您所在位置： &
&nbsp&&nbsp&nbsp&&nbsp
个人赛-无线传感网络设计问题介绍.doc 10页
本文档一共被下载：
次 ,您可全文免费在线阅读后下载本文档。
下载提示
1.本站不保证该用户上传的文档完整性，不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。
2.该文档所得收入(下载+内容+预览三)归上传者、原创者。
3.登录后可充值，立即自动返金币，充值渠道很便利
需要金币：350 &&
你可能关注的文档：
··········
··········
第二次个人赛论文
无线传感网络设计问题
对于一些频频发生的自然灾害，比如地震、旱灾等，人们通过建立无线传感网络的方法来传递信息，这样，人们就能够准确而又及时地掌握险情的发展情况，减少灾害带来的损失。本文就是针对如何确定放置节点的个数，怎么建立两个网络节点之间的通信通路这两个问题进行了深入的研究。
对于问题一：我们采用的方法是对本问题所处的数学情景进行模拟。用Matlab软件，对此问题进行编程。通过不断改变程序中的节点的个数，并且观察程序的运行结果，由于，这是一个模拟实验，存在一定的误差。所以，我们规定相对误差为0.5%，故当运行结果为时，我们就可以认为此时的节点个数就是本问题的解。最后我们通过不断改变程序运行，计算结果的检验与改进，得到了如下结论：当监视区域为边长b=100（长度单位）的正方形且每个节点的覆盖半径为r=10（长度单位）时，至少需要放置518个节点，才能使得成功覆盖整个区域的概率在95%以上。
对于问题二：本问题要求我们建立任意两点之间的通信通路。根据附录一的各个点的坐标，又考虑到每个节点的覆盖半径为r=10（单位长度），所以可以用Matlab软件画出各个节点之间的通信通路，这通信通路图反应的时任意两个节点之间所以的可能路径。但考虑到信息传递的时间需要尽可能的短，所以我们对两个节点间的所有通信通路进行筛选，选出其中的最短的通信通路。我们处理两点间最短通信通路时，采用的方法是利用Matlab软件进行编程，运用Dijkstra算法。比如节点1与节点90的通信通路是：1-80-64-25-10-65-66-92-13-3-87-15-60-90。
在模型改进方面，我们运用了概率论及统计学的相关知识。对于改进方法（1）：把问题一模型的模拟实验次数提高到原先设置的10倍，或是选取正方形监视区域内随机均匀分布的点的个数为原来的100倍，这种做法需要的计算机配置比较高。对于改进方法（2）：通过多次运算求解，取n的平均值的方法来提高结果的准确度。
本文所建立模型的最大优点是建模过程清晰、易懂，模型的适用范围比较广；最大缺点是问题一求解过程采用的是随机模拟，所求结果不是一个准确值。
关键词： 无线传感网络；
最短路径；
设计问题； Dijkstra算法
问题的提出和重述
1.1问题的提出
大气污染所引起的地球气候异常，导致地震、旱灾等自然灾害频频发生，给人民的生命财产造成巨大损失。为了应对这种情况，建立无线传感网络能够使人民准确而及时地掌握险情的发展情况，为有效的抢险救灾创造有利条件。这是一种简单有效且不是很昂贵的方法。但是，一个网络节点的覆盖范围是有限的，又考虑节点的信号传输的特殊性。所以，当需要对一片大型区域实行监控时，往往要求安装多个节点。因此，我们需要知道，该如何在该监视区域内安装网络节点和怎样决定安排的节点的数量。
1.2问题的重述
问题1：在设计传感网络时，为了使得成功覆盖整个监视区域的概率在95%以上，已知节点的覆盖半径为r=10（长度单位），监视区域为边长b=100（长度单位）的正方形。那么，设计传感网络的专家应该至少需要放置多少个节点。
问题2：由于每个节点的覆盖范围的限制，各节点只能与覆盖范围内的节点进行通信，若一个节点需要跟不在其覆盖范围内的节点通信，需要其他节点转发。由此，要求设计一种节点间的通信模型。这种模型可以知道任意两个点之间的通信通路。
问题的分析
针对问题一：
对于该问题，我们从另一个角度理解。假设放置的节点数量为n个，当在该监视区域内设置这些节点时，设试验次数为w，那么这些节点可以成功覆盖整个监视区域的次数可达到0.95w次以上。再考虑到每个节点的覆盖半径均为10（长度单位），我们可以由此利用Matlab进行编程、验算、求解，当试验次数足够大时，我们就可以较为准确地求出至少需要放置的节点的数量。
针对问题二：
对于该问题，由于两节点之间信号传输的特殊性，即当一节点不在另一节点的覆盖范围内时，需要通过其他节点转发。而第一问已经给出每个节点的覆盖范围，又附录一给出了120个节点的坐标。因此，通过Matlab软件，运用Dijkstra算法，就可以求出该监视区域内任意两个节点之间的最短通信通路。
各个网络节点之间的信息传递工作始终保持正常，不会出现信息中断的情况。
假设程序一计算出来的p值与题目所给的覆盖成功率的相对误差为0.5%。
各个网络节点工作状态相同，即每个节点的覆盖半径始终为10（长度单位），信息传输能力相同。
符号及变量说明
：两个网络节点之间的距离；
：网络节点的坐标；
：正方形监视区域内的点的坐标；
：第个网络节点的横坐标；
：第个网络节点
正在加载中，请稍后...今年合肥主城区无线局域网将实现全覆盖
用微信扫描二维码分享至好友和朋友圈
在医院、行政服务大厅、交通枢纽等地方实现轻松上网，给市民生活工作带来极大便捷。其中，行政服务大厅等重点目标覆盖区域95%以上的位置，接收信号电平≥-70dBm。记者从市经信委获悉，到今年底，全市还将新建1.5万个无线节点，整合电信运营商1万个无线节点，累计实现4万个无线节点网络免费接入，基本实现主城区全覆盖。
原标题：&无线合肥&建设跑步前进在医院、行政服务大厅、交通枢纽等地方实现轻松上网，给市民生活工作带来极大便捷。随着我市无线局域网建设的加快，越来越多区域实现WiFi覆盖。今年，我市不仅要建设更多WiFi热点覆盖更广的区域，还将整合更多商业热点，实现资源的共通共享。畅享WiFi二环路以内无线局域网全覆盖2015年，我市开始启动公共场所无线局域网建设，推进了&无线合肥&安全认证管理平台以及WiFi站点的招标和建设工作。截至2016年底，我市已在主城区公园景点、公立医院候诊区、交通枢纽和大型文体场馆，以及市、区、街道、社区行政服务大厅五大公共区域实现重点区域无线局域网覆盖。已建成12250个无线节点（其中，新建11050个，整合市场自行建设1200个），实现二环路以内无线网络全覆盖。搭建的无线局域网安全管理平台已实现向市民提供免费上网服务540余万次，服务市民规模达80余万人，极大地满足了广大市民无线上网的需求，有力促进了信息消费。提速提质我市无线局域网接受&大考&覆盖范围广了，上网速度如何？为保障我市无线局域网建设&量质齐飞&，近期我市将对无线局域网服务指标进行测评，目前项目正在招投标。据了解，此次测评包括网络质量测评、网络服务能力测评等。其中，网络质量测评要针对覆盖目标和信号质量等进行测评，保证在目标覆盖区域内90%以上的位置，接收信号电平&-75dBm；其中，行政服务大厅等重点目标覆盖区域95%以上的位置，接收信号电平&-70dBm。加快建设主城区无线局域网将全覆盖今年，我市无线局域网建设步伐将进一步加快。记者从市经信委获悉，到今年底，全市还将新建1.5万个无线节点，整合电信运营商1万个无线节点，累计实现4万个无线节点网络免费接入，基本实现主城区全覆盖。此外，完成合肥市无线局域网安全认证管理平台升级扩容，实现平台支持十万级无线设备接入管理、十万级以上用户并发认证和百万级用户同时在线上网；促进无线局域网和信息安全管理，开展无线网络鉴别和保密基础结构等安全技术应用，提高全民信息安全防范意识和全社会信息安全防护水平；推进无线网络在政务、商务、生产和生活等领域深入应用、发展，促进移动互联网信息消费规模不断扩大，形成网络覆盖完善、运营可持续、应用服务深入的无线网络发展新格局。（记者王倩）
