多車型動態交通分配問題研究

內容簡介

城市交通問題困擾著世界上許多大城市，巴黎、曼谷、北京等著名城市都有突出的交通問題。目前應對各種交通擁擠的對策層出不窮，但是這些對策效果到底如何？到目前為止並沒有一套有效的理論方法能夠分析其有效性和可行性。如果沒有足夠的理論支持和正確的效果評估，那么利用相關政策和科技成果解決交通問題是很冒險的。雖然相應的靜態網路模型得到良好的開發並在交通規劃中得到套用，但是由於其固有的靜態特性，並不適合用於動態交通狀況的研究。而對上面所提到的交通擁擠對策的效果進行評估，以及智慧型交通系統(ITS)的動態交通信息的估計與預測等方面，關鍵的理論依據就是動態交通分配理論。

《多車型動態交通分配問題研究》(作者李曙光)主要對可用於長期的交通系統評估的具有排隊的多車型動態交通分配問題及其相關套用進行研究。

圖書目錄

前言

第1章緒論

1.1 城市交通問題

1.2 解決交通擁擠問題的手段和方法

1.3 交通分析工具

1.4 本書的研究目的

1.5 本書的主要研究內容

第2章動態交通分配綜述

2.1 引言

2.2 動態交通分配模型與算法的發展回顧

2.2.1 出行者行為模型

2.2.2 巨觀動態交通網路模型特性和約束條件

2.2.3 動態交通分配問題的算法及其組成部分

2.2.4 多車型動態交通分配模型

2.3 本章小結

第3章基於點排隊求奔龍埋的多車型巨觀動態交通分配模型與算法

3.1 引言

3.2 連續時間多車型動態交通網路模型

3.2.1 路段動態函式

3.2.2 路段出口流量函式

3.2.3 路段行程時間函式

3.2.4 模型特性分析

3.2.5 流量守恆函式

3.2.6 路徑路段出口流量率

3.2.7 路逕行程時間和出行費用函式

3.3 離散時間多車型動態頸市槓交通網路模型

3.3.1 路段動態函式

3.3.2 路段出口流量函式

3.3.3 路段行程時間函式

3.3.4 流量守恆函式

3.3.5 路徑路段出口流量率

3.3.6 路逕行程時間和出行費用函式

3.4 多車型動態用戶平衡條件

3.5 多車型動態用戶平衡算法

3.5.1 基於路段的算法

3.5.2 基於路徑的算法

3.6 仿真研究

3.6.1 基於路段算法的仿真

3.6.2 基於路徑算法的仿真

3.7 本章小結

第4章基於物理排隊的多車型反應式動態用戶平衡模型與算法

4.1 引言

4.2 動態交通網路模型描述

4.2.1 基本流量密度關係

4.2.2 多車型累計車項局擔輛數計算

4.2.3 多車型的震盪波條件

4.2.4 路段可能出入口流量計算

4.2.5 節點流量分配模型

4.2.6 實際路段終點流量

4.2.7 起點終點流量模擬

4.2.8 路段擁擠排隊長度和路段瞬時行程時間計算

4.3 多車型反應式動態用戶平衡狀態

4.4 算法

4.5 仿真實驗

4.6 結論

第5章多車型動態邊際費用函式計算

5.1 引言

5.2 多車型料芝點排隊瓶頸模型

5.2.1 路段排隊函式

5.2.2 路段出口流量計算

5.2.3 路段行程時間函式

5.3 多車型動態邊際費用函式

5.4 多車型動態最佳化收費

5.5 多車型動態最佳化條件

5.6 多車型動態邊際收費算法

5.7 多車型動態邊際收費函式仿真

5.8 考慮出發時間動態邊際費用函式

5.9 考慮出發時間的多車型動態邊際費用函式

5.10 考慮出發時間的多車型最佳化收費

5.11 考慮出發時間的多車型動態邊際收費算法

5.12 考慮出發時間的多車型動態邊際收費函式仿真

5.13 結論

第6章多車型多用戶動態交通分配模型在ATIS中的套用

6.1 引言

6.2 離散時間多車型多用戶動態交通網路模型

6.2.1 路段動態函式

6.2.2 路段出口流量函式

6.2.3 路段行程時間函式

6.2.4 路段普遍費用函式

