（交通信息工程及控制专业论文）考虑排放的交通分配模型及其算法研究.pdf

武汉理t 大学博士学位论文 摘要宰 交通拥堵和环境污染是城市现代“病 的重要方面，如何改善和调节交通 拥堵和环境污染已经成为城市发展必须面对的难题。论文研究了考虑环境因素 的机动车尾气排放对城市交通系统，特别是交通分配、出行行为等影响，建立 了考虑排放的广义交通分配模型，考虑排放因素的降低拥堵和排放的路网双层 规划模型，通过引入排放收费概念，采用排放收费来限制某些路段或区域的排 放量，从而优化出行行为和出行方式，使得路网的总排放不超过某个给定的阈 值，达到排放的“公平目标 。本文主要完成了以下的研究工作： ( 1 ) 在传统的静态交通分配模型的基础上，给出了排放约束下的多用户交 通分配模型，在所定义的广义出行费用中明确考虑排放因素，排放因子模型选 用t r a n s y t7 f 模型，将变分不等式问题转换成等价的最优化问题，引入改 进的投影算法，通过将变分不等式问题转换成一系列二次规划子问题求解，在 给出的数值算例中明确考虑了两类对排放不同偏好的出行者，所得的弧流量及 路径最优解收敛且均满足w a r d r o p 平衡条件，计算结果显示改进的投影算法在 求解广义均衡费用最优方面具有可行性。 另外，采用自适应的投影收缩算法求解与考虑排放的多用户交通分配模型 等价的非线性互补问题，从而得到广义费用下的u e 最优解，数值算例结果显 示，与其他投影算法相比，s a p c 算法在求解广义均衡费用最优方面具有较高 的效率。 ( 2 ) 在v e n i g a l l a 等人研究工作的基础上，分别采用基于路径的梯度投影 算法( g r a d i e n tp r o j e c t i o n ，g p ) 和基于路径的非集计的单纯分解算法 ( d i s a g g r e g a t e ds i m p l i c i a ld e c o m p o s i t i o n ，d s d ) 来求解考虑不同发动机启动模 式下，具有非可加路径费用的交通分配问题，在实例计算中比较了这两种算法 的计算性能。从数值计算结果看，这两种基于路径的算法得出的数值最优解收 敛速度比基于f w 的收敛速度要快，结果较为满意。 另外，随着路网拥挤程度的提高，d s d 和g p 算法的计算时间也会相应地 增加，但d s d 比g p 的增加速度要快。这两种基于路径的算法在搜索时都只用 到较少的最短路径，适用于中大规模网络，随着路网规模的扩大，其计算时间 武汉理工大学博士学位论文 和收敛速度并不十分理想。 ( 3 ) 讨论了一类考虑降低排放和拥堵的路网设计问题，在所建立的双层规 划模型中，考虑了路网中因路段上的排队而导致的延迟，同时在模型中也考虑 了路段的排放，通过采用道路收费以限制某些关键路段的排放，使其不超过一 个预先给定的阈值，同时也降低了路段的拥堵，道路收费对于减轻政府财政压 力，改善路网结构，更好地服务于出行者，从而提高他们的满意度具有现实意 义。 模型的求解分别采用改进的粒子群算法和改进的量子进化算法求解上层规 划问题并得到全局最优解，采用f r a n k - w o l f e 算法求解下层规划问题。实例证明， 上述算法对于求解考虑排放和拥堵的路网双层规划模型较为有效。 ( 4 ) 引入排放收费的概念，选取了一个小型的路网算例对考虑降低排放和 拥堵的路网设计问题进行了理论上的探讨，并采用一种新的仿生优化算法，即 膜计算优化算法验证了模型的正确性和可行性。 关键词：交通分配；排放；双层规划模型；排放收费；智能优化算法 事国家重点基础研究发展规划“9 7 3 项目( 2 0 0 5 c b 7 2 4 2 0 5 ) 以及国家留学基 金管理委员会资助。 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t * t r a f f i cc o n g e s t i o na n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r et w oi m p o r t a n ta s p e c t so f m o d e mu r b a nd i s e a s e t h e r e f o r e , h o wt oi m p r o v ea n dr e c t i f yt r a f f i cc o n g e s t i o na s w e l la se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb e c o m e sad i 伍c u l ti s s u et h a tu r b a nd e v e l o p m e n t s h o u l df a c eu pt 0 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed i s c u s s e dt h ev e h i c l ee m i s s i o ne f f e c t so n u r b a nt r a f f i cs y s t e