[责任编辑：康鹏飞]
用微信扫描二维码分享至好友和朋友圈中国机场总规模分层优化测算研究——基于人口覆盖角度
钟晴, 戴特奇.
2014. 中国机场总规模分层优化测算研究——基于人口覆盖角度[J]. 地理科学进展, 33(12):
Qing ZHONG, Teqi DAI.
2014. Stratified estimation of the total number and location of Chinese civil airports based on population coverage using revised LSCP and MCLP models[J]. Progress In Geography,33(12): &&DOI:10.11820/dlkxjz.
Permissions
中国机场总规模分层优化测算研究——基于人口覆盖角度
1. 北京师范大学地理学与遥感科学学院, 北京 100875
2. 美国亚利桑那州立大学, 坦佩 85287,美国
戴特奇(1980-),男,重庆人,博士,讲师,主要研究交通地理、城市与区域发展等,E-mail:
作者简介：钟晴（1992-）,女,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生,从事选址优化、空间分析等方面研究,E-mail:
基金:国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ22B05);
适宜的机场数量规模是中国机场发展战略和中长期规划的重要研究内容。传统的定性方法难以满足规划的需求,而采用合理的定量测算方法求解中国机场规模对未来的规划更具有参考意义。本文根据不同等级需求点的可达性要求,设置不同的机场服务半径,并规定新建机场腹地人口规模,通过制定位置集合覆盖模型(Location Set Covering Problem,LSCP)和最大覆盖选址模型(Maximal Covering Location Problem, MCLP)的综合修正模型,对中国机场规模进行分层测算。结果表明,不同地、县级需求组合下,在地面道路距离100 km范围内覆盖中国95%总人口时,中国机场规模以370~385个为宜。其中,中部、西部地区地级机场与县级机场均需建设;东北地区需要多新建地级机场,黑龙江省还需新建少量县级机场;东部地区新建少量地级机场以及适量县级机场。对于本文结果中出现的首层地级测算中地级市没有布局机场,但在第二层县级测算时下属县却布局机场,以及同一地级市布局多个县级机场的现象,认为是合理的。测算结果对未来民航机场规划具有一定参考价值。
中图分类号:F56
文献标志码:A
Stratified estimation of the total number and location of Chinese civil airports based on population coverage using revised LSCP and MCLP models
Qing ZHONG1,2,
1. School of Geography, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
2. Arizona State University, Tempe 85287, USA
Determining the appropriate number of civil airports is an important topic in Chinese civil airport planning and development. Qualitative estimation of the number of airports cannot meet the requirement of future planning, thus appropriate quantitative methods are needed for providing sound support for decision making. According to the different accessibility requirements of various demand points, this paper defines different accessibility thresholds for different levels of airports, sets the minimum number of population that an airport should serve, and utilizes the revised Location Set Covering Problem (LSCP) and Maximal Covering Location Problem (MCLP) models for the stratified estimation of the total number and location of Chinese civil airports. The result reveals that to cover 95% of the total population within 100 km rectilinear distance, the required number of airports is 370~385. In the central and western regions, city-and county-level airports are all required. City-level airports need to be constructed in northeast China and there should be a number of new county-level airports in Heilongjiang Province. In the eastern region, seldom any city-level airports but some county-level airports are demanded. The result that some cities do not need new airports in the city-level estimation but the counties under these cities need one or more new airports in the county-level estimation may seem counter intuitive, but this research found that this result is reasonable. The result is heuristic for future civil airport planning.
