（交通运输规划与管理专业论文）交通网络旅行时间可靠性研究.pdf

摘要 交通网络旅行时间可靠度研究出行者在一定时闻内完成某次出行的概率，其服务于出行者 对网络服务水平更高层次的需求，反映了交通网络提供服务的稳定程度，而且明显的影响了人 们对于出行方式、路径、出发时问的选择，也是论文的研究主题。围绕该主题，论文研究内容分 为4 个部分：何为旅行时间可靠度、如何估计旅行时间可靠度、可靠度如何影响出行者路径选择、 如何从可靠度角度评价交通管理措施实施效果。第一部分解决重要概念的定义、旅行时间可靠度 与其它类型可靠度的关系及其地位，为后面的讨论奠定基础。中间两个部分为论文的核心，重点 建立可靠度估计模型、出行路径选择模型。最后一部分属于应用，重点建立可靠度指标评估交通 管理措施的效果。论文大致遵循建模一验证应用的思路。 什么是交通网络可靠度、什么是旅行时间可靠度，论文在第一部分回答了这个问题，对比了 各种类型的可靠度研究的范围，目前的研究状态，也明确了论文的研究前提和大的方向。 可靠度不是一个直观的指标，不可以通过直接测量得到，甚至一般的调查方法都不适用，必 须通过模型去估算，这是论文第二部分的目标。该部分研究内容分3 部分：首先建立了容量衰减 但需求确定下的路径可靠度估计模型，然后建立了容量确定但需求变化条件下的路段，路径可靠 度估计模型，最后给出了o d ( o r i g i n - d e s t i n a t i o n ) 对之间旅行时间可靠度的确定方法。 论文第三部分首先研究了综合考虑旅行时间以及时问波动的路径效用函数，建立了能够充 分反映旅行时间均值、方差、出行者风险倾向三个因素的效用函数。然后考虑到不同的出行者风 险倾向各异的情况，建立了风险倾向连续分布的混合用户均衡模型，并针对上述效用函数和模型 的特点给出了对应的数学规划求解算法。此后论文通过一个简单的网络，对第二第三部分建立的 模型进行了例证，分析了试验结果，发现可靠度对于交通流的分布确实存在着很大的影响。 可靠度的应用领域很广，论文选取了其中一个点一如何评价交通管理措施有效性、如何对交 通运营状况进行监控来讨论旅行时间可靠性的应用，建立了可靠度相关的评价指标，也总结出了 改善网络可靠度、减轻拥挤的众多对策。 一 论文得到了一种更为全面的评价交通网络服务水平的方法：可靠度指标+ 延误指标；明确了 可靠度、旅行时间分布和出行者决策之间的相互关系，为路径诱导的研究指出了一个方向；也从 理论上得到了在一定假定条件下可靠度是如何影响路径选择和网络平衡流量分布的。 关键词：旅行时间可靠度，路径选择，交通管理，交通分配，混合平衡模型，路径诱导 a b s t r a c t t h em a i no b j e c t i v eo ft r a v e ld m er e l i a b i l i t yr e s e a r c hi st oo b t a i nt h ep r o b a b i l i t yo fa r r i v i n gt h e d c s t i n a t i o nw i t h o u tb e i n gl a t eu n d e rc c t t a j ns c h e d u l eo ft i m e w h i c hi st r e a t e da sa na d v a n c d 1 e v e lo f t r a f f i cn e t w o r k ss 目晰c er e q u i r e db yt r a v e l e r s t h et r a v e lt i m er e l i a b i l i t yr e f l e c t st h es t a b i l i t vo fs e r v i c e t h et r a f f i cn c t w o r kc a l lp r o v i d e da n di ti sa l s ot h ec e n t r a ls c h e m eo ft h i sp a p e r t h cf a c tt h a tt r a v e l t i m er e l i a b i l i t yc a l la f f e c tt h er o u t e s ，m o d e l sa n ds t a r tt i m eu a v e l e r sc h o o s eh a v e b e e np r o v e db ym a n y r e s e a r c h e r s t h ec e n t r a ls c h e m ec o n l db ed i v i d e di n t of o u rp a r t s ：w h a t st r a v e lt i m et e l i a b i l i t y , h o wt o e s t i m