（交通信息工程及控制专业论文）动态交通导行系统若干问题及其理论研究.pdf

摘要 动态交通导行系统是智能交通系统的重要组成部分，对其进行研究具有十分重大的 理论和实用意义。本文对动态交通导行系统涉及的若干重要问题及其理论进行探讨，希 望对这一重要研究领域做出贡献。 首先，本文综述典型动态交通分配( d t a ) 项目所发展的交通估计和预测系统 ( t r e p s ) ，着重提出并探讨了动态交通导行系统的理论研究框架。动态交通导行仿真模 型是动态交通导行系统的基础。位于交通管理中心的动态交通导行仿真模型试图通过动 态交通分配的多次迭代过程实现中观交通流的动态供需平衡仿真，时间滚动递进地完成 交通状态的估计和预测，从而生成管理和诱导方案，最后通过先进出行者信息系统对外 发布交通信息以影响出行者的出行行为。 其次，探讨了动态交通数据采集和预处理的基本方法。建立了一个以地理信息系统 为基础的中心数据库，作为建立动态交通导行系统的一个前提。该中心数据库主要由在 线更新的当前数据库，离线统计的历史数据库，和基础路网数据库三部分组成。数据的 采集技术，接口技术，和预处理技术是其中的关键步骤。另外，还对典型的感应线圈探 测器，探测车，全球定位系统，地理信息系统，以及自动车辆定位系统等采集技术进行 特性比较分析。 然后，面对中观的用户群体出行行为建立了导行信息影响下的基于仿真的中观驾驶 员路径选择模型框架，并且利用双向通讯理论和技术上的优势提出了中心和分布双模式 导行策略。在动态交通导行系统的实际应用中，建议交通管理中心引入一个纵观全局的 对个体路径选择行为的评估参数，以互动的方式高效地实现上述模型框架和导行策略。 最后，对动态路径寻优算法和实现技术进行了深入的研究。考虑到动态交通分配群 体用户以及仿真导行的个体用户及其动态实时的多目标路径的需求，本章针对传统的搜 索算法不足进行功能性和计算效率的改进。功能性方面，相对于行程时间的非模型预测 方法，提出了基于动态交通导行系统的仿真模型预测方法，并提出处理交叉口方向延误 的基于空间坐标的双邻点算法。计算效率方面，通过分析并估算启发式函数的应用，实 现计算精度，计算时间，和存储空间三方面的协调改进。在实际应用中。为了进一步提 高计算效率，提出在历史数据库中加入可离线自学习的最短路权估计系数表，进而提出 分流交叉口处的分藤多路径搜索算法，使得动态交通导行系统中实现动态交通分配变得 更为方便。启发式的路网分层分藤多路径搜索算法将是解决大型路网路径搜索问题颇有 前景的算法。上述的改进分别在各自的算例路网中给予分析和计算。 关键词：动态交通分配，动态交通导行系统，动态路径，启发式搜索，分藤多路径 a b s t r a c t t h ed y n a m i ct r a f f i cg u i d a n c es y s t e m ( d t g s ) i sa ni n t e g r a lc o m p o n e n to ft h ei n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) ，t h es t u d yo nw h i c hi so fs i g n i f i c a n ti m p o r t a n c et h e o r e t i c a l l y a n dp r a c t i c a l l y t h i sd i s s e r t a t i o nc o n d u c t sa ne x p l o r a t i o no ns e v e r a lk e yd t g si s s u e s a n dt h e i rt h e o r i e si no r d e rt ol a yag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho ft h i si m p o r t a n t f i e l di nt h ef u t u r e f i r s t l y , t h eo v e r a l lf r a m e w o r kf o rd t g st h e o r e t i c a lr e s e a r c hc o n c e r n e di sp r o p o s e d ， f o l l o v v i n gt h er e v i e wo nt h ed e v e l o p m e n t so fat y p i c a lt i a 伍ce s t i m a t i o na n dp r e d i c t s y s t e m ( t r e p s ) p r o g r a mo nd t a t h em i d d l e s c o p es i m u l a t i o nm o d e l w h i c hi st y p i c a l l y l o c a t e di na1 h m cm a n a g e m e n tc e n t e r ( t m c ) ，f o r m st h eb a s i so ft h ee n t i r ed t g s ， d y n a m i c a l l yb a