airport planning;
airport number and location;
stratified estimation;
accessibility;
1 引言机场是综合交通运输体系的重要组成部分,是航空运输的重要基础设施。改革开放以来,中国民航业发展迅速,机场数量增长速度较快。有研究认为,与世界主要国家相比,目前中国机场数量整体较少,增加机场数量是未来民航建设的重点;也有研究认为目前中国高等级机场数量偏多、支线机场数量不足,整体机场服务能力过剩、局部服务能力紧张,等级结构需要优化(;,)。着眼未来,适宜的机场数量规模是机场发展战略和中长期规划的重要研究内容,中国究竟应建多少机场这一问题需要进一步讨论。机场数量测算与机场空间布局是紧密相关的两个问题,对机场数量规模的测算需要对机场布局问题进行研究,即通过合理的机场布局得到相应的机场数量与位置。国外学者对于机场布局问题早有研究。Saatcioglu(1982)曾给出了3种关于机场选址的数学模型,集合覆盖模型(Set Covering Model)用于计算机场数量,离散选址模型(Discrete Plant-location Model)、混合整数规划模型(Mixed Integer ProGramming Model)对机场布局进一步优化。这些模型均从定量的角度分析机场数量规模,对机场选址与系统优化具有一定的指导意义。近些年,关于机场选址问题的研究更加复杂化、综合化。Ballis(2003)根据多重标准(土地利用、机场运作与安全、经济效应等)运用AHP方法进行机场选址,并以此得到机场布局规划的数量规模。中国2008年颁布的《全国民用机场布局规划(2020年)》的机场布局研究,以及“十二五”机场布局规划研究中,均采用了这一方法。最近,基于优化模型方法,提出了一种自动化的多目标机场选址优化系统。这些研究为测算机场数量规模提供了较好的技术支持。中国学者主要侧重于研究机场布局规划现状、机场网络等级结构等(;)。也有研究涉及机场服务范围及机场布局规划方法等(,;;;)。但是关于机场数量规模的测算,目前研究较少,并且一般采用定性方法分析()。近期,戴特奇等(2013)采用位置模型进行了不同可达性目标下中国机场数量的定量测算,是对定性方法估算机场数量的一种改进。但是,由于在研究中将所有需求点的可达性需求设为统一值,对可达性需求高的需求点与可达性需求低的需求点未加以区分,无法满足不同行政级别需求点的实际可达性需求。此外,在定期航班机场规划中,机场服务的腹地人口需要设定一定的规模,而此前的研究未考虑机场建设的腹地人口规模,因而所得出的规划机场,可能会由于腹地人口过于稀少而导致机场难以正常运营,这在一定程度上降低了定量计算结果的参考价值。本文将针对这些不足,对机场数量测算方法作进一步改进。民航运输作为一种重要的客运方式,其规划布局优化方法可参考其他重要客运方式的规划布局方法。中国中长期铁路网络布局及高速公路网的规划都采用了分层(级)规划布局方法。其中,铁路布局模式可概括为“节点分级、线路分类、网络分层”(),高速公路网规划至少分为国家和地方两个层级()。因此,本文根据不同等级城市的不同可达性要求,分地、县两级,设置不同的机场服务半径,并规定新建机场腹地人口规模,运用选址模型测算中国机场数量与位置。根据不同可达性需求,先定量测算地级需求点全覆盖情况下所需新建机场数量与位置,再在地级需求点全覆盖基础上,运用位置集合覆盖模型(Location Set Covering Problem, LSCP)、最大覆盖选址模型(Maximal Covering Location Problem, MCLP)综合修正模型求算县级需求点可达性要求下的新建机场,以此确定中国机场总规模,并对已有机场布局进行优化,为中国机场规模定量测算与优化布局提供科学依据。2 研究方法与数据2.1 原始的LSCP模型及MCLP模型LSCP模型和MCLP模型是设施空间布局优化问题的两个重要模型。LSCP模型由Toregas等(1971)最早提出,主要应用于解决消防站、救护车等应急服务设施的选址问题。其目标是实现覆盖所有应急需求点的情况下,使应急设施的个数或建设费用达到最少。原始模型为：Minimize: z=∑j=1mXj(1)Subject to: ∑j∈N1Xj≥1?i(2) Xj=0,1?j(3)式中： z为目标函数,即所需应急设施总数量; m设施候选点总数; i是需求点指数( i=1,2,..., n), j是候选点指数( j=1,2,..., m); Xj是决策变量,设施布局于候选点 j,则 Xj=1,否则 Xj=0; Ni为所有能覆盖需求点 i的候选位置集合 Ni={ j| dij ≤ S}, dij为需求点与候选点位置之间的距离, S为通行距离标准,需求点与候选点之间的距离 dij不大于通行距离标准 S时,可视为需求点能享受到应急服务。目标函数(1)使设施数量最小化;约束式(2)保证每个需求点至少在一个设施的服务范围内;约束式(3)保证了决策变量为0或1的整数变量。LSCP模型保证了所有需求点都可以享受服务,可用于地(市)级尺度上的机场规模测算。但当规划尺度为县级时,实现所有需求点均可以享受机场服务则不切合实际。主要是由于为覆盖最后几个需求点时边际成本过高,而且,国家建设预算无法满足所有县级需求点都享受服务,为此,决策者需要找到覆盖最多需求量的布局方案。给定预算(或设施数量)的情况下,为求解最大覆盖布局方案,最早提出的MCLP模型。MCLP模型可解决LSCP模型无法区分不同需求点具有不同需求量的问题,为LSCP模型的扩展与延伸。其原始模型为：Maximize: z=∑i=1naiYi(4)Subject to: ∑j∈NIXJ≥Yi?i(5) ∑j=1mXj=p(6) Xj=0,1?j(7) Yi=0,1?i(8)式中： z为目标函数,即所覆盖需求量; ai为需求点 i需求人口; m为设施候选点总数; Ni={ j| dij ≤ S},由于不同需求点有不同可达性需求, S可根据要求取不同数值; Yi是覆盖决策变量,当需求点 i被一个或一个以上候选点服务范围覆盖时, Yi=1,否则 Yi=0。其他变量与LSCP模型中相同。目标函数(4)使所覆盖的需求量最大化;约束式(5)决定了一个需求点是否会被覆盖;约束式(6)规定了建立 p个设施;约束式(7)、(8)保证了位置决策变量及覆盖决策变量为0或1的整数变量。2.2 县级尺度规划应用的综合修正模型人口是影响机场布局的重要因素之一,远期机场布局更多是考虑服务人口。2008年《全国民用机场布局规划》提出,到2020年全国80%以上的县级行政单元能够在地面交通100 km或1.5小时车程内享受到航空服务,所服务区域的人口数量占全国总人口82%的规划目标。2010年民航局在《建设民航强国的战略构想》中提出,到2030年中国机场在距离100 km范围内可服务全国95%以上人口的目标。因此,本文依照上述战略目标,以人口作为影响机场布局的指标,并将达到相应人口覆盖基础上实现成本最小化作为县级尺度机场布局的优化目标。