面向连续短途运输需求的通用机场布局优化.pdf

引用格式:姜伟华李智超戴垚宇等.面向连续短途运输需求的通用机场布局优化.航空计算技术():.():.面向连续短途运输需求的通用机场布局优化姜伟华李智超戴垚宇姜 雨(.南京航空航天大学金城学院江苏 南京.南京航空航天大学江苏 南京)摘 要:为提升通用机场布局规划精度与服务覆盖水平提出一种面向连续短途运输需求的通用机场布局优化方法 采用 回归及多元线性回归筛选通航短途运输需求关键影响指标叠加生成可视化需求分布 采用多边形支配点集()法将连续空间需求及候选区域离散化构建面向连续需求的最大覆盖通用机场选址模型 以某地区为例进行了精确求解 结果显示:人口密度、人均、旅游指数及交通可达性为通航短途运输关键影响指标选址结果与区域通用机场规划高度相符通用机场总数达 和 时区域服务覆盖率分别达.和.该地区机场 通勤区域占比由.提升至.和.对区域通用机场布局规划有借鉴价值关键词:航空运输机场布局优化最大覆盖模型通用机场连续空间需求中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言近年来我国高度重视通用航空发展提出了稳步拓展通航短途运输网络建设“干支通、全网联”航空运输服务保障体系的规划目标 截至 年 月我国 类通用机场数量达 个尚不足以构建通用航空网络通用机场布局优化研究涉及通航需求分析及设施选址问题 鉴于通用航空刚进入快速发展阶段现有收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目资助()民航安全能力建设项目资助()作者简介:姜伟华()女山东烟台人讲师硕士第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .通航研究较少 等采用 和模糊综合评价法分析西安市通航旅游产业影响因素 等研究云南省机场可达性时序变化对旅游景区的影响提出机场陆域交通需与旅游航线发展相适应陈欣等建立空间面板计量模型量化分析机场与区域经济间相互作用及机场网络溢出效应吴文婕等采用断裂点模型进行通勤机场布局研究考虑社会需求与交通可达性评价现有机场布局基于断裂点确定机场布局李倩面向新疆旅游景区提出 模型进行通用机场选址以最少机场达成景区最优覆盖皮骏等基于空间矢量数据构建 中值模型进行预选址再采用层次分析法优选通航应急救援点 连续选址模型能够显著提高选址模型精度及可靠性张喆提出基于移动优化的改进最大覆盖模型通过识别未覆盖区域进行设施移动改进覆盖效果 等构建面向降水监测站的时空最大覆盖模型基于改进 法实现区域降水动态监测已有研究成果多采用单一指标或主观方法进行通航需求假设选址模型多为离散选址模型导致选址结果存在功能性偏差选址精度及可靠性有待提升 因此本文面向通航短途运输功能进行系统性需求分析筛选关键指标并客观赋权生成需求分布提出一种面向连续需求的最大覆盖通用机场选址模型为区域通用机场布局规划提供依据 通用航空短途运输需求分析本文的通用机场布局优化研究包括短途运输需求分析及通用机场布局优化旨在基于需求分布及选址模型实现区域通航需求最优覆盖 根据通航相关规定 类通用机场是通航短途运输功能的主体本文以区域 类通用机场为研究对象 综合考虑通航需求特性和数据可收集性本文选取 个指标作为解释变量 采用人口密度代表潜在旅客水平人均 代表区域经济发展水平交通可达性代表区域交通便捷性水平旅游收入代表旅游需求水平第二产业占比代表劳动力投入第三产业占比代表服务业发展水平 鉴于通航数据局限性被解释变量选择通用机场等级和支线机场旅客吞吐量通用机场等级为二元分类变量 级通用机场能够服务乘客数 座以上航空器其他通用机场归为 级 采用二元 模型分析通用机场等级影响因素模型如下:()()式中表示通用机场等级 表示 级通用机场 表示 级通用机场 代表通用机场等级为 的概率 为各变量()的线性组合表示通用机场各项影响指标即:()式中为常数项()表示第 个自变量的回归系数 整合得到二元 模型如下:()式中 代表随机扰动项通用机场等级不足以直观反映通航需求量级而 类通用机场管理办法参照小支线机场 因此选用支线机场旅客吞吐量作为被解释变量采用多元线性回归分析旅客需求影响因素 建立模型结果如下:()式中表示支线机场旅客吞吐量()表示各影响指标为常数项()表示第 个自变量的回归系数 代表随机扰动项 通用机场布局优化模型与方法.