m ，e s p e c i a l l yo nt r a f f i ca s s i g n m e n t ，t r a v e lb e h a v i o r w ee s t a b l i s h e d ag e n e r a lt r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e lc o n s i d e r i n ge m i s s i o ne f f e c t s ，a n dar o a dn e t w o r k b i - l e v e lm o d e lc o n s i d e r i n gr e d u c i n gc o n g e s t i o na n de m i s s i o ns i m u l t a n e o u s l y w e i n t r o d u c e de m i s s i o np r i c i n g ，w h i c hc o u l db eu s e dt or e s t r a i ne m i s s i o na m o u n to n c e r t a i nl i n ko rd i s t r i c t ，i no r d e rt oo p t i m i z et r a v e lb e h a v i o ra n dt r a v e lp a t t e r n o u r g o a lo fu s i n gt h i sc o n c e p ti st og u a r a n t e et h et o t a le m i s s i o ni n v e n t o r yo fc e r t a i nr o a d n e t w o r kn o te x c e e dag i v e nt h r e s h o l ds ot h a tw ec a na p p r o a c ht h es o - c a l l e de q u i t y o b j e c t i v e w em a i n l yd or e s e a r c ha sf o l l o w s ： ( 1 ) o nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a lt r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e l ，w ep u tf o r w a r da g e n e r a l ，m u l t i c l a s st r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e lc o n s i d e r i n ge m i s s i o ne f f e c t s e m i s s i o n f a c t o r sw e r ee x p l i c i t l yc o n s i d e r e di no u rm o d e l ，w eu s e dt r a n s y t - 7 fm o d e li n e m i s s i o nf a c t o r m o d e l ，t h e nt r a n s f e r r e dv a r i a t i o n a li n e q u a l i t yp r o b l e mi n t o o p t i m i z a t i o np r o b l e m ，i n t r o d u c e dm o t t l e dp r o j e c t i o na l g o r i t h mt os o l v ei t b y t u m i n g v a r i a t i o a l i n e q u a l i t yp r o b l e m i n t oas e r i e so fq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g s u b - p r o b l e m ，a n dc o n s i d e r i n gt w oc l a s s e so fp r e f e r a b l ee m i s s i o ns e n s i t i v et r a v e l e r s i nt h en u m e r i c a le x a m p l e s ，w ef o u n dt h a tt h eo p t i m a ll i n ka n dp a t hf l o ws o l u t i o ni s c o n v e r g e n ta n dm e e tw a r d r o pe q u i l i b r i u mc o n d i t i o n sa sw e l l t h er e s u l t sa l s o s h o w e dt h a tm o d i f i e dp r o j e