（交通运输规划与管理专业论文）分离率空间中交通流分配模型与司机信息系统研究.pdf

西南变通大学博士学位论文 摘要 当今不论是发达国家亦或是发展中国家，都面临着交通拥挤、环境污染、 交通事故频繁、资源紧张、城市效益日趋低下等交通问题。这些问题严重地 阻碍着城市经济的发展，影响着人们生活环境和城市的进一步发展，己成为各 国政府迫切需要解决的问题。从当今形式来看，解决这些问题的出路在于目 前越来越热门的智能运输系统( i t s ) 的完善和实旌。而交通流的动态分配又 是i t s 技术关键的组成部分，本文所做的主要工作就是围绕交通流的动态分 配这一关键问题而展歼的。 f 本论文主要在以下方面傲了研究： ( 1 ) 、首先，本文基于城市交通网络的控制与通讯网络非常类似的特点，借 用通讯网络中分离率的概念讨论了多起点、多终点的静态交通流分配模型及 其性质，给出了求解该模型的具体算法。在用于离线分析时，该算法在递归迭 代过程中，与传统静态模型求解过程相比，避免了求解最短路径这一计算量很 大的一步；当用于在线分析时，延迟可以通过实际的测量获得，更回避了关于延 迟的大量计算，从而适用于大规模的交通网络。最后，用v c + + 完成了相应的 计算机程序。 ( 2 ) 、本文在分离率空间中建立了多起点、多终点的基于即时路径时间 和预铡路径时间的交通流动态分配模型，给出了分离率空间中交通流动态分 配的动态用户平衡表达方式及模型的具体求解步骤。对于基于预测时间的交 通流分配模型的算法，我们借用了通讯网络信息包传递的某些协议，同样避免 了大量的最短路径计算，为分析大规模交通网络的动态交通流分配提供了一 条有效途径。以上两个模型的求解，我们均用v c + + 编制了计算机程序，并用 事例进行了验证。 ( 3 ) 、本文讨论了分离率与司机信息系统的关系，分析了司机的决策行为， 指出了信息对司机决策的作用，并结合交通流动态分配模型建立了定量分析 信息、司机的决策行为对分离率大小影响的模型。这些工作为完善i t s 的司 机信息系统奠定了一定的基础。 攮要 本文工作潜在的应用 ( 1 ) 、分离率空间中的静态模型可用于预测各种交通网络改进方案和管 理规划对运量分布的影响，它为城市规划人员和交通工程师提供了一有效的 工具；由于该模型的计算回避了每一次迭代过程中点到点的最短路径计算。因 此，可适用于大规模的交通网络；从实际计算结果可以看出，该模型算法能很好 地收敛到用户平衡状态。因此，计算得到的每一节点分离率的大小，可对交通 控制( 如信号灯绿信比的设置等) 的确定提供一定的参考；另外，还可将其作为 一个予程序，嵌入到动态交通流分配的每一步中。 ( 2 ) 、基于即时路径时间和基于预测路径时间的动态交通流分配模型，除 了可用来分析网络上时相关的交通流变化及车辆的时相关旅行时间以外，还 可随时提供每一节点到各目的节点的最短路径( 不论是基于即时时间的还是 基于预测时间的) ，可作为i t s 中司机路径诱导系统的一个组成部分；又由于我 们的模型是在分离率空间中描述的，而分离率在一定程度上反映了司机的行 为，因此，可根据分离率大小的变化，动态地给司机提供交通信息，以改变交通 流在网络上的分布，达到缓解交通拥挤的目的；由于我们建立的模型均是针 对多起点、多终点的交通网络，因而可适用于大规模的实在城市交通网络。 ( 3 ) 、本文讨论的信息对交通流分配( 或分离率) 的影响，可用于从以下方 面完善司机信息系统：对于网络中的车辆，确定应按多少比例来配置司机信 息系统装置：动态确定多少信息应该提供给网络中的司机；确定应如何针对不 同的司机提供信息等。 l l 【关键词】静态交通流分配，动态交通量分配，分离率，司机信息系统， 智能运输系统。 西南交通大学博士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e sa sw e l la st h ed e v e l o p i n gc o u n t r i e s ，a l l a r ef a c e dw i t ht h e s ep r o b l e m ss u c ha st h et r a f f i cc o n g e s t i o n ，t h ea t m o s p h e r i c p o l l u t i o n ，t h ei n c r e a s i n gt r a f f i ca c c i d e n t s ，t h el a c ko f r e s o u r c e s ，t h ed e c r e a s i n go f c i t yb e n e f i t sa n ds oo n t h e s ep r o b l e m sw h i c hs e r i o u s l yb l o c kt h ed e v e l o p m e n t o fc i t ye c o n o m i c sa n da f f e c to nt h ee n v i r o n m e n to fc i t yd w e l l e r sh a v eb e c o m e t h eu r g e n tp r o b l e m so fe