（交通运输规划与管理专业论文）基于微观交通仿真的交通分配方法研究.pdf

摘要 城市路网交通流是一种网络交通流，它是一个复杂的，具有开放性、自适应 性和具有突变特征的系统。具有完全不同于公路网的时间特性和空间特性，为更 加准确的反映城市路网的实际交通流分布情况，本文提出了考虑交叉口分流向延 误的动态交通分配模型。 通过对动态交通模型和实际交通状况的分析，对动态交通分配模型平衡条 件、分配前提等作了标定，并对考虑交叉口分流型延误的路网模型进行了新的标 定，确定其表达方式和数学符号。为提高模型的实用性，减少计算量，本文对模 型进行了第一个改进：提出将道路阻抗划分状态进行动态交通分配的方法，并分 别对路段、交叉口的道路阻抗进行了定义、划分方式说明等。其后，给出了考虑 交叉口分流向延误的最短路径选择算法，以及使用状态路阻情况下的动态交通分 配模型；本文对模型进行的第二个改进是：建立微观交通仿真数据，使用仿真数 据结合路段走行时间和交叉口延误公式来划分和确定道路阻抗，并应用于上面的 动态交通分配模型。并对该方法的可行性、可靠性作了论证。 文章结合工程实际中收集交通流量流向数据库，使用微观交通仿真软件 v i s s i m 进行微观交通仿真。建立了示例性的交通仿真数据库，并以此为依据进 行了动态状态交通分配。然后，对该分配下的路网进行实际应用分析，提出实际 应用的方向。最后对本文研究方法结合g i s 、i t s 以及数据挖掘技术的发展前景 作了展望。 关键词：动态交通分配交叉口延误微观交通仿真数据库 a b s t r a c t t h et r a 伍cn o wo fu r b a l lt r a l l s p o r t a t i o nn e t w o r ki san e n v o r kf l ow ，i tac o m p l e x o p e 肌e s sa d a p t i v i t ym u t a t i o ns y s t e m u r b a nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ki sc o n t r a c tw i t h t h eh i 曲w a yn e t w o r k ，s ot h e r ei san e wd y n a l n j ct r 墒ca s s i g 姗e n tm o d e lh a sb e e n p u tf o n v a r d t h em o d e lt a k e st h ei n t e r s e c t i o nd e l a yo fd i h 色r e n tt u m si m ot h e a s s i g n m e n tc a l c u l a t i o n ，s ot h em o d e lc a nr e f l e c tt h eu r b a i lt r a n s p o r t a t i o nr e a l i 吼 b ys t u d yt h eu r b a nt r a f f i cn e t w o r ka n dm ed y n 姗i ca s s i g l l m e n tm o d e l ，o r j e n t s t h ee q u i l i b r i 啪c o n d i t i o n s ，p r e c o n d i t i o no ft h ed y n a m i ca s s i g 啪e n tm o d e l a n db u i l d an e wu r b a nt r a l l s p o n a t i o nn e t w o r km o d e l ，w h i c hc o n s i d e rt h ei n t e r s e c t i o nd e l a yo f d i 丘e r e n tt u m s t bi m p r o v et h ep r a c t i c a b i l i t ya 1 1 dt h ec o m p u t a t i o n a ic o m p l e x i t yo ft h e d y n 锄i ca s s i g n m e n tm o d e l ，m a k i n gs o m ei m p r o v e o nt h em o d e l t h en r s t a m e l i o r a t i o n ：p u tt h et r a m ci m p e d a n c ei n t op i e c e s ，a n dg i v et h em e t h o do fh o wt o d i v i d et h et r a f f i ci m p e d a n c eo fi n t e r s e c t i o na n dr o a ds e c t i o n t h e ng i v et h ea l g o r i t h m o fh o wt oc h o o s et h es h o r t e s tp a t ha i l dt