c t i o na l g o r i t h mc a ne f f i c i e n t l yi m p r o v et h es o l u t i o n p r o c e s so fg e n e r a le q u i l i b r i u mp r o b l e ma n di sf e a s i b l e i na d d i t i o n ，w ea d o p t e da s e l f - a d a p t i v ep r o j e c t i o na n dc o n t r a c t i o nm e t h o dt os o l v et h em u l t i c l a s st r a f f i c a s s i g n m e n t m o d e l c o n s i d e r i n g e m i s s i o ne f f e c t sa n di t s e q u i v a b l e n o n l i n e a r c o m p l e m e n t a r i t yp r o b l e m b yu s i n gs a p cm e t h o d ，w eg o tt h eu s e re q u i l i b r i u m s o l u t i o no fg e n e r a l i z e dt r a v e lc o s tf u n c t i o no fa b o v em o d e l n u m e r i c a lr e s u l t s n i 武汉理工大学博士学位论文 s h o w e dt h a tc o m p a r e dw i t ho t h e ra l g o r i t h m s ，t h es a - p cm e t h o dh a dh i g h e rs o l u t i o n e f f i c i e n c yw h i l es o l v i n go p t i m i z a t i o np r o b l e mw i t hg e n e r a l i z e dt r a v e lc o s tf u n c t i o n ( 2 ) o nt h eb a s i so fv e n i g a l l a sw o r k ，w ea d o p t e dt w op a t h - b a s e da l g o r i t h m s ， n a m e l y , g r a d i e n tp r o j e c t i o na l g o r i t h ma n dd i s a g g r e g a t e ds i m p l i c i a ld e c o m p o s i t i o n a l g o r i t h mt os o l v en o n a d d i t i v ep a t hc o s tt r a f f i ca s s i g n m e n tp r o b l e mu n d e rd i f f e r e n t e n g i n eo p e r a t i n gm o d e s w ec o m p a r e dt h ea b o v et w oa l g o r i t h m si nan e t w o r k e x a m p l ew h i c hs h o w e dt h a tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lf r a n k w o l f ea l g o r i t h m ， t h et w op a t h - b a s e da l g o r i t h m sh a dam o r eq u i c k e rc o n v e r g e n c yw h i l eg e t t i n g o p t i m a ls o l u t i o n ，a n di tc a no b t a i nas a t i s f y i n gs o l u t i o ni nm o s tc a s e s a d d i t i o n a l l y , w i t ht h ei n c r e a s i n go f r o a dn e t w o r kc o n g e s t i o n ，t h ec o m p u t a t i o nt i m e so fd s da n d g p a l g o r i t h mw i l la l s oi n c r e a s e d ，h o w e v e r , d s di sm o r eq u i c k e rt h a ng p d u et o t h e s et w oa l g o r i t h m so n l yu s e df e w e rs h o r t e s tp a t hw h i l es e a r c