爱华网第1章
美国国家运输
网络和
联运系统
Michael·S. Bronzini
土木，环境部
与基础设施工程，
弗吉尼亚州费尔法克斯的乔治·梅森大学，
1.1简介
区域和国家范围内的交通系统是由相互连接的设施和服务网络组成的。因此，在几乎所有的交通运输项目中，分析模式或多式联运网络内必须适当考虑他们的立场，和他们对网络性能的影响。也就是说，运输项目的网络范围内通常是非常重要的。因此，它是适当的开始上卷的交通运输工程与国家交通运输网络的一章。
国家交通运输网络的项目可以近乎至少从两个不同的角度。一种方法，常见的介绍交通教科书，介绍了各种运输方式及其分类为功能子系统的物理元素。第二种方法侧重于国家的交通运输网络数据库的可用性和他们的工程规划和操作研究。后一种方法是强调在本章中，与旨在向读者提供一些指导获取和使用这样的网络。然而，在描述这些网络数据库，还提供了一些高层次的描述的物理网络。
模式网络考虑的是公路，铁路，水路，管道以及他们的联运连接网络。机场和航空公司的服务网络，是特意排除在外，因为航空运输是与地面交通模式显着不同的性质。同样，不包括城市道路网络和公共交通的公共汽车还有铁路网络，因为这些设施强调的是国家和国家级
别的应用程序。因为空间和重点的原因，只有在美国的交通运输网络才包括，尽管介绍的一般概念适用于任何国家或地区的交通网络。 本章一般会考虑全国运输网络和相应的网络数据库的特点和性能来开始。因此如上所述，随后由多式联运网络和联运连接的上一节,来描述网络的模式。最后一节讨论了国家和地方的网络应用程序。美国国家运输网络和联运系统
1.4第一章
1.2全国交通网络数据库
1.2.1美国运输网络
表1.1表明美国地面交通系统的广泛程度。国家高速公路网（FHWA 2001年）包括了近4万公里的公共道路行车里程以及是它的两倍多的，8200000英里总行车里程。当地政府单位拥有和经营绝大多数公路,总里程的77.6％,美国拥有19.6％，联邦政府只拥有3％。州际公路系统由46677英里组成，但1.2％总里程公路承担着每年24％的车辆公里的旅行。另外一个重要的子系统，是全国高速公路系统（NHS）即国会指定的系统，其包括州际公路和114511英里的额外的干线道路。 NHS包括的公路里程约4％和7％的车道里程里，超过44％的总车辆行程在其上面行驶。公路是远在美国的旅游客运的主导模式，以及庞大的高速公路系统上运行的卡车进行29％的国内货物运输的主要承载方式（BTS 2003年）。
目前在美国I级铁路网络里程为99250英里。公路里程在过去的40年里一直呈下降趋势，在1960年I类铁路轨道（BTS 2002）拥有207334
英里。铁路合并及铁路线被遗弃，和销售电话运营商占的下降。虽然铁路里程有限的，铁路的里程模式继续对美国经济提供了重要的运输服务。例如，铁路承担38％的国内货物运输，超过总卡车运输货物，和美铁提供客运服务超过23,000英里的轨道货物运输，2002年（BTS）。 表1.1中列出的其他运输方式可能是普通公民不太熟悉的。内陆水路系统包括26000英里的通航渠道。其中，11000英里是满足的商业重大吃水浅的水道（BTS2002），主要包括在密西西比河及其主要支流（尤其是俄亥俄河系统和海湾沿岸航道）。可以被添加到这个数千沿海深草案航线的服务于国内肋间航运（例如，如纽约到迈阿密航线），并提供进入美国港口的国际海运公里。巨大的石油和天然气管道网络几乎完全从视图中隐藏起来。事实上，140万公里天然气管道长度仅次于高速公路网。水和石油管道运输承担着全国约16％的国内货运运输（BTS 2002）.