h ed y n a m i ca s s i g m n e n ta l g o r i t l l i l l t h es e c o n d a r n e l i o r a t i o n ：m a k eu pam i c r o s c o p i ct r a 币cs i m u l a t i o nd a t eb a s e ，t h e nu s et h a t s i m u l a t i o nd a t at oc a l c u l a t et h ed y n a m i ca s s i g n m e n t t h e r em a k eap r o v i n go ft h e f e a s i b i l i t ya i l dr e l i a b i l i t yo ft h es t u d ym e t h o di nt h ep a p e l m a k j n gam j c r o s c o p j ct m 币cs i m u l “o nb y t h ev i s s i ma 1 1 d g a t h e r i n gt h e s i m u l a t e dd a t at ob u i l dam i c r o s c o p i ct r a m cs i m u l a t i o nd a t ab a s ef o ri n s t a n c e ，u s i n g t h ed a t at ot h ed y n a m i c t h e na n a l y s i st h ea s s i g n e dr e s u l ta 1 1 dp u tf o r w a r dt h eu s eo f t h e s er e s u l t si nt h et m 伍cw o r k s a ti a s tt h ep 印e rs h o wt l em o d e i sf o r e g r o u r i dt h a ti s c o m b i n e 谢t ht h eg i s ，i t sa i l dd a t am i n i n gt e c h n 0 1 0 9 ) k e ) w o r d s ：d y n a m i ct r a m ca s s i g n m e n t t h ed e l a yo fi n t e r s e c t i o nm i c r o s c o p i c t r a f f i cs i m u l a t i o nd a t ab a s es y s t e m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：，l 芬南冽、一f 年月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：毒，磊易桫弘一年月日 剐雅轹卜知 州引月f 加 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 城市是经济、文化、政治活动的中心，城市交通系统是承载这些活动的基本 构件。随着城市交通的迅速发展，一方面为社会发展注入了动力，另一方面也带 来了许多弊病，交通拥堵已经成为大城市的一大“病害”。目前交通工程建设项 目的规模越来越大、标准越来越高、交通系统越来越庞大、复杂，需要我们对交 通行为和交通流进行深入研究。对城市交通需求和交通流的形成机理进行全面系 统、深刻入微的研究，从本质上发现和解释交通拥堵、交通环境污染和交通安全 事故的产生原因和规律，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。 交通网络的宏观特性是由构成交通系统的人、车、路所具有的微观特性聚集 而成，在进行交通分析时，我们将城市道路网系统抽象成一个计算网络，以节点 表示交叉口，连线表示路段。分配的实质就是将o d 矩阵分配到具有时间、空间 特性的交通网络中。借助有向网络的若干理论与实践，许多宏观交通仿真模型已 将交通流空间分布和方向性差异考虑进去。但许多有关城市道路网宏观交通仿真 模型对交叉口延误进行简化处理，将不同流向的延误等同起来，忽视不同流向的 差异。本文针对上述问题，建立了体现城市道路交通的方向性及交叉口延误的城 市道路网宏观交通网络模型，并推导了基于模型的最短路算法。并提出建立仿真 数据库来确定路阻，并以此路阻来进行动态交通分配的动态状态交通分配方法， 1 1 1 城市交通网络特性 城市路网交通流是一种网络交通流，城市交通网络是由节点通过有限长度的 道路连接而成的，它是一个复杂、开放、自适应和具有突变特征的系统，具有某 条道路上的交通流所具有的微观特征，而整个网络特征却不等于所有微观特性的 简单求和。比如，我们称某条路径拥挤，并不需要该路径所包含的所有路段都拥 挤，只要有一个路段拥挤甚至某一点拥堵就够了。随着经济的发展和汽车拥有量 的增加，城市交通拥挤由不饱和流逐步向饱和流转变，交通拥堵不再是高峰时段 拥堵或某个节点拥堵那么简单。