h i n go p t i m a ls o l u t i o n ， i tc a nb ea p p l i e dt om e d i u ma n dl a r g e rs i z en e t w o r k t h ec o m p u t i o nt i m ea n d c o n v e r g e n ts p e e da r en o ti d e a lw i mt h ei n c r e a s i n go fn e t w o r ks c a l e ( 3 ) w ed i s c u s s e dar o a dn e t w o r kd e s i g np r o b l e mc o n s i d e r i n gl e s s e n i n g e m i s s i o na n dc o n g e s t i o ns i m u l t a n e o u s l y i nt h eb i l e v e l p r o g r a m m i n gm o d e lw e e s t a b l i s h e d ，v e h i c l ed e l a yo nr o a dl i n k sd u et oq u e u i n gw a sc o n s i d e r e d ，a n dt h e e m i s s i o n so nr o a dl i n k sw e r ea l s oc o n s i d e r e da tt h es a m et i m e w ei n t r o d u c e dr o a d p r i c i n gt or e s t r i c tr o a dl i n ke m i s s i o n se s p e c i a l l yo ns o m ek e yl i n k s ，t og u a r a n t e et h e t o t a le m i s s i o ni n v e n t o r yo fr o a dn e t w o r kn o te x c e e dag i v e nt h r e s h o l d a l s o ，w e c o u n to ni tc a nl e s s e nt h ec o n g e s t i o no f r o a dn e t w o r k r o a d p r i c i n gh a dp r o v e dt ob e ag r e a tm e a n i n go fd e c r e a s i n gf i n a n c i a lp r e s s u r eo fg o v e r n m e n t ，i m p r o v i n gr o a d n e t w o r ks t r u c t u r e ，p r o v i d i n gt r a v e l e r sb e t t e rs e r v i c e sa n de v e n t u a l l yi n c r e a s i n gt h e i r s a t i s f a c t o r yd e g r e e w eu s e dam o d i f i e dp a r t i c l ew w a r n lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n d a ni m p r o v e dq u a n t u m e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mt os o l v et h eu p p e rl e v e lp r o b l e mo ft h e a b o v eb i - l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e lr e s p e c t i v e l y a sf o rl o w e rl e v e lp r o b l e m ，w e a d o p tf r a n k - w o l f ea l g o r i t h mt o s o l v ei t n u m e r i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a tb o t h a l g o r i t h m sh a da ne f f i c i e n ts o l u t i o nw h i l es o l v i n gt h eb i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e l c o n s i d e r i n gl e s s e n i n ge m i s s i o na n dc o n g e s t i o n ( 4 ) w ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fe