（交通运输规划与管理专业论文）城市交通路网实用性交通导行策略研究.pdf

摘要 对路线导行系统( r o u t eg u i d a n c es y s t e m , r g s ) 及其导行策略近年的研究成果进行了综 述分析。以城市交通系统为背景，从管理者利益和用户需求两方面进行分析，对r g s 的功能 进行定位，认为导行系统的功能原则能够同时满足管理者和出行者的利益需求。在对管理者所 追求的系统目标和用户出行行为原则之间相互妥协的可能性、必然性进行分析之后，确定出不 同交通状态下具有实用意义的导行目标，即：在非拥挤状态下采用l i e 模式，在拥挤，交通异常 存在状态下采用以s o 为主导的s o 舰混合均衡模式。 以出行者旅行时间作为出行费用，对其进行了预测建模分析。在对以往的研究成果进行分 析之后，结合h c m 的最新研究结果，给出了考虑有初始排队影响的一般性交叉口延误估计模 型。交叉口延误是一个随即性很强的统计过程，本文根据这一特征建立了交叉口延误的概率统 计模型，同时考虑有初始排队存在情况下对模型进行修正，给出了通用性算式。在对该模型进 行实用性分析中，给出了模型的实用特点，通过计算列表说明了模型的有效性和实用效率。在 算例分析中，对比了该模型与h c m 模型的延误计算结果，并与实测数据进行比较，初步得出 该模型计算结果更为接近实测数据的结论。 对实地观测收集的数据进行分析，建立起路段行程时间与上游交叉口饱和度的函数关系。 利用交叉口延误模型计算结果，得出不同饱和度下交叉口延误时间的变化增量情况。结果表明 路段行程时间对饱和度的变化是不敏感的，与交叉口延误时间的变化相比较，路段行程时间的 变化可忽略不计。而交叉口延误时间则相对于饱和度的增减表现出强烈的敏感变化。在实现 s o u e 混合均衡模式的系统目标时，可以确定路网中交叉口饱和度为导行控制依据。最后建立 了以饱和度为导行依据的导行方法，给出了导行路线优化流程图。在非拥挤状态下，建议实施 多路线导行策略，以均衡路网交通需求；在拥挤交通异常存在状态下则实施饱和度导行策 略，并对饱和度导行方法中的控制变量进行了分析说明。 关键词 城市交通路网，路线导行系统，基本策略，出行费用，交叉口延误，概率方法，饱和 度，导行控制 a b s t r a c t b a s e do nac o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o no nt h e o r i e so fr o u t eg u i d a n c e ，t h i sd i s s e r t a t i o n a t t e m p t st oe s t a b l i s ht h es t r a t e g yo fr o u t eg u i d a n c es y s t e m ( r g s ) i nt h i ss t r a t e g y , t h e p r i n c i p l eo ft h ee q u i l i b r i u mb e t w e e nt h er e q u i r e m e n t sa n db e n e f i to fm a n a g e ra n du s e r s a r ec o n s i d e r e ds i m u l t a n e o u s l ya n dt h ef u n c t i o n so fr g sa r ep r o p o s e d t h ep r o b a b i l i t i e s a n dt h ec e r t a i n t yo ft h ec o o r d i n a t i o nf o rt h eo b j e c t sp u r s u e db ym a n a g e ra n dt h eu s e r st r i p b e h a v i o r si sd i s c u s s e d t h e n2k i n d so fr o u t es t r a t e g i e sa r ed e v e l o p e d o n ei su em o d e i f o rn o nt r a f f i cc o n g e s t i o na n dt h eo t h e ri ss o 舰m o d e lf o rt r a f f i cc o n g e s t i o no ri n c i d e n t c o n d i t i o n s b a s e do nc u r r e n tr e s e a r c h e s ，t h em o d e lo f t r i pc o s tb yr o a du s e r si sa n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h en e w l yr e s e a r c h e sf r o mh c m ，t h eb e g i n n i n gq u e u ei n f l u e n c ei