1.2.2国家运输网络模型的目的和用途
激励全国运输网络数据库的发展需要考虑，以满足广泛的国内和区域的政策和策略以及项目
表1.1美国运输网络
运输方式 美国的法定英里（2002年）
公路 3936229
I级铁路 99,250
内河航道 26000
原油管道 86369
石油产品管道 91,094
天然气管道 1400386
2001年的数据。
资料来源：：BTS 2002年。
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美国国家运输网络和联运系统1.5
流动性和经济发展的关键需求。评估这些项目的好处，往往需要考虑其在国家交通基础设施建设的作用。例如，在华盛顿特区附近兴建新的公路桥,考虑横渡波托马克河上的I-95，。当这个项目已经接近关键的资金决策，出现的问题是如何使现有的桥梁和其他区域口岸的交通号州际公路的卡车交通与地方交通。根据历史卡车计数的本地数据根本无法提供有用的信息。要回答这个问题，1998年（BTS）需要一个地区或国家的范围足够广泛的网络模型捕捉到一组不同的商用卡车之旅（BTS 1997年）。
其他国家网络建模的例子多不胜数。早期使用的国家铁路网的铁路合并的影响分析。最初的建议是对征收柴油税对国内内河运输进行分析，部分水道系统网络模型（Bronzini，韩，夏普1978年）。到20世纪70
年代中期的能源危机后，美国运输部国家铁路，水，公路和管道网络能源产品（USDOT /美国能源部1980年）的运动，研究潜在的瓶颈。从核电厂的废燃料运输的建议废物处置库在内华达州的潜在影响进行了估计与援助的铁路和公路网络模型（Bronzini，米登多夫，和结巴，1987）。最近，美国联邦公路管理局（FHWA）已经开发出了货运的分析框架（FAF），这是一个基于网络的工具，它是为了检验在全国交通运输系统检查货物流动系统。FAF的信息可以在 http:/www.ops.fhwa.dot.gov/freight/查询到。
这些例子有一个共同点是从一组分散在各地的旅客或托运人使用的运输系统的特定细分市场的需求出现。同样的是,对改善或没有改善的网络关键件的感觉影响，相同的一组不同的网络用户。这些类型的应用程序中, 建立网络模型是一项艰巨的前景，因为缺乏可用的网络数据。正如将要看到的那样，许多这个障碍已被克服。
1.2.3大规模运输网络的特点
一个运输系统的网络模型有两个基本的分析要求：（1）
必须忠实于实际的网络拓扑;（2）它必须使网络流量沿连接路径。每英里有每一种模式的网络模型，这将是很不合理的.构建初始数据库的数据将非常耗时，数据的质量也可能会受到影响，维护和更新模型也同样困难。因此，这样的承诺还没有尝试过，至少不是一个模型，即该模型同时满足分析要求。地形数据库，作为用于地图制作，因为不满足第二个要求，因此是对计算机的运输分析不完全有用的。
由于整个系统不能直接代表的网络模型中，一些判断，必须让权力在
确定模型的详细程度。这被称为作为粒度的模型，这是一个相对的属性。一个特定的网络模型只能定性为粗或细比其他一些模型，即在同一个网络，有没有公认的“粒度规模。''图1.1显示了一个简单的高速公路交汇的两种可能的模式。面板中的（a）该交点表示为4个链接，每个腿的交叉点中的一个，满足在一个节点。在图（b）通过路口每个方向的旅行，每一个动作被表示为一个单独的链接。 （事实上，许多不同类型的详细的交点网络编码已被提出。）的分析结果是否受到的相交内流量和时的能力的分析的细节，通过的粒度的水平将取决于在与网络数据库一起使用的软件。
与此相关的网络的粒度是包含生成交通需求的社会经济活动的空间单位的粒度。这是习惯的分析区域划分成区段或区域，并连接与运输网络模型的这些区域，从而允许分析区域之间的流动。例如，在a天津全模式的空间单元可能是县（市）。显然，区域和和网络必须具有互补的程度的粒度。
(a)单个节点 （b）回转运动曲线 图1.1表示在网络模型的交叉点。
1.2.4典型的网络数据元素
交通网络本身是有一个节点和链接的结构，其中的链接代表提供的运输，如公路和铁路线的线性特征，和节点代表的十字路口。因此，重要数据内容就是节点名称或编号和位置。链接通常具有的特性，如长度，方向性，一些旅游专线和功能类设施。通流容量或某些特性能够准备的能力估计也包括在内。当然，整个组合的节点和链接识别也可以被识别特定模式。