l a n c em i d d l e s c o p et r a f f i cs u p p l ya n dd e m a n dr e l a t i o n s h i pt h r o u g ha n i t e r a t i v ed y n a m i ct r a f f i ca s s i g n m e n t ( d t a ) p r o c e s s ，e s t i m a t e sc u r r e n ta n dp r e d i c t sf u t u r e t r a f f i cc o n d i t i o n st h r o u g hah o r i z o n t a lr o l l i n gp r o c e s sb yi n t e r v a ld e g r e e s s u b s e q u e n t l y , 也ec o r r e s p o n d i n gt r a f f i cc o n t r o la n dg u i d a n c es t r a t e g i e sg e n e r a t e df r o mt h i st m ct r a f f i c m a n a g e m e n tp r o c e s sw i l lb ed i s s e m i n a t e dt h r o u g ht h ea d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o n s y s t e m 虹i s ) t ot r a v e l e r st oi n f l u e n c et h e i rt r a v e lb e h a v i o r s 。 s e c o n d l y , t h i sp a p e re x p l o r e sk e ym e t h o d so fd y n a m i c 仃a 艏cd a t ac o l l e c t i o na n d p r e p r o c e s s i n g a sa ni n p u to fd t g s ，ag e o g r a p h i cl n f o r m a t i o ns y s t e mr g i s ) b a s e d c e n t r a ld a t a b a s e ，w h i c hm a i n l yc o n s i s t so fa no n i i n ec u r r e n td a t a b a s e ，a no f f i i n es t a f f s t i c a l h i s t o r yd a t a b a s ea n daf u n d a m e n t a lr o a dn e t w o r kd a t a b a s e i sb u i i ti nt h r e ec r i t i c a ls t e p s ： d a t ac o l l e c t i o n ，i n t e r f a c e ，a n dp r e p r o c e s s i n g t h e naf e a t u r ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so f g e n e r a ld a t ac o l l e c t i o nm e t h o d so fi n d u c t i v el o o pd e t e c t o r , p r o b e ，g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ( g p s ) ，g i s ，a n da u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ( a v i ) i sc o n d u c t e d n l i r d l y , am i d d l e s c o p es i m u l a t i o n b a s e dd r i v e r s r o u t ec h o i c em o d e lf r a m e w o r k 诚t l l m i d d l e s c o p eu s e r s t r a v e lb e h a v i o rg u i d e db yt h et r a v e l e ri n f o i t o a t i o nd i s s e m i n a t e df r o m t m c ，i se s t a b l i s h e d t a l ( i n ga d v a n t a g eo ft h ei n t e r a c t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，a d u a lm o d eg u i d a n c es t r a t e g yc o m b i n i n gc e n t e r b a s e