sc o n s i d e r e dt om o d e l i n t e r s e c t i o n sd e l a y a st r a f f i cd e l a yo ni n t e r s e c t i o n si sas t a t i s t i c a lp r o c 酣u r eb yr a n d o m t h i sp a p e rg i v e so u tas t a t i s t i c a lm o d e lf o rt h i sd e l a ya n dm o d i f i e st h i sm o d e lb yt h e b e g i n n i n gq u e u el e n g t h as e r i a lo fq u o t a t i o n s ，f i g u r e sa n dp r o v e sw e l le x p l a i nt h e e f f e c t i v ea n dp r a c t i c a le f f i c i e n c yo fi n t e r s e c t i o nt r a f f i cd e l a ym o d e l as e to fc o l l e c t i o nd a t ab ya tt h es p o to b s e r v a t i o n s 。t h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t r a v e lt i m ea n ds a t u r a t i o nf r o mu p s t r e a mi n t e r s e c t i o ni se x p o u n d e d u s i n gt h er e s u l t so f i n t e r s e c t i o nd e l a ym o d e l t h ev a r i a t i o n so fd e l a yi n c r e m e n ta r el i s t e do u tb yan u m b e ro f s a t u r a t i o nc o n d i t i o n s n l er e s u l t sp r e s e n tt h a tt r a v e lt i m eh a si o wi n f l u e n c eo ns a t u r a t i o n w h i l ed e l a y t i m eh a v i n gm u c hr o l eo nt h a t ，s ot r a v e lt i m ec a nb ei g n o r e d w h i l eu s i n g e q u i l i b r i u mm o d e li nr e a l i z i n gs y s t e mt a r g e t ，r o u t eg u i d a n c ec a nc o n t r o li n t e r s e c t i o n s a t u r a t i o ni nr o a dn e t w o r ka n dt h eo p t i m i z e dr o u t eg u i d a n c ep r o c e d u r ec a nb ei n d i c a t e d u n d e rn o n - c o n g e s t i o nc i r c u m s t a n c e s ，m u l t i - p a t hr o u t es t r a t e g yi sp r o p o s e dt oi m p l e m e n t ， i no r d e rt h a tr o a dn e t w o r kr e q u i r e m e n ti sb a l a n c e dp e r f e c t l y u n d e rc o n g e s t i o no r i n c i d e n tc o n d i t i o n s ，r o u t es t r a t e g yo ns a t u r a t i o nc a nb ei m p l e m e n t e da n dr o u t eg u i d a n c e o ns a t u r a t i o nc o n t r o l i sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r u r b a nt r a f f i cn e t w o r k , r o u t eg u i d a n c es y s t e m ，s t r a t e g y ，t r i pc o s t ，d e l a yo f i n t e r s e c t i o n ，p r o b a b i l i t ym y t h o l o g y ，s a t u r a t i o nd e g r e e ，r o u t eg u i d a n c ec o n t r o l 第一章绪论弟一早珀 了匕 交通问题是城市发展过程中一直需要解决的主要矛盾之一。