交通阻塞在不同的时间段内发生在不同的地方， 交通拥挤的程度决定了城市交通流的分布形态。尽管我们判断这条路径是拥挤 的，但出行者却可以通过选择别的路径或改变出发时刻或改用其它出行工具来避 免拥挤。因此，当把交通流研究扩展到网络范畴时，变数就更大了。网络交通流 的形成机理研究更多地涉及人的行为，而复杂的交通行为受信息、价值标准、判 断准确性以及理性程度的综合影响。 城市道路网系统的另一个重要的特点是交通流在交叉口处有着不同程度的 延误。对于公路网系统而言，交通流在交叉口处的延误只占全部行程时间的一个 很小比例，故而可以忽略不计。而城市道路网系统中交叉口延误构成整个行程时 间的很大一部分，可能会超过路段行驶时间，极大的影响到驾驶员的路径选择行 为。这些延误也具有一定的方向性差异，比如，交叉口进口道的右转、直行和左 转这三个方向的延误是不等的，差别显著。尤其是当前城市交通管理与规划的主 要功能之一就是对城市交叉口的交通管理与控制。多交叉口的实时流量控制状 况，信号配时等交通网络的交通控制系统使得交叉口成为管理控制研究的重点， 交叉口处交通流变化的研究更加显得重要。在城市交通网络中路段的交通特性同 样具有空间分布上的方向性差异，同一道路路段的不同方向上由于不同的交通流 到达率、流出率或其它内外因素的影响导致两个方向上有不同的通行能力、交通 流量和行驶时间以及方向分布上的差异性等。 交通流是交通需求的实现结果，是交通需求在有限的时间与空间上的聚集现 象。由于涉及人、车、路三者之间时间和空间上的相互关系，交通流的形成过程 是极其复杂的。综合运用行为科学、交通工程和信息科学知识，用数学物理模型 刻画人的出行决策、车辆跟驰和交通流量的网络分布，揭示城市交通流的自组织 演变规律与拥堵突现轨迹，是交通流研究的核心内容。由于交通流所具有的自适 应、动态、随机、反馈、多行为主体、非线性市交通流的基本特征，累计效应、 奇怪吸引型、开放性进一步加深了交通流问题的复杂程度。美国洛斯阿拉莫斯国 家实验室的物理学家们在研制交通分析模拟系统t r a n s i m s 的过程中发现，交 通流问题不比他们所研究过的物理学问题简单。 通过上面的分析可见，城市交通网络系统是一种具有时间和空间特性的复杂 系统。要求我们对城市交通网络的研究能体现它的时间、空间变化的特性，并解 决由于交通问题复杂性带来的求解难问题，使研究方法具有可操作性。随着现代 交通理论、技术，新的研究方法的发展以及计算机技术在各领域研究中的应用， 2 为实现上面的想法提供了基础。 1 1 2 理论、技术发展 通过几十年的发展，国内外学者对交通分配问题进行了深入的研究。将运筹 学中不少关于网络性质的理论应用于交通网络研究，开发出大量以平衡分配模型 和非平衡分配模型为基础的交通流分配模型与软件。其中平衡分配模型要遵循 w a r d r o p 用户最优( u o ，u s e r0 p t i m u m ) 准则或系统最优( s o ，s y s t e mo p t i m u m ) 准 则，如固定需求平衡分配模型、弹性需求平衡分配模型和综合平衡分配模型等， 使个别交通参与者的出行费用最低，或者使交通网络上所有出行者的总出行费用 最低；而不采用w a r d r o p 准则，运用启发式解法或其他近似解法的分配模型则 统称为非平衡分配模型，如全有全无分配模型、容量受限分配模型、多路径概率 分配模型、随机分配模型和熵分配模型等。 随着对交通理论的深入研究，人们不满足于仅仅对已有网络的一般性定理和 方法稍加修订应用于交通网络，而是进一步建立符合具体交通流特性的交通网络 模型。针对城市交通流特性的时间、空间变化特性，使建立的交通模型体现城市 交通的特点，分配结果吻合城市道路交通的实际，研究者们提出了动态交通分配 模型，并进行了大量研究，这些模型是本文改进交通分配模型的基础。 动态交通分配理论发展至今，有许多研究人员提出了各种解决办法，建立了 许多模型，取得了一定的成果，但该领域还处于研究探索阶段，在求解的算法上 还应进行更深入的探讨。对于动态交通网络模型的分析主要分为两大类：基于宏 观交通流的动态交通网络模型这一类模型主要指动态交通分配模型，交通流模型 主要采用了宏观交通流模型，格林希尔治三参数模型，驶入驶出模型( i 0 模型) 等。宏观交通流模型可以用来分析大型交通路网的动态交通现象；第二种是基于 微观车辆的动态交通网络模型，是考虑了交通流中车辆的加、减速、超车，驾驶 行为等特性要素，以及排队的形成、消散等现象。这类模型在当前主要借助于计 算机仿真技术，以直观的形式表现路网以及路网特征点的动态交通现象。由于城 市路网结构复杂、交通方式组成多样，并且研究中要考虑交通管理措施的影响， 所以仿真的方法较分配的方法除了能考虑随机现象外，更强的优势是不需要将以 上的条件进行简化或假设，但仿真模型无法从其模型本身解释其内部机理的可行 性，较动态交通分配方法的理论性差一些。 动态交通分配与静态交通分配的最大区别在于确定实时的路阻，这就需要掌 握交通流的特性。物理学家k e m e r 、h e l b i n g 、n a k a y 蛐a 、b a l l d o 等2 0 世纪9 0 年代以来在p h y s i c a lr e v i e we 、p h y s i c a lr e v i e wl e n e r 、t r a i l s p o r t a t i o n r e s e a r c hp a nb 等著名刊物上发表了许多关于微观交通流研究的论文。