m i s s i o np r i c i n g ，a n dt h e ns e l e c t e da s m a l ls c a l er o a dn e t w o r kt oa n a l y s i z et h er o a dn e t w o r kd e s i g np r o b l e mc o n s i d e r i n g i v 武汉理工大学博士学位论文 l e s s e n i n ge m i s s i o na n dc o n g e s t i o nf r o mb o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lp o i n to fv i e w w ea d o p tan e w l yb i o n i co p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，t h a ti s ，q u a n t u me v o l u t i o n a r y a l g o r i t h mt ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo fo u rm o d e l k e y w o r d ：t r a f f i ca s s i g n m e n t ；e m i s s i o n ；b i l e v e lm o d e l ；e m i s s i o np r i c i n g ；i n t e l l i g e n t o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h i sr e s e a r c hi sp a r t l ys p o n s o r e db yn a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( g r a n tn o ：2 0 0 5 c b 7 2 4 2 0 5 ) a n dc h i n as c h o l a r s h i pc o u n c i l v 武汉理工大学博士学位论文 图清单 图卜l环境导向式城市交通系统4 图卜2 本论文结构图2 1 图3 - 1网络示意图4 8 图4 1 不同算法的数据对比6 4 图5 一l网络拓扑结构7 3 图5 - 2 路网结构示意图7 7 图6 - 1七个节点的路网结构图8 9 i x 武汉理工大学博十学位论文 表清单 表4 - 1 冷暂态模式6 3 表4 - 2 热暂态模式6 3 表4 - 3 热稳态模式6 4 表5 - 1路网的输入参数7 3 表5 - 2 双层规划模型的路段流量、排放及道路收费7 4 表5 - 3 不同模型的系统性能对比7 4 表5 4 函数s q ，屈) 和厂嘶，y p , ) 查询表7 8 表5 - 5 路网收费路段上的流量及排放7 9 表5 - 6 不同算法的系统性能对比7 9 表6 - 1 路网的输入参数8 9 x 武汉理工大学博士学位论文 符号索引 口：路段； 彳：路网中的路段集； a + ：路网中的收费路段子集； b ：整个路网的收费预算； 乞：路段口的容量( 饱和流量) ； d 。：路段口上的车辆队列延迟； d 。：0 一d 对w 之间的交通需求； 巳：路段口上的车辆排放； ：车辆从起点，沿路段口所消耗的时间； e ：整个路网的排放预算； 乜：路段口上的排放阈值，如果超过这个值，则该路段上会产生排放收费； 彰( 艺) ：路段口上流量为x a 时污染物p 所产生的排放量； ：路径p 的流量； ：o d 对r - s 间路径后上的流量； 乞：路段口的长度； p ：路径； q ：路段口上的车辆排队长度； 钟双：路段口上的最大队列允许存储容量； x l 武汉理工大学博士学位论文 ，：起始节点； j ：终止节点； t 。：路段a 上的出行时间( 阻抗) ； ”：车辆发动机处于暂态状态( 包括冷暂态和热暂态两种情况，不包括热稳态 情况) ； u 。：路段a 上的排放收费； u a m 妯( u ? “) ：排放收费的下( 上) 限值； ：路段a 上车辆的平均速度； 吒：路段a 的流量； ：路段a 上发动机模式为u 的流量； p k 一( d ：车辆沿着路径后从起点，沿路段口，发动机处于冷暂态车辆数所占的比例； p k 一( 埘：车辆沿着路径后从起点r 沿路段口，发动机处于热暂态车辆数所占的比例； p k 一( 缸：车辆沿着路径后从起点，沿路段口，发动机处于热稳态车辆数所占的比例； p k 一( “：是( o ，1 ) 区间上一个连续的百分比值，表示从起点厂出发，沿路径七到达j ， 不同发动机模式所占的比例。 f ：车辆发动机暂态的持续时间( 即车辆发动机从暂态变换到稳态所需的时间) ； y p ：路径p 上所产生的排放费用； 沙：与出行时间相关的系数； r p ：考虑排放的广义费用函数。 x l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学和其它教育机构的学位和证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了感谢。 