随着经济建设的发展和城市 化进程的加快，城市交通需求急剧增加，使得交通拥挤、阻塞日益严重，交通事故和环境污 染问题也凸显出来。改善交通设施、新增扩建城市路网、增加道路容量，是解决城市交通问 题最基本、有效的办法。但新增扩建路网又在空间上、经济财力上以及环境问题上遇到许多 难以克服的障碍。同时，从长远意义上看，路网交通状况的改善仍然会诱增新的交通需求， 一定时期后还会出现交通设施不能满足交通出行需求的矛盾。因此，新建道路越来越不可能 成为解决交通问题的较佳选择。 从1 9 世纪开始，人们就开始研究交通信号，用交通控制的方法来提高城市路网的通行 能力。发展到今天，交通控制已成为城市交通系统正常运行的技术保障。从单点交叉口信号 灯控制，到周定配时协调控制系统，再到目前已成熟运用的自适应协调控制系统，交通控制 在疏导交通、保障交通畅通的过程中发挥了关键作用。近年来，随着信息处理、电子通信等 技术的发展，尤其是发送、接收装置的高性能实用化的进步，使移动通信技术的应用有了更 广泛的领域。将这些先进的通信技术应用到现代化的交通控制系统中来，正是当今世界上许 多发达国家所致力开发研究的智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 的技术基 础。i t s 是将先进的卫星定位导航技术、计算机技术、图形图象处理技术、数据通信技术、 传感技术、自动控制技术等高新技术有效地运用于交通运输服务、控制管理和车辆制造等方 面，从而使车辆靠自身的智能系统在道路上安全行驶，驾驶员通过系统来了解道路的交通情 况，管理人员通过系统实现对交通网络的管理控制。这样就可以保障交通安全，极大地提高 交通运输效率，改善交通环境质量。 目前随着i t s 研究领域的不断深入拓展，逐渐形成了以美国、欧洲和日本为代表的三大 体系。三个体系中的研究内容不尽相同，各有侧重。其中美国的i t s 研究领域较为广泛，我 们以其为例，介绍i t s 所涉及的研究内容。 1 9 9 4 年美国将i t s 划分为六个子系统，即先进的交通管理系统( a d v a n c o dt r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m 。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 ri n f o r m a t i o ns y s t e m ， a t i s ) 、商用车辆运行管理系统( c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o ns y s t e m ，c v o s ) 、先进的车辆 控制系统( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ，a v c s ) 、先进的公共交通管理系统( a d v a n c e d p u b l i ct r a n s i ts y s t e m , a p t s ) 和先进的郊区交通管理系统( a d v a n c e dr u r a lt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ，a r t s ) 。目前美国在对其i t s 的研究集中在7 个领域共2 9 项研究内容上，见表1 1 。 可见，i t s 的研究领域是非常广阔的。本文研究所要涉及的路线导行系统( r o u t eg u i d a n c a s y s t e m ，r g s ) 正是i t s 体系中基本的核心内容之一。 同济大学博士学位论文 城市交通路网实用性交通导行策略研究 1 1研究背景 r g s 的功能是应出行者请求，向其提供理想的出行路线信息，帮助其顺利完全出行。在 i t s 体系中，主要是依靠a t i s 和a t m s 两大予系统提供的服务来实现r g s 功能的。作为一 项能减少拥挤、提高交通网络运行效率的新技术，r g s 正日益引起世界范围的广管泛关注。 车辆行驶路线引导在研究中出现过两个基本概念，一个是路线导行( r o u t eg u i d a n c e ) ，一个 是车辆导航( v e h i e l en a v i g a t i o n ) 。美国i t s 用户服务中则将此项服务称为路线规划与导行 ( r o m e p l a n n i n g a n d g u i d a n c e r p g ) ( i t s a m e r i c a , 1 9 9 5 ) 。导航( n a v i g a t i o n ) 一词原用于航 空、航海领域中。与导行( g u i d a n c e ) 相比，导航可理解为在受导者( 出行者) 不识路线的 情况下引导其完成出行；而导行则是在受导者( 出行者) 识路的情况下，给出一条较优甚至 最优路线引导其高效率地完成出行。