著名刊 物t r a i l s p o n a t i o nr e s e a r c h p a nb 和t r a i l s p o n a t i o ns c i e n c e 上，交通科学家、 数学家和经济学家关于交通流、特别是网络宏观交通流分布研究的论文也大量发 表。道路交通流模型的研究正在迅速发展，取得了不少成果。而交通仿真技术也 随着计算机和系统仿真技术的发展而发展起来的，它经历了三个发展阶段：第一 阶段：2 0 世纪4 0 年代至6 0 年代初诞生，以如何进行交通流仿真为主。第二阶 段：2 0 世纪6 0 年代初至8 0 年代，重点研究了交通流仿真方法及其模型建立， 与此同时，大量的交通仿真软件被开发出来，一类以宏观交通仿真模型为基础， 另一类为微观交通仿真模型为基础。第三阶段：2 0 世纪8 0 年代初至今，交通系 统仿真开始呈现出综合性、大型化的趋势，并且现代计算机技术应用，使得仿真 界面变得更加友好，人机交流更加方便。这些都为实现本文想法奠定了基础，本 文将交通微观仿真作为一种试验手段，将仿真数据进行处理，作为实测数据的有 力补充，结合数学方法确定路阻值进行动态交通分配。在这里微观交通仿真是作 为一种试验工具出现在系统中。 系统另外一个重要组成部分是数据的处理方法，新的数据处理技术、软件的 开发使应用领域的二次开发更为便捷。数据库系统所具有的整体结构化、共享性 高、独立性高等特点，恰好符合数据量大、数据类型多、关系复杂的交通系统数 据存储和相关处理。数据库系统自2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代流行至现在逐渐被 关系模型取代。发展至2 0 世纪8 0 年代以来的面向对象的方法和技术在计算机各 个领域，包括程序设计语言、软件工程、信息系统设计、计算机硬件设计等各个 方面都产生了深远的影响，也促进数据库中面对对象数据模型的研究和发展。数 据库技术的逐步成熟，为用户处理海量数据提供了更好的研究平台。 1 1 3 研究意义 理论的发展和技术的进步为论文的研究提供了坚实的基础，在此背景下分析 城市交通网络和交通流的特性，提出本文对交通分配方法的改进研究。 研究者对动态交通分配方法和应用研究做了大量的工作，但是对于实际应用 4 动态交通分配还有相当的难度，主要问题是计算量大、计算方法复杂和交通流量 流向数据难以获取。在不断进步的理论、技术背景支持下，对于动态交通分配的 研究方法不断进步，本文也在此背景下，在前人研究的基础上对动态交通分配方 法进行研究和改进。 动态交通分配模型较静态交通分配模型更适合描述状态随时间变化大的城 市交通网络，并且驾驶员会根据不同的交通状态选择不同的路径出行，在不同时 段考虑不同的道路阻抗是有现实意义的。为更符合城市交通网络的实际，改进动 态交通模型，道路阻抗不仅考虑不同时段、不同交通流状况下的路段走行时间变 化，而且考虑交叉口分流向延误。这样的改进更符合城市交通网络的时间，分配 交通流的过程中可以体现路段和交叉口的状态变化，能够更清晰的反映出交叉口 处交通管理和控制措施的效果，可以作为智能交通体系的理论基础。论文对动态 交通分配时的另一个改进是对路段和交叉口各流向的路阻划分状态，以减少计算 量，提高可操作性。此外，本文的路阻确定是依据微观交通仿真数据来确定，微 观交通仿真是作为一种工具出现在本系统中，使得本文的研究方法更类似于一种 实验的方法。由于实验的可调整性和可重复性，本文方法在方案选择和方案评价 等多目标体系中具有良好的应用前途。系统将建立交通系统数据库来存储交通网 络信息和仿真数据，使得模型本身的修改和数据库的增删、修改更为便捷，也提 高了数据的利用率，便于进一步的方法研究和验证。 本文结合宏观动态交通网络和微观动态交通网络分析两种方法的优势，提出 了新的解决动态交通问题的思路。本文研究方法的改进具有较大的现实意义，及 操作性和相当大的开发空间。 1 2 国内外研究现状 近几年国内外研究对于动态路径选择模型主要有以下两大类：动态系统最优 和动态用户最优。其中动态用户最优又包括预测性的动态用户最优、反应型动态 用户最优、随机动态用户最优、模糊动态用户最优等几种路径选择方法睇j 。 从动态交通分配理论提出至今，国内外众多学者在动态交通分配、动态交通 流模型、出行需求分析、司机行为分析等方面做了大量的工作，其研究主要涵盖 如下几个方面1 3 】： ( 1 ) 动态交通需求：研究各种出行行为在出行时间、出行方式、出行目的 地等方面的动态特性，即出行行为与其他因素，如路网状况、天气、突发事件之 间互相影响的关系； ( 2 ) 狭义动态交通分配：研究网络交通状态( 如流量、密度、速度) 、行驶时 间、费用、延误、两点间最佳行驶路线等随时间空问的变化规律，在既定交通供 给状况和己知交通需求状况下，分析其最优的流量分布模式，为实时交通控制与 诱导提供依据； ( 3 ) 司机行为学：研究行驶过程中，司机行为受道路条件、路况、交通信 息等影响的变化规律： ( 4 ) 路网特性随时间变化的规律及其路网状况的影响； ( 5 ) 各种环境因素多交通状态的聚集影响，如交通信息发布频率、内容及 覆盖程度等。 