签名：悠 与日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：礁壁 新躲歪五日期：印二业 武汉理r t 大学博十学位论文 1 1问题的提出 第1 章绪论 交通运输是伴随人类发展而形成的一个传统产业。交通网络虽然方便了人 和物时空的移动，但也带来了许多日益严重的问题，如交通拥堵、交通事故、 能源过耗、环境噪声污染、温室气体排放等。交通运输的迅速发展使得交通拥 堵成为世界性的大问题，交通拥堵不仅造成无效的等待，浪费时间，使得运输 系统效率下降，成为诱发交通事故的重要因素，还降低了燃油的利用率，增加 了污染物排放量，拥堵时燃料的不完全燃烧形成的污染物排放量远远大于正常 行驶时污染物排放量。另外，由于拥堵路段车辆的大量聚集，也使得该路段污 染物浓度明显大于其他路段。 在很多大城市，随着人口的增长与机动车保有量的急剧增加，交通运输以 其巨大的能源消耗，给自然环境和人类生活环境造成了严重的污染。科学分析 发现，汽车尾气中有上百种不同化合物，其中污染物有固体悬浮微粒、碳氢化 合物( 有机废气) 、一氧化碳( c o ) 、氮氧化合物( n q ) 、硫氧化合物、含铅 污染物等，排放到大气中的这些污染物对人体有巨大的危害。例如：一氧化碳 是机动车尾气排放的主要污染物之一，大气中超过一定浓度的c o 能使血液携 带氧的能力降低而引起缺氧，人吸入微量一氧化碳，会造成可怕的缺氧性伤害， 轻者眩晕、头痛，重者脑细胞将受到永久性损伤。机动车尾气中氮氢化合物所 含苯并芘是致癌物质，它是一种高散度的颗粒，可在空气中悬浮几昼夜，被人 体吸入后不能排出，积累到临界浓度便激发形成恶性肿瘤。一般说来，机动车 尾气排放高度接近人的呼吸带，因此，其排气对近地面大气环境造成的污染浓 度的实际分担率更高，在隧道、高架桥和狭窄的街道等有限空间内，汽车排放 到空气中的有害物质浓度可达到对人的健康乃至生命都有害的程度，机动车造 成的地面流动污染源已成为大气污染中最主要的因素。 我国在机动车污染控制方面，近年来取得了一些进展1 1 】，如包括北京、上 海、广州、深圳等大城市实施了强制性使用无铅汽油和其他治理交通污染的法 规，许多城市的出租车和公交车以液化石油气和天然气代替汽油，我国在实施 武汉理r t 大学博+ 学位论文 排放法规方面也逐渐向国际主导的排放标准靠拢。另一方面，由于机动车的快 速增长和尾气排放控制不力，使得交通成为一些大中城市的主要污染源，加剧 了城市空气环境质量恶化。此外，我国大多数城市均存在着交通结构不合理， 交通拥堵，资源得不到充分利用，居住环境日趋恶化，城市交通已成为制约城 市经济发展和提高人们生活水平的重要因素。 1 2 论文研究目的与意义 城市作为一种重要的社会组织形态，在人类社会发展过程中具有举足轻重 的作用。随着社会生产力的发展，城市规模不断扩大，其现代化水平也向纵深 推进。在城市化进程过程中，资源的消耗与环境的污染是其显著特征，特别是 资源型城市尤其突出【2 】。这些城市有着其自身的特点，一是经济增长对资源的 依赖性大，经济运行质量低下；二是经济的快速增长与资源大量消耗相伴而行， 粗放经营是其最大特征，一般会造成资源面临枯竭，环境质量恶化，生态破坏 的严重的后遗症；三是城市建设规划滞后，布局零乱，城市功能不全，资源与 环境利用率低，城市发展相对混乱。同时，发达国家低效率、高污染的初级产 业向中国等发展中国家的转移，乡镇企业在社会经济发展中日益占据重要地位 等诸如此类原因，造成污染压力超过城市环境容量的限度，使城市生态环境系 统的自我调节、修复、维持发展的能力减退，导致城市生态环境问题r 益严重， 城市对人类社会生产和生活的影响日益显著。 由于人类长期以自我为中心，过多地注重人类社会经济的发展和经济效益 的提高，而忽视了自然环境对人类社会的服务功能及多方面价值，导致人类在 发展过程中面i 临一系列诸如人口激增、资源衰退、土地退化沙化、森林破坏、 水土流失、环境污染和水资源紧缺等生态环境问题，从而严重制约着城市生态 环境系统的可持续发展。 城市生态系统是一个社会、经济、资源、环境复合的巨复杂系统，也是一 个开放的、远离平衡的复杂的巨系统。目前，我国正面临着世界上最为严重的 现代城市“病 问题：水资源短缺、能源匮乏、水质恶化、大气污染、垃圾肆 虐、生态破坏、交通拥挤、噪声扰民、人居环境恶化、食品安全受到威胁、居 民健康水平下降等，这些问题己对我国的社会经济发展产生了一系列触目惊心 的惩罚性影响。可以说，现代城市“病”与传统的环境污染问题相比从成因、 2 武汉理工大学博+ 学位论文 特征和危害程度方面都发生了显著变化，存在随时集中暴发的隐患，已成为我 国社会经济可持续发展的巨大障碍，并将危害到社会稳定和国家安全。因此， 为保证我国经济的进一步腾飞，必须尽快根治这些城市问题。 科学地“诊治”城市交通“病 是我国社会、经济发展过程中提出的重大 需求，是科学界义不容辞的责任。“诊治城市交通“病”的第一步应该是全面 系统、深入地研究城市交通需求和交通流的形成机理，然后再从本质上发现交 通拥堵、交通环境污染和交通安全事故的产生原因和规律，为科学地制定城市 交通规划、设计和发展先进的交通管理与控制技术打下坚实的理论基础。 