a t ei t h o wi ta f f e c t st h eb e h a v i o ro ft r a v e l e r sa n dh o wt ou s ei tj nt r a f 箭cm a n a g e m e n tr e a l m t h e i m p o r t a n td e f i n i t i o na n dc l a s s i f i c 撕o no ft r a v e lt i m er e l i a b i l i t ya r ed i s c u s s e di nt h ef i r s tp a r ta st h eb a s i s f o l l o w e db yt w om a i np a r t so f t h ep a p e r ：t h em o d e le s t a b h s h m e n to f t r a v e lt i m er e l i a b i l i t ye s t i m a t i o na n d r o u t e se h n i c e l a s tp a r td i s c l l 螂t h ee v a l u a t i o no ft h ee f f e c to f 仃a f f i cm a n a g e m e n tm e a s t l l c m e n t a w h i c hc a l lb ec a t e g o r i z e di n t ot h ea p p l i c a t i o na s p c c lt b ep a p e rf o l l o w st h ec l u e ：m o d e le s t a b l i s h m e n t , m o d e le x e m p l i f ya n dm o d e la p p l i c a t i o n w h a t sr e l i a b i l i t ya n dw h a t st r a v e lt i m er e f i a b i h t y ? 1 1 kf i r s tp a r ta o s w d - $ t h e s eq u e s t i o n s b e s i d e s ， t h er e s e a r c hf i e l d aa n dt h el a t e s ta c h i e v e m e n t so fd i f i e r e n tm l i a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o n sa r ea l s oc o m p a r e d w i t he a c ho t h e rf r o mw h i c ht h er e s e a r c he m p h a s e sa n dd i 删a r eo u t l i n e d r e l i a b i l i t yc a nn o td r a wo u tf r o mh u m a ni n s t i n c t e v e nm o s ti n v e s t i g a t i o nm e t h o d sc a nn o ta p p l i e d t oi t s oi t se s t i m a t i o nf r o mm o d e lb e c o m e si m p o r t a n t i nt h i sp a r tt h er e l i a b i l i t ye s t i m a t i o nu n d e r d e g r a d a b l el i n kc a p a c i t yb u td e t e r m i n i s t i ct r a f f i cd e m e n di sd i s c u s s e df i r s t l ya n dt h e l li st h ed e t e r m i n i s t i c b u tv a r i a b l et r a f f i cd e m a n ds i t u a t i o n t h eo d ( o r i g i n d e s t i n a t i o n ) t r a v e lt i m ei sd i s c u s s e db a s e do nt h e r o u t et r a v e lt i m er e l i a b i l i t yo b t a i n e df r o ma b o v e a u t i l i t y f u n c t i o n w h i c h i n t e g r a t e s t h