另一种代表性的决定是网络链接是否将直线或将有“形状上分”描绘他们的真实的地理环境。早期的网络模型被称为“棍子网络”，这是拓扑准确的，但是缺乏精度的地形描述。对于许多类型的分析，这是不关心，只涉及链路节点发生率以及路径和网络流量的软件系统得到了相同的答案是否链接有准确的形状。然而，为了产生可识别的网络地图和某些类型的接近分析，地形的精确表示是必要的（见图1.2）。因此，大多数大型网络的机型，目前利用造型加分。这是有代价的，需要更多的数据存储，图表或屏幕渲染的速度缓慢。幸运的是，在计算能力和地理信息系统（GIS）软件的进步已在很大程度上尽量减少这些缺点。
上面所提到的是链路容量的想法。在某些网络中，这是说每一个环节，如汽车每小时或吨位为单位。在其他的功能类的链接是指向一个属性表中有默认的容量值。在油管的情况下，例如，管道的直径可以被用来估计各种流体性质的流容量。节点很少的建模能力能被约束，但主要可以（已经）的链接以是以同样的方式处理。
图1.2 连杆AB进入区域A？
1.3国家MODAL网络的例
国家交通运输网络在公共领域的数据的主要来源是国家交通地图集数据库（NTAD），开发和分发由美国运输部运输统计局（BTS）做。关于获得NTAD可能的信息在http: / /www.bts.gov/ gis /查询。正如有：“NTAD是一组美国的运输相关的地理空间数据。数据由的交通网络，交通运输设施，以及其他空间数据作为地理参考组成。”
图1.3是一个阴谋，美国运输系统（不包括管道）来自的NTAD的在俄亥俄州中心的一个部分。可以看到，通过比较这个数字与国家级公路和铁路地图，NTAD不包含整个系统的数据。尤其是，主要服务于当地的交通设施，不派代表出席了会议。尽管如此，设施包括进行大批量的城际交通，因此网络已被证明有价值的国家和区域规划的研究。
1.3.1公路网
对于在高速公路模式中，NTAD包括美国国家公路规划网（NHPN），如图1.4所示，这是一个全面的网络数据库的国家的主要公路系统。美国联邦公路管理局（FHWA）提供和维护NHPH的数据.NHPN包括超过40万英里的全国公路，包括农村干道，城市主要干道，和所有NHS路线的类别。由国家基础功能类别,有以下干路有不同的状况。数
据集涵盖的48个州以及哥伦比亚特区和波多黎各。标称规模的数据集是具有最大的位置误差在_80米1:100,000。NHPN也可以用来保持一个基于地图的英国国民保健服务（NHS）的记录和公路战略通道的网络（STRAHNET），这是一个子网定义为军事运输用途的NHPN.
公路节点是被标记的识别号和位于地理坐标以及FIPS代码和其他位置标识符。链接被指定的节点在每年年底，本节中讨论的所有的数据库共同的计划，也有标识符，比如一个链接名称或代码，符号路线，和街道名称。其他链接属性包括长度，允许流动方向，心功能分级，中位数类型，表面类型，访问控制，收费功能，以及任何特殊的链接所属的子网（如NHS）。每一个环节也有一个形状点文件。
NHPN起源于美国橡树岭国家实验室（ORNL），这已经进一步发展和维护其自己版本的国家高速公路网的数据库，美国橡树岭国家公路网的NHPN。这是几乎相同的结构和内容的NHPN。有关详细信息，请参阅http: //www-cta.ornl.gov/ transnet /Highways.html.的。这个数据库是像的NHPN，在公共领域。
图1.3 提取物的国家交通地图集数据库（2002年）
1.3.2铁路网
联邦铁路管理局（FRA）已经开发并维持一个国家的铁路网络数据库。 BTS编译和格式化了2002年的NTAD的一部分铁路网络发布的数据。 1:2,000,000水平规模在全国铁路系统的铁路网（图1.5）是一个全面的数据。该数据集涵盖的48个州加上哥伦比亚特区。以通常的方式链接属性节点和链路的识别和定位，包括所有拥有铁路的名称和所有其他铁路有迹年龄权利，包括最近的一些主要轨道，轨道类别，类型的信号系统，交通密度类年的记录，铁路客运业务类型（例如，Amtrak公司），和国防地位。 FRA也正在一个1:100000规模的网络发展，但该版本尚未发布。