假设建设每个机场的成本是固定的,那么成本最小化目标就是机场数量最小化目标。LSCP模型可使机场个数即成本最小化,MLCP模型可以考虑每个县级需求点的需求人口数量,所以将LSCP模型和MCLP模型相结合,就可制定计算机场规模及布局的优化模型。由于在定期航班机场规划中,机场服务的腹地人口需要在一定规模以上,按民航强国战略构想的目标设定人均出行0.5次/年,并且腹地至少有10万吞吐量考虑,机场服务半径之内则应有至少20万人口。综合上述考虑,根据LSCP模型和MCLP模型修正后的综合模型为：Minimize： z=∑j=1mXj(9)Subject to: ∑i=1npi-∑i=1npiYi≤P×(1-r)(10) ∑j=1maijXj≥Yi?i(11) ∑i=1naijpi≥plXj?j(12) Xj=0,1?j(13) Yi=0,1?i(14)式中： z为目标函数,即所需机场总数量; m为设施候选点总数; i是需求点指数, j是候选点指数; Xj是位置决策变量,机场布局于候选位置 j,则 Xj=1,否则 Xj=0; Yi是覆盖决策变量,当需求点 i被一个或一个以上候选点服务范围覆盖时, Yi=1,否则 Yi=0; aij是覆盖矩阵元素,若需求点 i与候选点 j之间的距离 dij小于相应的距离标准 S(市、县需求点的距离标准不同: Sshi, Sxian),则 aij=1,否则 aij=0; pi是需求点 i的人口数; P是全国总人口数; r是全国人口覆盖率; pl是新建机场的腹地人口规模。其他变量与原始模型中表示相同。目标函数(9)使机场数量最小化;约束式(10)限定不能接受机场服务的人口占全国总人口数的比例要在比率(1- r)以下;约束式(11)决定需求点是否会被覆盖;约束式(12)保证了新建机场的机场服务半径内人口数量达到标准。2.3 地(市)、县级行政单元不同可达性距离需求 S的设置
可达性在交通领域研究是一抽象概念,一般指利用一种特定交通工具系统从一给定区位到达活动地点的便利程度(),反映空间区位之间相互影响的潜力及活动地点服务范围。机场的可达性则是旅客通过不同交通方式,从出发地到达机场过程的快捷程度、舒适程度和经济程度的综合评价()。如果可达性和旅客出行方便程度提高,那么机场服务半径会随之减小()。对于城市人口,要求出行方式更加便利快捷,所以其可达性需求高,那么相应地级尺度的机场服务半径会减小;而对于县镇人口,其出行方式多受局限,所以可达性需求低,进而县级尺度上机场服务半径会增大。在机场规划实践中,距离和时间常常被用来界定机场服务范围。在2008年《全国民用机场布局规划》中,地面交通100 km或1.5小时车程被用作机场服务范围标准,以期覆盖至少80%县级行政单元;2010年国家民航总局在《建设民航强国的战略构想》中,以100 km直线距离作为机场服务范围的标准并达到覆盖全国95%以上人口为目标。如果以时间作为界定机场服务范围的指标,则需要掌握道路等级、不同等级道路上车行速度等参数。但是,由于通往机场的道路可能由不同等级道路组成,车行速度受人为和实际环境的影响较大,时间计算受到参数敏感性影响也较大。因此,以时间作为标准度量的可达性可能与实际可达性需求仍有较大差距,据此,测算的机场规模可能产生较大波动性。因此,本文采用距离测量方法,并结合实际路网结构特点,采用更符合路网结构的道路距离对可达性进行度量。2.4 数据来源与模型运行本文在等面积割圆锥投影(Albers)基础上对距离进行量测,在2013年已有机场基础上进行测算与优化。数据包括：已有机场位置采用航站楼坐标(共193个);需求点数据采用全国第六次人口普查市、县数据：地级需求点包括4个直辖市及不含港澳台的地级行政单元(共333个),县级需求点采用县级行政单元(共2872个);位置为其驻地;新增机场将在对应需求点的位置集合中进行选择。其中,县级行政单元个数在《2010年中国统计年鉴》的基础上根据第六次全国人口普查作了一定调整,2010年全国有2856个县级行政单元,其中853个市辖区、370个县级市、1461个县、117个自治县、49个旗、3个自治旗、2个特区、1个林区。此外本文增加了加格达奇4个人口统计区、徐州1个人口统计区、4个地级市统计区、贺州1个人口统计区、3个行委、3个办事处,共计2872个人口统计区。关于模型运作,本文将利用Gurobi大规模数学规划优化软件的接口,通过Python编程语言开发模型并实现运算。地(市)级尺度新建机场测算应用LSCP模型,在地级需求点达到全覆盖的基础上,县级尺度新建机场测算运用综合修正模型,最后结合GIS手段展示结果并进行分析。3 结果与分析3.1 机场数量采用情景模拟,在193个已有机场的基础上,计算了地市级尺度全覆盖、县级尺度覆盖全国人口95%的分层优化情况下,地(市)级需求点40~70 km可达性需求、县级需求点100~120 km可达性需求不同情景时,中国所需的新建机场数量。由可见,可达性需求越高,所需新建机场的数量越多。同一县级可达性需求条件下,地级需求点可达性需求越高,地级尺度新建机场数量越多、全国新建机场数量越多,但县级新建机场数量越少。当县级可达性需求为120 km时,所有地级新建机场就几乎可以提供全国95%的人口覆盖,县级尺度只需新增1~2个机场;当县级可达性需求为110 km时,县级尺度新增机场数量在10个左右;当县级可达性需求为100 km时,新增机场数量从30余个增加到60个。表1Tab. 1表1(Tab. 1)
表1 不同可达性需求组合下分层优化结果
Tab. 1 Stratified optimal solutions under different accessibility requirements地（市）级需求点可达性需求/km地级尺度新建机场数量/个县级需求点不同可达性需求下的新建机场数量/个100 km110 km120 km401743480501563611060142481317011760162
表1 不同可达性需求组合下分层优化结果