6.3 多車型多用戶動態用戶平衡條件

6.4 多車型多用戶動態用戶平衡算法

6.5 仿真研究

6.6 本章小結

第7章 ATIS中的平衡市場滲透率和服從率的研究

7.1 引言

7.2 動態網路模型和用戶平衡條件

7.3 市場滲透率和服從率模型

7.4 市場說戰譽滲透率和服從率算法

7.5 仿真研究

7.5.1 仿真環境描述

7.5.2 仿真結果與分析

7.6 小結

第8章組合模和白臘式動態交通分配問題

8.1 引言

8.2 離散時間組合模式動態網項局奔熱絡模型

8.2.1 路段動態函式

8.2.2 路段出口流量函式

8.2.3 路段行程時間函式

8.2.4 流量守恆函式

8.2.5 路徑路段流量率

8.2.6 換乘路段

8.2.7 路段和路徑費用函式

8.3 出行者出行行為選擇

8.3.1 純模式出行者的出發時間和路徑選擇

8.3.2 組合模式出行者的出發時間,換乘和路徑選擇

8.3.3 出行模式選擇

8.3.4 出行選擇

8.3.5 變分不等式描述

8.4 算法

8.5 仿真研究

8.5.1 仿真環境描述

8.5.2 仿真結果與分析

8.6 小結

第9章多車型動態交通分配模型在公交專用車道的收益影響評估中套用研究

9.1 引言

9.2 動態交通網路模型

9.3 旅行選擇行為

9.3.1 小汽車旅行者的出發時間和路徑選擇

9.3.2 公車旅行者的出發時間和路徑選擇

9.3.3 出行旅行者的模式選擇行為

9.3.4 組合的變分不等式的闡述

9.4 算法

9.5 仿真試驗

9.5.1 仿真實驗1

9.5.2 仿真實驗2

9.6 結論

參考文獻

文摘

第1章緒論

1.1 城市交通問題

城市交通擁擠已經成為困擾城市決策者的主要問題之一。經濟的發展使得城市交通需求與交通供給的矛盾日益突出，由此引發了與污染、安全以及經濟損失等相關的一系列問題。據相關統計，歐洲每年因交通事故造成的經濟損失達500億美元，交通對環境的污染也在不斷增加，並且逐步成為城市環境質量惡化的主要污染源。根據倫敦20世紀90年代的檢測報告，大氣中74%的氮氧化物來自汽車尾氣排放。據英國SYSTRA公司對已開發國家大城市交通狀況的分析，交通擁塞使經濟成長付出的代價約占GDP的2%交通事故的代價約占GDP的1.5%～2%，交通噪聲污染的代價約占GDP的0.3%，汽車空氣污染的代價約占GDP的0.4%，轉移到其他地區的汽車空氣污染的代價，約占GDP的1%～10%。北京市交通委員會提供的數據顯示，2010年上半年北京平均每天淨增1900輛機動車，增速驚人。按照這個速度，2015年北京機動車保有量將達到700萬輛。在未來的幾十年內，我國的機動車擁有量也會不斷增加。因此，交通問題已經日益引發各城市政府的重視，並已成為民眾關心的焦點。

為了解決和緩解交通擁擠問題，首先簡單介紹交通系統的組成。Cascetta（2009）系統介紹了交通系統組成，它主要包括兩個部分：交通需求和交通供應。

交通需求源自於在城市中，因功能和服務地點的不同，由區域內的出行者行為共同決定。也就是說，在城市中不同地點的出行者會因為不同的目的（工作、學習、購物等）選擇不同時間和不同交通模式（公車、自駕車等）出行，而這些出行選擇產生了交通需求量。同時，出行者作出出行選擇時，也會受到可用的交通模式以及交通設施的服務能力的影響，如出行時間、花費、舒適度等。

交通供應主要是由交通基礎設施（道路類型、停車空間、公交線路）、服務（公交時刻表等）、規則以及費用（公交費用、停車費用以及道路收費等）等組成的。出行者從一個地點到另一個地點的出行可能要經過多個相連的交通設施。然而，交通設施都有其最大通行能力，當在一定時間內交通設施使用者的人數接近設施容量時，就會產生擁擠。同時，擁擠也會影響使用這些交通設施的出行者所能接受的服務水平，如延誤增加、燃油消耗和污染增加等。