da n dd i s t i l b u t i o n - b a s e ds t r a t e g i e si s p r o p o s e d i na c t u a lr o a dn e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，a na s s e s s m e n tp a r a m e t e ro fe v a l u a t i n g i n d i v i d u a lr o u t ec h o i c eb e h a v i o rw i t ht h ee n t i r et r a f f i cc o n d i t i o n si nt m ci si n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ed y n a m i cp a t h f i n d i n ga l g o r i t h m sa n dr e a l i z i n gt e c h n i q u e sa r es t u d i e di nd e t a i l a i m i n ga tf i x i n gs o m ed e f i c i e n c i e so ft h et r a d i t i o n a ls e a r c h i n ga l g o r i t h m s s o m ef u n c t i o n a l a n dc o m p u t i n ge m c i e n c yi m p r o v e m e n t sa r er e c o m m e n d e d w h i c ht a k e si n t oa c c o u n t ss u c h f a c t o r sa sm u l t i u s e r so nd t a i n d i v i d u a lu s e r si nt h es i m u l a t i o na n dg u i d a n c es y s t e ma n d t h e i rd y n a m i c r e a l t i m em u l t i ，o b j e c t i v er e q u i r e m e n t si nd t g s i m p r o v e m e n t so f a l g o r i t h m i cf u n c t i o n a l i t yi n c l u d e ：as u g g e s t i o no fad t g s - b a s e ds i m u l a t i o na p p r o a c ht o p r e d i c tt r a v e lt i m ei n s t e a do ft h en o n s i m u l a t i o nm e t h o d sa n dt h e nab i n e i g h b o ra l g o r i t h m w i t hd i r e c t i o n a ld e l a ya ti n t e r s e c t i o n si sp r o p o s e di nas p a t i a lc o o r d i n a t e i m p r o v e m e n t s o fc o m p u t i n ge f n c i e n c yi n c l u d e ：h a r m o n i z i n gt h er e l a t i o n s h i po fc o m p u t i n gp r e c i s i o n , i n n t i m ea n ds t o r a g es p a c e t h ee 缳c i e n c yo fah e u r i s t i cf u n c t i o ni sa n a l y z e da n de s t i m a t e d t h e nac o e f f i c i e n tt a b l eo ft h es h o r t e s t p a t hc o s tw i t ho f f - l i n es e l f - l e a r n i n gi nt h eh i s t o r y d a t a b a s ei sd e v e l o p e dt of u r t h e ri m p r o v ec o m p u t i n ge 衔c i e n c yi na c t u a lc a s e s s u b s e q u e n t l y , av i n e b u i l d i n gm u l t i p a t ha l g o r i t h ma ti n t e r s e e t i o n si sc r e a t e d ah e u r i s t i c m u l t i p a t hf i n d i n ga l g o r i t h mi nah i e r a r c h i c a la