（交通运输规划与管理专业论文）考虑控制空气污染物排放的动态交通分配模型.pdf

- _ 一 d y n a m i ct 脚f i ca ss i g n m m o d e l i n gc o n s i d e r i n gp o l l u t a n t e m i ss i o nc o n t r o l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y 後n gx i w e i s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rl it i e z h u s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 1 0 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已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 秒l 口 、1 0 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。 研究生签名：导师签名越日期：2 1 1 里堡 摘要 摘要 环境与发展是不可分割的，它们相互依存，密切相关。交通系统的可持续发展要求交通的发展 不能以损害和牺牲环境去谋求经济增长。而机动车作为重要的交通工具，其保有量正以迅猛的速度 增长，交通污染已经成为城市大气污染的最主要污染源之一。保持城市交通与环境的协调发展，已 经成为各国城市发展过程中面临的一个共同难题。 随着人们环保意识和健康意识的普遍提高，居民健康，尤其是受交通污染较严重的道路两边的 居民健康开始受到关注，这就要求排放到路段上的污染物不能超过某一确定的安全标准。因此，研 究考虑污染物排放控制的动态交通分配问题，具有很强的理论价值和重要的实际意义。 本文以国家自然科学基金项目“城市道路交通网络空气污染控制关键问题研究”( n o 5 0 7 7 8 0 4 1 ) 为依托，以考虑城市环境交通容量的动态交通分配模型为核心，进行了以下几方面的研究： 第一，论文研究了城市环境交通容量的影响因素，介绍了两种常用的污染物扩散模式高斯 扩散模式和o s p m 扩散模式。根据不同的扩散模式对路段的环境交通容量进行研究，给出了路段环 境交通容量约束模型，进而得到路网的环境交通容量约束模型。 第二，分析了传统的元胞传输模型的缺陷，建立多车型元胞传输模型。 第三，论文将健康损失的概念引入动态交通分配中，给出了健康损失的计算方法，并对健康损 失进行货币化。根据c t m 模型和健康损失建立了基于健康损失的广义阻抗模型，并分别在o s p m 扩散模式和高斯模式条件下详细的分析了广义阻抗函数模型的特性。 第四，论文综合运用环境交通容量约束、健康损失、变分不等式等理论建立考虑控制污染物排 放的固定需求动态分配模型，并给出了模型与d u o 条件等价性证明、解的存在性与唯一性证明和 求解算法。 最后，论文对研究成果进行了总结，并提出了进一步研究的方向。 关键词：动态交通分配模型；环境交通容量约束：广义阻抗函数；元胞传输模型；健康损失；变分 不等式模型 a bs t r a c t e n v i r o n m e n ta n dd e v e l o p m e n ta r ci n d i v i s i b l e t h es u s t a i n a b l et r a t 陋cs y s t e mr e q u i r e st h e d e v e l o p m e n tn o tt oh a r mt h ee n v i r o n m e n tf o re c o n o m i cg r o w t h w h i l em o t o rv e h i c l e sa sam a j o r m e a n so f t r a n s p o r t a t i o ni st om a i n t a i ni t sr a p i dg r o w t h , t r a f f i cp o l l u t i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s o u r c e so fp o l l u t i o ni nc i t y t om a i n t a i nac o o r d i n a t e dd e v e l o p m e n to fu r b a nt r a n s p o r ta n dt h e e n v i r o n m e n th a sb e c o m eac o m m o np r o b l e mo fd e v e l o p m e n t w i 廿lt h ei m p r o v i n ga w a r e n e s so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dh e a l t h , t h eh e a l t ho fr e s i d e n t s ， p a r t i c u l a r l yr e s i d e n t sw h ol i v ei nb o t hs i d e so fr o a db e c o m et ob ea t t e n d e d o nt h i sc o n d i t i o n , t h ep o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o ns h o u l dn o te x c e e dac e r t a i ns a f e t ys t a n d a r d s s ot h es t u d yo nd y n a m i c 仃硪i ca s s i g n m e n t m o d e lb a s e do nc o n t r o l l i n gp o l l u t a n te m i s s i o nh a sh i g hv a l u eo nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h i sw o r kr e l i e so nt h ep r o j e c t k e yp r o b l e m sr e s e a r c ho nu r b a na i rp o l l u t i o nc o n t r o li n t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k ( n o 5 0 7 7 8 0 4 1 ) w h i c hi sf o u n d e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ；r e s e a r c hw a sc a r r i e di nt h ec o r eo fd y n a m i c 倘ca s s i g n m e n tm o d e ls t u d yw i t hc o n s i d e r i n gu r b a n e n v i r o n m e n t a lt r a f f i cc a p a c i t y t h i sp a p e rr e s e a r c h e do nt h ef o l l o w i n gf i v ea s p e c t s ： f i r s t l y ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fu r b a ne n v i r o n m e n tt r a f f i cc a p a c i t yw e r ea n a l y z e d g a u s se m i s s i o n m o d e la n do s p me m i s s i o nm o d e lw e r ei n t r o d u c e d ，a n db yw h i c he n v i r o n m e n tt r a f f i cc a p a c i t yo fl i n kw a s s t u d i e d l i n ke n v i r o n m e n tt r a f j f i cc a p a c i t ym o d e la n dn e t w o r ke n v i r o n m e n tt r a f f i cc a p a c i t ym o d e lw e r e g i v e ni nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t r a d i t i o n a lc e l lt r a n s m i s s i o nm o d e lw a si n t r o d u c e d , t h e nam o d i f i e dc e l lt r a n s m i s s i o nm o d e l w h i c hs u i t e dt w oo rm o r et y p ev e h i c l e s t h i r d l y , h e a l t hi m p a c tw a si n t r o d u c e di n t h ed y n a m i ct r a f f i ca s s i g n m e n t , a n dt h em e t h o do f c a l c u l a t i n gh e a l t hi m p a c tw a sg i v e n t h e ng e n e r a li m p e d a n c ef u n c t i o nw a s c o n s t r u c t e da n di t s c h a r a c t e r i s t i c sw e r er e s e a r