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考虑枢纽平衡的干支通多层航空运输网络优化模型

姜雨 林操 龙颖 薛清文

姜雨, 林操, 龙颖, 薛清文. 考虑枢纽平衡的干支通多层航空运输网络优化模型[J]. 交通运输工程学报, 2025, 25(6): 186-199. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.06.016
引用本文: 姜雨, 林操, 龙颖, 薛清文. 考虑枢纽平衡的干支通多层航空运输网络优化模型[J]. 交通运输工程学报, 2025, 25(6): 186-199. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.06.016
JIANG Yu, LIN Cao, LONG Ying, XUE Qing-wen. Optimization model of trunk-regional-general multilevel air transportation network considering hub balance[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2025, 25(6): 186-199. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.06.016
Citation: JIANG Yu, LIN Cao, LONG Ying, XUE Qing-wen. Optimization model of trunk-regional-general multilevel air transportation network considering hub balance[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2025, 25(6): 186-199. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.06.016

考虑枢纽平衡的干支通多层航空运输网络优化模型

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2025.06.016
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52372298

国家自然科学基金项目 52302517

江苏省自然科学基金项目 BK20230893

详细信息
    作者简介:

    姜雨(1975-),女,山东烟台人,南京航空航天大学教授,工学博士,从事低空交通规划、通用航空发展规划等

    通讯作者:

    薛清文(1992-),女,山东烟台人,南京航空航天大学副教授,工学博士

  • 中图分类号: U8

Optimization model of trunk-regional-general multilevel air transportation network considering hub balance

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 52372298

National Natural Science Foundation of China 52302517

Natural Science Foundation of Jiangsu Province BK20230893

More Information
    Corresponding author: XUE Qing-wen (1992-), female, associate professor, PhD, qingwenx@nuaa.edu.cn
Article Text (Baidu Translation)
  • 摘要: 为推动干支通多层航空运输网络构建和高效运行,考虑轴辐式航线网络的多层级特性以及通用航空与干支运输网络的衔接规则,研究了干支通多层航空运输网络优化方法。以网络运输成本和枢纽建设成本最小、最长运输时间最小、枢纽不平衡利用率最小为目标函数,构建了考虑容量限制的r分配非严格轴辐式网络多目标优化模型;结合多目标优化模型的特点,设计VNS-NSGA-Ⅲ进行求解,引入变邻域搜索算法,设计了6种不同的邻域结构来避免陷入局部最优;选取华北地区的部分机场进行小规模与大规模干支通航线网络建模求解,验证VNS-NSGA-Ⅲ的有效性,并进行了参数灵敏度分析。研究结果表明:相同参数条件下,与其他算法相比,VNS-NSGA-Ⅲ的反向世代距离最小(0.043 78),证明其获得的Pareto解具有更好的多样性和收敛性;灵敏度分析结果表明普通枢纽数量从2增至8时,成本、时间和不平衡利用率目标分别下降了21.94%、23.20%和50.00%,中心枢纽数量从2增至5时,3个目标分别下降了13.86%、13.08%和33.52%;对于不同的分配策略,多分配模型在成本和时间目标上优于单分配模型,但多分配模型在增强路径灵活性的同时,容易增加关键枢纽负载,造成枢纽利用不均衡;枢纽选址结果、分配策略以及非枢纽连通性显著影响网络的流量分布情况和目标函数值。

     

  • 图  1  干支通多层航空运输网络结构

    Figure  1.  Trunk-regional-general multilevel air transportation network structure

    图  2  染色体示例

    Figure  2.  Chromosome example

    图  3  邻域结构

    Figure  3.  Neighborhood structures

    图  4  小算例Pareto最优解集的比较结果

    Figure  4.  Comparison of Pareto optimal solution sets for small cases

    图  5  四种算法收敛过程的比较

    Figure  5.  Comparison of convergence process of four algorithms

    图  6  四种算法评价指标对比

    Figure  6.  Comparison of four algorithm evaluation indicators

    图  7  网络结构对比

    Figure  7.  Comparison of network structures

    图  8  Pareto前沿面随PR的移动

    Figure  8.  Movement of Pareto front with PR

    图  9  Pareto前沿面随PC的移动

    Figure  9.  Movement of Pareto front with PC

    表  1  机场列表

    Table  1.   List of airports

    编号 机场名称 编号 机场名称 编号 机场名称
    1 北京首都国际机场 11 乌兰察布集宁机场 21 大同南六庄机场
    2 天津滨海国际机场 12 鄂尔多斯伊金霍洛机场 22 围场御道口机场
    3 石家庄正定国际机场 13 长治王村机场 23 石家庄栾城机场
    4 太原武宿国际机场 14 吕梁大武机场 24 河北沧州中捷通用机场
    5 呼和浩特白塔国际机场 15 临汾乔李机场 25 河北平泉机场
    6 唐山三女河机场 16 秦皇岛北戴河国际机场 26 阿鲁科尔沁机场
    7 承德普宁机场 17 朔州滋润机场 27 包头五当召机场
    8 邯郸机场 18 北京密云穆家峪通用机场 28 镶黄旗新宝拉格机场
    9 张家口宁远机场 19 北京八达岭机场 29 达茂百灵庙机场
    10 赤峰玉龙机场 20 天津塘沽机场 30 巴林右旗大板机场
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    表  2  枢纽旅客吞吐量及目标函数值对比