由此可见，导行是比导航更高一级的服务，导行的功能 涵概了导航。在城市交通中，显然大部分出行者的要求是导行而非导航。 表1 1 美国i t s 研究内容 公共交通运输 管理系统 ( 1 ) 公共交通管理( 2 ) 途中换乘信息 ( 3 ) 个体的公交运输( 灵活的公交车辆)( 4 ) 公共交通安全 1 1 1 导行系统的发展历史 交通( 路线) 导行系统的发展至今已有三十多年的历史。1 9 6 7 年美国成立了e r g s ( e l e c t r o n i cr o m eg u i d a n c es y s t e m ) 小组开始了对道路交通信息处理的研究。该项目可以说 是世界上最早的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 研究项目。具有代表性的有：美国的a d v a n c e 、t m v t e k 、欧洲的 e u r o - s c o u t 、日本的c a c s 等。正是由于交通导行系统的研究开发，促进了计算机技术、 通信技术在交通运输领域中的应用，并进一步形成了运输系统智能化的大趋势。以美国为例， 随着e r g s 项目研究范围的不断扩大，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 e h i g h w a ys y s t e m so 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 y a 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 2 同济大学博士学位论文 第一章绪论 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 y s t e m so 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 的研究逐步扩展开来。根据i t s 的发展， 可相应地将交通导行系统发展分为三个阶段，即早期、i v h s 时期和i t s 时期。图1 1 描述了 国外导行系统与i t s 发展历程( 曾松，2 0 0 0 ) 。 a e i r a q s l v 瞄 蚰p 玎e a d v a n c o p s o m m e _ j 略i o m l t l 佣rm m - a l l 冉咖 d 职 l i 靠涵憾i 羹田 i i s i 1 皂 c u 置 s y 螂 n a r d m e c m r ep r o s m m i m l o h h b2 0 0 0 i r踌lkrm! t m l t e t a t 哪“ a l lj u s c 0 ) i u i 附啭 f a u t o d e ) 哏0 i 棚玎唧s i d r i v e i i 豉渊 i d r i v e l l l p r o m o t e b 姊 & 日 白一 ic艮f v e m f t 日目盯c s ) ) l j s k l c c s l _ c s l u 噱、l l ml 日奉 l a m t i c s i 岱 j _ - u t o n a yu 1 9 8 5 早期( 村i v 璐时期) 图1 i 国外导行系统与i t s 发展历程示意 嗍瓜嗍 嗍 早期也称前i v h s 时期，是指从6 0 年代开始研究交通导行系统到i v h s 出现以前的这段 时期。美国的e r g s 的目的是向驾驶员提供最优路线，但后来这一研究中断，未得到推广应 用。欧洲最早出现的导行系统项目是德国的a u ( a u t o f a h r e rl e i t m a di n f o r m a t i o ns y s t e m ) ， a l l 由b l a u p u n k t 和v o l k s w a g e n 合作开发，于1 9 7 9 年至1 9 8 2 年在德国的高速公路上进行了 试验。日本1 9 7 1 年- , 1 9 7 9 年研究开发的c a c s ( c o m p r e h e n s i v e a u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m ) ， 1 9 8 4 铷1 9 9 1 年建设省研究开发的r a c s ( r o a da u t o m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，1 9 8 7 年一1 9 9 1 年警视厅研究开发的a m t i c s ( a d v a n c e dm o b i l et r a f f i ci n f o r m a t i o na n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，均未能实施。 在i v h s 时期( 1 9 8 9 年i v h s 提出至1 9 9 4 年i t s 取代i v i s ) 和i t s 时期( 1 9 9 4 年以后) ， 由于相关技术的发展，交通导行系统得到了较快的发展。