c h e d f o u r t h l y ，af i x e d - d e m a n dd y n a m i c 位蛹ca s s i g n m e n tm o d e lc o n s i d e r i n gp o l l u t a n te m i s s i o nc o n t r o l w a sc o n s t r u c t e d b yr e s t r i c t i o no fe n v i r o n m e n t a lt r a f f i cc a p a c i t y ，h e a l t hi m p a c ta n dv it h e o r y f i n a l l y ，s u m m a r yw a sm a d ea n dr e s e a r c hi nf u t u r ea l s ow a sp r o p o s e d k e yw o r d s ：d y n a m i ct r a m ca s s i g n m e n tm o d e l ；r e s t r i c t i o no fe n v i r o n m e n t a lt r a f f i cc a p a c i t y ；g e n e r a l i m p e d a n c ef u n c t i o n ；c e l lt r a n s m i s s i o nm o d e l ；h e a l t hi m p a c t ；v a r i a t i o n a li n e q u a l i t ym o d e 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 主要符号定义。i 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究意义。2 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 动态交通分配理论3 1 3 2 城市环境交通容量分析4 1 3 3 元胞传输模型5 1 4 研究目标、内容及技术路线5 1 4 1 研究目标5 1 4 2 研究内容6 1 4 3 研究技术路线6 第2 章传统动态交通分配模型及算法8 2 1 动态交通分配的概念和原则8 2 1 1 动态交通分配的概念8 2 1 2 配流原则8 2 2 传统动态交通分配模型的约束条件9 2 2 1 流量守恒约束9 2 2 2 先进先出( f i f o ) 约束。1 0 2 2 3 流量传播约束1 1 2 2 4 其他约束1 l 2 3 基于d u o 的动态交通分配的v i 模型1 2 2 3 1 瞬时动态用户最优的v i 模型1 2 2 3 2 理想动态用户最优的模型1 4 2 4 投影算法1 4 2 5 小结1 5 第3 章城市路网环境交通容量约束。1 6 3 1 环境交通容量概念1 6 3 2 环境交通容量影响因素1 6 3 3 环境交通容量约束研究。1 7 3 3 1 匀速状态下路段环境交通容量约束1 7 3 3 2 怠速状态下路段环境交通容量约束2 2 3 4d 、结： 3 第4 章广义阻抗模型2 4 4 1 多车型元胞传输模型2 4 4 1 1 元胞传输模型2 4 4 1 2 实际阻抗计算。2 6 4 1 3 多车型元胞传输模型2 7 4 2 健康损失2 9 4 2 1 健康损失的概念2 9 4 2 2 健康损失的计算2 9 4 2 3 健康损失的货币化3 0 目录 4 3 广义阻抗模型建立及特性3 0 4 3 1 广义阻抗模型的建立3 0 4 3 2o s p m 扩散模式广义阻抗模型的特性3 2 4 3 3 高斯扩散模式广义阻抗模型的特性。4 3 4 4d 、l ；言5 3 第5 章考虑控制污染物排放的动态交通分配模型及算法5 4 5 1v l 模型的建立5 4 5 1 1 理想d u o 条件5 4 5 1 2 等价的v i 模型5 5 5 2 解的存在性与唯一性5 5 5 3 求解算法5 6 5 4 数值算例5 6 5 4 1 基本条件。5 6 5 4 2 计算过程及结果5 9 5 5 小结7 0 第6 章结论与展望。7 1 6 1 主要研究成果与结论7 l 6 2 主要创新点7 l 6 3 研究展望7l j l 筻谢7 3 参考文献7 4 攻读硕士期间所参加项目及发表论文7 8 i v 一 一 主要符号定义 主要符号定义王要符号足义 4 一以z 为流入节点的路段的集合 马一以，为流出节点的路段的集合 b r , ( s 卜1 时刻f 类人群的平均呼吸率 簟连接o d 对r s 的第k 条路径阻抗 c o ( t ) f 时刻路段口的瞬时阻抗 c ( f ) 1 时刻a 路段第彩类污染物的浓度( m g m 3 ) c l 实际的污染物浓度 岛基线污染物浓度，一般选择空气质量标准中的一级标准 a c 一污染物浓度的变化 c ( x ，矿1 时刻x 高度污染物浓度 c ( h 卜嘞高度污染物浓度 c ( f ) _ f 时刻污染物的浓度 群- 口路段类污染物排放源强( m g m s ) 阱( f ) _ f 时刻a 路段类污染物排放源强( m g m s ) 哥一实际患病率或死亡率 e 矿一基线浓度下的患病率或死亡率 矸f 型车常速条件下第口类污染物的排放因子( m g v e h m ) 群( f ) 叫时刻f 型车常速条件下第类污染物的排放因子( m g v e h m ) 眈( f ) f 时刻路段a 上f 型车常速条件下第类污染物的排放因子( m g v e h 皿) 爵叫型车怠速条件下第国类污染物的排放因子( m g ( v e h s ) ) 砑( f ) f 时刻路段a 上f 型车怠速条件下的第类污染物的排放因子( m g ( v e h s ) ) 营：。