按照不同的研究方法来看，动态交通分配的发展主要有两个分支：分析模型 和模拟模型，而分析模型主要有三种研究方法：数学规划方法、最优化控制方法， v i 模型。 1 1 3 国外研究现状 最早用数学规划方法来解决问题的是m e r c h a m 和n e m h a u s e rf 1 9 7 8 a 、 1 9 7 8 b ) 提出来的离散的、非凸的非线性规划模型h 。随后许多研究者提出了新的 方法和理论，将数学规划的动态交通分配扩展到多目标规划模型。但此类方法也 存在着许多不足，如对于一般网络缺乏一种有效的解法。与数学规划方法不同， l u q u e 和f r i e s z ( 1 9 8 0 ) 吲提出一个应用最优化控制理论解决动态系统最优模型 的新思想，将m n 模型改进成为一个连续的最优控制问题，最优值条件由 p o n t r y a g a i n 极大值定理获得。动态交通分配的最优控制模型是最优控制理论在 交通领域的成功应用，其完备的理论体系为解决动态交通控制与诱导问题提供了 清晰的思路。到目前为止，最优控制模型仍然是应用最为广泛的模型，但最终缺 乏一个行之有效的算法。除了数学规划模型和最优控制模型以外，研究较多的还 有v i ( v a r i a t i o n a li n e q u a l i t y ) 模型【6 】，将动态交通分配分解为网络加载和网络分配 两个过程。但是在动态交通中，随着路段流量的变化，用户的最小旅行时间是随 时变化的，车辆在行驶过程中会不断改变路径，所以v i 模型不太适用于真实的 交通网络，但是它的网络加载和网络分配方法可以应用于计算机模拟技术上。 最早的计算机模拟模型是由y a g a r ( 1 9 7 0 、1 9 7 1 、1 9 7 4 ) 提出的，该模型满足 w a r d r o p 用化最优原则，考虑了随时间变化的需求以及排队的形成。y a g a r ( 1 9 7 0 ) 也提出了一个具有启发性的动态系统最优模型的算法，该算法被、a e r d e 和 、她a r ( 1 9 8 8 ) 改进。b r a s t o w ( 1 9 7 3 ) 提出了另一个动态用户最优问题的计算机模拟模 型。在他的模型中，随时间段为常值的需求函数通过流量密度关系转换为随距 离分段为常值的函数。此外，m h m a s a l l i 和p e e t a ( 1 9 9 3 ) 、j a y a k r i s h n a n ( 1 9 9 2 ) 的 模型也是计算机模拟的模型。 动态交通分配模型大致可以分为3 种：动态用户均衡分配( d u e ) 、动态系 统最优分配( d s o ) 、动态用户最优分配( d u o ) 。使用哪种模型要视交通网络 的信息提供技术和出行者的决策水平而定。就目前国内情况，动态用户均衡模型 可能比较合适。当智能诱导系统实现后或准备开发应用时，使用另外两种模型。 而目前的发展以分析模型和模拟模型为主，但是遇到的难题是，无论哪种模型， 都是非线性、非凸、超大规模的，很难找到有效的求解算法，况且这些模型还不 能完全揭示实际环境中的交通行为。 动态交通分配模型还可以从另外一个角度分为两类：反应型和预测型。反应 型模型让出行者根据当时的交通状况选择当时成本最低的路径，由于交通状况有 很强的时变特性，这类模型可能让相同0 d 对、相同时间出发的出行者在不同 的时刻到达目的地。w i e 等( 1 9 9 0 ) 、l 锄等( 1 9 9 5 ) 、r a l l 等( 1 9 9 3 ) 、k u w a l l a r a 等( 1 9 9 7 ) 中提出的模型都属于这一类。预测型分配模型让出行者根据一段时间 的交通状况来决定最佳行驶路径，即最佳路径是在体验到的实际行驶成本上决定 的，f r i e s z 等( 1 9 9 3 ) 、s m i t h ( 1 9 9 3 ) 、h e y d e c k e r 等( 1 9 9 6 ) 中提出的模型可以归 于这类6 1 。 1 1 3 国内研究现状 对比国外常用方法和国内实际的基础上，不断有学者提出了新的动态用户最 优条件和新的路阻函数确定方法，提出在离散化的条件下分析动态交通建模的约 束条件，并在此基础上建立动态用户最优配流的变分不等式模型，并对此模型用 修正投影算法来求解，在每一个小时段给出路段流入率、流出率及路段流量，从 而进行动态交通分配【”。 分析动态交通分配的建模基础和动态交通网络模型中的动态路段行程时间 函数，通过实例分析对比国外常用几种动态路阻函数，指出其优缺点。利用交通 流理论中的集散波原理提出排队长度的s q 模型，用于计算动态交通网络的动态 路段行程时间【8 】。 黄海军领导的课题组所进行的国家自然基金资助项目“城市交通网络中运量 的动态平衡分配模型与算法”在多起点多讫点的一般结构城市交通网络上建立 了离散动态均衡的交通分配模型，模型允许出行者对路径和出发时间同时进行选 择，用确定性排队理论直接描述排队的生成与消减，所设计的路段行驶时间计算公 式可以使网络节点处的排队车辆满足“先进先出”原则，路径时间的计算呈现嵌 套结构。