连续选址方法连续需求区域内满足相关约束的任意点均可作为设施候选点因此通用机场布局优化问题可看作连续选址问题 等基于二进制覆盖假设提出多边形候选点集()可有效对多边形需求变量求选址精确最优解 获得 点集需先确定需求对象和设施覆盖半径 本文假设需求连续均匀分布将研究区域需求划分为规则网格 设施覆盖半径需显著大于需求对象尺寸以实现需求完全覆盖 候选点如图 所示以需求对象顶点为中心 为半径作圆对所有顶点圆取交集可获得需求覆盖区域域内任意点均可完全覆盖需求对象提取多个区域交点作为设施候选点即为原始 点 研究区域存在大量交叉点当候选点能够完全覆盖另一点满足的需求对象则被覆盖点被称为受控点考虑覆盖优势和模型求解难度删除受控点得到 点集将连续设施候选区域离散为有限点集图 覆盖多边形需求 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期.基于熵权法的需求地理加权为获得通航短途运输需求分布需对关键指标客观赋权并进行地理加权叠加 熵权法根据指标数据信息熵大小确定权重能够客观反映指标可靠性及贡献程度 首先对各项指标进行归一化处理公式如下:正向指标:()()()()负向指标:()()()()式中 为需求对象编号 为评价指标编号分别表示第 个需求对象的第 项指标原值和归一化处理结果()()代表第 项指标的最大值和最小值 归一化处理后数值为 的指标统一按照.计算指标信息熵计算公式如下:()式中为第 项指标的熵值 为需求对象总数为第 个需求对象的第 项指标所占比重计算公式为 /指标熵权计算公式如下:()式中为第 项指标权重 为指标个数.最大覆盖选址建模最大覆盖模型旨在利用指定数量设施实现区域需求覆盖最高 基于通用机场布局规划要求及需求特性构建面向连续空间需求的最大覆盖选址模型如下:)目标函数:()()约束条件:()()()在 点建设通用机场 不在 点建设通用机场()至少被一个通用机场的服务覆盖 没有被覆盖()式中 代表需求对象 的集合 表示设施候选点 代表 点集表示 的需求量级()表示能够覆盖 的 点 的集合()为 点集的子集 表示设施数量为决策变量 当需求对象 位于一个或多个设施服务范围内时则称 被服务覆盖式()表示最大化区域通航需求覆盖率式()保证每个需求对象至少能被一个通用机场服务覆盖式()为通用机场数量约束 考虑到通用机场之间存在相互制约影响设定通用机场间最小间隔距离为添加机场间隔约束:()式中表示与候选点 距离小于 的候选点 的集合基于 构建通用机场最大覆盖选址模型并调用 求解器求解 面向连续短途运输需求的最大覆盖模型框架如图 所示图 通用机场布局规划研究框架 通用机场布局优化实例.短途运输需求指标分析首先基于 对通用航空短途运输需求关键影响指标进行筛选 实验整理 个通用机场作为样本进行二元 回归分析包括 个 级通用机场和 个 级及以下通用机场二元 回归分析结果如表 所示检验结果大于.表明分析具有统计意义.表明模型解释性有限 机场可达性在 水平下显著表明其与通用机场等级显著相关两者呈正相关 结合现状分析机场可达性指标越高地区交通越不便捷居民对 年 月姜伟华 等:面向连续短途运输需求的通用机场布局优化 通航短途运输需求越迫切 级机场数量远多于 级尚未形成规模效应表 回归和多元线性回归结果表模型解释变量 回归回归系数标准误差显著性多元线性回归回归系数标准误差显著性人口密度/(人/).人均/元.机场可达性/.旅游指数/收入/亿元.第二产业占比/.第三产业占比/.调整后.