n dv i n er o a dn e t w o r kw i l lb eo fp o t e n t i a l u s ei n s o l v i n g ap a t h f i n d i n gp r o b l e mf o ral a r g e s c a l en e t w o r k t h ea b o v e i m p r o v e m e n t sa r er e s p e c t i v e l ya c h i e v e di nt h en u m e r i c a lc a s e sw i t ht h ec o r r e s p o n d i n g e x a m p l er o a dn e t w o r k k e yw o r d s ：d y n a m i ct r a f f i ca s s i g n m e n t ，d y n a m i ct r a f f i cg u i d a n c es y s t e m ，d y n a m i c r o u t e ，h e u r i s t i cs e a r c h ，v i n e - b u i l d i n gm u l t i p a t h 致谢 本文是在导师彭国雄教授的悉心指导下完成的，在三年的博士生学习期间，导师对 我的谆谆教诲和无微不至的关爱，我将终身难忘。导师高尚的品格、乐观的作风、渊博 的学识、宽容和信任给我极大的教育和熏陶。对导师在学习中的辛勤培养、学业上的指 导和生活上的关心表示最真挚的感谢! 特别感谢杨晓光教授，他渊博的知识和创造性的思维方式给我留下了深刻的印象。 在很多项目中，杨老师给予锻炼机会和信任，并言传身教交通理论和实践经验；论文期 间，更提供了相关文献和程序资料，并予以讨论和悉心指导。我对杨老师三年以来的培 养、帮助和鼓励表示由衷的感谢! 本论文能够顺利完成与课题组老师们的支持和帮助是分不开的，在此向杨佩昆教授、 刘灿齐副教授和郁朝鸣老师表示感谢! 同时，也感谢吴兵老师、周仲华老师、全月星老 师、郝颖等在学习、工作和生活上给予我的关心和照顾。 感谢新加坡南洋理工大学徐爱功博士后、杨超博+ 后，以及我的师兄和朋友们：段 进宇博士后、朱晓宁博士后、苏永云博士、葛颖恩博士后、曾松博士、李修刚博士后等， 我的研究生学习生活因为您们的关心、友谊而感动。 感谢我的师弟妹们，我在课题组的时光因为你们而丰富精彩，一起走过的日子将成 为我美好的回忆，衷心谢谢和祝福你们。 感谢我的家人及我的先生冯伟博士在我研究生学习期间给予的关心、鼓励、理解和 爱! 尤其感谢我的先生在我论文研究和撰写过程中，他以扎实的数学功底和良好的理论 研究素养，予我提供了数学理论和软件实现两方面的支持，并陪伴我度过一个个漫长的 伏案苦索的日子。因为他的支持和爱，我得以集中精力、攻克难题，顺利完成博士论文。 权用这本辛劳和磨砺换来的最大收获，敬献给他和我们的亲人! 感谢二十一年求学生涯中给予我真诚的关爱、帮助和鼓励的人，衷心祝福他( 她) 们一生平安、幸福! 最后，本论文基于前辈的相关工作成果和研究进展的基础上展开的，对他们的研究 成果和给予的启示致以深切的感谢，特此致敬! 李景 二o o 二年六月 于同济园 绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 智能交通系统的提出和发展 社会经济的运行和发展，交通运输为其提供了基本的流通脉络，总体而言后者所具 有的交通供应能力却滞后于前者产生的交通需求。正是这一根本的交通供求矛盾的存在， 成为影响乃至限制前者的瓶颈，因此，解决交通供需矛盾作为一个意义和作用重大的问 题历来被重视。同时，社会经济活动日益密集于城市，城市交通供需矛盾引起的种种问 题日益严重和尖锐，比如交通拥挤、交通事故，以及由于交通机动化带来的环境问题等。 这些问题无疑可以通过增加交通供应能力得到短期地缓和，但是受到城市用地、布局等 各种问题的限制，无法从根本上得以解决。因此，在这种情况下，如何充分挖掘现有交 通供应能力和调节交通需求，优化交通系统管理，进而远期地指导交通规划，作为一个 迫切和现实的解决方法被提出来。在这样一种背景下，智能交通系统( i t s ) 应运而生。 作为缓解乃至解决日益严重的交通问题的具有很大潜力的i t s 技术，一方面能够对 交通需求进行诱导和控制，为调整交通需求的时间和空间分布提供可能，一定程度上缓 解了交通供需矛盾；另一方面为提高交通设施的服务水平也创造了条件，使得根本上解 决交通问题有了可能。i t s 系统是基于诸如机械、信息、计算机等众多硬件和软件技术 基础之上的交通理论和方法地发展和实现，从i t s 目标功能和所涉及的技术领域来看， 它的体系庞大、研究内容极其广泛。