Tab. 1 Stratified optimal solutions under different accessibility requirements根据《国家公路网规划(2013年-2030年)》提出的“地市高速通达、县县国道覆盖”的规划目标,本文假设以下情景：如果地级需求点以1小时以内到达机场为可达性目标,县级需求点以1.5小时车程为可达性目标,县级需求点到机场的速度能达到一级公路技术规范下限80 km/h,则地级需求点到机场距离小于80 km,县级需求点到机场距离约为120 km。根据戴特奇等(2013)的研究,在不分级测算的情况下,机场有效服务半径为120、70 km时,实现95%的人口覆盖全国需要的机场数量分别为269、572个。由于将地、县可达性需求视为相同,因此上述两结果分别低估和高估了中国的机场规模。根据所示,当地级、县级需求点可达性需求分别为70、120 km时,全国至少需要新建119个机场,加上现有机场共计312个机场,与有关部门预测远期机场数量应达到300个基本相符(),分级测算的结果比不分级测算结果更具实际建设参考性。但随着可达性需求的提高,已有预测的远期机场数量可能远不能承担相应的服务。图1Fig. 1 图1 不同可达性需求组合下全国需新建机场总量Fig. 1 Total number of needed airports under different accessibility requirements从边际成本考虑,地(市)级行政单元可达性需求从70 km开始,每减少10 km的道路距离,机场总数量的边界增量分别为：13、2、16(县级尺度可达性100 km);22、12、15(县级尺度可达性110 km);24、13、18(县级尺度可达性120 km)。由此可见,当地 (市)级可达性需求为50 km时,机场数量的边际增量最少,所以地级尺度下新建156个机场可以相对节约建设成本并满足较高的可达性需求。综合来看,为满足国家民航总局《建设民航强国的战略构想》中提出的2030年机场在距离100 km范围内可服务全国95%以上人口的目标,参考地—县70~100 km需求组合数据,中国至少需要新建177个机场,机场总数达370个。如果优先地级机场建设,使边际效益最大化,则中国地级尺度还需新建机场156个,县级尺度新建机场36个,全国新建机场总数为192个,全国机场总数达385个。由此可见全国机场总规模370~385个为宜。3.2 机场空间分布如所示,在已有的193个机场中,中部地区和东北地区机场数量所占比例最小;东部地区虽然地域面积所占比重较小,但其机场数量占全国已有机场的25%;西部地区由于地域面积辽阔,机场数量占全国已有机场总数的51%。在地级尺度满足所有需求点被覆盖的情况下,可达性需求从40 km增加到70 km,东部地区新建机场数量比例最少,约为12%;中、西部地区新建机场数量所占比例最大,合计约占全国地级新建机场总量的60%以上;东北地区新建机场则占全国地级新建机场总量的25%左右。由此可见,在地级尺度上,虽然西部地区目前已有机场数量占全国机场总量的比例最大,但其数量仍然远远不够,未来仍是机场建设的重点;东部地区虽然机场网络是四大地区中最发达的,但其数量仍需增加。在可达性需求不同时,所得出的不同结果中重复的候选城市,应优先进行机场建设。通过分析县级新建机场分布发现(),县级尺度下西部地区新建机场比例最高,东北部地区比例最低,东部地区虽然地级尺度新建机场很少,但县级尺度下仍需要新建较多机场。根据新建机场具体位置分析(),东北地区县级新建机场主要在黑龙江省,吉林省与辽宁省境内几乎不需在地级新建机场的基础上建立县级机场;东部地区县级新建机场主要分布在海南省、广东省、福建省、河北省,其余各省几乎无需新建县级机场;中部地区的县级新建机场除安徽省外,在其余各省均有分布,其中湖北省所需县级机场数量较多;西部地区所有省区均需新建县级机场。综上所述,中国西部与中部地区机场数量远远不足,今后地级机场与县级机场均需建设;东北地区需多新建地级机场,黑龙江省还需新建少量县级机场;东部地区地级机场网络已较为发达,今后在新建少量地级机场的基础上,还要建设适当数量的县级机场。此外,对比地级、县级新建机场具体位置发现,结果中出现了首层地级测算中地级市没有机场布局,但在第二层县级测算时下属县却有机场布局,还有同一地级市下布局多个县级机场的现象。在实际规划中,一般等级更高的行政单元优先规划布局机场,但“地级市无机场,而下属县有机场”的现象并不能认为是不合理的布局形式,这是由于候选机场地址并无等级之分,根据不同可达性需求进行定量计算时,某些地级市虽然行政级别高,但并不代表其能满足所有可达性需求,因而在此情况下,可以认为“地级市无机场,而下属县有机场”仍为合理布局。图2Fig. 2 图2 不同地级可达性需求下中国四大地区新建地级机场数量分布及与已有机场数量分布对比Fig. 2 New city-level airports and existing airports of the four regions in China under different city-level accessibility requirements图3Fig. 3 图3 不同地—县可达性需求下中国四大地区新建县级机场数量分布Fig. 3 New county-level airports of the four regions in China under different county-level accessibility requirements图4Fig. 4 图4 不同地—县可达性需求下中国四大地区地、县级新建机场分布Fig. 4 Distribution of new city- and county-level airports under different accessibility requirements4 结论与讨论4.1 结论本文在地级尺度应用LSCP模型求解地级需求点被全覆盖的基础上,对县级需求点运用LSCP、MCLP综合修正模型,分层求解出覆盖全国95%人口不同可达性需求时,所需的最少地级、县级机场数量,主要结论如下：(1) 可达性需求越高,所需新建机场的数量越多。当地级、县级需求点可达性需求分别为70 km、120 km时,全国至少需要新建119个机场,机场总数量与国家有关部门预测的300个基本相符。但随着可达性需求的提高,300个机场远远不能满足相应的服务需求。(2) 为实现国家民航总局提出的2030年机场在距离100 km范围内可服务全国95%以上人口的目标,中国至少要新建177个机场。根据边际效益分析,地级尺度需新建156个机场,县级尺度需新建机场36个,全国新建机场总数为192个。加上已有机场,则全国机场总规模以370~385个为宜。(3) 中国已有的机场规模,中部地区和东北地区机场数量所占比例最小;东部地区机场密度大;西部地区机场数量虽然最多,但机场密度最小。在今后机场建设中,中部、西部地区地级机场与县级机场均需建设;东北地区需多新建地级机场,此外,黑龙江省还需新建少量县级机场;东部地区地级机场网络已较发达,在新建少量地级机场的同时,要建设适当数量的县级机场。(4) 新建机场位置中出现了首层地级测算中地级市没有机场布局,但在第二层县级测算时下属县却有机场布局,以及同一地级市下布局多个县级机场的现象。根据可达性需求定量分层计算,认为这种现象仍为合理机场布局,对今后民航机场规划具有一定参考价值。但在实际规划中,需要结合政治、经济等因素进行进一步分析才能确定。4.2 讨论今后机场的新建更多受到人口的影响,因此本文采用普查人口进行优化布局,通过可达性要求测算机场数量。将地级行政单元和县级行政单元均视为需求点,将道路距离作为可达性的度量方式,运用LSCP、MCLP综合修正模型进行点覆盖测算,较已有的机场规模测算方法更具有实际参考性。但是,本文更多从到机场基本的可达性要求视角进行测算,未考虑机场需求的综合性及未来经济地理的动态变化趋势,尤其是没有考虑空域容量和航线规划对机场布局与机场可达性的影响。这些因素对机场需求总量的影响是未来需要进一步深入研究的内容。对本文结果中出现的一些地级市没有机场布局,但下属县却有,以及同一地级市下布局多个县级机场等现象,需要对测算结果进行实际分析,并需对机场规模测算方法、模型加以进一步改进。在今后的机场规划中,研究者不能仅考虑机场体系中的民用航空机场,还应考虑通勤机场甚至通用机场体系,在考虑机场数量和分布的基础上,更应对机场等级和功能作出合理规划,并对已有机场体系加以适当优化。