r e e f a c t s o f m e a o t r a v e l t i m e v a r i a n c e a n d t r a v e l e r s r i s k i o c l i - n a t i o ni se s t a b l i s h e dj nas t o c h a s t i ct r a f f i cn e t w o r k c o n s i d e r i n gd i f i e r e n tt r a v e l e r sm a yn o th a v eu n i f o r m r i s ki n c l i n a t i o l l t h ei n i t i a ll i em o d e “se x t e n d e di n t oam i x e du s e re q u i l i b r i u mm o d e li nw h i c ht h ep a r a - m e t e ro fr i s ki n e l i n a t i o nf o l l o w ss t a n d a r dn o r m a ld i s t r i b u t i o np r e s u m a b l y a na l g o r i t h mb a s e do nr o u t e s s p e c i a l i z e d f o r t h ea b o v e m a t h e m a t i c a l p r o g r a m i sa l s o p r o v i d e d i n t h e p a p e r t h e n t h e a b o v e m o d e la n d a l g o r i t h ma r ge x e m p l i f i e do nas m a l ln e t w o r k t h cd i f i e r e l l c ec a u s e db yr i s ki n c l i n a f t o nc l a s s i f i c a t i o n s h o w so b v i o u s l yf r o mt h er e s u l t sa n a l y s i s t h o u g h tr e l i a b i l i t yc a nb ea p p l i e di nm a n yf i e l d s ，an a r r o wp o i n ti sd i s c u s s e di nt h ep a p e rt h a th o w t ou s er e l i a b i l i t 、ri n d e xt oe v a l u a t et h ee f f e c t so ft r a f f i cm a n a g e m e n tm e a s u r e sa n dt om o n i t o rt h et r e n d a o ft r a f f i cs e r v i c e b e s i d e st h er e l i a b i l i t yi n d e xt h es t r a t e g i e st o o l b o xi sa l s op r o v i d e df o rm a n a g e r st o p e r f o r md e t a i l sm e a s u r e st or e l i e f t h ec o n g e s t i o no f r o a dn e t w o r k i naw o r dw ec a nd r a wam o r ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n tm e t h o do ft r a f f i cn e t w o r ks e l n i c e f r o mt h ep a p e r t h a ti si n d e x e so fr e l i a b i l i t yi nc o o p e r a t i o nw i t hi n d e x e so fd e l a y t h er e l a t i o n s h i p s a m o n gr e l i a b i l i t y , t r a v e lt i m ed i s t r i b u t i o na n dt r a v e l e r s d e c i s i o nm a k i n gr e v e a l e di nt h ep a p e rm a k ea d i r e c t i o nf o rr o u t eg u i d a n