模型用变分不等式表达，再转换成等价的零极值问题。研究了动态用户 均衡解的存在性。用动态投影系统方法 设计了能模拟一般系统向均衡状态演进 的算法。这种算法模仿自然动态系统从非均衡到均衡的转变过程，即按照某种规 则不断地交换和调整出行者的路径和出发时间，以达到与动态用户均衡条件等价 的“零极值”最小化问题的极值点。研究了算法的稳定性并且在格子网络上完成 了计算验证。用所构建的动态模型，研究交通信息系统提供的信息对交通行为的 影响一j 。 此外，动态交通分配由于考虑了时间因素，将二维的静态分配问题变成了复 杂的三位动态分配，确定路阻是的精度上就有更高的要求。交通工程研究者们提 出了各种针对动态交通分配的道路阻抗研究：北方交通大学的袁振洲根据交通流 波动理论，提出了计算交叉口排队车辆数的模型，并给出了计算路段和交叉口延 误的模型【l0 1 。也有部分研究者使用模拟技术进行动态交通分配的研究，一般是 按照w 矾r o p 用户平衡原理进行交通流分配，同时考虑时变需求的车辆排队过 程，并进行各方面的改进【1 l 】。 1 3 论文结构 动态交通分配能够比静态交通分配模型更好地反映实际交通状况，但是动态 交通分配模型计算复杂、计算量大。本文按照w a r d r o p 用户平衡原理进行交通流 分配，对路段和交叉口行程时间和延误提出一种折衷的方案动态状态交通分 配模型，即对路段阻抗和交叉口阻抗划分状态；在确定路阻时使用微观交通仿真 技术建立交通仿真数据库进行动态交通分配的研究。具体的方法设计和系统构建 在下面章节中详细论述，以下是本文论文包括的六个章节主要内容： 第一章绪论，从城市交通网络的特性和目前理论、技术发展的背景阐述动 态状态交通分配的意义，分析城市交通网络模型中考虑交叉口延误的必要性、本 文研究意义，介绍微观交通仿真数据库建立背景和意义，最后概述各章主要研究 内容。 第二章本章将建立动态状态交通分配的基本框架，其中包括分配模型中分 配方式的选择、交通阻抗的确定、数据处理方法等的思考方式和研究方法的选择 选择。最后给出本文研究方法的基本流程图。 第三章介绍动态交通分配模型，分析路段以及交叉口交通流特性，介绍动 态状态交通分配路段、交叉口阻抗的确定方法，以此建立考虑节点延误的动态分 配模型。 第四章阐述微观交通仿真试验的原理及数据分析过程，对仿真试验进行标 定并验证试验数据的可靠性。以试验数据为依据，建立可供动态交通分配模型适 用的数据库体系。 第五章介绍应用本文建立模型进行交通影响评价研究的基本框架。 第六章总结本文所做出的主要工作，并对本文提出研究方法作进一步展望。 第二章动态状态交通分配框架构建 本章将建立动态状态交通分配的基本框架，其中包括分配模型中分配方式的 选择、交通阻抗的确定、数据处理方法等问题的思路和研究方法的选择选择。 2 1 动态交通分配理论 动态交通分配的发展主要有两个分支：分析模型和模拟模型，而分析模型主 要有三种研究方法：数学规划方法、最优化控制方法、变分不等式模型，下面对 这几种方法分别进行阐述【4 】【5 】【1 2 】【1 3 】。 2 1 1 数学规划方法 最早用数学规划方法来解决问题的是m e r c h a l l t 和n e m h a u s e rf 1 9 7 8 a 、 1 9 7 8 b ) 提出来的离散的、非凸的非线性规划模型。k u l l l l t u c k e r 条件表明该模型 符合动态的w 矾m p 系统最优原则。在静态假定下，模型可以转换为静态的系 统最优分配模型。h o ( 1 9 8 0 ) 提出了模型的分段线性化算法。在m e r c h a n t 和 n e m h a u s e r ( 1 9 7 8 b ) 的文章中，m n 模型的分析是基于模型满足正则条件的假设 上的，c a r e y ( 1 9 8 6 ) 解决了该问题，证明了m n 模型确实满足正则条件，并在 1 9 8 7 年将m - n 模型改进成为非线性的凸规划模型，以上模型的最大缺点是局 限于多个起点、一个终点的简单网络。p a p a g e o g i o u s ( 1 9 9 0 ) 论述了动态交通分配 的一些框架性问题，提出了一些新观点，但未提出具体模型。j a n s o n ( 1 9 9 1 ) 在静 态交通分配的基础上提出了改进的动态交通模型，但其分配过程也是近似的，而 不是均衡分配。c a r e y ( 1 9 9 2 ) 首次提出了动态交通分配的f i f o ( f i r s t i n f i r s t o u t ) 规 则，文章指出当网络扩展为多个终点时，f i f o 规则的这个性质使得动态交通分 配的数学规划方法遇到了极大困难。j a i l s o n ( 1 9 9 2 ) 提出了一个多目标规划模型， 但是该模型的某些假设违反了f i f 0 规则。j a y a “s h a l l 和t s a i 等( 1 9 9 5 ) 改进了 j a i l s o n 的多目标规划模型，使其满足f i f o 规则。该模型利用改进的 g r e e n s h i e l d s 速度密度关系，建立了单调递增的凸的路段费用函数。