The authors have declared that no competing interests exist.
戴特奇, 张玉韩, 陶卓霖. 2013. 不同可达性目标下我国民航机场总规模测算. 综合运输, (12): 14-18. [Dai T Q
Zhang Y H, Tao Z L.
2013. Butong kedaxing mubiao xia woguo minhang jichang zongguimo cesuan. Comprehensive Transportation, (12): 14-18. ]
[本文引用:1]
李平华, 陆玉麒. 2005. 可达性研究的回顾与展望. [Li P H, Lu Y Q.
2005. Review and prospectation of accessibility research.
[本文引用:1]
[CJCR: 1.791]
刘万明. 2002. 我国民航机场布局规划问题研究和探讨. 中国民用航空, 19(7): 39-42. [Liu W M.
2002. A probe to Chinese civil airport planning. China Civil Aviation, 19(7): 39-42. ]
[本文引用:1]
[CJCR: 0.146]
刘晓明, 夏洪山. 2006. 我国民用机场等级分布的合理性分析. 综合运输, (7): 21-24. [Liu X M, Xia H S.
2006. Woguo minyong jichang dengji fenbu de helixing fenxi. Comprehensive Transportation, (7): 21-24. ]
[本文引用:2]
王成金, 丁金学, 杨威. 2011. 中国高速公路规划网的空间效应与政策机制. [Wang C J, Ding J X, Yang W.
2011. Policy and spatial effect of expressway planning network in China.
[本文引用:1]
王法辉, 金凤君, 曾光. 2003. 中国航空客运网络的空间演化模式研究. 地理科学, 23(5): 519-525. [Wang F H, Jin F J, Zeng G.
2003. Geographic patterns of air passenger transport in China. Scientia Georaphica Sinica, 23(5): 519-525. ]
[本文引用:1]
王姣娥, 金凤君, 孙炜, 等. 2006. 中国机场体系的空间格局及其服务水平. [Wang J E, Jin F J, Sun W, et al. 2006. Research on spatial distribution and service level of Chinese airport system.
[本文引用:2]
王姣娥, 莫辉辉. 2009. 民航机场布局方法探讨. 中国民航飞行学院学报, 20(6): 7-10. [Wang J E, Mo H H.
2009. Minhang jichang buju fangfa tantao. Journal of Civil Aviation Flight University of China, 20(6): 7-10. ]
[本文引用:1]
[CJCR: 0.326]
王姣娥, 莫辉辉, 金凤君. 2008. 世界机场空间格局及对中国的启示. 世界地理研究, 17(3): 8-18. [Wang J E, Mo H H, Jin F J.
2008. Spatial pattern of the worldwide airports and its enlightenment. World Regional Studies, 17(3): 8-18. ]
[本文引用:2]
[CJCR: 0.671]
王姣娥, 莫辉辉, 金凤君. 2009. 中国航空网络空间结构的复杂性. [Wang J E, Mo H H, Jin F J.
2009. Spatial structural characteristics of Chinese aviation network based on complex network theory.
[本文引用:1]
吴传钧. 1998. 中国经济地理. 北京: 科学出版社. [Wu C J.
1998. Zhongguo jingji dili. Beijing, China: Science Press. ]
[本文引用:1]
熊朝, 关羽. 2012. 关于全国民用机场布局规划调整的思考. 中国民用航空, 138(6): 24-27. [Xiong C, Guan Y.
2012. Thoughts on national civil airport layout planning adjustment. China Civil Aviation, 138(6): 24-27. ]
[本文引用:1]
[CJCR: 0.146]
徐涛, 王黎明, 张大泉. 2008. 中国民用航空机场的可达性研究. 地理与地理信息科学, 24(4): 88-102. [Xu T, Wang L M, Zhang D Q.
2008. Empirical study on accessibility of Chinese civil aviation airports. Geography and Geo-Information Science, 24(4): 88-102. ]
[本文引用:1]
[CJCR: 0.946]
应习文, 石京. 2006. 大型枢纽机场可达性量化的初步研究. 交通运输系统工程与信息, 6(6): 136-142. [Ying X W, Shi J.
2006. Some studies of the accessibility of large aeronautic hub. JournaI of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 6(6): 136-142. ]
[本文引用:1]
周荣征. 2007. 中长期铁路网规划布局及优化方法研究[D]. 成都: 西南交通大学. [Zhou R Z.