a c hc o u n t r y sg o v e r n m e n t w i t ht h ed e v e l o p i n go f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，i ti se v i d e n tt h a tt h er o a dt os o l v et h e s ep r o b l e m s d e p e n d so nt h ec o m p l e m e n ta n di m p l e m e n to ft h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ( i t s ) b e c a u s ei tc o m e st ol i g h tt h a tt h ed y n a m i ca s s i g n m e n to ft r a f f i c f l o wi st h ek e yo fi t s ，t h em a i nw o r k si nt h i sp a p e ra r ea t t e m p tt og i v eaw a yt o s o l v et h ed y n a m i ca s s i g n m e n tp r o b l e m t h em a i nw o r k si nt h i sp a p l e ra r e a sf o l l o w s ： ( 1 ) a tf i r s t ，b a s e do nt h es i m i l a r i t i e sb e t w e e nt h ec o n t r 0 1 o fc i t yt r a f f i c n e t w o r k sa n dt h a to ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，b yu s i n gt h ec o n c e p to f “s p l i t t i n gr a t e s ”u s e di nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，w ed i s c u s s e dt h es t a t i ct r a f f i c n e t w o r k sa s s i g n m e n tm o d e lw i t hm u l t i o r i g i na n dm u l t i d e s t i n a t i o np o i n t s ，a n d w o r k e do u taa l g o r i t h m w h e nu s e di no f f - l i n ea n a l y s i s ，t h ea l g o r i t h ma v o i d st h e s t e po fc a l c u l a t i n gt h es h o r t e s tr o a d si nt h er e c u r s i o n w h e nu s e di no n 1 i n e a n a l y s i s ，t h ed e l a yc a nb eo b t a i n e db yp r a c t i c a lm e a s u r e b e c a u s eo ft h i s ，al a r g e a m o u n to fc a l c u l a t i o nc a nb ea v o i d e d ，a n dt h e nt h ea l g o r i t h mc a nb eu s e df o rt h e l a r g e s c a l et r a 施cn e t w o r k s a tt h es a m et i m e w ew o r k e do u tt h ec o m p u t e r p r o g r a mw i t hv c + + 4 2 ( 2 ) i nt h i sp a p e r ，w ee s t a b l i s h e dt h em u l t i o r i g i na n dm u l t i d e s t i n a t i o n d y n a m i ct r a f f i cf l o wa s s i g n m e n tm o d e l sb a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sl i n kt r a v e l t i m e sa n da c t u a ll i n kt r a v e lt i m e sr e s p e c t i v e l y ，p u tf o r w a r dt h ed y n a m i cu s e r e q u i l i b r i u m ( d u o ) a n dt h ea l g o r i t h m st os o l v et