c er e s e a r c hw o r k h o wt h er e l i a h i l i t ya f f e c t st h et r a v e l e r s r o u t ec h o i c ea n dt h e e q u i l i b r i u mt r a f f i cf l o wc a l la l s og e ti t sa n s w e r st h e o r e t i c a l l yt h o u g h ti to n l yr e a s o n a b l eu n d e rc e r t a i n 垄查奎耋塑主兰堡鎏塞 p r e s u m p t i o n k e yw o r d s ：t r a v e lt i m er e l i a b i l i t y , r o u t ec h o i c e ，t r a f l i cm a n a g e m e n t ，f r a n ca s s i g n m e n t m i x e de q u i l i b - r i u mm o d e l ，r o u t eg u i d a n c e 插图索弓 图l l论文章节安排 图2 1旅行时间分布图 图2 - 2 速度关系曲线 图2 - 3 不同参数取值下的可靠度与饱和度关系曲线 图3 - i典型的效用函数形式 图3 - 2山行者风险倾向分布图 图3 - 3 算法流程图， 图4 1测试网络 图4 _ 2 算法目标函数收敛图 图4 3分类目标函数收敛图 图“旅行时间分布与可靠度 图5 1可靠度指标计算示例 图5 - 2 城市拥挤月度报告示例 图5 - 3 美国道路拥挤来源构成比例 图5 4 延误的影响因素关系 图5 5 延误和密度关系曲线 图5 - 6 不同人口规模城市延误增长趋势0 9 8 2 - 2 0 0 2 ) 。 图5 7 高峰小时延误增长( 1 9 8 2 - 2 0 0 3 ) 图5 - 8 圣安东尼奥地区年度出行时间增长 图5 9 延误指标和不可靠度指标散点分布图 图5 - 1 0 旅行时间的获取 图5 l l 交通数据使用模式 图5 一1 2 交通管理系统构成框图 图5 1 3c h a r t 网站电子地图 v i 7 9屹”甜斟捞如孔勉弱剪钒铊铊钙钳朽舶盯铝 表格索引 表3 1 路径选择模型分类 1 7 表3 2各组风险倾向分布2 8 表4 1路段自由旅行时间和通行能力3 1 表4 2 各类风险系数 3 l 表4 3不考虑方差下路段平衡流量3 2 表4 4 不考虑方差下路径的平衡流量，3 2 表4 5风险分类时路段平衡流量3 3 表4 6 风险分类时路径平衡流量3 3 表4 7 风险分类时路径流量构成3 4 表4 8风险中性和风险多类下路段流量对比 3 4 表4 9 风险中性和风险多类下路径流量对比 3 4 表4 1 0 平衡网络路段可靠性3 6 表4 1 1 路径可靠度3 6 表5 1常用拥挤与可靠度评价指标总结3 8 表5 2 高速公路延误和旅行时问不可靠度增长 4 5 表5 3管理项目效益投资比4 7 表5 4 缓解拥挤提高可靠性的策略汇总 5 2 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名：盈趣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 1 1 可靠度研究背景和意义 1 1 1 交通网络可靠度研究背景 i 绪论 可靠度的概念最早来源于系统工程领域。机械设备被看作是由很多部件构成的一个系统，而 其中的每个部件就是系统中的一个单元。系统可靠度定义为在正常情况下系统提供服务质量的 稳定度【lj ，更详细可以表述为”系统能够在规定的条件和规定的时间内实现预定功能或且标的概 率”，是衡量系统性能的重要指标。 可靠度分析在其它很多领域已经作为系统设计的必要部分，如军事、电力、管道、通讯系统。 交通设施往往被称为生命线工程，在地震、洪水等抗灾状态下，电力、供水等其它系统的恢复都 需要人员和资源的调动，而这些都依赖于交通网络，因此可靠的交通网络是其它系统可靠的基 础。经历几次大的事件如土耳其大地震后交通网络的可靠性已经引起人们关注。随着经济和城市 的发展，道路的增长长期以来一直赶不上车辆的增长，交通拥挤，出行时间不可靠等问题日益突 出。另一方面人们生活质量的提高，对出行质量的要求越来越高，不但要求可达，而且要求尽可 能准时。可靠度将路网结构和人们决策结合起来，是对交通系统更为准确的评价 影响道路交通网络可靠度的因素众多，如地震、洪水、泥石流、恐怖活动、堵车、修路、车辆 乱停放、撞车等自然或人为事件。不同因素的发生频率、发生时间及地点的可预测性、影响强度 及恢复难度不同，相应采取策略亦不相同。