( f ) f 时刻i 型车怠速条件下的第国类污染物的排放因子( m g ( v e h s ) ) 一连接o d 对r s 之间的第k 条路径上的流量 酊( f ) f 时刻节点，产生的要到终点s 去的交通流量 j i l 厂- 机动车尾气初始混合高度( m ) 蜥染源高度( m ) 日一建筑物高度( m ) k 朋拥挤密度 i 东南大学硕士论文 毛。1 路段上f 型车的密度( v e h m ) 厶一路段口的宽度( m ) 糊额死亡数或患病数； 一，( f ) 1 元胞上t 时刻的车辆数 力：( f ) 1 时刻元胞中第j i 种车型的车辆数 ，( f ) 了元胞t 时刻能够承载的最大车辆数 肌凰卜城市总人口数 o d 对r s 之间的所有路径的集合 学一从节点z 到终点s 所有经过路段口的路径的集合 惭有路径的集合，p ”c p ，t 卜_ f 时刻第f 类人群工高度处的人数； p f 卜_ f 时刻第f 类人群人数 尸卯暴露人口数 o d 对r s 之间的交通需求 ( f ) 叫时刻0 d 对糟的交通需求 吼口1 路段f 型车的流率( v e h s ) 幺( f ) 1 元胞t 时刻的流入能力 入能力( 最大允许流入量) 蝴有出发地的集合 r 卜相对危险度 s 一所有目的地的集合 咒_ 口路段上的车速( m s ) s o ( f ) - 吖时刻口路段上的车速( m s ) 旷自由流速度 ”：( f ) f 时刻路段口上的要到终点s 去流入量 ( f ) 1 时刻路段口的流入量 磁，( f ) - 吖时刻节点，到终点j 之间路径p 上分配的流入量 锘( f ) 叫时刻从起点厂到终点s 路径p 的七车型车辆的交通流入量 ，o ) 叫时刻起点，到终点s 之间路径p 上分配的流入量 ，( f ) 满足基于路径阻抗的瞬时d u o 条件的畦p o ) i i 蠢 主要符号定义 p ( f ) 一满足基于路径阻抗的理想d u o 条件的，( f ) “：( ，) _ f 时刻路段口上的到终点j 的流入量 一满足基于路段阻抗的瞬时d u o 条件的u a t ) u 一由磁p ( f ) 构成的向量 二一满足d u o 条件的； ( f ) 歹元胞t 时刻实际的交通流入量 嘭( f ) 1 时刻元胞中第七种车型的流入量 v ：( f ) 1 时刻路段a 上的要到终点j 去流出量 v oc t ) _ r 时刻路段口的流出量 v 6 ( f ) 6 元胞t 时刻实际流出量 k ( f ) c 元胞t 时刻实际流出量 吃( ，) - f 时刻路段口的累计流出量 呒1 路段的长度( m ) w 一后向激波的波速 。( f ) f 时刻路段a 根据缈污染物确定的所允许的最大混合车辆数 而。( f ) f 时刻口路段f 型车的车辆数 蟊，。o ) _ f 时刻口路段上怠速状态的f 型车的数量 吒( f ) 1 时刻路段a 上的车辆数 ；。o ) f 时刻路段口上怠速状态的车辆数 咒有限长线源起点横坐标 y ：有限长线源终点横坐标 卜受体点在垂直方向的坐标( m ) 排康损失 口一风向与道路中心线的夹角 夕剂量一反应关系系数 l ( f ) 1 路段t 时刻实际阻抗 ( f ) _ f 时刻a 路段上类污染物背景浓度( m g m 3 ) 连接o d 对r s 之间的最小阻抗 彬( f ) - 时刻节点，到终点j 之间的最小瞬时阻抗，即彬( f ) 。叩 以p ( f ) i i i 东南大学硕士论文 孑o ) 一由劣( f ) 构成的向量 孑( 二) 对应于云最小路径瞬时阻抗向量 仉( f ) _ f 时刻路段口的实际阻抗 o ) f 时刻节点，到终点s 之间路径p 的瞬时阻抗 嵋p ( f ) 对应于磁p 。( f ) 的路径瞬时阻抗 o ) 一由“，o ) 构成的向量 歹( f ) 对应于二的路径瞬时阻抗向量 疙( f ) r 时刻路段口的起点到终点s 的最小瞬时阻抗 疙( f ) 对应于( f ) 的路段阻抗 彩，( f ) _ f 时刻从起点，到终点s 路径p 的实际阻抗 影p ( r ) 对应于，( f ) 的实际路径阻抗 衫( 力叫时刻从起点，到终点s 最小实际阻抗 吒一开阔型道路垂直方向的扩散参数( m ) 仃，一开阔型道路水平方向的扩散参数( m ) 吒一峡谷底部垂直湍流速度的标准差( m s ) q ，一峡谷顶部垂直湍流速度的标准差( m s ) 以路段口风速( 开阔型道路) ( m s ) 地峡谷型街道底部风速( m s ) 。