h em o d e l s f o rt h em o d e lb a s e d o nt h ea c t u a ll i n kt r a v e lt i m e s ，b yu s i n gs o m ep r o t o c o l si nt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ，al a r g ea m o u n to fc a l c u l a t i n gc o u l db ea v o i d e d ，s ot h ea l g o r i t h mc a n a p p l yi nt h el a r g es c a l et r a f f i cn e t w o r k s i na d d i t i o n ，t h ec o m p u t e rp r o g r a m sa r e w o r k e do u tf o rt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m ( 3 ) a tl a s t ，w ed i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i po ft h es p l i t t i n gr a t e sw i t ht h e d r i v e ri n f o r m a t i o ns y s t e m , a n a l y z e dt h ed e c i s i o nb e h a v i o ro fd r i v e r s ，p o i n t e do u t t h ee f 诧c to fi n f c r m a t i o no nt h ed r i v e r s d e c i s i o n ，a n dc o n s t r u c t e dam o d e lt o a n a l y z et h ee f f e c to fi n f o r m a t i o na n dd r i v e r s d e c i s i o no nt h es p l i r i n g r a t e s t h e s ew o r k sa b o v ee s t a b l i s h e dt h ef o u n d a t i o nt os o m ee x t e n s i o nf o rf r a m i n ga n d i m p r o v i n gt h ed r i v e ri n f o r m a t i o ns y s t e m 【k e y w o r d s s t a t i ct r a f f i cf l o wa s s i g n m e n t ，d y n a m i ct r a f f i cf l o wa s s i g n m e n t ， s p l i t t i n gr a t e s ，d r i v e r s i n f o r m a t i o ns y s t e m ，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 s 西南交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 城市的发展及对交通运输的需求 城市1 3 1 ，作为人们从事政治、经济、科学文化和日常生活活动的空间，随 着生产力的发展、人口的增加和用地面积的扩大，生产的原料、燃科、产品 运输量及生活供应量的运距也随之增加，这使得城市功能日趋广泛，各项功能 之间的联系不断得到加强且变得越来越复杂。 近些年来1 3 1 ，发展中国家的许多城市都以前所未有的速度发展着，而这一 发展趋势预计在未来一段时间中还将继续下去。据统计，1 9 5 0 年i ，发展中国 家只有三个城市的人1 ：3 超过4 0 0 力- ，它们是；上海( 5 8 0 万) 、布宜诺斯艾和斯 ( 5 3 0 万) 和加尔各答( 4 4 0 万) 。然而，到1 9 8 0 年，发展中国家已有2 0 多个城市 的人口超过了4 0 0 万j 到本世纪末，这样的城市预计不会少于6 0 个。事实上， 根据预测，发展中国家有2 0 多个城市的人口到2 0 0 0 年将超过1 0 0 0 万。 我国过去一直是一农业大国，随着我国改革开放事业的发展和深入j 国民 经济持续稳定地增长，农村人口大量涌入城市，因而城市规模( 人口和面积) 发 展尤其迅速，使得城市交通运输的需求日益提高，交通拥挤现象也随之日益严 重。例如m ，1 9 9 0 年至1 9 9 2 年，北京市交通年负荷平均年递增1 4 1 ，车辆增 加1 0 力辆。近几年，全北京市交通流量每年以1 5 的速度递增，机动车增长 了7 0 ，而同期全市道路长度仅增加了2 0 。 虽然发展中国家各个城市的情况各不相同，差别很大，但是，以下基本的趋 势决定了对交通的需求：城市人口的大量增加导致交通运输的频次相应地增 加：机动化运输增加了机动车次和燃料的消耗；家庭收入的增加使更多的人 更加爱好旅游；汽车拥有量的显著增加，需要道路有更高的通行能力：工商 业活动的增加导致了服务车辆和货运量的增加。