在保证交通顺畅的同时，将环境污染控制在警戒范围之内。一方面实现人、 车、路密切配合、和谐统一；另一方面将环境污染控制到最低水平，从而能够 极大地提高交通运输效率，改善环境质量，并在很大程度上提高能源利用率， 保障交通安全。 当前，人们已经逐步认识到环境与发展相互作用关系的重要性，并运用各 种理论和方法来研究人类社会经济与环境协调发展的战略与实现途径。我们国 家中长期交通科技规划就明确指出，交通科技发展的战略任务是“发展一个体 系，解决三大热点问题 ，即发展现代综合交通体系，提高运输能力和服务质量； 降低交通能耗与污染、减少交通安全事故、解决大城市拥堵。 传统的城市交通规划与管理是单一的面向交通的规划与管理，没有考虑交 通发展对资源的要求及对环境的影响。因此，建立一个以解决交通拥堵、改善 环境质量、优化资源配置为目标的可持续发展模式，对于我国城市经济发展有 着重大的意义。 有学者提出了环境导向式城市交通系统如图1 1 所示。其中环境导向式城 市交通系统的理念包括城市交通系统的可持续发展、交通政策要集成环境要素、 达到经济社会环境多目标优化的交通系统、交通与土地利用的相互联系、交 通与环境的相互联系等五个方面，而系统优化目标则是建立一个经济社会环 境多目标优化的交通系统。 3 武汉理工大学博士学位论文 图1 - 1 环境导向式城市交通系统 本课题研究的目的在于从可持续发展交通的角度，建立考虑排放的交通分 配模型及其求解算法，并在实际路网和案例城市中进行了验证，研究结果以期 对交通政策的制定、出行者行为等提供一些决策方面的建议。 1 3国内外研究现状 传统的交通工程研究方法以社会的经济理论为基础，没有充分考虑交通运 输所受到的环境和资源约束。近年来，越来越多的国内外学者提出“可持续发 展的交通 概念 1 , 3 - 4 】，将交通拥堵和排放称为交通系统的“外部效应 ( e x t e r n a l i t y ) ，是一种对其他人而言无法补偿的负产品，给出行者带来出行时 间、出行成本等经济上的损失。因此，很多学者意识到，不能再仅仅把降低出 行时间作为提高交通运营效率的单一目标，还要考虑到道路周围居民所受环境 污染影响。 r i l e t t 和b e n e d e k 5 】最早提出了交通中的“公平目标( e q u i t yo b j e c t i v e ) ，即 道路管理者应确保车辆排放到给定路段的污染物总量不超过一个安全上界，他 4 武汉理工大学博士学位论文 们提出在考虑环境因素的数学模型中，一方面要求交通污染物总量达到最小， 另一方面还应保证释放到路网中所有街道和支线上污染物的量尽可能相等，使 得交通网络附近的居民受危害程度相同。b e n e d e k 和r i l e t t 【6 】还提出采用主动式 和被动式进行管理，主动式即采用道路诱导系统( r o u t eg u i d a n c es y s t e r a ，r g s ) 来规划车辆行驶路线，达到排放公平的目标；而被动式则采用收费方式，对可 能会产生较大排放路段上的车辆进行收费，使得出行者根据经济成本选择他所 希望的出行路径，从而控制排放。这样可以使得某一特定地段或地区的交通污 染物总量达到最小。 美国m a s s a c h u s e a s 大学的a n n an a g u m e y 教授在可持续交通、超级网络、 排放建模等方面做了大量的研究工作【4 】，她系统地介绍了可持续交通网络中的 用户均衡和系统最优、排放收费、污染允许系统等概念，并给出了数学模型、 算法介绍及相关证明。 n a g u r n e y 7 j 分别给出了在拥挤路网中基于o d 对和基于路径的污染允许系 统的变分不等式模型。同基于路段的污染允许系统相比，在假定初始的排放许 可都能满足的情况下，这两种系统都能达到环境质量要求。n a g u m e y 还证明了 基于o d 对和基于路径的污染允许系统的均衡解之间能相互转换。她的研究对 于交通规划部门对于减少排放污染而采用何种污染允许系统提供了不同的选择 方案。另一个有趣的研究是n a g u m e y 8 】发现了城市拥挤路网和排放的三个悖论， 即在不改变出行需求的情况下增加路可能会导致总排放的增加；在出行需求降 低的情况下可能导致总排放的增加；在不改变出行需求的情况下根据出行成本 对路网的改进也可能导致总排放的增加。这三个悖论均表明所谓的城市路网 “改进 可能会导致总排放的增加。n a g u m e y 和z h a n g 9 】讨论了拥挤路网中基 于路段的污染允许系统的动态模型，这种模型的固定点集合正好与前面所讨论 的静态模型的变分不等式的解集相吻合。通过对模型进行了稳定性分析，得到 了局部及全局稳定解，特别是在路段出行费用及o d 对失效函数假设下的渐进 稳定解。这篇论文是交通网络中对于污染允许系统动态性和稳定性研究所做的 开拓性工作。 城市交通系统是一个复杂系统，可以用不确定性理论来加以分析。