在公路的情况下，橡树岭国家实验室也维护和免费提供它自己版本的全国铁路网络数据库。这个网络是联邦铁路管理局的全国铁路网的延伸。除了上面列出的网络属性，橡树岭国家实验室的铁路网络包括自1993年以来一直处于活动状态的所有铁路路线，这包含公路网络建设以来任何一年然后的位置和所有权（包括最初）的信息。这个网络的地理精度一般为100米有效行。
图1.4 国家高速公路规划网（2002年）
1.3.3航道网
国家航道网是一个全面的国家通航水道的网络数据库。该数据集涵盖着48个州加上哥伦比亚特区，波多黎各，沿岸航运的远洋航线，与国内和国际远洋航线和内河港口之间的联系信息。地理来源的信息，大部分是从1:100,000的规模，更大的规模在港/湾/港口地区和更小的尺度上的开放水域上。图1.3显示了俄亥俄州段的状态和周围的国家航
道网数据。
在航道网的链接代表实际的运输线上，或作为代表在开放水域的路径是没有明确的航线的存在。节点可以代表物理实体，如河流交汇，端口/设施和联运终端，也可以被插入以供分析之用。约224个端口由美国陆军工程兵部队（USACE）定义和使用的节点数据库中的地理编码。国家航道网由运输统计局，美国陆军工程兵团，美国人口普查局，美国海岸警备队由美国范德比尔特大学和橡树岭国家实验室的代表创建。其他机构包括：沃尔普国家运输系统中心，海事局，军事交通管理司令部，田纳西河流域管理局,美国环境保护局和联邦铁路管理局等输入网络发展。除了一般用途，使用网络的USACE美国公布一系列水性商务部路线水路变动和计算水性商业英里吨位。
图1.5 全国铁路网（2002）
1.3.4管网
管网数据可从彭韦尔地图搜索得到，关于提供商油，气，电，及相关行业的信息。信息发布以纸地图和CDROM产品，或在GIS或CAD格式的授权形式。数据库提供石油和天然气管道的后勤信息，包括直径，所有者/经营者，流向，储存终端，天然气加工设施，炼油厂，卡车装载/卸载，压缩机/水泵站，营销中心和其他设施相关的原油， LPG / NGL，天然气，炼油产品，石化产品/烯烃，通过管道运输和其他石油相关的商品信息。欲了解更多信息，请访问 http: / /www.mapsearch.com/ home.cfm.。
称USDOT办公室管道安全（OPS）进行的联合政府产业努力为全国管道测绘系统。然而，在这个时候出现的老年退休金计划项目将不会提供一个公共领域的管线数据库，至少不会在不久的将来。
1.4综合运输网络和联运连接器
有很多的国家网络模型的应用程序里使用了一个以上的运输方式之间的旅行始发地和目的地区域的交通需要考虑。在大多数情况下的精确路线和个别运动的传送位置是未知的，因此必须使用多峰网络模型来估计这些结果。一个很好的例子就是处理系统，使用商品和模式，为全国商品流由美国运输部和美国人口普查局进行的调查（CFS）来估计每吨公里的交通。由Bronzini等人所使用的程序（1996年）。食物安全中心收集从托运人对具体的城际货物运输，包括的商品，来源，目的地，运输规模在万吨以上，模式或使用的交通等信息。没有收集运费距离模式，所以在调查中多网络模型被用来发现美国货运航线通过网络，从而使模式下的行驶里程估计为每票货物。为了可以多式联
运路线，单独的模式网络要连接在适当的地点进行换乘链接。
建立多式联运网络的解析正确的换乘链接不是一个简单的事情。第一个近似值，可以使用GIS软件来找到不同的模式，这个模式是彼此的距离内某个阈值的节点，并在所有这些地方只需要建立模式到模式的连接器。然而，这忽略了投资成本和特殊用途性质的换乘设施，并往往高估的的联运连接器数量。