9 0 年代后，美国进行了p a t h f i n d e r 、 t r a v t c k 、a d v a n c e 等以动态交通导行为主要内容的现场运营实验。欧洲则在德国的 a l ，t - s c o u t 的基础上开发统一的e u r o s c o u t ，同时还开发了r d s - t m c 广播动态导行系 统。以r a c s 和a m t i c s 为基础，日本警视厅、建设省、邮电省1 9 9 1 年开始联合开发v i c s ( v e h i c l ei n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，1 9 9 3 年完成。翌年开始在东京试运行，得 到成功后于1 9 9 6 年在东京l 都3 县开始运营，并于1 9 9 7 年组织全国推广。1 9 9 3 年日本提出 u t m s ( u n i v e r s a lt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 计划包括6 个分系统，其中之一就是动态交通 导行系统d r g s ( d y n a m i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 。 早期的交通导行系统是各国独自开发的，而且与其它的交通管理系统如交通控制系统并 同济大大学博士学位论文 3 城市交通路网实用性交通导行策略研究 无紧密联系，主要的研究重点也放到了有关通信技术的研究上。从i v h s 时期开始( 欧洲的 p r o m e t h e u s 计划要早一些) ，随着i v h s 、i s t e a 、p r o m e t h e u s 、d r i v e 等交通智能 化总体计划的提出，导行系统与其它的管理、信息等系统均被纳入总体计划中统一研究开发。 i t s 时期，各种系统在总体计划下集成化的趋势已十分明显，如日本的d r g s 集成于u t m s 。 欧洲则将导行系统纳入p r o m o t e 计划中。导行系统已经成为功能全面的i t s 系统中的一个 重要予系统，在研究开发和运营上都与其它系统紧密结合，并统一于总体计划下。 从美国、日本和欧洲导行系统的研究现状看来，美国在研究的系统性方面领先，其在计 算机和通信等技术上的优势为系统的研究开发提供了有利条件。欧洲比较重视开发基于 r d s t m c 广播的动态导行系统。日本在动态导行系统的开发、部署和应用方面居于领先地 位( f r e n c h ，1 9 9 4 ) ，所开发的v i c s 、d r g s 均已投入运营。 经过十多年的研究开发，交通导行系统已从最初的静态导行发展到目前的动态导行系统 ( d i 埝s ) 。静态导行使用交通状况历史数据库和数字地图进行路线引导，动态交通导行使用 历史数据库、数字地图与实时交通信息结合来进行导行。 动态导行系统向车辆提供优化线路信息来改善交通服务和在路网上合理分配交通量，以 减轻交通拥挤。动态导行系统的重点在于导行信息的实时提供问题。根据导行策略的不同， 可以区分为群体导行和个体导行，前者面向道路上的所有车辆，通过交通专用广播或v m s 等设备实现，后者主要是通过车载单元，由存贮的电子地图和道路交通信息或接受导行控制 中心发送的信息来实现。 本文后面所提及的交通导行系统，非具体说明者均系动态交通导行系统。 1 1 2 交通导行系统的结构框架及分类 ( 1 ) r g s 的结构 概括地讲，r g s 由车辆运行定位子系统、信息采集及通讯子系统和行车优化子系统所组 成。 车辆定位子系统的功能是跟踪车辆在道路网络中的位置。它所使用的数据源有传感器 数据、数字地图数据库和全球定位系统( g p s ) 信号。该子系统将输出车辆当前的绝对位置 ( 经度、纬度、高度) 和车辆在地图上的相对位置，完成此功能需要进行航位测定 ( d e a d - r e k o n i n g ) 、地图匹配( m a p - m a t c h i n g ) 和绝对位置修正。目前已有的导行系统大多 是通过车载单元与安装在道路边上的信号标杆，在进行双向通信的同时完成车辆定位检测的。 信息采集及通讯子系统的功能是采集路网交通信息，实现信息采集设备、车辆和交通 控制中心之间的数据交换。信息采集设备包括感应线圈、雷达、摄像机、磁场传感器和红外 线接发装置等。通过这些设备全面收集路网实时交通信息。通讯方式主要有射频通讯( 无线 电广播通讯) 、红外通讯、微波通讯、蜂窝状移动电话通讯等。 行车路线优化子系统的功能包括导行路线的计算确定、路线的引导及信息显示。它的 工作原理是依据车辆定位子系统所确定的车辆在网络中的位置和出行者输入的目的地，结合 4 同济大学博士学位论文 第一章绪论 交通数据采集系统传输的路网交通信息，为用户提供能够减少延误、避免拥挤、高效率到达 终点的行车路线。 ( 2 ) r g s 的分类 按照导行路线的计算模式，动态交通导行系统可以分为中心决定式( c e n t r a l l y d e t e r m i n e d ) 系统c d r g s 和分布式( d i s t r i b u t e d ) 系统d d r g s 两大类。 