    Table  2.   Comparison of hub passenger throughput and the value of objectives

    枢纽类型和目标函数 案例1 案例2 案例3
    机场 旅客吞吐量/人次 机场 旅客吞吐量/人次 机场 旅客吞吐量/人次
    中心枢纽 2 8 151 588 2 7 275 004 3 5 625 518
    3 7 055 523 3 6 244 990 4 3 026 460
    普通枢纽 4 4 566 877 4 4 181 948 2 6 838 149
    5 3 365 569 5 4 345 086 9 2 071 250
    6 3 685 375 6 3 176 190 10 2 522 094
    10 2 061 837 7 4 008 982 11 4 113 043
    成本/106 14 999.47 15 448.71 15 342.59
    时间/min 161.23 145.28 132.70
    不平衡利用率 0.141 86 0.092 39 0.306 53
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    表  3  中心枢纽指标变化

    Table  3.   Changes of indicators of central hub

    中心枢纽候选机场 被选为中心枢纽的次数 被选为中心枢纽的概率/%
    新增机场前 新增机场后 新增机场前 新增机场后
    北京首都国际机场 53 97 40.46 70.80
    天津滨海国际机场 58 31 44.27 22.63
    石家庄正定国际机场 51 77 38.93 56.20
    太原武宿国际机场 40 38 30.53 27.73
    呼和浩特白塔国际机场 60 31 45.80 22.63
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    表  4  不同枢纽数量下的目标函数平均值

    Table  4.   Average objective functions value for different number of hubs

    PC PR 成本/106 时间/min 不平衡利用率
    2 2 17 519.68 177.28 0.160 44
    2 4 15 396.23 143.23 0.133 82
    2 6 14 286.27 141.75 0.091 24
    2 8 13 675.55 136.16 0.080 22
    2 3 16 624.39 164.19 0.155 74
    3 3 15 712.78 155.43 0.145 77
    4 3 14 810.50 152.46 0.143 91
    5 3 14 319.55 142.71 0.103 54
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    表  5  不同分配策略对目标函数值的影响

    Table  5.   Effect of different allocation strategies on objective functions

    算例 r PC PR 成本平均值 时间平均值 不平衡利用率平均值
    数值/106 与单分配(r=1)相比降低比例/% 数值/min 与单分配(r=1)相比降低比例/% 数值 与单分配(r=1)相比降低比例/%
    1 1 2 2 18 660.69 191.79 0.113 73
    2 2 2 2 17 519.68 6.11 177.28 7.57 0.160 44 -41.07
    3 1 2 4 15 949.51 151.87 0.141 13
    4 2 2 4 15 396.23 3.47 143.23 5.69 0.133 82 5.18
    5 1 3 2 17 096.60 178.84 0.124 88
    6 2 3 2 16 687.96 2.39 176.97 1.05 0.129 29 -3.53
    7 3 3 2 16 124.86 5.68 154.08 13.84 0.156 87 -25.62
    8 1 3 4 15 460.49 158.96 0.155 66
    9 2 3 4 14 787.44 4.35 151.14 4.92 0.139 92 10.11
    10 3 3 4 14 769.45 4.47 144.55 9.07 0.13 809 11.29
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    表  6  不同非枢纽直连概率对网络指标的影响

    Table  6.   Effect of different non-hub direct connection probabilities on network indicators

    非枢纽直连的概率 成本 时间 不平衡利用率 中心枢纽吞吐量 普通枢纽吞吐量
    数值/106 与直连概率为0时相比降低比例/% 数值/min 与直连概率为0时相比降低比例/% 数值 与直连概率为0时相比降低比例/% 数值/人次 与直连概率为0时相比降低比例/% 数值/人次 与直连概率为0时相比降低比例/%
    0.0 15 396.23 143.23 0.133 82 5 326 747 3 895 495
    0.1 14 369.68 6.67 139.65 2.50 0.113 97 14.83 4 882 851 8.33 3 507 220 9.97
    0.2 15 232.43 1.14 137.41 4.17 0.102 34 27.62 4 439 856 16.65 3 116 396 22.21
    0.3 16 981.51 -10.41 132.87 7.54 0.118 98 14.50 3 996 050 24.98 2 726 847 37.50
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-13
  • 录用日期:  2025-09-05
  • 修回日期:  2025-06-29
  • 刊出日期:  2025-12-28

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