这些因素结合在一起，促使 交通运输的需求大量增加，从而给城市交通运输带来了一系列的问题。 第一章绪论 1 1 2 城市交通系统所面i 晦的问题 随着城市交通运输需求的增长，大多数城市都面临着严重的交通运输问 题。道路拥挤的状况越来越普遍，人员和货物的流动慢如爬行，运输成本正在 逐步上升。这些问题给城市的环境、经济、社会等方面带来的不良影响，大 致有以下几方面 ( 1 ) 、由于交通拥挤造成了大量的时闯延误和能源浪费，这给社会带来了 极大的经济损失。 由于城市机动车辆和自行车辆的不断增加，各大中城市道路拥挤已成为 一个有目共睹的现象。如我国北京，信号灯控制的交叉路口有2 0 0 多个，经常 出现拥挤的路口达4 0 多个，占五分之一。经常拥挤堵塞的街道达3 0 多条。 当处于早晚交通高峰期时，交叉路口处的阻车长度达1 0 0 0 多米。有的阻车从 一个交叉路口延伸到另一交叉路口，这时一辆车为通过一个交叉路口，一般需 要半个小时以上的时间，还不如步行快。 ( 2 ) 、由于各种交通事故造成了大量的人员伤亡。 这种事故的死伤人数远远超过了其它事故，如火灾、爆炸等。全世界每 年平均有5 2 万人死于交通事故，受伤人数在1 0 0 0 万左右。根据一些国家近 几年来的统计，每年交通事故致死人数为；美国4 6 0 0 0 5 6 0 0 0 人，西德 1 4 0 0 0 1 9 0 0 0 人，法国1 3 0 0 0 一1 7 0 0 0 人，奥地利2 0 0 0 2 5 0 0 人，r 本 1 4 0 0 0 1 7 0 0 0 人，波兰3 0 0 0 4 2 0 0 人，南斯拉夫3 6 0 0 - - - 4 5 0 0 ，整个欧洲大约为 9 0 0 0 0 人。全世界平均每年有5 2 万人死于交通事故。由此足以看出交通事 故是个极其严重的问题。 ( 3 ) 、由于车辆废气和噪音的影响，城市环境的质量不断下降。可以说车 辆废气和噪音是城市污染的主要来源之一。 不断增长的城市噪音和污染、道路与建筑的振动、以及城市的土地不断 地变成道路，是发达的城市交通运输给城市带来的第三个消极影响。可以说， 车辆是影响城市环境的罪魁祸首，其影响比工厂更甚。对发达国家的调查表 明。汽车排出的污染物占大气污染物总量的6 0 以上。交通噪音占城市环境 噪音的7 0 以上。在我国交通噪音所占的比例也达4 0 左右。 ( 4 ) 、不断为增加着的车辆扩展交通面积，使本来就缺乏的城市土地资源 显得更为紧张。另外，大量车辆对能源消耗也相当惊人，而能源危机又是世 界所关注的问题。 交通对资源的消耗是相当大的。这里的资源包括两个方面：能源和土地。 2 西南交遥大学博士学位论文 在城市交通运输系统中，能源消耗高度依赖于运输系统的运行状态。这首先 表现在当驾驶速度增加时，能耗将明显增加。但这还不是主要的，主要的是车 辆做加减速运动时消耗的能源。因此，在拥挤情况下，由于车辆不得不频繁地 加减速和启动、制动，能源的消耗很大。一般地，在拥挤状态下的能耗是最优 状态的2 倍。在交通高峰期，这个比率将增加到3 3 倍，短期内可达到8 8 倍。 统计数据给出这样一个事实：如果一辆汽车在7 k m h 和8 8 k m h 加减速1 0 0 0 次，那么其燃料比均速运行时多消耗6 0 升，对于卡车则多消耗1 4 4 升。我国 有资料表明，在日通过量为l 万辆的交叉路口( 稀疏交通状态) ，如果每辆车仅 刹车一次，则损失人民币2 0 0 元。 再看土地的消耗问题。在美国，城市面积的2 8 被公路、车辆占用。在 佐治亚州的亚特兰大市的商业区5 4 的面积被用作道路和停车场。即使这 样，在高峰期还显得不够。过去的经验表明。建设更大、更多的交通面积仅仅 能在一个很有限的时期内缓和一下交通问题。因为汽车拥有量的增加和城市 对交通的需求量的增加比城市所能提供的交通面积的增加快得多。在l q 本 从1 9 6 5 年到1 9 7 2 年的7 年间，机动车辆从2 2 0 万辆增加到1 2 5 0 万辆，为原 来的5 7 倍，显然不可能为这些车辆提供足够的空间。1 9 6 9 到1 9 7 0 年间东 京的m e t r o p o l i t a n 高速公路大约每天发生六起交通完全堵塞事故。这种拥挤 现象是5 0 年代从美国开始的，六十年代中期迅速在西欧蔓延，东欧国家也开 始面临同样的问题。可以说目前拥挤情况在时间上日益频繁在空间上日趋 广泛。 我国的交通密集度也在日益上升。自1 9 4 9 年到1 9 8 0 年，机动车辆的平 均增长率为1 2 3 ，1 9 8 0 年全国机动车辆总数达1 7 8 万辆，1 9 8 5 年达4 0 0 万辆， 此期间的平均增长率达1 7 6 。自行车1 9 8 1 年全国总数为1 1 0 5 4 万辆，1 9 8 2 年为l3 6 0 0 万辆。道路的增长远不能适应与日俱增的交通量需要。如长沙 市，1 9 6 5 年车均道路面积为1 0 9 8 辆，而1 9 7 2 年为o 3 9 0 5 辆，到1 9 8 2 年已下 降到0 1 4 8 6 辆。 ( 5 ) 、国内外由于自行车和小汽车的普遍使用使公共交通系统的运行效 益只益下降。