解決交通擁擠問題，如何針對交通系統設計相應的解決方案，也就是從交通供應和交通需求兩個方面對交通系統進行改造。

1.2 解決交通擁擠問題的手段和方法

目前，改善交通速度、增加交通系統可靠性以及緩解交通擁擠（陸化普，1999）的主要對策如圖1.1所示，分為三類。

圖1.1 城市交通擁擠對策系統

1.增加更多的道路容量

增加更多的道路容量，即修建或者加寬道路，提高道路的通行能力（在中國許多發展中的城市，修建道路還是必須要經過的一步）。中國許多城市的交通問題是通過局部路段、局部道路交叉口的擁擠堵塞反映出來的。顯然，按照西醫“腳痛醫腳，頭痛醫頭”的觀念，拓寬這些道路，在交叉路口修建立交似乎就是最立竿見影、最直截了當的解決辦法。但是，隨著時間的發展，人們認識到城市交通供應與需求之間的不平衡是導致城市交通擁擠的本質，僅靠增加更多的容量，很難根本地解決城市交通中供需之間不平衡的矛盾。

2.交通運行管理

交通運行管理主要是使用相關的技術手段使已存在的道路交通網路更加有效率。在20世紀90年代以後，交通工程師和規劃者通過使用交通運行管理策略對現有的交通系統進行管理，而不是用建設新的交通基礎設施的方法緩解交通擁擠。

交通運行管理的策略主要分為兩類：一是採用信息技術、計算機技術、控制技術等手段對傳統交通運輸系統進行改造，從而達到增強交通系統運行效率，提高交通系統的可靠性和安全性，減少能源消耗等目的；二是採用道路和十字路口的地理改善、單行線設定等。

3.交通需求管理

交通需求管理廣義上是指通過交通政策的導向作用，促進交通參與者出行選擇行為的變更，以減少機動車出行量，減輕或消除交通擁擠；從狹義上說是指為削減高峰期間一人乘車的小汽車通勤交通量而採取的綜合性交通政策。交通需求管理的內容主要包括通過實施錯時出勤、設立最佳化的工作開始時間等對策，在時間上分散交通需求；通過向駕駛員提供道路交通信息和擁擠、事故狀況，促使交通需求在空間上分散化；通過提高公共運輸及服務水平促進人們利用大運量、高效的公共運輸工具。

交通需求管理起源於美國。目前，美國、歐洲和日本等國圍繞綜合治理城市交通問題以及交通需求管理對策，正在開展廣泛的研究和套用。1991年，美國制定的《綜合路上交通效率化法案（ISTEA）》已將交通需求管理作為重要交通對策納入其中。美國環境保護廳也從保護環境的角度出發，制定了《關於交通管理方法指南：1990年》。歐洲各國也在其主要城市如倫敦、巴黎、羅馬等大城市，研究或試行交通需求管理對策。在日本，建設省在其綱領性檔案《道路建設的長期構想》中，將交通需求管理對策置於重要地位，並於1993年制定了新交通擁擠緊急對策，提出了推進實施交通需求管理對策的具體計畫。美國、日本、新加坡等對交通需求管理對策的實施結果和不完全的研究結論表明，交通需求管理對策對解決城市交通擁擠問題能夠取得相當好的效果。

1.3 交通分析工具

為了評估或者最佳化上述的交通擁擠策略，必須使用相應的交通分析工具或者方法。相應的交通分析工具和方法主要分為四類（Administration，2005）。

1.用於規劃的交通預測模型方法

在傳統的交通規劃中，使用靜態交通預測模型分析在一定區域內設定交通設施（增加道路，加寬道路等）導致的交通流量變化。其中，靜態交通分配是城市交通流量預測過程中的一個關鍵步驟。靜態交通分配模型預測未來規劃方案的路網流量，計算路段的出行時間和相關的屬性，也是估算項目經濟效益和空氣污染影響的基礎。

靜態模型假設路段上的流量與時間無關，因此，它只是側重於長期的交通規劃，這種方法局限於不能夠有效地模擬真實的交通狀況，如在路段上交通流的動態變化、排隊破壞等，進而導致低估交通系統的性能。

2.道路通行能力方法（HCM）

道路通行能力方法主要是通過解析手段快速地預測在不同交通設施上的交通流量、密度以及車輛延誤的變化，主要適用於獨立的或者小規模的交通設施（如單獨的十字路口、路段等）。當路網擁擠加劇，出現排隊擴展，導致在一個位置的交通狀況受到其他位置的交通狀況的影響時，傳統的道路通行能力方法並不適用於分析這類情況。道路通行能力方法局限於不能夠模擬過飽和、排隊破壞、動態路徑和高峰擴展等現象，同時也不適用於分析路網和系統的性能。