i t s 主要子系统包括：先进的交通管理系统( a d v a n c e d t r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m s ，a t m s ) 、先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l e r l n f o r m a t i o ns y s t e m s ，a t i s ) 、先进的车辆控制及安全系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o la n d s a f e t ys y s t e m s ，a v c s s ) 、先进的公共运输系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ，a p t s ) 、商用车辆营运系统( c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o n s ，c v o ) 、紧急救援管 理系统( e m e r g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e m s ，e m s ) 、电子付费与收费系统( e l e c t r o n i cp a y m e n t a n dc o l l e c t i o ns y s t e m s ，e p s e t c ) 等七大子系统，而且新的、具有专门功能的子系统还 将不断增加。当然，上述子系统为了实现某种功能( 或目的) 也可能几个整合为一个单 独的系统。正是由于各种先进的技术地支撑，i t s 突破传统交通理论和方法的限制，真 正在现实意义上促成了道路交通设施、道路交通管理者和道路交通使用者所构成的交通 系统地协调统一、不断优化。 对i t s 发展历史进行考证，可以看出它是由路径导行系统( r g s ) 发展演变而来的， 当然现阶段r g s 仍然是i t s 的主要功能子系统。1 9 6 7 年美国成立了e r g s ( e l e c t r o n i c r o u t eg u i d a n c es y s t e m ) d x 组，开始对道路交通信息处理的研究。该项目可以说是世界上 同济大学博士学位论文 1 动态交通导行系统若干问题及其理论研究 最早的r g s 研究，同时也被认为是最早的i t s 研究之一。到了8 0 年代末，许多国家相 继上马了一批r g s 的研究项目，具有代表性的项目有美国的a d v a n c e 、t r a v t e k ，欧洲 的e u r o 。s c o u t 、德国的a l l s c o u t 和日本的v i c s 等。以美国为例，随着对e r g s 项目研究范围地不断扩大，于1 9 9 0 年成立了i v h sa m e r i c a ( i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a y s o c i e t yo fa m e r i c a ) 研究组织，1 9 9 1 年1 2 月开始了i s t e a ( i n t e r m o d a ls u r f a c e t r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c ya c t ) 研究计划，明确将i t s 发展作为道路运输政策，并于1 9 9 4 年9 月将i v h sa m e r i c a 正式更名为i t sa m e r i c a ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns o c i e t yo f a m e r i c a ) 。其它各国i t s 的总体框架也基本上由r g s 的研究逐步扩展而来。除了以上介 绍的e r g s 、v i c s 和a l l s c o u t 外还有很多的路径导行系统，如a u t o g u i d e 、c a r i n 、 e t a k 、n a v m a t e 和t r a v e l p i l o t 等。随着对路径导行系统研究地深入，人们对其的认识 也不断扩展。 从本质上来说，i t s 代表了种最高层次的交通系统管理技术，旨在以较低的代价 和较短的时间来提高交通系统效率，降低交通拥挤，节省能源和减轻空气污染。据h a r v e y i l j 调研的结论：信号控制智能化能减少3 0 的停车次数、缩短1 3 4 5 的旅行时间；高 速道路交叉口处的可变信息标志能获得2 0 0 8 0 0 万法郎的经济效益；路径导行系统调 查推断能削减1 5 的旅行时间，另外在安全性和环境方面的数据亦有相当的说服力。而 英国运输与道路研究所t r r l ( t r a n s p o n a t i o n r o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 曾对车辆导 行系统的效益做出如下估计：如果每年有4 0 万用户，因使用该系统而减少了1 0 的行程 时间和6 的行驶里程，则系统每年产生的效益可达1 2 5 亿英镑( 约合2 亿美元) 。不难 看出，i t s 具有十分诱人的应用前景，就目前国际i t s 发展的总体趋势而言，世界范围 内对i t s 的研究热情日益高涨，彼此地竞争也日趋激烈。 1 1 2 交通仿真模型的研究 i t s 涉及了交通运输的各个方面，所用的技术与设备几乎涵盖了计算机、自动控制、 通信、信息和电子技术等大部分领域，因此，i t s 是一个相当巨大和复杂的系统。