2007. Research on the planning and optimization of the long-term railway network[D]. Chengdu, China: Southwest Jiaotong University. ]
[本文引用:1]
2003. Airport site selection based on multicriteria analysis: the case study of the island of Samothraki.
[本文引用:1]
Church R, ReVelle C.
1974. The maximal covering location problem.
[本文引用:1]
Khalafallah A, El-Rayes K.
2011. Automated multi-objective optimization system for airport site layouts.
[本文引用:1]
[JCR: 1.822]
Saatcioglu O.
1982. Mathematical programming models for airport site selection.
[本文引用:1]
[JCR: 2.944]
Toregas C, Swain R, ReVelle C, et al. 1971. The location of emergency service facilities.
[本文引用:1]
[JCR: 1.5]
李平华, 陆玉麒. 2005. 可达性研究的回顾与展望. [Li P H, Lu Y Q.
2005. Review and prospectation of accessibility research.
Accessibility denotes the ease with which activities may be reached from a given location using a particular transportation system. Accessibility reflects the opportunities and potentialities of a particular region to exchange with other regions. There is a number of accessibility measures, some accessibility indicators are generalized and compared in this paper: time of access to city centre, mean travel costs, opportunity accessibility, economic or population potential. Also, the progress of accessibility measures is reviewed. Accessibility indicators is applied both on regional and metropolitan dimension, such as the regional development, the impact of new infrastructure, the urban land use, the providing of social facilities, the urban social problems, and so on. Relative to the overseas there is rarely research on accessibility in our country. Therefore, some problems are put up in the end and accessibility research needs to be improved.
Geography Science College, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China
可达性是指利用一种特定的交通系统从某一给定区位到达活动地点的便利程度。可达性反映了区域与其他有关地区相接触进行社会经济和技术交流的机会与潜力。本文综合了可达性的主要定量评价方法,并对各种方法的优缺点进行了比较,总结了近期可达性评价方法的进展与动态。随后分别在区域和国家尺度与城市内部尺度上总结了可达性在区域经济发展研究、城市土地利用、社会服务设施提供、城市社会问题等各方面的应用。相对来讲,国内关于可达性的研究尚不丰富。最后,本文阐述了目前可达性研究中的问题,并对未来研究进行了展望。
... 3 地(市)、县级行政单元不同可达性距离需求S的设置可达性在交通领域研究是一抽象概念,一般指利用一种特定交通工具系统从一给定区位到达活动地点的便利程度(李平华等, 2005),反映空间区位之间相互影响的潜力及活动地点服务范围 ...
... 中国学者主要侧重于研究机场布局规划现状、机场网络等级结构等(刘万明, 2002 ...
... 也有研究认为目前中国高等级机场数量偏多、支线机场数量不足,整体机场服务能力过剩、局部服务能力紧张,等级结构需要优化(刘晓明等, 2006 ...
... 刘晓明等, 2006) ...
王成金, 丁金学, 杨威. 2011. 中国高速公路规划网的空间效应与政策机制. [Wang C J, Ding J X, Yang W.
2011. Policy and spatial effect of expressway planning network in China.
Since the mid-1990s, each province of China has acted on its own free will in expressway planning and construction, which results in some serious problems for regional sustainable development and land planning. In this paper, we analyzed the scale and spatial network of expressway planning and compared the national network with provincial network of expressway. The result shows that the scale of expressway network in the long-term period will reach 17.4 & 104 km and form a dense expressway network like the cobweb. The expressway planning of provinces in the central and western China expands greatly from the initial scale. Moreover, we discussed the spatial influences of the gigantic expressway planning network with indices of accessibility, service capacity and spatial partition. The results demonstrate that the scale of planned expressway network by each province is too large and many new planned routes chiefly link small towns and the backland areas. The planned provincial expressway network deviates from the spatial distribution of China's economic development, population and city system. Particularly, the planned scale and spatial cover capacity of expressway network deviates from its economic and technologic attributes. Finally, we revealed the development mechanism on the regulation of each province's expressway planning and expansion of the expressway planning scale. The discussion result shows that the planning system of expressway, finance system for construction, charge policy, strategies to the financial crisis in 2008 and the criterion for assessing political achievement lead to the regulation of expressway planning and the enlargement of each province's planning scale.
1. Key Laboratory of Regional Sustainable Development Modeling, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, C&br /&2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
20 世纪90 年代中期以来,随着地方政府对高速公路的追求,高速公路规划和建设成为中国区域发展的突出问题。本文分析了中国高速公路网的规划规模与空间体系,重点对比集成网和国家网的规模总量和空间网络,结果表明中国高速公路网中长期目标达17.4 万km,中西部省份的规模拓展明显；揭示了中国高速公路规划网引致的空间效应,包括连通性、空间服务水平和国土碎化,结论证明省级单位拓展后的集成网过于超前,新增路线主要连接人口和经济规模较小的城镇及偏远地区,覆盖效率低,偏离了中国经济发展、人口分布、城镇体系及地理环境的国情,高速公路规划规模与覆盖水平背离了其技术经济属性。然后,重点从政策角度分析了高速公路规划规模持续扩大的机制,认为高速公路规划审批体制、融资体制、收费政策、经济危机应对政策及政绩追求等是促使省级单位拓展规划规模的主要原因。
... 其中,铁路布局模式可概括为“节点分级、线路分类、网络分层”(周荣征, 2007),高速公路网规划至少分为国家和地方两个层级(王成金等, 2011) ...
... 如果可达性和旅客出行方便程度提高,那么机场服务半径会随之减小(王法辉等, 2003) ...
王姣娥, 金凤君, 孙炜, 等. 2006. 中国机场体系的空间格局及其服务水平. [Wang J E, Jin F J, Sun W, et al. 2006. Research on spatial distribution and service level of Chinese airport system.