3.微觀交通仿真方法

微觀交通仿真模型非常細緻地描述單個車輛的運行，如車輛在道路上的跟車、超車及車道變換等微觀行為都能得到較真實的反映，能非常逼真地再現實際交通狀況，並對交通狀況進行預測。但是，由於微觀交通模型計算量較大、運算時間較長，一般側重於單個交通設施或者幹線的模擬。一些新的微觀交通仿真模型是基於路徑的，也就是說車輛在出發或者在途中時可以根據實際或瞬時的行程時間選擇路徑出行，當路網規模較大時，一般這類模型適用於一次分配仿真運算，無法計算大規模路網中的平衡條件下的動態交通狀況。

4.動態交通分配方法

動態交通分配方法是指，根據道路交通流原理模擬交通需求、在路段上的流量傳播以及在路口的流量分配狀況，將時變的交通需求裝載到道路網路中，獲得出行者的出行費用。系統根據出行者的出行費用疊代調整進入路網的出行者的動態交通需求（進入路網的時間、何時進入路網、選擇何種方式進入等），以達到相應的動態平衡狀態（動態系統最佳化、預測式動態平衡、反應式動態平衡等），最終得到平衡狀態下的動態交通流量狀態。

圖1.2中給出了動態交通分配的總體框架。圖1.2中的道路網路結構表示由節點、路段組成的道路交通網路。節點表示相應的十字路口，而路段表示相應的道路。動態交通需求表示在路網中在某一時刻從起點出發到終點的出行者出發率。在動態分配模型中其他的組成部分是動態網路配載、流量調節和平衡檢驗。

圖1.2 動態交通分配框架

動態交通分配方法是對已經存在的靜態交通預測模型和微觀仿真模型的一個有益的補充。靜態交通信息預測模型主要反應的是區域交通分析能力，而微觀交通仿真模型只是側重於局部和幹線的動態分析。動態交通分配方法填補了使動態交通模擬能夠用於區域範圍的空白。

1.4 本書的研究目的

動態交通分配模型在路網動態交通信息的估計和預測以及交通政策評估中起著重要的作用。在1978年，Merchant和Nemhauser（1978a，1978b）給出了第一個解析動態交通分配模型以及相應的算法。在20世紀90年代後，隨著城市交通擁擠的加劇，智慧型交通系統得到快速發展及套用，大量的科研人員（高自友、任華玲，2005）從事於動態交通分配問題的研究，給出了許多不同的模型和算法。在巨觀交通網路模型研究中，其中絕大多數研究者都只是對具有單一類型車輛（標準小汽車）的巨觀模型進行研究。此類模型忽視了路網中多種交通模式（如小汽車、卡車、公車等）的相互作用，並不能夠真實地反映交通流狀況。本書研究的多車型動態交通分配模型能夠更加真實地模擬和反映車輛之間的相互作用以及選擇不同車型的出行選擇行為等。多車型動態交通分配模型不但可以更加真實地給出交通狀況，而且可以處理一些單一車型交通分配模型無法解決的問題。

1.5 本書的主要研究內容

本書對多車型動態交通分配問題及其套用進行了研究，主要工作如圖1.3所示。

圖1.3 本書結構

本書的主要工作包括如下三大部分。

1）本書概述

本部分（第1章和第2章）主要對單一車型及多車型巨觀動態交通分配模型的發展以及相關特性進行分析和回顧；系統介紹出行者行為模型和動態交通網路模型的發展概況，詳細介紹了相應的模型特性，如流量守恆、流量傳播、先入先出（firstinfirstout，FIFO）特性、因果特性等，同時介紹多車型動態交通分配模型的發展概況，研究了多車型動態交通分配模型特有的模型特性，並分析了多車型動態交通網路模型與單一車型動態交通網路模型的區別。

2）多車型動態交通分配模型與算法

這一部分主要是對兩種不同的動態交通分配模型進行了研究，分別給出了基於點排隊的動態交通分配模型、基於整路段的多車型動態交通分配模型以及多車型動態元胞傳輸模型。這兩種模型的側重點不同，第一種點排隊模型是單一車型點排隊模型的直接擴展；另一種模型是考慮物理排隊的影響，可以反映多種車型在路網中的排隊擴散現象。

（1）提出了基於點排隊的多車型動態交通分配模型。將單一車型的決定式點排隊模型擴展到多車型點排隊模型，證明了多車型點排隊模型合乎模式內的FIFO特性、在擁擠情況下各模式車輛的速度收斂特性以及整路段流量傳播特性

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