同时， i t s 不仅是先进的技术和装备系统，它更是一个由人参与的社会系统。探讨交通系统中 交通流的形成和运作机理，不难得知，基于控制和信息双重影响作用的人( 用户) 车 辆地出行行为，导致了路网交通流地生成和发展变化。 事实上，考察宏观的交通流，它是由微观的单个车辆或者驾驶员( 用户) 组成。由 于在交通系统中，各种控制和信息都作用于路网用户，所以交通流的动态变化( 交通监 测系统是窗口) 无疑是用户对于控制和信息的实时反应行为所致。但用户的这种作为人 的主观能动的实时反应行为又是多样的和复杂的，其囊括了人文的社会经济范畴和实体 路网构成等因素。由此，动态交通系统本质上是交通路网系统的供应能力和系统用户的 需求能力之间地连续、动态地交互影响和作用的结果。尽管系统中的单个( 或有限个) 要素的属性和它们在某假设下简化后的相互关系，可以用解析( 数学或逻辑) 形式加以 2 同济大学博士学位论文 绪论 表达，比如考察单个交叉口控制或者离散的个体用户在服从单独控制及信息策略影响下 的行为时，可以用解析形式进行描述，但若考察实际的动态交通系统，往往解析方法力 不从心。此时，实时的交通系统仿真模型便体现了其在刻画复杂动态、随机系统方面的 优越性。理论和实践日益证明：对于交通动态性问题，采用诸如经验模型、分析模型等 方法无法进行分析，仿真模型成为一类占主流且有效的分析工具。 了解交通仿真模型的研究现状以及具体的仿真模型，不能不注意到两个有代表性的 项目：美国的c p p ( c a l i f o r n i ap a t hp r o g r a m ) 1 2 1 和欧洲的s m a r t e s t ( s i m u l a t i o nm o d e l i n g a p p l i e dt or o a dt r a n s p o r t a t i o ne u r o p e a ns c h e m et e s t ) 1 3 ，4 j ，它们都详细综述了交通仿真 模型的研究现状，并具体测试比较了其中的一部分仿真模型。c p p 是加州交通局的一个 项目，由加州大学联合众多的研究机构、公司和有关部门共同完成，特别包括麻省理工 学院( m i t ) 、美国运输部( d o t ) 和联邦公路管理局( f h w a ) 。该项目资助下由加州大 学伯克利分校( u cb e r k l e y ) 完成的关于现有交通仿真模型比较的技术报告中，提出了 一个动态交通模型框架，特别强调四方面的因素，即，功能、交通动态性、路径选择动 态性和整体路网表现，进而比较测试了四个典型的仿真模型d i n o s a u r 、 i n t e g r a t i o n 、m e t s 、d y n a s m a r t ，着重明确各自的特性和差别，以侧重发展和应 用。而s m a r t e s t 是由欧洲交通方面委员会资助的一个项目，全面、系统地综述了目前 交通仿真模型研究的现状，对其进行了分类、比较，以明确各种模型的优劣及其待改进 完善的方面，旨在促进适合欧洲现有模型地发展，并普及应用。 通过上述两个项目，纵观i t s 下交通仿真模型的研究，可以明晰地发现，本质上交 通仿真模型正是提供了实现和支持i t s 的众多子系统的核心驱动器，这个核心技术通过 再现交通流地演变，提供了i t s 必须的关于当前和未来时段状态的估计、预测。事实上， 交通模型和仿真技术能够有效地描述交通系统中用户的多目标对于控制和信息的实时反 应行为，进而描述基于此的交通供需的动态的相互作用，并试图控制和影响交通流地变 化，以实现交通供需的动态平衡，提供关于当前交通流状态的估计，以及未来短期和长 期的控制和信息的策略和方法的预测生成，旨在进行在线地控制和信息管理、离线地交 通策略评估分析，以及远期地交通规划指导。 1 1 3 国内的应用和研究现状 国外( 如美国、欧洲、日本等) 许多交通仿真系统软件商业化程度已经很高，而其 中的许多子模型和算法已经很成熟1 5 】，并且基于仿真模型的交通理论和方法的研究也系 统而全面地不断发展( 如美国的高速公路通行能力手册h c m 不断推出新版本，为试图 把握实际的交通规律，不断从理论高度抽象交通实际并应用于实际) 。因此，总体上，国 内的应用和研究主要是引进和应用国外的软件系统，借鉴和跟踪国外研究的成果和进展， 结合中国自己的特色，开展i t s 交通理论和方法的研究，并试图开发自己的相关子系统。 目前，国内已为构筑和实施i t s 奠定一定的基础，如：城市内的公共汽车定位调度 同济大学博t 学位论文 3 动态交通导行系统若干问题及其理论研究 图1 1 动态交通导行系统与交通管理中心关系示意图 所以，本文提出了一个动态交通导行系统( d t g s ) 的框架结构，并从国内背景下研 究其中具体子模块的理论和方法，具体来说： ( 1 ) 论文工作的重点部分 首先，本研究在跟踪和借鉴国外的交通仿真模型及导行体系的基础上，试图揭示和 把握其核心脉络，对基于交通仿真模型的d t g s 进行分析。d t g s 根据a t m s 所属的交 通监测系统采集到的实时数据，结合t m c 的中心历史数据库，一并输入到交通仿真模型 中，而作为d t g s 核心的交通仿真模型技术能够有效地描述交通系统中用户的多目标对 于控制和信息的实时反应行为，以及描述基于此的交通供需动态的相互作用。