道路交通网络可靠度理论对合理可靠度的追求，本质 上是寻求路网资源和交通行为的匹配，即寻求路网结构合理化和交通运营优化 目前描述交通系统运行状态的指标如饱和度、出行阻抗、路网容量等多为非概率指标。由于 交通网络的随机性，这些非概率指标难以描述和评价未来整个路网运行的实际状态及预测阻塞 发生的可能性。这给系统规划及管理所涉及的系统潜在能力分析以及系统优化分析、单元重要度 分析带来一定的困难。因此建立城市道路系统运行状态的概率性评价指标，对城市交通系统进行 可靠度分析，可以更有利于交通系统的规划和管理。 路线导行是i t s 的一个重要组成部分，其实质是通过导航信息使驾驶员的行为发生变化，以 使道路网络上的交通流达到所期望的状态。诱导系统面对广大的交通用户群，在发布信息后，大 量交通可能会迅速涌进最短路径，就会使得最短路径不再是”最短”。如果发布多条可行路线的行 程时问以及有关行程时问可靠度的信息，由于信息更为全面和客观，使得驾驶员的选择更加合理 和有弹性，有效。这也是提高服务水平的一种形式，让用户拥有更多的选择。 目前很多大城市都出现交通拥堵，采取了各种措施对拥堵进行治理，对于治理效果的评价还 没有科学合理的考核指标。最常用的是提供延误指标。但这是片面的，更全面的方式是提供延误 和可靠度两套指标。实际上对于出行者影响最大的是出行时问的不稳定性。出行者出行前通常都 会估计正常情况下的行程时间，可以通过提前出发时间来抵消出行时间延长，从而按时到达目的 地。而m 行时间的不确定性是出行者不能控制的，对人们出行质量影响最人。因此可靠度的提高 是反映交通管理效果的重要方面。在美国已经开始在政府部门的报告中使用可靠度相关的指标。 壅查奎竺堡圭耄丝墼塞 1 1 2 旅行时间可靠度研究意义 路径旅行时问可靠性对出行者路径选择行为有很大的影响，许多研究都发现，可靠度相关的 属性属于影响路径选择的重要的因素。车辆抛锚，小的交通事故，交通信号灯，公交车停靠站影 响，车辆分流合流的干扰，交通流中卡车或大客车的影响，公路铁路交叉1 2 1 的等候等都会对旅行 时间的可靠性造成影响。尽管基于以往的经验，出行者对不同路径旅行时间的不确定程度有相当 的了解，并在自己的出行预算中考虑到这种变动性，增加预算时问，最终达到一个平衡，但由于 交通事件大多数都是随机事件，出行者或者交通管理者都不能准确预测，因而出行者也是不能准 确计算其到达目的地的准确时问， 改善旅行时间可靠性具有重要意义，理由如下： 改善旅行时间可靠性可以缓解城市交通的拥挤。它通过各种策略来管理造成拥挤的各个 因素以及交通事故的影响。换句话说它通过各种策略来降低各种影响因素( 交通事故、恶 劣天气、道路施工等) 造成的延误，因而不仅仅旅行时间可靠度( 波动) 得到了改善，总的延 误也会降低。 改善可靠性对出行者最直接的好处就是可以节省出行的预算时间，因而有更多的时问可 以用于其它方面。它节省了出行者浪费在交通拥挤上的时间，也减少了燃油消耗和车辆的 捧放污染。 通过对造成旅行时间不可靠因素的管理，也可以增加交通安全通过降低交通事故发生的 频率，增加出行者的安全性。 改善旅行时闻可靠性对于那些要求准点的出行者意义重大( 如货车司机、集装箱运输、生 鲜食品运输等) 。特别是对于”零库存”的生产企业，对交通网络的可靠性依赖极其强烈。这 些企业往往只有很低的库存或者就没有库存，而将有效的交通系统看成是新的利润产生 源。因此不管是对客运还是货运，旅行时间可靠度的研究都具有重要意义。 旅行时间可靠性对交通管理者和规划者来说也具有重要意义，管理者的目标在于提供更好 的服务，那首先得能够准确的评价服务水平，能够发现影响服务质量的因素和系统部件，因此有 必要对交通系统可靠性进行研究。但是出行者、交通管理者和规划者对旅行时间可靠性的看法是 不一样的。尽管旅行时问可靠度的定义是一致的，但是三者对其关注的重点是不一样的： 1 出行者关心被选择的某一条出行路径的可靠度信息，以及其和期望出行时间相比较的信 息。 2 交通管理者关心当前交通系统运营状况和通常的状况相比状况如何，有没有在一个正常 的范围内波动。 3 交通规划者更关注长远的情况，他们可能关心在过去的一个月或者一年与以前相比，系 统的各项指标如何变化，交通系统是变得更有效了还是恶化了，从而采取相应的策略去 改善系统设计。 1 2 可靠度定义及分类 从交通网络可靠度研究的先后顺序，或者难易程度来看，最先研究也是最简单的是连通可靠 度( c o n n e c t i v i t yr e l i a b i l i t y ) ，然后是旅行时间可靠度( t r a v e lt i m er e l i a b i l i t y ) ，最后提也是最复杂的 是路网容量可靠度( c a p a c i t yr e l i a b i l i t y ) 2 连通可靠度关心的是网络拓扑结构的连通情况。一个极端的情况，就是终端可靠度( t e r m i n a l r e l i a b i l i t y ) ，它关心的是网络中任何一个o d 对之问是不是至少存在一条路径连通 2 1 。