公共汽车运行速度的下降，又使得个人交通工具的数量剧增，从 而带来一系列社会问题。它使交通密度过大、事故频繁、交通堵塞、机动车 辆速度下降、交通次序紊乱。 由于公共汽车的拥挤，服务质量低劣，迫使许多人对交通工具作出另外的 选择，一是自行车，二是单位班车。由于单位班车利用率低、载客量少、闲景 时间多、回程放空，不但造成人财、物力的浪费，而且造成能源、道路利用率 第一章绪 论 的浪费，更增加了道路的交通流量。自行车灵巧方便，能在大街小巷穿越。特 别是一小时以内的短距离比公共汽车更省时省事。例如，骑自行车可不用为 寻找车站走路，不用花时间等车，不用挤车。但由于自行车大量涌上街头，抢占 了不少机动车辆的地盘，引起了交通事故的不断发生。根据统计，交通死亡事 故中，3 0 是由自行车引起的。但由于上述优点，越来越多的人转向了自行车。 一般地，7 0 年代以前进择公交系统的多于自行车，但进入8 0 年代后，这个方向 发生了逆转。如长沙市，自行车从1 9 7 6 年的1 6 6 万辆发展到1 9 8 2 年的3 2 万辆三年中增加了1 0 0 。而同时期月票只增加7 4 ，其中大部分增加是因 为学生月票发展很快。这说明成年人对自行车的选择已超过了对公交车的选 择。这种现象在天津更为突出。我国一些城市的自行车、公共汽车的交通结 构形式已经走到了以自行车为主的阶段，并且自行车正在迫使公共汽车降低 行速，有时甚至低于自行车的速度。 与此同时，这些年随着我国经济突飞猛进的发展，人们生活水平的提高，私 人小汽车的拥有量大量增加，大有小汽车泛滥成灾的趋势，这更加重了交通的 拥挤程度和资源消耗问题。 总之，交通拥挤、环境污染、事故伤亡、资源( 能源和土地) 紧张、城市效 益低下等，是各大中城市目前所面临的主要问题。如果这些问题得不到解决， 那么许多发展中国家的城市交通运输四通八达将非但不能达到预期的目标， 反而会削弱城市的效益。因此，解决交通运输问题成了发展中国家政府所面 临的主要任务之一，主要原因是这些国家不断发展的城市在经济上具有重要 的意义。事实上，大多数发展中国家城市部分的产值至少占国民生产总值 的5 0 ，有些国家则达到7 0 。显然，有效的交通运输系统有助于最大限度地 提高城市的经济效益，而一个低劣的系统则会妨碍经济增长。此外，一个城市 是否具备一个完善的、科学合理的内外交通运输系统，还是现代化城市的 个重要标志。 1 1 3 城市交通系统的特性 如上所述。目前，不论是在发达的国家和地区还是在发展中的国家或地区， 亦或是在落后的国家和地区，在城市交通运输方面都面临着严峻的问题。然 而要彻底解决这些问题，几乎是不可能的。这主要是由城市交通运输系统的 特性所决定的。 城市交通运输系统的主要组成部分是：人、车辆、信号灯及道路等，它 4 西南变通大学博士学位论文 具有如下一些特点： ( 1 ) 、它是一个规模庞大、因素众多的系统。 城市交通网络通常由几十个到几百个甚至上千个交叉路口和街道组成， 包括几百个到上千个信号灯。有些系统中还有相当数量的车辆检测器，所控 制区域通常是几十到几百平方公里。被控对象包括各种机动车辆、非机动车 辆和行人。系统中各种因素繁多，在人、车、路、控制设施等基本因素中还 包含众多因素。 f 2 ) 、交通系统是一个关系复杂、难以描述的系统。 在交通系统中，行人、车辆、驾驶员等之间都互相影响。由于人的主动 性，使得它们之间的关系错综复杂，不确定因素甚多。交通网络中的行人以及 车流的运动和分布都是随机的、时变的，要对系统中这些关系进行描述，要确 定系统中各因素的运动规律是相当困难的。此外，城市交通系统是整个城市 社会经济大系统的一个组成部分，它与许多社会经济因素有若千丝万缕的联 系。交通系统一方面受到城市结构、人口分布、产业布局、能源供应、环境 保护等因素的制约另一方面它受自身的有效性、经济性、安全性和可靠性 又直接或间接地影响着整个社会的工作效率、经济效益、人民生活和社会治 安等。 ( 3 ) 、交通系统是一个多层次、多目标系统。 由于交通系统规模庞大，因素众多，其内部结构呈现出多种层次。如从几 何规模上讲可分为点( 单个路口) 、线( 干线) 、面( 区域网络) 三个层次，交通系 统的各组成部分也可以形成各种层次。对于不同的层次需采取不同的管理控 制方式，但各层次又互相关联，因而必须注意各层次间的协调。交通系统的目 标也是多样的，各目标之间还可能出现矛盾。例如就公共交通来讲，它是整个 城市交通系统的一个构成因素，也可认为是个子系统，该子系统就具有提高服 务质量、改善经营管理、降低能源消耗、控制环境污染、增加企业收入等多 重目标。要保证系统持续稳定地发展，往往要统筹兼顾所有的目标，不能顾此 失彼。 由于交通系统的上述特性，使得对交通的控制和管理成为一个比较困难 的课题。 1 1 4 解决城市所面临的交通运输问题的方法及本文将傲的工作 尽管城市交通运输系统的上述特点，淡得所面临的各种问题的解决变得 第一章绪论 十分困难，但由于这些问题的紧迫性，各国还是投入了大量的人力、物力和财 力来研究解决它们。本文也将在这方面做些工作。下面先简要叙述一下目前 存在或正在研究的一些方法。 ( 1 ) 、对于许多人为造成的交通拥挤，可以通过加强交通及管理法规等来 解决如： 合法地和非法地在街道上停放车辆； 货运卡车和客运汽车在街道上装御货物和上下乘客； 在街道上进行商业贸易活动； 高比例的非经济型道路使用者，特别是私人小汽车； 互不相让或控制失当的交通状况，包括行人的流动； 中心地区严重的交通混乱； 速度极慢的人力车或畜力车； 失修的路面和照明不足的街道： 交通事故或抛锚的车辆； 普遍缺乏对交通法规的了解，执法不严； 般地说，如果是道路通行能力的降低使交通状况令人难以满意的话，那 么上述的许多或绝大多数问题就很有可能发生。 ( 2 ) 、在城市交通系统中，有各式各样的车辆，对某些车辆的管理作出合理 的政策性倾斜，比如公交车辆优先( 设置专门的公交车道) 等，从而使得交通拥 挤得到缓解，环境污染得到改善。 ( 3 ) 、近几年来l5 1 1 2 ”，在许多大城市内，由于交通量的迅速增长，造成了公路 阻塞，交通事故增加和环境污染等现象。为了能促进交通运输，提高安全，充分 利用交通设施和能量资源。为了保护环境，在欧洲、日本和美国等国家和地区， 工程技术人员们提出了一个新的设想，把它称为i t s 系统，即i 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 s 。i t s 寻求把先进的计算机通讯技术和信息技术应用 于车辆运输网络( v e h i c l e st r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k s ) 和运行规划，以便缓解交通 阻塞和旅行延迟、提高安全、减少大气排放和能源消耗以及增加运输投资的 生产力等。目前，i t s 在城市交通运输领域内，是一极其热门的研究方向，美国、 只本和西欧等己在这方面投入了大量资金和研究人员。 一般地，i t s 由三部分组成：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 s ( a t i s ) 、a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m s ( a t m s l 和a d v a n c e dp u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( a p t s ) 组成，如图1 1 1 所示。a t i s 提供历史的、实 时的和预测的信息以供出行者作出决策；这反过来会影响个体的旅行选择， 6 西南交通大学博士学位论文 从而改善旅行的时间和质量。其中的路径诱导系统的成功运用，更会减少旅 行时间、拥挤和交通事故。a t m s 利用新的信息来优化信号系统、高速公路 纵坡控制和可变的信息标志。a p t s 应用先进的导航、信息和通讯技术于公 共运输系统，将顾客吸引到公交和车辆共享模式( r i d e s h a r i n gm o d e s ) 上来，从而 缓解交通拥挤、减少废气排放和能源消耗。 对于一个司机而言，在出发之前只需在计算机上输入旅行起点和旅行终 点，a t i s 的路径诱导系统就会告诉他当时的最佳行驶路径，该行驶路径是实时 变化的，当他每临近一个路口时，就能从屏幕上获知应该转变的方向。实时 的、最佳的行驶路径，考虑了随时间变化的交通条件，是在对路径里程和交通 拥挤等进行综合评价后给出的。在随时变化的交通条件下，告诉司机最佳的 行驶路径，这是一个动态配流问题，不但要求有完善的控制模型，而且要有最快 的算法。目前虽有许多学者在这方面做了大量的工作，建立了各种数学模型 试图解决这一问题，但迄今为止，还无一个可靠而又有效的适用于大规模交通 网络的动态模型口”。有鉴于此，本文力图给出一适用于大规模交通网络的静 态和动态配流模型，并给出其算法；然后，结合所研究的模型，考虑司机信息系 统对网络交通流分配的影响，并建立分离率调整模型。这将是本论文的主要 工作。 7 第一章、绪论 1 2 城市交通流分配研究综述 1 2 1 静态配流模型研究简述 传统的静态交通网络配流模型是为长远运输规划而建立的f 7 j f 2 3 j 彤j 。城市 规划人员和交通工程师遇到的主要问题之一，就是预测各种交通网络改进方 案和管理规划对运量分布的影响。在某一确定时刻，城市区域中的任何道路、 交叉路口或公交线上发生的交通量，都是许多个体出行者的结果。出行者为 某一目的而决定是否出行、何时出行、采用何种交通工具、到何处去以及选 择哪一条路线等，这些决策部分取决于交通系统的拥挤程度以及交通阻塞点 的位置。而交通系统中任何一点的阻塞情况又取决于通过该点的交通量。静 态交通流模型就是描述出行决策和拥挤之间的相互作用关系的数学模型。文 献l ”i i ”1 ，就是解决在具有固定需求的交通网络中交通流如何分配这一问题。 通过对该问题的求解，预测在将来某一时期内，网络各路段上流量的合理分布， 从而了解路段的诸如旅行时间、拥挤、污染释放和能源消耗等性能。为了能 做到这一点，有必要对司机的行为作出合理的假定。最常用的标准是：交通 网络上的每一司机采用其始、终点问的具有最短旅行时间( 或最小效用) 的路 径。正是基于这一假定产生了网络平衡的概念。