Based on the quantitative model and GIS method, this paper analyses the airports' spatial distribution, service coverage and air passengers flow in China. The result shows that Chinese airport system is imbalance in space and its structure is also unreasonable, which resulted in different spatial service levels, basically in accordance with Chinese economic pattern. Meanwhile, the air passengers flow is obviously agglomerated to the eastern coastal region, and its spatial connection and extension has the characteristics of hierarchy, which also shows some hub-and-spoke characteristics. The authors also find that Chinese airport system presents a "triangular balance pattern" spatial system with "Beijing, Shanghai and Guangzhou" as its centers, which will keep for a long time. Finally, the research shows that distribution of airport system is related to national or regional urban system. Therefore, with the rapid development of air travel, the regional distribution of new airports should be balanced and airport network and hierarchy system be optimized in future in China so as to induce a sound evolvement of the whole aviation network.
1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, C &br /&2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China
利用定量模型和GIS方法,从空间布局、服务范围以及航空客流分布等方面来研究中国的机场体系及其服务水平。中国机场存在空间布局不均衡和等级结构不合理等问题,各机场的服务水平空间表现不一致,整体服务格局与全国社会经济发展的格局基本协调。航空客流趋向东部沿海地区集聚,空间联系和拓展具有明显的层级性,具有一定的轴&辐式网络特征。整个机场体系表现为以&京沪穗&为核心的&鼎形&空间系统,并将在未来一段时间内得以维持。研究表明,中国机场体系的结构与全国或区域城市体系结构有一定的相互联系,随着航空运输需求的快速发展,未来机场体系的建设既要注意平衡机场区域布局,又需重视优化网络与等级体系,从而合理引导航空网络结构的演变。
... 王姣娥等, 2006, <xref ref-type="bibr" rid="b9--12-) ...
... 也有研究涉及机场服务范围及机场布局规划方法等(王姣娥等, 2006, <xref ref-type="bibr" rid="b9--12- ...
... 王姣娥等, 2006, <xref ref-type="bibr" rid="b9--12-) ...
... 也有研究涉及机场服务范围及机场布局规划方法等(王姣娥等, 2006, <xref ref-type="bibr" rid="b9--12- ...
王姣娥, 莫辉辉, 金凤君. 2009. 中国航空网络空间结构的复杂性. [Wang J E, Mo H H, Jin F J.
2009. Spatial structural characteristics of Chinese aviation network based on complex network theory.
Today, air transport plays an important role in transportation systems, especially for medium and long distance. Based on complex network theory, Chinese aviation network is abstracted as a set of edges (linkages) connecting a set of nodes (cities), and 144 cities and 1018 air routes were chosen for this research operated from winter 2007 to spring 2008. Then, this paper analyzes the spatial structure of Chinese aviation network using indices of degree distribution, the average path length, the clustering coefficient, degree-degree correlation, and clustering-degree correlation. Degree is the number of edges that a node shares with others, and thus symbolizes the importance of the node in the network. Degree distribution is used to reflect the distribution function of degree and donates the statistical characteristics of a network. Average path length is defined as the average number of edges along the shortest paths for all possible node-pairs in the network and it is a measurememt of the efficiency of transportation network. The clustering coefficient of a node is the ratio of actual edges to maximal edges between nodes which are directly connected with the node. The clustering coefficient of the whole network is the average of all individuals. As for an airport network, the average path length and the clustering coefficient are the two most important parameters reflecting network properties and configurations. The results show that Chinese aviation network has a relatively small average path length of 2.23 and a relatively large cluster coefficient of 0.69. More importantly, the accumulative degree distribution follows an exponential expression, with significance of 0.977. Therefore, Chinese aviation network shows the characteristic of a "Small World" network. Due to most new airports' preferences for direct connections with the three top-level national hubs: Beijing, Shanghai, and Guangzhou, the network hierarchy has no distinct difference with the exception of the top one. Also, the spatial distribution of Chinese aviation network is imbalanced according to the indices of degree, clustering coefficient and accessibility index. Besides, the correlation coefficients of these indices mentioned above are analyzed. The results show that there are negative degree correlation, nonlinear clustering-degree correlation, positive accessibility-degree correlation, and slightly positive clustering-accessibility correlation. In conclusion, with the rapid development of air transport demand driven by the market economy, Chinese aviation network will further evolve to a combined model of "Scale Free" and "Small World" networks, and its spatial structure will be more complex.
1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, C&br /&2. Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA;&br /&3. China Communications and Transportation Association, Beijing 100053, China
航空运输是现代交通运输的重要组成部分,以机场和航线构建的网络是其提供运输服务的空间载体。基于复杂网络理论,借助度分布、平均路径长度、簇系数、度度相关性、簇度相关性等指标对以城市为节点的中国航空网络空间结构进行分析,发现其度累计概率分布表现为具有置信度较高的指数分布,且具有较小的平均路径长度(2.23)和较大的簇系数(0.69),整体结构呈现"小世界网络"的特点。由于中国航空网络规模较小,且新建机场倾向于直接与最高级枢纽机场建立航线联系,不利于区域枢纽机场的形成。因而除顶层结构(北京&上海&广州)外,中国航空网络的其它层级结构并不十分明显。从节点的度、簇系数、可达性等指标及其相关性分析,中国航空网络空间结构特征差异明显,表现出较强的集聚性,且可达性与城市体系上层结构在空间分布上较为吻合。随着中国航空运输需求的快速增加,未来航空网络在市场经济的推动下,将进一步表现出向具有"无标度"特征的"小世界网络"演变的趋势,航空网络的空间结构将日趋复杂化。
... 根据图1所示,当地级、县级需求点可达性需求分别为70、120 km时,全国至少需要新建119个机场,加上现有机场共计312个机场,与有关部门预测远期机场数量应达到300个基本相符(吴传钧, 1998),分级测算的结果比不分级测算结果更具实际建设参考性 ...
... 但是关于机场数量规模的测算,目前研究较少,并且一般采用定性方法分析(熊朝等, 2012) ...
... 徐涛等, 2008 ...
... 机场的可达性则是旅客通过不同交通方式,从出发地到达机场过程的快捷程度、舒适程度和经济程度的综合评价(应习文等, 2006) ...
... 其中,铁路布局模式可概括为“节点分级、线路分类、网络分层”(周荣征, 2007),高速公路网规划至少分为国家和地方两个层级(王成金等, 2011) ...
... 最近,基于优化模型方法,Khalafallah等(2011)提出了一种自动化的多目标机场选址优化系统 ...