对于每一 个o d 对，只要存在一条连通的路径就认为网络是可靠的。在考察连通可靠度时，常假设路段只 有两种状态，连通( 成功) 和不连通( 失败) ，分别用1 和0 来表示。判断路段是否连通最初的标准就是 看路段是否被破坏不能通行，如由于地震、洪水等的破坏。因此路段总是在两种极端状态下运行， 一种是路段被破坏，容量为o ；另一种则是路段没有被破坏，以路段初始容量运行。这种假设适合 于描述交通网络的异常运营状态，例如地震发生状况下，但是不适合描述交通网络的正常运营 状态，因为通常的情况下，路段的容量是处于。和其初始容量之间。因此后来学者提出路段状态 的判断依据是某一个阀值，这个阀值可以是路段初始容量，即认为当路段交通流量超过路段容 量，路段不连通，反之则连通，阀值也可以认为是路段初始容量乘以某个小于1 的系数，这样更符 合实际情况。连通可靠度的求解借助于一个结构函数( s t r u c t u r ef u n c t i o n ) 。o d 对之间的子网络( o d s u b - s y s t e m i ”) 被看成一个由许多路径并联起来的系统，其中的每个路径包含很多串联的路段。因 此理论上子网络可靠度可以通过路段可靠度很容易地求解出来1 1 1 。 旅行时间可靠度关心的是在给定的时间间隔和要求的服务水平下o d 之问能够到达的概 率【4 1 这个指标很适合衡量正常交通流波动情况下的道路运营状态。通常也用路径旅行时间的变 化度来代替旅行时间可靠度，因为它们本质上都是反映了旅行时问的随机不确定性。因此出现很 多对于旅行时间变动( t r a v e lt i m ev a r i a n e e ) c d i 计的模型，旅行时间方差就是其中一种反映变动性的 指标。实际上，若知道旅行时问的分布( 例如服从正态分布) ，则可以很方便的计箅出相关的旅行 时间可靠度。对于正态分布只需知道旅行时间的均值和方差。b e l l1 9 9 9 年提出了一种基于敏感度 分析的估计旅行时间可靠度的方法【5 l 。a s a k u m ( 1 9 9 8 ) ，c h e n 等( 2 0 0 2 ) 年将旅行时间可靠度引入到 退化的交通网络( d e g r a d a b l e u a n s p o r t n e t w o r k ) 当中，定义旅行时间可靠度为退化和非退化两种状 态下的旅行时间比值因此可以通过该比值来衡量退化网络的服务水平或者按照给定的服务水 平来设计网络嘲。 容量可靠度研究在给定服务水平要求下网络容量能够适应一定交通需求的概率响。交通网 络为退化网络，路段的容量会受到各种影响因素( 如天气、交通事件) 的影响而不断变化，因而被 视为髓机变量。网络容量是各个路段容量的函数，但是由于网络结构的复杂性，这种函数关系是 无法找到的。尽管最大流问题可以得到网络最大流量，在通信和电力等领域有着广泛的应用，但 是其不适合于交通网络。因为交通网络运输的是人而不是货物，交通网络中路段会由于拥挤而产 生延误。因而交通网络的容量会受到路段容量、交通需求水平、拥挤、出行者的路径选择的影响。 在计算网络容量可靠度时，同时也能计算得到路径的旅行时间可靠度。容量可靠度与旅行时间可 靠度之间存在着一定的关联。本文讨论的重点是旅行时间可靠度，因此容量可靠度仅做介绍。 1 3 旅行时间可靠度研究进展 自a s a k u r a 提出旅行时间可靠度以来，很多学者都对其进行了研究。z h e n g p i n gd u 等( 1 9 9 7 ) 假 设每条路段都存在一个状态变量来表达路段的容量，采用敏感度分析得到了o d 对可靠度。通 过o d 状态函数判别o d 对可靠程度，当o d 对流量下降的程度不超过某个阀值认为其是可靠的。 但其状态函数仍然是离散的，没有考虑连续的路段容量变化且阀值的确定有很强的随意性。 r o b e r tbn o r l a n d 等( 1 9 9 8 ) t 7 1 建立了一个旅行时间可靠度模型来评估拥挤政策的效果。其主要 考虑通勤出行者如何受到旅行时间不确定性影响，如何根据出行目的的重要程度来调整自己的 出发时间，建立了一个综合迟到、早到因素的效用函数。通过该模型能在给定的交通流量下产生 3 旅行时间的分布，从而知道旅行时间的均值、方差以及迟到概率。 c h e n ，w i l 肌d ( 2 0 0 0 ) 【8 】考虑了不同出行者的风险倾向对于路径选择的影响，讨论了需求和供 应变化对于可靠度的影响，比较了考虑旅行时间可靠度与不考虑旅行时间可靠度下，几种路径选 择模型分配结果。 j o h n b a t e s 等( 2 0 0 1 ) t 9 】分析了交通网络中周期性拥挤造成的旅行时间不可靠问题。