1 9 5 2 年1 9 3 1w a r d r o p 绘出 了用于交通流分配的两个重要的平衡定义： f 1 ) 、用户平衡( u s e re q u i l i b r a t i o n ) ：当交通网络达到u e 平衡时，在节点 r 和s 间如果有两条或两条以上的路径被出行者所使用，那么在被使用的路径 上，其费用( 旅行时间) 必定相同；另外，在节点r 和s 间，不存在费用更少的路径 而没被使用。 ( 2 ) 、系统优化( s y s t e mo p t i m i z a t i o n ) ：当交通网络达到系统最优时，整个 网络的总费用达到最小。 一般地，u e 被公认为是好的交通流分配程序的标准，而系统优化则是城 市管理部门希望实现的目标。 为了求解u e 配流问题，些著名学者研究了许多行之有效的算法。其中 两种常用的启发式算法一容量约束发【7 2 m 2 1 和增量配流法一被嵌入在许多早期 开发的软件包中，如美国联邦公路局( f h w a ) ，由麻省理工学院m a n h e i m 和 r u i t e r ( 1 9 7 0 ) 开发的软件d o d o t r a n s “i 中使用了增量配流法。然而，这些启 发式算法并不收敛于所期望的u e 平衡流模式1 5 6 1 1 6 9 l 。 8 西南交通大学博士学位论文 1 9 5 6 年i “i ，b e e k m a n n 等人首次提出了u e 规划数学模型，并证明了模型 解的存在性、唯一性和等价性。但求解这个模型的有效算法直到本世纪六十 年代才产生，特别是，当计算机出现以后，求解大规模配流问题才真正得到了实 现。d a f e r m o sa n ds p a r r o w ( 1 9 6 9 ) i ”1 对该模型进行了深入广泛的研究。求解 u e 规划的有效算法是方向搜索法，这是从f r a n k w o l f e 凸组合法演变而来 的。1 9 6 8 年，b r u y n o r g h e r t 2 1 等人首先提出了这一设想。m u r c h l a n d l 7 0 1 随后在 1 9 6 9 年正式将之理论化。而l e b l a n e e t 删等人在1 9 7 5 年用方向搜索法在一个 小型城市网络上进行了测试。s m i t h i “) ( 1 9 7 9 ) 和d a f e r m o s ( 1 9 8 0 1 4 ”，1 9 8 2 t 3 1 ) 研 究了路段相互作用非对称的更一般的模型。非对称路段相互作用情形，需要 将模型转化为一变分不等式问题( n a g u r n e y ，1 9 9 3 ) t 7 1 i 来进行研究。 静态u e 模型还有许多推广，比如联合出行分布方式路径选择模型 ( f l o r i a na n dn g u y e n ，1 9 7 8 ) ”和考虑居住位置的模型( b o y c e t ”1 ，1 9 8 0 ) 。上面的 确定性模型都是基于司机掌握完全信息且遵从u e 选择标准这一假设的。 由于w o r d r o p 的u e 标准隐含地假定了所有的出行者( 司机) 在决策行为 等方面是等同的、可靠的，而且他们了解整个交通网络的完全信息，但这在实 际拥挤的交通网络中显然是不可能的。考虑到诸如此类的情况，1 9 7 7 年d a g a n z o 和s h e f f i t “1 首次将w o r d r o p 的u e 推广，提出了随机用户平衡 ( s u e ) 概念：在s u e ，没有出行者能通过单方面改变路径选择来改善其意念旅 行时间( p e r c e i v e dt r a v e lt i m e ) 。s h e f f i 和p o w e l l j s 3 1 ( 1 9 8 2 ) 及d a g a n z o ( 1 9 7 7 ) i 4 】 给出了等价的s u e 数学规划模型。1 9 8 2 年，d a g a n z o 将离散选择模型应用于 s u e 问题。 求解s u e 问题的一个有效算法是m s a 算法。有很多学者诸如 a l m o n d ( 1 9 6 7 ) t “j 和f i s k ( 1 9 8 0 ) i l s j 等都对此进行了研究。p o w e l l 和 s h e f f i ( 1 9 8 2 ) 1 7 7 1 完成了m s a 算法的收敛性证明，并在小规模网络上进行了测 试。 b o y c e ( 1 9 8 4 ) 1 2 5 i 和s h e 侬( 1 9 8 5 ) t “1 。f r i e s z ( 1 9 8 5 ) t ”i ，f l o r i a n ( 1 9 8 6 ) i ”l 和 b o y e ee ta l ( 1 9 8 8 ) 1 1 8 i 等对平衡交通网络配流问题的建模和算法的发展历史做 了全面的叙述。在此就不赘述了。 1 2 。2 动态交通配流模型研究综述 静态u e 交通流模型主要描述网络上静态交通流的分布，这意味着在整个 高峰期交通流和旅行时间保持不变。这一假定对于分析交通网络长时期的形 9 第一章绪论 态是合适的，但对于在短时期内分析网络上交通流的分配情况显然不行。这 就需要建立短时期的或动态的模型，来预测路网上时相关的交通流的变化以 及车辆的时相关旅行时间。