中心决定式系统c d r g s 在c d r g s 中，由交通信息中心( 1 1 c ) 的主机完成路线规划工作，为每一可能的o d 对计算最优或准最优路线，通过通信系统将所要求路线提供给用户。c d r g s 的路线规划是 基于系统整体的多车辆( m u t l i v e h i c l e ) 路线规划。按人机界面的不同，c d r g s 分为广播型 ( b - c d r g s ：b r o a d c a s tt y p ec d r g s ) 和交互型( i - c d r g s - i n t e r a c t i v et y p ec d r g s ) 两类。 其中交互型c d r g s 被认为是未来导行系统发展的主要方向。 分布式系统d d r g s 分布式系统又称车载单元决定式( l o c a l l yd e t e r m i n e d ) 系统l d r g s 。这类系统按接收 到的实时信息，由车载单元进行路线计算，导行由每辆车自己完成，使用自身存储的数据选 择车辆自身的优化线路。由于未考虑路网上交通流的动态变化和其它导行车辆的行为，此项 技术可能产生较差的导行效果，且有可能使许多车辆都选择同一路线，造成新的交通阻塞。 一般情况下，在城市间出行或交通状况良好( 无交通拥挤现象) 时可采用分布式导行。 在城市交通出行时通常采用中心决定式系统。 1 1 3 实验性导行系统介绍 目前各国实施的实验性导行项目有许多。这些项目实施的硬件环境及技术支持已不存在 大的障碍，这里我们所关注和探讨的是导行系统的运行机制一导行原则及最优路线的计算方 法等，也就是系统的导行策略。下面对一些典型的实验性导行系统项目进行介绍。 ( 1 ) a d v a n c e a d v a n c e 是美国伊利诺斯州( i l l i n o i s ) 芝加哥( c h i c a g o ) 实施的导行项目。1 9 9 0 年 伊利诺斯州运输部开始设想通过导行来减轻交通拥挤，在高速道路和主干道上进行了动态导 行的测试。a d v a n c e 项目( 1 9 9 1 年7 月至1 9 9 6 年1 2 月) 为动态导行系统建立了系统性的 研究基础，a d v a n c e 系统是一种基于实时交通条件( 当前路段行程时间) 的分布式导行系 统。车辆定位主要采用差分g p s ，在g p s 处于盲区时则辅以基于车轮速度和方向传感器的航 位测定( d r ) 算法进行定位。 a d v a n c e 项目中，装备有导行设备的车辆使用车载单元寻找最优路线。交通信息中心 ( 1 r i c ) 以一定周期向车载单元发送路网交通状况的更新信息。使用无线电发射器，按行程 时间的历史数据或实时数据进行路线优化。 ， 在行程时间计算中，a d v a n c e 使用两种类型的路段行程时间模式。第一种为静态模式， 按路段交通流状况历史数据确定；第二种为动态模式，t i c 使用动态模式对静态模式的数据 同济大大学博士学位论文 5 城市交通路网实用性交通导行策略研究 进行更新，当实时行程时间与历史数据差异较大时，用车辆检测器和探测车辆( p r o b ec a r ) 提供的数据计算路段行程时间平均值和方差。将动态模式和静态模式的差别传送给车载单元， 由车载单元完成路线计算。在两者差异不大时，则使用静态模式的历史数据来计算路线。 a d v a n c e 考虑路段行程时间是动态随机性的，使用路段行程时间的方著来估算行程时 间。但最终在车辆导行过程中使用的实际信息为平均路段僻线行程时间，即路线优化中并未 考虑路段路线行程时间的随机性。 在a d v a n c e 的开发过程中，发现因其在数据采集、处理和发布方面的复杂性，d r g 的开发比原来想象的更具挑战性，市场渗入率也比预期的低，导致方案规模调整缩小。 ( 2 ) a l i s c o u t d a i v e ( d e d i c a t e dr o a di n f r a s t r u c t u r eo fv e h i c l es a f e t yi ne u r o p e ) 和p r o m e t h e u s ( p r o g r a m m ef o re u r o p e a nt r a f f i cw i t hh i g h e s te f f i c i e n c ya n du n p e c e d e n t e ds a f e t y ) 是欧洲在 i t s 方面展开的两个项目。目前d r i v e 项目已进入第三阶段的研究即d a i v eu i ，该项目所 支持的r g s 为e u i n s c o u t 系统，其原型就是由德国开发的a l t - s c o u t 系统。该系统1 9 9 0 年在柏林实施，属中心r g s ，后来称为l i s b 。目前已由欧盟统一研究开发。 图1 2 趟s c o u t 系统结构图 a l ! s c o u t 中，由中央计算机进行路线优化，将找到的最佳路线信息通过路边信标传 送给车载单元。