其直接应用 了n o l a n d 的效用函数，来分析长期的通勤出行者如何根据对交通网络周期性拥挤的认知信息来调 整出发时间，并将这种可靠度的分析方法应用到间隔发车的轨道交通系统，从出行者离散到达和 轨道运行旅行时间变化两个方面来考察可靠度对个人出行的影响。 t e r r a n c e 等( 2 0 0 1 ) 1 州从1 9 9 8 年开始对加尼福利亚r s 9 1 公路进行旅行时间可靠度数据的观测， 通过出行者对收费但较为可靠的路径和免费但旅行时间波动较大的路径实际选择的结果分析出 了旅行时间的方差和平均旅行时间的价值( 用现金计算) 。同时通过大量的数据分析发现描述旅行 时间最稳定的指标为旅行时间的中位数，描述旅行时问波动最稳定的指标为9 0 “旅行时问与均 值的差值，这两个指标比通常使用的均值和方差指标更为稳定。其给出了一个广义的路径效用函 数，包括收费、时间、可靠度指标。时间和可靠性指标的价值是通过效用函数关于对应变量偏导 数与关于收费偏导数的比值来确定。 c h a o 等( 2 0 0 2 ) 1 “1 分析了洛杉矶i - 5 走廊的相关资料，得出平均旅行时间和旅行时间的变化量 两者都是评价高速公路最有效的指标，也是衡量出行者享受到的服务水平的重要指标。旅行时间 可以衡量交通事件的影响程度，事件的信息又可以用于帮助消除旅行时间的不可靠性。i t s 的一 个重要目标就是要预测出行时间。文章对比了不同的描述服务水平的指标，分析了旅行时间作为 基本指标的优越性。文章也定量化的研究了出行信息带来出行时间的节省量，从另外一个方面证 明了出行者信息系统的价值。 j a n u s z 等( 2 0 0 3 ) t 1 2 1 分析s a n d i e g o 地区1 - 1 5 公路拥挤收费项目对旅行时间分布的影响。通过对 比1 - 1 5 收费车道与普通车道旅行时间，表明了收费车道使用者享受到了旅行时间减少和按时到达 可靠度的提高，也说明了可靠度在出行者路径选择中的重要意义。 s a n c h e z 等( 2 0 0 5 ) t ”l 考虑交通网络的动态性，考虑到了出行者在出行途中出行决策( 路径选择 的不断调整) 和o d 对之间路径中路段失败和维修的概率不断变化。论文首先从失败和维修两个方 面来计算平均等待时间然后得到路段的可靠度，进而推广到路径、o d 对以及网络的可靠度。通过 计算网络的可靠度从而将有限的资源分配到最需要的地方去，实现资源最优配置。 c l a r k 等( 2 0 0 5 ) 1 “】采用一个新的模型，根据交通需求矩阵日复一日的变化来估算总的网络时 间的分布。模型的算法基于简单的交通分配模型。估计的旅行时问分布用于描述交通网络的可靠 度。该方法可以用于分析敏感或脆弱路段，也可以用于分析路段容量的变化对于路网容量变化的 影响。 我国对交通网络可靠度的研究还处于起步阶段，到目前为止，交通网络可靠度的研究基本处 于探讨阶段和概念引进阶段，对于可靠度估算模型和可靠度的应用研究还很欠缺。国内介绍可靠 度的文献也不多。金键对各种可靠性模型进行了总结，分析了影响网络可靠性的因素【1 5 】。毛林繁 建立了一个公交网络的双层规划模型，其上层模型是使网络系统可靠性达到最优“6 1 。赵惠祥基 于系统可靠性的概念，构建了轨道交通系统的可靠性指标体系【”i 。陈艳艳基于交通系统阻塞发 生的随机性，建立了城市道路畅通可靠度的基本概念，并提出了相应的估算方法【l s l 。范海雁给出 了路网可靠性的评价指标和基于路网拓扑结构的可靠性计算模型，确定了弧、路径、节点对以及 网络结构的可靠性计算方法1 1 9 1 。余艳春等对行程时间的分布进行了研究，给 了一个行程时间 的可靠性模型 2 0 1 。朱顺应，王炜等针对大型网络提出了一种在计算可靠度需要用到的通路算法， 4 通过模拟树的生长规则生长出所有的通路1 2 ”。方志耕，董志强等构建了一个军事道路交通网络 模糊可靠性瓶颈分析模型【2 2 1 。陈丽春，缪立新回顾了各种不同的可靠度指标、模型以及算法，提 出了将随机网络平衡模型用于路网可靠度分析1 2 3 1 。 尽管诸多学者从各个方面对交通网络可靠度的问题进行了诸多研究，但至今还没有形成一 套完整的理论。而其中研究的比较多的是容量衰减下的可靠度，即路网容量的变化和可靠度的关 系，还没有学者从交通需求变化角度来研究可靠度与需求以及出行者心理之间的关系。此外大部 分研究只是在研究如何建模估计可靠度，而没有详细研究可靠度究竟如何影响出行者路径选择 以及网络平衡流量分配。因此本文不但从容量衰减方面研究，也从交通需求波动方面研究可靠度 与旅行时间的关系，还将可靠度融入到出行者路径选择模型当中，探讨可靠度对交通网络平衡流 量的影响。揭示出行者对于可靠度的要求与路径选择之间的关系将有助于路径诱导机制的探讨 和交通管理策略的实施，因此如何利用可靠度指标和延误指标来监控交通服务水平变化和评价 交通管理措施效果也是本论文研究的内容。 1 4 研究内容和论文构成 1 4 1 研究内容 可靠度的研究大多是从路径旅行时问做为切入点，研究路径旅行时间的方差，即旅行时问的 变化。