但是m i ，到目前为止，对动态配流问题，还无一个统 一的作为建立一个“合适的”或“永恒的”城市网络动态交通流预测模型的 意见。这主要有两方面的原因，一是由于时变网络环境的复杂性，另一方面是 由于在静态模型研究上的巨大投入所带来的知识上的惯性。尽管如此，由于 受近年来信息科学和技术进展的刺激，研究工作者们投入越来越多的力量来 研究动态网络模型。特别是随着智能车辆公路系统( 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 s ) 研究的深入，急需建立数学模型来提供实时交通信息，以便 用于先进的旅行信息系统( 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 ) 。可 以说，动态交通流分配模型是a t i s 的核心内容之一。 由于上述诸多原因，最近几年关于动态网络流的文献迅猛增加。尽管文 献中关于预测动态网络流模型的报告有各自的基本假定，呈现出多样的局面， 但还是可以粗略的分为两类1 8 7 】： ( 1 ) 通过模拟发生在实际网络上的大量决策的个子集，来建立模型以确 定动态流的分配。 ( 2 ) 通过对网络出行人员行为对策理论( g a m e t h e o r e t i c ) 的描述，来建立模 型以确定动态流的分配。 根据规定的决策规则，交通模拟模型考虑司机的所有目标一导向( g o a l o r i e n t e d ) 决策( 例如，d e p a g u r e 。t i m e 选择，路径选择和在交叉口的转向百分比) ， 并确定他们之间如何相互影响。一般地，交通模拟模型有宏观模拟和微观模 拟两种。在微观模型中车辆的相互作用考虑得十分详细，比如说车辆的跟踪 ( c a r - f o l l o w i n g ) ，车道的改变和类似的微观行为。而在宏观模拟中，是以车辆组 成的整体方式( a g g r e g a t ef a s h i o n ) 加以考虑的。例如，速度一流量的关系就是 从宏观上去把握车辆之间的相互作用的。i n t e g r a t i o n l 9 1 1 ( v a na e r d e ， 1 9 9 2 ) 、d y n a s m a r t ( m a h m a s s a n i e ta l ，1 9 9 2 l o “，j a y a k r i s h n a ne ta 1 ，1 9 9 5 【4 3 】) 和t h o r e a u ( c o d e l l ie ta 1 ，1 9 9 2 ) 4 4 就是几个模拟模型的例子。b e n a k i v ae t a 1 ( 1 9 9 4 ) t ”i 和q iy a n g 等1 7 8 1 给出了基于模拟的动态交通流分配模型。 动态对策理论的网络模型企图确定司机为实现所给定目标( 比如，尽可能 地在9 ：0 0 到达工作地点) 的决燕。这些模型典型地描述了车辆之间在一种非 常抽象的方式下的相互作用( 甚至比宏观模拟模型中更为抽象) ，但仍然说明了 不同决策的时变性( t h e “t i m i n g ”) 如何影响这些相互作用。这与忽略了时变特 性情形的传统静态模型形成了鲜明的对比。 1 0 西南交通大学博士学位论文 动态对策理论模型又可根据所用数学方法的不同分为四类：数学规划模 型、最优控制模型、变分不等式模型和动态系统。 最优控制模型将路段输入流和外来流作为控制变量，建立一极值问题模 型，其解响应于各种动态广义w a r d r o p 第一原理( u e ) 。第一个发表关于这方 面的模型是f r i e s ze ta l t 8 8 q 9 8 9 年提出的，他将弧的输入流作为连续时间的控 制对象。随后，r a ne ta l t 2 9 1 ( 1 9 9 3 a ) 认为将弧的输入流和输出流都作为控制变 量更为合适，但这样做必须加上流的传播约束。f r i e s ze t a l1 9 9 4 1 ”1 运用了连 续时间变分不等式控制模型。模型中通常的最优控制问题的性能指标被变分 不等式所取代，并考虑了流的传播约束以克服r a ne ta l ( 1 9 9 3 a ) t 8 引模型的缺 陷。 同样，可以提出离散时间控制模型。事实上，连续时间最优控制模型的离 散化可以转化为有限维空间中的数学规划模型。离散时间数学规划模型也可 在根本不考虑最优控制条件下建立起来。但大多数数学规划问题和离散时间 最优控制问题一般考虑的都是系统优化而不是用户平衡，这限制了它们与网 络流预测的关系。然而，d r i s s i k a i t o u n i ( 1 9 9 0 a ) i ”i j a n s o n ( 1 9 9 1 ) 1 1 6 1 ，d r i s s i k a i t o u n i 和h a m e d ab e n c h e k r o u n ( 1 9 9 2 ) t 75 l 的论文在一定程度上解释了动态用 户平衡。 1 9 9 3 年f r i e s ze aa 1 1 9 0 1 第一个提出了一般网络动态用户平衡的变分不等 式模型，模型中考虑了出行时间和路径选择。他们将动态网络流用户平衡定 义为时变模式