c h e l l 、 j i 和r e e k e r i o 将不确定性分析引入到交通路网的需求和供给中，他们发现出行 者不仅对实际出行时间感兴趣，由于他们各自对风险的偏好不同，可能会产生 不同的出行时间变动，这种出行时间的变动则是由不确定性造成的，c h e n 等人 5 武汉理工大学博士学位论文 将路网和出行者分别按照确定性和随机性进行组合，揭示了这种出行时间的变 动对路网交通分配及出行行为可能造成的影响。 随着社会经济的快速增长，人们的出行日益频繁，使得城市机动车保有量 迅速增加，进而导致能源需求增长，大气污染排放不断上升，出行方式对环境 的影响也不可忽视。黄成【l i 】等人分析了在确保交通需求增长的前提下，发展不 同的交通出行方式对能源需求和排放的影响，指出在大城市优先发展公共交通， 有序发展私人交通对减少道路交通能源需求，降低大气排放具有重要意义。 研究发现，车辆排放与驾驶行为有密切关系。h o l m e n 和n i e m e i e r t l 2 】比较了 不同的驾驶行为，特别是在加速情况下的车辆c o 和n q 的排放量，表明车辆 在某种特定的模式下，不同的驾驶行为所产生的排放不同。 排放还与车辆的行驶速度有密切关系，伦敦的拥挤收费方案显示车辆行驶 速度是降低排放的关键因素。b e e v e r s 和c a r s l a w 1 3 】发现拥挤收费大大提高了中 心城区的车辆行驶速度，他们使用瞬时排放模型和车辆暂态排放仿真软件 ( v e h i d et r a n s i e n te m i s s i o n ss i m u l a t i o ns o f t w a r e ，v t e s s ) ，采用积累和的方法分 析收费前、收费后及平均车速下，车辆排放与驾驶行为变化之间的关系，表明 相对平均车速而言，在伦敦中心拥挤收费城区驾驶行为对车辆排放( n o x 和 c 0 2 ) 的影响较小，但p m l o 的影响则较大，研究结果表明在伦敦的拥挤收费方 案改变了出行需求和驾驶行为，从而能有效地降低城区车辆排放。 一个有趣的研究是a h n 和r a k h a 1 4 】发表在2 0 0 7 年t r b 上的一篇论文，文 中讨论了路径选择行为对机动车燃料消耗和排放的影响，在排放模型中使用浮 动车g p s 数据，通过比较两条路径上的排放量，一条快速但较长的高速路径， 一条较慢但较短的主干道，发现高速路径对于能耗和排放而言并非总是最佳选 择，较短的主干道上尽管增加了1 7 的出行时间，但降低了约6 3 的h c 、7 1 的c o 、4 5 的n o x ，2 0 的c 0 2 ，还能节省约2 3 的能耗。研究发现车辆在整 个行程中的某一部分是高速发动机状态，将会对排放产生很大的影响，通过改 变高排放的驾驶行为能有效地降低总排放量。 减少车辆尾气排放可通过政府部门、交通管理部门和环保局等单位联手制 定相关政策来加以有效地诱导和控制。目前在中国城市道路交通中，降低排放 污染主要采用的是限制单车的废物排放量，如某些城市的交通政策及法规中明 确限制车辆的尾气排放水平，这些政策、法规多数只是调节单车的废物排放水 平，并没有限制其某时间段内的总出行时间或排放总量。 6 武汉理工大学博士学位论文 范秀英【1 5 】等人分析了北京、上海、广州、武汉等大城市汽车尾气排放对空 气质量的影响，比较了国内部分城市机动车排放污染物分担率，给出了一些减 少排放污染的建议，如大力提倡无污染交通工具、优先发展公共交通、采用污 染少的燃油动力汽车、制定更严格的排放标准、征收车辆排污费等，表明减少 汽车排放对于我国大城市的环境治理已刻不容缓。 p r o o s t 和d e n d e r t l 6 】研究了社会福利对城市的环境和交通政策的影响，城市 交通活动可以表述为一个由不同的交通模式和车辆类型所组成的相互关联的系 统，这个系统由大气污染、交通事件、噪声和拥堵等四个边际费用构成。讨论 了不同的空气质量政策和燃料政策，如最小燃油消耗和燃油税、停车收费等。 訾到r 7 】等人讨论了机动车车型和汽车城市道路运行工况对机动车排放污染 物的影响，提出健全检测与维护( i n s p e c t i o na n dm a i n t e n a n c e ，i m ) 等措施以控 制和降低城市机动车排放污染物，供城市规划和交通管理部门参考。 交通环境评价方法是考核特定的交通网络是否发挥其协调功能和效益的手 段，交通系统管理者和决策者需要对现有的交通网络运营情况进行评价，包括 对系统造成的车辆延迟、停车次数、燃料消耗、尾气排放量等指标进行预测或 评价。一般说来，交通排放评价模型由交通网络、交通需求、交通仿真和车辆 排放四个模块组成。王云鹏【1 8 】等人提出了利用动态交通仿真进行交通环境评价 的方法，该方法能准确描述车辆在路网中的动态运动特性，从而进行交通环境 评价。 杨新桦和金国栋【l9 】介绍了美国e p a 开发的，用于估算机动车尾气排放因子 的模型m o b i l e 6 ；用于评估挥发性有机物、有毒空气污染物、n q 等排放因子 的复杂模型a t e i ；c a l i f o n i a 大学d a v i s 分校开发的基于网格的移动源排放模型 u c d r i v e ；c a l i f o n i a 大学河边分校开发的微观排放模型c m e m ；欧洲环保局开 发的污染物评估模型c o