路边信标通常设置于主要交叉口。a l t - s c o u t 估算行程时间的方法是使用 常比例方法来从历史行程时间预测未来行程时间，即预测方法多是通过假定偏差导数在整个 预测时段内保持不变来预测下一阶段状态。k o u t s o p o u l o s 和x u ( 1 9 9 3 ) 提出一种与 a l t - s c o u t 类似的方法，不同之处是他们用指数折减方法，由o d 间历史行程时间和实时 行程时间标准差来预测真实行程时间。当o d 问历史行程时间和或实时行程时间标准差增加 6 同济大学博士学位论文 第一章绪论 时，这一模型得到的未来行程时间与历史型类似。 ( 3 ) t r a v 凰i k p 砒f i n d e r t r a u t e k 是由美国奥兰多( o r l a n d o ) 市、佛罗里达州( f l o r i d a ) 运输部、联邦公路局、 通用汽车公司和美国汽车联合会合作开发的交通导行项目。t r a v t e k 系统实现基于拥挤和事 故等实时交通状况的导行，具有为出行者服务的“黄页”信息。尤其适用于对该地区不熟悉 的出行者使用。 在t r a v t e k 中，使用实时行程时间计算最优路线，估计的实时路段行程时间基于各种数 据源的输入，通过模糊逻辑数据结合处理。在p a t h f i n d e r 中，将当前行程时间化为拥挤水平， 显示于车内屏幕上。系统使用历史和仿真两种模式的结合来计算最优路线。t r a v t e k 模型估 算干道上的延误，求出模糊逻辑的最大高度解。数据由两个模型变量：质量和数据获取时间 来表示。系统通过分析质量来给每个数据源评分，并使用时效参数在每分钟减少其得分，以 反映其时效性。然后选出使用最佳数据源来估算行程时间。这一方法的不足之处是在一次处 理中实际上使用了一个来源的数据，不但浪费了其它来源的数据，对预测的准确性也有较大 影响。 ( 4 ) v i c s v i c s 是由日本丰田公司与警察厅、邮政厅、建设省共同开发的基于全球定位系统( g p s ) 和道路车辆信息通信系统的导行项目，为日本现存i t s 应用项目的自然扩展，始于a m t i c s 和r a c s 的集成。其最新的建设动向是集成4 种交通信息系统：h a r 、v m s 、f m 多路复用 广播和基于电子地图的车内交通信息。v i c s 的行程时间预测模型类似于a l l s c o u t 模型， 不同的是v i c s 让驾驶员自己确定路线选择标准，它给驾驶员提供了较大的选择余地，图1 3 为v i c s 的信息传输流程。 ( 5 ) a u t o g u i d e 1 9 8 7 8 8 年间由英国政府提出，曾以“a b e t t e r w a y t o g o ”作为其吸引驾驶员的广告词， 为驾驶员在拥挤的市区中寻找较好的行驶路线。该系统使用红外信标进行双向通信。在 a u m g 】d e 中，导行车辆被当作探测车来报告路段行程时间。最优路线的计算使用与u t c 系统连接的中心计算机进行。车载单元按主动导行模式发送路线推荐方案，方案可在途中更 新。 ( 6 ) 多段接力式动态标志路线导行系统 我国对交通导行系统的研究起步较晚，目前处于对定位系统、电子地图、双向通信等环 节的研究阶段，投入使用的基本上都是以无线电广播为基础的初级导行手段。基于g p s 集群 通信、可变标牌的导行系统正处于研究和试验阶段，而比较全面的城市交通导行系统的研究 成果尚未见到。 同济大大学博士学位论文 7 城市交通路网实用性交通导行策略研究 ! 用_ 吟l i 一。j 图1 3v i c s 的信息传输流程 多段接力动态标志路线引导系统属于车外诱导型系统，是由上海交警总队和同济大学于 1 9 9 5 年6 月合作完成的，通过可变标牌和交通，“播电台实现交通流导行。由于该系统是仅显 示单一路段交通信息的可变标牌路线导行系统，因此只适合于路线较为简单的高速公路 图l - 4 多段接力式动态标志路线导行系统构成 8 同济大学博士学位论文 第一章绪论 ( 快速道路) 网。该系统采用在相邻交叉口前连续设置显示多路段交通信息可交标牌的办法， 类似接力棒传递那样，通过各个交叉口处的多路段动态交通信息，把车辆逐段引导到不拥挤 的路段上，直到目的地。多段接力式动态路线引导系统由5 个部分组成( 图1 4 ) ：交通信 息采集系统；交通信息评价处理单元：数据传输系统；中央计算机处理系统；可交 标牌、交通信息广播台及其控制单元。 1 2 研究目的、内容和方法 1 2 1 研究目的 交通导行系统为解决城市交通问题提供了崭新的技术支持，目前尚未解决的是导行系统 的运行机制即导行策略问题，也就是导行依据和导行方法。把什么样的信息提供给用户才能 达到避免拥挤、提高路网使用效率的目的，如何在短时间内得到这些信息，以及如何根据这 些信息快速确定出最佳出行路线，系统如何保证用户的出行利益，这些都制定导行策略时要 考虑的核心问题。解决这些问题所涉及的理论基础，是交通工程领域中个经典、前沿的理 论问题动态交通分配理论。