注:表示在 水平下显著 将通用机场类比小型支线机场选取支线机场旅客吞吐量为被解释变量使用多元线性回归分析社会经济指标对短途运输需求的影响 考虑疫情影响吞吐量数据采自 年吞吐量 万的 个支线机场 收集支线机场所在市级行政区域社会经济指标作为解释变量数据采自各市统计公报 用市级旅游业收入表征旅游需求机场可达性定义同上所选 个解释变量值均小于 表明变量之间不存在多重共线性.表明模型解释性良好人均、人口密度和旅游收入在 水平下显著均与支线机场旅客吞吐量呈正相关 由此可见区域社会经济与旅游业发展对民航运输需求具有正向促进作用机场可达性与旅客吞吐量相关性不强源于支线机场服务对象和功能定位差异第二产业与第三产业占比与支线机场吞吐量关联性不强故将两个指标从关键影响指标中剔除综合上述分析人口密度、人均、旅游指数和机场可达性作为通用航空短途运输需求关键影响指标对研究区域关键指标进行赋权叠加得到通用航空短途运输需求分布.研究区域与数据来源截至 年 月某地区总面积约 常住人口 万人共有 个运输机场对该地区关键指标进行采集人均 空间分布公里网格数据、土地利用遥感数据、地形高程空间分布数据()均源自中国科学院资源环境与数据中心数据年份分别为、年人口网格数据采自 年 修订版交通网络数据源自 年全国地理信息资源目录服务系统 采用旅游指数衡量旅游业需求旅游景区数据源自该地区风景名胜区名录 鉴于数据获取难度及公开滞后性假设采用数据指标及分布能客观反映通航短途运输需求.需求分布及候选点处理采用 软件进行需求对象划分、点集生成及需求赋权叠加 将该地区地理边界、已有机场等相关地理信息数据导入 地理数据库本文主要研究对象为 类永久跑道型通用机场根据通用机场选址规范基于需求栅格得到原始 点共计 个剔除水域及已有机场半径 内原始 点依据 方法经处理最终得到 个 候选点 原始数据经预处理得到该地区人均、人口密度及旅游指数分布利用 分区统计得到各需求对象关键指标数据 采用熵权法确定指标权重得到人均、人口密度、旅游指数及交通可达性权重为(.)加权叠加后最终可得通航短途运输需求分布如图 所示图 某地区通航短途运输需求分布.选址结果分析面向连续短途运输需求的通用机场最大覆盖模型求解结果即需求覆盖率随通用机场数量变化趋势如图 所示 考虑现有机场对通航短途运输需求的覆盖 时现有机场服务覆盖率达.时 航 空 计 算 技 术 第 卷第 期需求覆盖率.提升.时需求覆盖率.较 提升.通用机场体系建设在不同阶段侧重点不同 初始阶段新建机场旨在快速提升需求覆盖率随着机场密度提升通用机场间服务区域重合产生相互制约需考虑机场间协同运行优化通用机场布局图 通用机场服务覆盖曲线根据该地区通用机场布局规划方案到 和 年地区 级以上通用机场数量分别达到 和 个因此选择 选址结果如图 所示图 某地区通用机场选址结果选址结果与 年远期规划相互验证区域通用航空发展进入新阶段 时将选址结果与规划方案中 年通用机场布局进行对照 选址结果中通用机场分布与 年近期规划基本一致表明最大覆盖选址模型对通用机场布局有一定参考意义 结束语本文研究了面向连续短途运输需求的通用机场布局优化问题 采用 回归和多元线性回归对通航需求指标进行系统性分析采用 点集方法构建面向连续空间需求的最大覆盖选址模型并调用 求解器进行求解 结果表明:人口密度、人均、旅游指数、交通可达性为通航短途运输需求的关键影响指标模型求解效果优秀与地区通用机场规划相互验证 未来研究可考虑综合通航功能需求添加选址约束使模型更加细化参考文献:.:():.():.陈欣袁建戴靓.基于空间计量模型的机场网络溢出效应研究.交通运输系统工程与信息():.吴文婕张小雷杨兆萍等.基于社会需求与交通可达性的新疆通勤机场布局研究.干旱区地理():.李倩.面向旅游景区的新疆通用机场布局规划研究.北京:北京交通大学.皮骏王凯齐福强.通用航空应急救援点选址布局优化研究.消防科学与技术():.张喆.基于连续需求的区域最大覆盖设施选址问题的研究.北京:北京交通大学.().:.:.年 月姜伟华 等:面向连续短途运输需求的通用机场布局优化