为了协助这些类型的应用程序中，NTAD建立一个名为“联运码头设施的数据集。橡树岭国家实验室开发的联运码头设施是从该数据库中导出的数据。该数据库包含美国拖车上平车（TOFC）的容器，平车（COFC）高速公路轨和铁路水输送设施的地理数据。属性数据指定联运连接在每个设施，即涉及在联运传输，服务设施，货物的类型，其方向的转印铁路的AAR报告标记的模式。这后两种属性是非常重要的。即两个模式可以具有联运连接在一个给定的点，它可以不遵循由两个模式进行全部货品可以互换。通常情况下，每一个这样的连接器只处理一种商品或一个商品类型。例如，一个煤炭码头通常不会处理粮食或石油产品。此外，转印设施可能成为只在一个方向流动。例如，一个水边的煤炭中转码头，可能只会允许倾倒轨道车的驳船，但可能无法提供设施，为提升煤炭从驳船到轨道车。这些例子说明了为什么一个简单的接近分析方法是不可能得出正确的鉴定联运连接器连接。 在印刷和互联网上，联运码头设施的数据集属性数据中提取的北美多式联运协会（IANA）1997年铁联运码头目录，铁路官方指南，TTX公司联运目录，互联网主页的几个铁路，美国陆军工程师港口系列报
告“集装箱化国际年鉴”，1996年的美国港务局协会（AAPA）目录，以及各种运输消息人士透露。属性数据反映了一九九五至九六年度和反映在TOFC / COFC设施条件频繁变化。该数据库不包括已被关闭之前或在1996年的TOFC / COFC和海运集装箱设施信息。然而，由于这种类型的设施经常更换，包含在数据库中的终端中的一些可能现在是处于休眠状态或永久封闭状态。
TOFC/ COFC设施的地点被确定利用现有的设施的地址信息和地图专家，一个全国的数字地图数据库和商业软件程序包并记录经度/纬度的近似中心的设施。设施地点没有绑定到任何当前或以前的公路，铁路，水路网络模型。这是一个优点即在设施的位置的变化在其他网络中的，在数据库将不会受到影响。图1.3显示了一些联运端子中所包含的NTAD。
资料可参考食物安全中心网页已经验证了进一步的工作模式和多模式网络的国家和地区商品流的研究。库雷希，黄，秦（2002）最近的一篇文章记录的优势。
1.5网络模型的应用
第1.2.2节简要介绍了国家层面的研究，使用的交通运输网络模型一个活动领域可以追溯到20年以上。由国家和大都市区规划组织（MPOS）最近的交通进行了研究，但是，说明现在这种类型的分析工作是在这些级别的工程师和规划者的覆盖范围内。
国家一级使用网络建模的原型是为全州的交通规划。 Horowitz and Farner（1999年）国家的实践提供了一个很好的总结。全州旅游客运
模式往往按照城市交通规划模式使用的功能，如单独出行生成，出行分布模型并分配到全州公路网络的交通模式。密歇根州有一个全州范围内最发达的乘客模型（KJS，1996年）。全州货运模式也往往遵循这种模式，专注于卡车在公路上的交通。 1997年（黑色）印第安纳州和威斯康星州（黄和史密斯1999年至2000年; Sorratini）有成熟的全州范围内的货运模式，马萨诸塞州（Krishnan和汉考克1998年）最近做了类似的工作。西瓦库玛和Bhat（2002）开发了一个模型在得克萨斯州的区域间商品流动。该模型估计的目标源于各生产区，商品消费的商品的比例。该模型包括原产地，目的地的距离，这是由铁路和卡车使用美国的公路和铁路网络，包括在TransCAD。
工作列表（2002）估计纽约市地区的卡车运输的货运网络分析活动的MPO水平的代表。该模型预测由卡车的基础上的多路径交通分配到区域公路网络组成的405区，26564个节点和38016个链接的链接使用。该模型预测和观察到的链接的卡车卷在（R2 _ 95％）之间的一个很好的匹配。
切换回国家一级黄某等人（2001年）制作了一个由铁路和卡车的移动某些类别的有害物质的风险评估。他们使用国家铁路和公路网络的路由模型来确定运输路线和人口密度沿线吸入有毒化学品，液化石油气，汽油和炸药。他们的工作是颇具代表性的网络为基础的风险评估方法。他们评估了路线结果如下：“虽然模拟的路线可能不会准确地代表实际的路线，但他们充分代表了事故概率，人口密度，气候特点的商品流动，每个有害物质利益的变化。'一个类似的语句可以由有关交通网络
分析结果。
1.6致谢
在本章中由Mr. Harshit Thaker.准备的数据。
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数据来自于实际研究
资料来源：交通运输工程手册下载数字工程图书馆@麦格劳 - 希尔（www.digitalengineeringlibrary.com）
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