l i u ( 1 9 9 3 ) 分析路段行走函数、路段流出函数和f i f 0 规则的关系，提出了满足f i f 0 规划 的路段流出函数形式，并建立了动态系统最优和用户最优模型。但此类方法也存 在着许多不足，如对于一般网络缺乏一种有效的解法。 1 0 2 1 2 最优化控制方法 与数学规划方法不同，l u q u e 和f r i e s z ( 1 9 8 0 ) 提出一个应用最优化控制理论 解决动态系统最优模型的新思想，将m - n 模型改进成为一个连续的最优控制问 题，最优值条件由p o n 仃y a g a i n 极大值定理获得。r a l l 和s h i m a z a k i ( 1 9 8 9 ) 、r a n 和b o y c e 等( 1 9 9 3 ) 、f r i e s z 和l u q u e ( 1 9 8 9 ) 、w i e 和f r i e s z 等( 1 9 9 0 ) 的文章中 建立的模型均采用了此种方法建模。最优控制理论方法建立的模型具有易于分析 的特点，这类模型通常在求解时被转化为离散时间形式的非线性规划、线性规划 问题求解。r a l l 和b o y c e 等( 1 9 9 3 ) 就是将一个连续形式的用户最优转化为一个离 散的非线性规划问题求解，解法采用f - w 凸组合法。l i u ( 1 9 9 3 ) 分析路段走行函 数、路段流出函数与f i f 0 规则的关系，提出了满足f i f o 规则的路段流出函 数形式，并建立了动态系统最优和用户最优模型。动态交通分配的最优控制模型 是最优控制理论在交通领域的成功应用，其完备的理论体系为解决动态交通控制 与诱导问题提供了清晰的思路。到目前为止，最优控制模型仍然是应用最为广泛 的模型，但最终缺乏一个行之有效的算法。 2 1 3v i ( v a r i a t i o n a li n e q u a l i t ) f ) 模型 除了数学规划模型和最优控制模型以外，近十年来研究较多的还有v i 模 型。s m i t h ( 1 9 9 31 采用了v i 理论建立了基于路径的动态路径选择模型，以及基 于路径的出行时间和出行路径双重选择模型。在基于路径的v i 模型基础上， r a n & b o v c e ( 1 9 9 4 ) 建立了基于路段的用户最优路径选择v i 模型以及基于路段的 用户最优出行时间和出行路径双重选择v i 模型。 v i 模型的基本思路是将动态交通分配分解为网络加载和网络分配两个过 程。网络加载过程就是将空间网络按时间离散展开将已经分配好的交通流量按照 其预计旅行时间和预选路径推演到按时间展开的网络图上。网络分配过程则是根 据这个按时间展开好的网络图进行一次均衡分配。然后再将分配结构迭加到网络 中，反复迭代直到收敛。 v i 模型的网络加载过程是基于路径的，因此用户在起点按照最小旅行时间 原则选定好路径后，就不允许中途改变路径。这样刁。能按照预计时间和预选路径 将交通量迭加到路网中，进行下一步的均衡分配。但是在动态交通中，随着路段 流量的变化，用户的最小旅行时间是随时变化的，车辆在行驶过程中会不断改变 路径，所以v i 模型不太适用于真实的交通网络，但是它的网络加载和网络分配 方法可以应用于计算机模拟技术上。 2 1 4 计算机模拟技术 最早的计算机模拟模型是由y a g a ( 1 9 7 0 、1 9 7 1 、1 9 7 4 ) 提出的，该模型满足 w a r d r o p 用化最优原则，考虑了随时间变化的需求以及排队的形成。y a g a r ( 1 9 7 0 ) 也提出了一个具有启发性的动态系统最优模型的算法，该算法被、铀a e r d e 和 y a g a r ( 1 9 8 8 ) 改进。b r a s t o w ( 1 9 7 3 ) 提出了另一个动态用户最优问题的计算机模拟模 型。在他的模型中，随时间段为常值的需求函数通过流量密度关系转换为随距 离分段为常值的函数。此外，m h m a s a i l i 和p e e t a ( 1 9 9 3 ) 、j a y a 蛐s 1 1 i l a n ( 1 9 9 2 ) 的 模型也是计算机模拟的模型。与数学规划建模方法和最优控制理论方法相比，计 算机模拟方法可以细致地描述各实体之间的差异，能直观地体现各影响因素之间 的交互作用，便于从时间和空间两个角度同时研究复杂系统的动态性。此外，直 观的模拟可视化界面还有利于对复杂系统特性的理解。 2 2 均衡分配的原理及前提 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的交通量都 是由许许多多个体出行者出行决策聚集的结果，出行者的决策取决于交通系统的 拥挤程度、不同交通方式的服务水平、以及出行者的个人属性和出行特性。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，因此，我们有必要根 据交通拥挤程度与出行决策间的相互影响来建立模型，并同时求解，进而获得交 通流在城市交通网路上的分布情况。 