重点地考 虑道路设施、交通管理者和交通使用者三个系统集成，并探讨d t g s 的本质和d t g s 中 的微观、中观模型方法之间的关系。 其次，对于d t g s 中的主要部分，本文重点实现了d t g s 中的动态多路径搜索算法， 试图在功能和效率上提出方法和算法的创新与改进之处。 ( 2 ) 论文工作的辅助部分 国内在现有科研和应用水平上可以改善的方面，以我国实际的交通数据采集手段为 基础，建立了控制系统和信息系统集成的交通管理中心平台，建立了包括原始数据采集 和预处理模块的理论和方法：同时，探讨导行信息发布和驾驶员在导行信息条件下的路 径选择行为模块的理论和方法。 1 2 3 全文组织结构 本文的研究定位为一个中间的层面，将国外的最新研究进展和国内的实际相互结合， 既重视理论的先进性和前瞻性，又注重应用的阶段性和可操作性。本文以下各章的主要 内容如下： 第二章：动态交通导行系统理论研究框架探讨 综述典型动态交通分配( d t a ) 项目所发展的交通估计和预测系统，分析并概括地 6 同济大学博士学位论文 绪论 建立一个中观的、基于仿真的、以d t a 为核心的动态交通导行系统( d t g s ) 的理论框 架。在我国i t s 体系结构 6 1 相关的a t m s 和a t i s 建议下，试图使用基于仿真模型的动态 交通分配( d t a ) 技术，通过对动态导行系统中交通供需关系地详细分析，估计和预测 交通状态演变过程，试图建立一个融交通理论和方法模块的动态交通导行的理论框架。 第三章：动态交通数据采集和预处理 作为实现d t g s 的一个前提，本文建立了一个基于g i s 的中心数据库，主要由在线 更新的当前数据库、离线统计的历史数据库和基础路网数据库三部分构成。数据的采集 技术、接口技术和预处理技术是其中的关键步骤。结合典型的感应线圈检测器、探测车、 g p s g i s 及a v i 等采集技术，进行特性比较分析。 第四章：导行信息影响下驾驶员选择行为 面向中观的用户群体出行行为，提出了导行信息影响下的基于仿真的中观驾驶员路 径选择模型框架，并利用双向通讯在理论和技术上的优势，提出了中心式和分布式的双 模式导行策略。在d t g s 的实际应用中，建议相关的对个体路径选择行为的评估参数， 以互动高效的实现上述模型框架和导行策略。 第五章：动态路径寻优方法研究 在考察传统的静态最短路径搜索算法之上，深入研究d t g s 中的动态路径搜索算法 和实现技术。考虑d t g s 中d t a 群体用户以及仿真和导行中的个体用户，面向动态实时 的多路径，针对传统的搜索算法的不足，进行功能性和计算效率的改进。 第六章：结语 对整个论文工作的总结，明确了本文的创新成果。最后，提出了尚需进一步研究的 问题，并对今后的工作进行了展望。 同济大学博士学位论文 7 动态交通导行系统理论研究框架探讨 第二章动态交通导行系统理论研究框架探讨 2 - 1 交通仿真导行模型概述 2 1 1 交通导行系统的复杂性和对其仿真的必要性 面向交通规划和交通管理两个阶段，寻求能够提供先进的路网状态估计、预测以 及路网运行状况的强有力的分析方法和工具，对于i t s 的成功是至关重要的。这也正 是a t m s 、a t i s 、a v c s s 、a p t s 、c v oe m s 和e p s e t c 等i t s 关键子系统均迫 切需要的核心技术。 理论和实践日益证明：对于绝大多数动态性问题，当它们采用诸如经验模型、分 析模型等方法无法进行分析时，仿真模型成为一类占主流且有效的分析工具。仿真模 型在分析多要素、多状态参量之间互为因果、彼此联结、且整体相对独立的统一体的 复杂性时，显示出强大的优势：通过系统结构和功能的设计，整合各要素行为和相互 关系，实现对系统性能的一个详细、准确地定性、定量表现和描述。换言之，仿真模 型是对真实世界系统地、间接地进行数学( 或逻辑) 地表示或抽象，采取基于计算机 软件执行的形式以实验方式再现真实世界的内在规律【7 】。 动态交通导行正是这样一个复杂且由众多的因素相互作用、实时动态变化地再现 真实路网交通的系统。这里所采用仿真方法，一方面能够对路网进行抽象，形成一个 仿真交互的界面，其中包括了基础路网结构、设施和系统管理者( 涵盖了既作为感官 延伸的检测系统，又作为意志体现的控制设施) ，通俗地说，它借用了城市路网的地 理信息系统g i s 中的电子地图数据库，利用统计处理后的路网信息提炼出一个道路主 骨架网络仿真依托平台；另一方面能够对出行个体( 车辆驾驶员统一体) 进行抽象， 其中车辆驾驶员组成了路网中的动态导行系统研究的主体，是为交通流。确切地说， 前者限定了路网的供应能力，而后者提出了多样的用户最优的需求。无疑两者之间相 互制约、互为影响，同时，出行个体之间也是相互作用和影响地。 进一步说，为了协调交通供求的动态复杂的关系，我们设计的系统必须要求能够 生成实现交通动态平衡的控制措施和诱导信息。因此，如何采用仿真手段描述一个具 体的o d 出行个体的整个出行? 如何让个体自进入路网伊始，就能够在控制和信息的 双重作用下运行，直至目的地? 这里非常有必要重视d t g s 中交通管理中心( t m c ) 的作用。