流节点最优选址与规模的双层规划模型[J].物流科技，2006，29(5)：9-13.

[9]姜大立，杨西龙.易腐物品配送中心连续选址模型及其遗传算法[J].系统工程理论与实践，2003，23(2)：62-67.

[10]李雪凯.区域内公路货运枢纽布局规划方法的研究[D].北京：北京交通大学，2012.

Research on Layout Planning Model of Regional Highway Freight Hub

LIANG Cheng-yuan1，LI Lu2

(School of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha，Hunan，410004)

With the rapid development of China’s economy and the accelerated regional integration process，the cooperation and communication among regions are increasing，the integration layout of regional freight hubs can effectively save resources and improve transportation efficiency.Based on the macro background of regional integration，this article studied the layout planning method of freight hub，and built a bi-level programming model based on efficiency and fairness，which has good theoretical and practical significance.

Regional integration；Freight hub；Layout planning

梁承愿(1991—)，硕士研究生，研究方向：交通运输规划与管理；

李 璐(1992—)，硕士研究生，研究方向：交通运输规划与管理。

U491.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.12.025

1673-4874(2016)12-0094-04

2016-10-28