在进行交通需求分析时，往往把城市道路系统抽象成一个计算网络，当研究 对象是一个城市时，网络的节点为道路交叉点，连线为交叉点之间的路段；当研 究对象是一个区域时，网络的节点为一个城市，连线为城市间道路。交通分配问 题就是在已知城市交通网络、路段的特性函数和0 d 矩阵的情况下，求网络的 交通流分布情况及旅行时间。对于出行者来说，如果两点之间有很多条道路选择， 这些出行者显然会选择时间最短的道路。随着交通量的增加，最短路的旅行时间 也随之增加，增加到一定程度之后，最短路的旅行时间会由于交通量的增加而降 为次短路。如果所有的道路利用者都准确地知道各条道路的旅行时间并选择旅行 时间最短的道路，那么最终两点之间被利用的各条路径的旅行时间会相等，并且 会小于或等于未被利用的各条路径的旅行时间。此时，出行者不能通过单独改变 自己的路径而缩短其旅行时间，交通网上的交通流进入稳定状态。在此称这种状 态为道路网络的均衡状态。 为了解决交通分配问题，必须规定用户选择路径的准则，即分配准则。 这个准则实质上是说明交通需求随交通供给特性变化的函数。一方面，所有o d 对间的可选路径间存在着互相影响；另一方面，所有路段均具有各自的特性函数。 这两个方面就确定了整个网络上均衡交通流的模式及其相应的旅行时间。据此， w a r d r o p 提出了关于使用者选择路径准则的第一原理( 1 9 5 2 ) 、第二原理( 1 9 5 9 ) ， 其内容如下： w a r d r o 口第一原理：网络上的交通以这样一种方式分布，就是任一o d 对 间所有正在使用着的路径的出行费用都相等，并且小于等于未被使用的路径费 用。换句话说，任何一个用户在起点终点之间都不能找到一条旅行时间更短的路 径，这就是w a r d r o p 用户均衡状态。 w j r d m d 第二原理：网络上的交通分布，使得网络上所有出行的总费用最小。 满足w a r d r o p 第一原理的均衡状态为用户最优均衡，简称 u e ( u s e re q u i l i b r i u m ) 。满足w a r d r o p 第二原理的均衡状态是系统最优，简称 s o ( s y s t e mo p t i m u m ) 。当然并不是只有这两种均衡定义。因为虽然在某个特定网 络中均衡状态只有一种，但研究者分析问题时前提假设不同，就会有不同的均衡 定义。 一般来说，系统最优实质上是系统规划者所期望得到的一种均衡状态，其前 提假设是出行者间必须互相协作，所以是计划指向型分配原则。我们认为，出行 者的出行决策过程是互相独立的，路网上的交通流状态是出行者独立选择的结 果。系统最优交通流模式下，用户可以通过改变行走路径的方式来减少其旅行时 间。因此，出行者必然转向费用较小的路径，其结果，路网上的交通量分布最终 必然趋于使用者均衡状态。所以，用户均衡状态更接近实际的交通状态，或者说， 用户均衡状态能最好地描述路网上的交通状态，用户均衡分配准则是交通均衡分 配模型的基础。它的前提假设为：出行者了解整个网络当前交通状况下的全部信 息，而且能够持续做出正确选择，所有出行者的路径选择准则相同。动态交通分 配是在交通供给状况以及交通需求状况均为已知的条件下，分析其最优的交通流 量分布模式，从而为交通流管理、动态路径诱导等提供依据。因此动态交通分配 的首要前提是对每时每刻产生的出行需求及其分布的正确把握，在确定动态时变 交通需求的基础上，再对其进行正确的分配【” 。由于交通出行的目的性决定了 0 d 矩阵在动态交通分配中的重要作用，因此在分配中假定0 d 矩阵是可以获 取的已知确定量。除了己知时变交通需求以外，路网结构和路段的动态特性也是 必需的。在动态交通分配模型中，出于模型建立和求解的需要，往往假定路段旅 行时间和路段流出率是路段流量的函数，还假定路段中产生车辆发生在路段末端 节点，路段中吸收车辆发生在路段始端节点，这样车辆的产生和吸收只发生在节 点处，路段中间不吸收和产生车辆。 综上所述，动态交通分配模型的前提有1 1 6 】： ( 1 ) 路网拓扑空间结构己知； ( 2 ) 路网特性、路段旅行时间函数、路段和交叉口流出率函数己知； ( 3 ) 动态时变交通需求己知； ( 4 ) 车辆的吸收与产生只发生在节点处，路段中间不吸收和产生车辆； ( 5 ) 出行者了解整个网络当前交通状况下的全部信息，而且能够持续做出正确 选择； ( 6 ) 所有出行者的路径选择准则相同。 2 3 动态交通分配中路阻函数的确定方法 要进行城市交通系统的模拟就必须确定车辆在各个路段和交叉口上的行驶 阻抗，也就是路段走行时间和交叉口分流向的延误，以确定车辆所选择的路径。 下面从常用路段阻抗函数存在的问题提出改进方法。 2 3 1 道路阻抗确定方法 常用阻抗确定方法从分配模型角度可以分为静态模型阻抗和动态模型阻抗 两大类，一般静态分配模型阻抗函数，路段行程时间一般只与交通量有关。静态 分配模型中采用的路段行程时间一交通量函数的一般形式为： f 。；厂( 吼) 式中：，。一通过路段a 所需的时间； 吼一路段a 上通过的交通流量。 1 4 其中得以广泛应用的是美国联邦公路局的b p r ( b u r c a uo f p u b l i cr o a d ) 函数： “- ，触) 1 + 似 q 1 其中：c 。一路段a 的交通容量，即单位时间里可通过的最大车辆数；