作为中间协调管理 的t m c ，其关键作用体现为：一方面通过交通监测系统( 如环形线圈、探测车、摄像 机等检测设备) 实时监测路网中的作为体现和表征供求关系的交通流的变化，另一方 同济大学博士学位论文 9 动态交通导行系统若干问题及其理论研究 键在于中观模型省略了对于行为发生后对于驶入原来车道和目标车道的后继车辆造成 的影响的相互作用过程的描述，简化认为车道改变行为是瞬间完成的，直接转入跟车 模型。 宏观模型( 低逼真度) ：使用流体力学模拟，用于网络交通分析和评价。例如， 交通流可以以某种聚集的方式，比如交通流率、密度和速度的统计式的柱状( 或梯状) 图。几乎根本不描述车道改变行为，而认为交通流被近似定位于各个车道，严格符合 先入先出( f i f o ) 原则，既然不改变车道，那么忽略了个体车辆类别和选择行为的区 别，而近似认为是完全相同的。 总体上，高逼真度的微观模型和低逼真度的宏观模型相比，它们的细节敏感度、 相应地软件实现，开发、运行和维护、花费，以及对描述真实世界的系统地描述和处 理无疑各执己见，相对而言中观模型在诸如上述指标方面均比较居中，更为实用。因 此，本文的d t g s 定位正是基于这种思路，采用中观模型。至于实际的模型选取，宜 依据应用目的而定。对于事先构想的应用目的，只有通过全面地考虑影响模型整体性 能的各种潜在冈素的敏感程度，确定主要矛盾和主要因素不失为一种有效的途径。例 如，在分析高速公路交织带时，应该详细分析改变车道引起的相互作用，最好选取微 观或者中观模型。此外，如果考察高速公路有限条无交织地合并时，对变车道模型就 无必要研究，采用宏观模型即可。值得一提的是对中观和微观仿真模型尚待深入探讨， 因为它可以为研究真实交通环境下驾驶员反应判断操作品质与车辆动力性能和道路 交通条件复杂关系提供有力工具i 7 】。 ( 3 ) 确定型和随机型模型 通常根据仿真模型处理对象的性质被分为确定型和随机型。确定性的模型没有随 机变量，所有元素的相互作用都被确定的数学、统计或逻辑的关系定义下来引。而随 机性的模型的内部处理过程则包括随机概率函数。比如，跟车模型可以用公式表示为 确定性的或者随机性的，通过定义驾驶员的反应时间为常数值或者随机变量。 2 1 3 交通仿真模型的应用和典型模型软件 鉴于仿真模型的所具有的诸多巨大的效能，全世界交通学界对它的研究和应用竞 争激烈、成果累累，可谓方兴未艾。那么，它究竟有哪些优势呢? ( 1 ) 交通仿真模型的应用和优势 由于发达国家运用交通仿真模型有较长的历史和较广范围的成功应用，根据它们 的研究应用情况，将其归纳为四个重要方面：交通控制、交通运输规划、交通设计和 交通理论研究1 2 , 3 l 。具体来说： 1 ) 交通控制方面： 通过对道路交通网络系统的模拟，引入微观仿真的优势所在是能够建立一个完全 1 2 同济大学博士学位论文 动态交通导行系统理论研究框架探讨 受控的路网环境。体现在： 研究包括车、路( 控制和信息) 、人三者之间的相互作用和响应机理，从过去单 一的对信号控制策略的制定到如今的d t g s 中各关键集成部分的建模和评价。 通过对模型系统的有机嵌入和整合，如t r a n s y t 7 f 信号优化中的交通流模型； 代有动态交通分配的d y n a s m a r t 仿真模璎；i n t e g r a t i o n 分配控制模型的仿真 组件；f h w a 开发的交通研究实验室的c o r s i m 模型；实施信号优化程序的e v i p a s 仿真模块等等，均进一步完善和提高了系统的功能及其实现水平。 对各信号控制策略评价中的输出值效益指标( m o e ) ，如行驶时间和行程时间、 延误、平均延误( t r a f n e t s i m ) 等均被详细考虑。 2 ) 交通规划中的分配问题： m a h m a s s a n i 和p e e t a 于1 9 9 3 年f 3 1 就已采用仿真方法均衡动态交通分配的分析。如 d y n a s m a r t 中的交通分配过程的建模，周密地考察了一个路网从非饱和流状态到超 饱和流状态的u e 和s o 解的计算。这一研究是采用交通仿真技术对i t s 的大型模型运 算进行复杂分析的开创性的成果。 另外，对交通分配模型的进一步改善，如考虑了时变的交通流变化的预测，为适 应交通流的重新分布而对控制策略方案的修正等过程，若离开了交通仿真，模型将很 难建立。 3 ) 交通设计： 针对快速路的走廊设计的多方案分析，在w a t s i m 仿真软件中1 3 1 ，包括了几何线 形设计、加宽道设计、h o v 车道和匝道控制等部分，并且仿真还提供了针对每个方案 的基于统计学的定量运行状况分析。其对大规模高速公路系统参选方案的仿真设计过 程大大超出了h c m 通行能力手册范围。 检验交通设计方案。正因为交通设施建设代价十分高昂，所以应用仿真技术定量 对各种几何设计方案相应实现的交通运营水平进行评估。其中，设计过程中重要成分， 如设计过程中对设计方案和评价反馈( 修正、校验) 过程所涉及的概念性的迭代流程， 将从仿真中受益。 4 ) 交通研究： 检验创新性尝试。如对一个城市周边是否实行快速路的匝道控制时，应事先研究 包括项目的可行性和必要性分析，周全估计和预测到高风险带来的负面影响。 短期交通预测。如当高速路发生异