近年来，世界各国在这个研究领域进行了许多努力，取得了 较为可观的成果，但仍无法解决模型计算量大、算法优化时间长以及无法得到瞬时o d 流量 等问题，难以满足实时交通导行的需要。理论上的不成熟影响了交通导行系统的实施效果， 以至于阻碍了导行系统的推广应用进程。因此，研究面向应用、实用性较强的导行策略就成 了较为迫切的研究课题，本文既以大城市交通为背景，对实用性导行策略进行探讨。 1 2 2 研究内容 策略是指专为某项行动或某种目标而制定的行动方针和方法，而路线导行系统中的导行 策略则可理解为为实现导行系统目标而确定的导行依据( 因素) 及所采取的方式、方法。因 此导行目标、导行因素和路线优化方法既为导行策略的三项基本要素。如果将导行比作一个 最优化问题，则导行目标、导行变量和路线寻找方法分别对应着优化过程的目标函数、优化 变量和优化算法。 导行目标 导行目标是指导行所要达到的最优目标。导行系统服务的对象是广大出行者用户，出行 者对导行系统的要求是能够满足他们线路短、速度快、安全舒适的线路选择，导行目标要能 够保证和满足出行者利益要求。但同时，做为导行服务提供者的交通管理部门来说，他们希 望的导行目标是能够保证高效、通畅的路网运行状态。导行系统如何协调管理者和出行者的 利益冲突，如何将两者的目标要求协调一致，将是确定导行目标时需要研究解决的问题。 导行因素 导行因素指的是寻找最优路线的依据，体现在相应的模型和算法中即为导行变量。对于 出行者，选择路线的依据是路线费用( r o u t ec o s t ) 最优。这个费用中包括出行路线距离、旅 同济大大学博士学位论文 9 城市交通路网实用性交通导行策略研究 行时间、路线舒适度等内容。一般出行者选择路线所要考虑的依据是旅行时间和路线距离( 本 文研究以大城市现实路网交通为背景，暂不考虑收费交通对出行者路线选择的影响) 。而对于 管理者来说，他所关心的是路网交通流分布状况及拥挤程度，因此管理者的导行依据应该是 反应路网交通状态的交叉口延误、交叉口饱和度、线网流量密度及总出行费用等指标。在确 定的导行目标下，需要找出相应的导行因素来标定目标函数，以实现系统功能。 路线优化方法 路线优化的算法研究目前已较为成熟，但应用于导行系统中的路线优化是基于预测的路 网状态而进行的，预测内容包括路网交通流变化趋势和驾驶员路线选择行为，具有典型的动 态特征。此外，城市路网节点( 交叉口) 数量大、结构复杂，对路线优化算法的效率提出了 更高的要求，为满足导行系统的运行要求，需要开发出高效率的路线优化方法。 1 2 3 研究方法 首先在对国内外有关导行策略的研究成果进行全面分析的基础上，找出本论文的研究方 向，明确研究内容及重点。交通研究领域中有关研究数据一般分为两类，一类是实际数 ( r e v e a l e dp r e f e r e n c e ，r p 数据) ，一类是实验数据( s t a t e dp r e f e r e n c e ，s p 数据) 。本文研究以 实用性为基本要求，因此进行了多次现场观测，收集了大量的r p 数据。在对这些数据运用 数学工具进行分析之后得出相应结论。在研究中，还进行了模拟计算和问卷调查等内容，得 到了有效的s p 数据，为相关理论的确立提供了全面的分析支持。 1 3 论文结构安排 论文由6 章构成。 第一章对研究背景进行综合介绍，在此基础上导出本文的研究目的、研究内容及方法。 第二章对导行策略研究成果进行全面综述。通过对导行策略有关研究成果的评析，确定 本论文的研究方向。 第三章对城市路网中r g s 的功能进行分析，确定导行基本策略。通过对城市交通特征 及环境的分析，结合城市交通控制系统的功能要求，明确r g s 的系统功能，并在此基础上对 管理者控制目标和出行者需求进行分析，确立能够实现r g s 功能的导行目标。 第四章出行费用分析。以旅行时间作为唯一指标对出行费用进行分析。城市路网出行的 旅行时间可分为路段行程时间和交叉口延误时间两部分，本章分别对这两部分费用的预测估 计进行分析建模讨论。 第五章饱和度导行控制及其方法。通过实测数据，建立路段行程时间与路段上游交叉口 饱和度的函数关系。以此为基础，对交叉1 2 饱和度变化引起的路段行程时间和交叉口延误时 间增减状况进行灵敏性比较分析，确定饱和度导行控制策略。并建立饱和度导行控制方法 第六章总结全文，讨论研究过程中得出的结论及出现的问题，探讨后续研究方向。 1 0 同济大学博士学位论文 第二章导行策略研究成果综述分析 导行策略的研究与传统的城市交通理论研究是一脉相承的。在城市交通系统中，出行者 路线选择后的出行行为形成路网交通流量，对此过程的理论描述就是交通分配理论。在交叉 口信号灯进入城市交通系统中后，以此为手段的交通控制问题也融入了交通分配理论体系。 早期的信号控制所引致的“流量再分配”现象是管理者无意的，没有预料到的行为，有时对 路网交通状况也会产生负面有害的影响。随之就出现了交通分配与信号控制组合问题。在这 一领域中所包括的研究内容有：交通分配模型、交通流理论、交通参数分析与预测、交通控 制理论与方法等。在i t s 概念出现后，人们将r g s 纳入了城市交通控制系统中，寄希望于通 过r g s 功能的实现，来拓展原有控制功能、延伸控制范围。因此导行策