可靠度的指标是通过旅行时间方差来计算。可靠度对于出行者路径选择行为的影响也是通 过在效用函数里引入路径旅行时间方差来表示不同的风险倾向程度。造成道路旅行时间不可靠 度因素是多方面的，但可以归为两类，交通需求和交通供给。目前研究较多的为供给变化引起的 路网可靠度变化，即退化交通网络。对于出行者，当出行时刻确定时，其面对的是当前时刻的交 通需求状态，在短暂的出行期间将交通需求看成是暂时的稳定是可行的，譬如在3 0 分钟内。因而 从路径旅行时间分布来研究路径旅行时间的可靠性是最为合适的。所以本文也采用这种思路来 研究路径旅行时间可靠性与路径旅行时问分布的关系。 对于交通管理者，则不一样，交通需求引起的可靠度的变动在每天的运营图上是明显的。交 通需求随机性的影响没有路段容量随机性强，它甚至可以部分的预测，而且带有某种变化趋势。 因此本文也从交通需求方面建立一个路网可靠度指标，这个指标对于出行者路径诱导并无多大 意义，但是却可以用于监控路网运营状态。 从目前广泛道路拥挤收费研究当中可以得出旅行时问标准差的价值与平均时间价值是有差 别的，不同的出行目的对于可靠度有不同的要求，不同的出行者风险倾向对路径的选择也有影 响，本文也将建立一个综合这些因素的出行者广义效用函数，来进行交通流平衡分配，并且通过 与常规的交通流分配对比来研究其不同之处。 本文的研究内容可以总结为以下几块： 路段单元旅行时间可靠度估计 路段单元可靠度的估计是推算整个网络可靠度的基础，通过路段可靠度，可以求解路 径可靠度，然后是网络的可靠度。目前很多情况下都把路段可靠度看成是已知的，或者简 单的假设成是与饱和度成反比的函数。论文分析影响可靠度的各种因素( 包括自然因素， n 行者选择行为，出行者期望心理) ，建立一个能够综合反映各种因素但又不是很复杂的 可靠度估计模型。 5 路径旅行时间可靠度估计 文章将根据目的不同( 服务出行者和服务交通管理) 从两个方面建立路径可靠度估计 模型。一方面假定路径旅行时间服从正态分布，来研究可靠度与旅行时间分布及风险倾向 之间的关系。另一方面则是从路段可靠度来推算路径可靠度。 基于可靠度和行程时问的出行者路径选择模型 由于交通网络是随机网络，路径的旅行时间为随机变量，不同的时间将对应不同的按 时到达的概率。已有的研究表明出行者不仅仅关心路径的平均旅行时间，同时也会关心旅 行时间的波动情况，即出行路径的可靠度。传统的交通流量平衡分配模型如用户最优平衡 模型仅仅是考虑了平均出行时间的均衡，因此本文在假定出行者没有感知误差的情况下 通过构建新的效用函数对原有的用户均衡模型进行扩展。 可靠度在交通管理中的应用 由于可靠度理论发展还不完善，不成熟，对它的应用研究还处于探索阶段，但其确实 有很大的应用前景。可靠度在路网设计改造，在交通管理，路径诱导，在对交通管理措施 效果评价，在对重大活动的交通方案确定，以及地震、战争等紧急事件时生命线的规划和 消防，医院等设施的布置等方面都有很大的应用前景。本文将重点探讨可靠度理论在交通 运营管理中的应用。 1 4 2 论文构成 论文第1 章主要介绍可靠度研究的背景，可靠度的定义、分类，目前国内外的研究概况以及 本文的主要研究内容。通过这一部分引入可靠度以及旅行时间可靠度的概念，也即可靠度的基础 知识。论文第2 章开始构建可靠度估计模型。线索为路段可靠度估计然后是路径可靠度估计最后 是o d 对可靠度估计。在对路径及路段可靠度估计时从容量衰减和需求变化两个方面分别独立建 立模型。这一部分建立的路径旅行时问可靠度模型是后面两章的基础。论文第3 章主要研究可靠 度与出行者风险倾向之间关系，以及它们对出行者路径选择的影响。在此部分首先对比了当前的 各类路径选择模型，然后重点建立考虑可靠度和风险倾向的效用函数，晟后采用新的效用函数 对平衡模型进行扩展，并讨论新模型的解法。论文第4 章通过一个实例来对第2 和第3 章进行说明， 对比了该模型结果与其它模型之间的差异，对不同之处进行了讨论。论文第5 章重点讨论可靠度 在交通管理中的应用。首先建立可靠度相关的道路评价指标，分析影响可靠度和拥挤的因素，设 计了一个新的交通管理框架。此章也全面总结了提高路网可靠性的各种策略，以供实际的工程人 员选用。论文第6 章为结论和展望。论文的章节安排以及各章节之间的关系如图( 1 1 ) 所示。 6 第l 章可靠度概述 第2 章旅行时间可靠度估计 第3 章考虑可靠度的交通分配问题 第4 章可靠度估计及交通分配算法实例 第5 章旅行时间可靠度在交通管理中应用 第6 章结论及展望 图1 - l 论文章节安捧 7 2 旅行时间可靠度估计 2 1确定交通需求下的路径可靠度 2 1 1 路段旅行时间和方差确定 假定一个交通网络g ( ，a ) 其中是节点的集合，代表实际网络中的交叉口，a 为边的集合 代表着实际网络中的路段。每一条边a a 的路段容量为c ：。由于交通网络是退化网络，具有 强烈的随机性，因此q