一峡谷型街道顶部风速( m s ) ， 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着中国经济的迅速发展，城镇化进程的不断加快，城市道路网络建设也日趋完善。这些因素 促进了机动车保有量的快速增加。自上世纪8 0 年代中期，汽车保有量随着国民经济的增长而增加， 而9 0 年代至今，汽车保有量基本同国民经济g d p 保持同比增长【旧。机动车保有量的增加无疑为人 们的日常生活提供了便捷舒适的出行条件，但同时也使一些城市付出了巨大的代价，比如高昂的道 路维修费用，能源的消耗，道路拥挤带来的损失以及随之而来的环境污染问题( 主要包括大气污染、 噪声污染等方面) 。据资料显示 3 1 ，在我国主要城市中，已有6 0 以上的大气污染来源于交通废气。 以上海为例，上海机动车排放物中一氧化碳分担率占8 6 ，氮氧化物占5 6 ，碳氢化物占9 6 。因 此可以说，交通系统产生的大气污染及噪声污染已经成为影响城市环境质量的主要污染源。 根据以往学者研究，道路交通系统对城市环境产生影响的主要是机动车行驶时产生的有害气体， 颗粒物以及噪声。有害气体主要包括一氧化碳( c o ) 、氮氧化合物( n o x ) 、硫化物、碳氢化合物( h c ) 以及挥发性有机化合物( v ( ) c ) 、烃类化合物等。颗粒物主要包括粒径小于等于2 5 微米的可吸入性 气溶胶( p m 2 5 ) ，粒径小于等于1 0 微米的可吸入颗粒物( p m l o ) 等。其中，一氧化碳和氮氧化物对 人体的危害较大。一氧化碳( c o ) 是一种无色、无味的有毒气体。它经人呼吸进入肺部，被血液吸收 后，能很快与人血液中的血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白( h b c o ) ，使其丧失输氧能力，进而使人 体因缺氧而出现各种中毒症状，如头痛、头晕，严重时甚至死亡。因此，容许限度规定为8 h 内1 0 0 m g l 。 当一氧化碳( c o ) 质量浓度达至u 1 0 x1 0 r 6m g l 时，人开始慢性中毒；一氧化碳( c o ) 质量浓度达至u 1 0 0 x 1 0 由m g l 时，人立即头痛、恶心【4 】。氮氧化物( n o x ) 主要是一氧化氮( n o ) 和二氧化氮( n 0 2 ) 。 一氧化氮的毒性不大，但是高浓度的n o 能引起中枢神经障碍，且很容易与空气中的臭氧( 0 3 ) 反映 氧化成剧毒的二氧化氮。二氧化氮是一种毒性很强的棕色气体，对人体的眼睛、口腔、呼吸道和肺 容易造成伤害，使人产生咳嗽、流鼻涕等症状【5 】。因此，本文根据一氧化碳和氮氧化物的排放量建 立环境交通容量的约束条件。 随着我国国民经济的持续增长和交通运输业的快速发展，考虑近几年中国主要城市机动车保有 量的增长趋势以及一些发达国家的发展规律，我们可以断言，机动车作为重要的交通工具，其保有 量在未来很长的一段时间内必然以迅猛的速度增长，在这种发展背景下，如何保持城市交通与环境 的协调发展，已经成为很多城市发展过程中面临的一个难题。 我国大多数城市都有人口密度大，环境容量小的特点。随着城市环境污染问题越来越突出和研 究的深入，我们发现仅仅依靠在路网规划评价中进行环境影响分析评价是不能解决日益严重的环境 问题的。一些学者在交通规划过程中考虑了环境的影响因素，但是交通规划作为一种宏观的方法， 有诸如发生量、吸引量等比较多的不确定因素，不能对城市环境进行有效的实时预防与控制。 智能交通系统( i t s ) 自上世纪6 0 年代产生至今已有4 0 多年，在这近半个世纪的过程中，它带 给我们无数的惊喜，其发展速度更是为世人瞩目。特别是1 9 9 0 年以来，i t s 以惊人的速度发展，以 美国为代表的发达国家投入巨资进行i t s 的研究与开发。以保障安全，提高效率，改善环境，节约 能源为目的的i t s 概念正逐步在全球形成 4 1 。智能交通产业在硬件方面的快速发展( 如通讯、自动 控制、内置图象处理技术等的广泛应用) ，使得通过运用i t s 技术来实时控制道路交通量，进而控 1 奎塑奎堂堡主丝苎 制道路上污染物浓度成为可能。软件方面，大多数学者将主要精力集中于如何解决城市拥堵和保障 交通安全等问题的研究上，建立的模型一般不考虑交通对环境的污染，因此，现阶段，应用i t s 技 术解决环境污染问题的关键是在软件方面进行研究，比如考虑环境容量约束的动态交通分配模型及 算法等。 基于上述背景，本论文立题考虑控制空气污染物排放的动态交通分配模型，研究城市环境 交通容量、动态交通交通分配等问题，以及如何在动态交通分配结果的产生过程中考虑交通对环境 的影响。 1 2 研究意义 随着城市交通污染问题的日益严重，如何降低由于城市交通发展给城市环境带来的负面影响， 已经受到越来越多的专家和学者的关注。城市机动车污染控制途径一般分五类1 7 ，8 1 ：( 1 ) 汽车设计、 尾气净化技术； ( 2 ) 车用燃料的改进或替换；( 3 ) 机动车排放控制管理：( 4 ) 城市规划，即通过 各等级道路布局、建筑物布局、城市绿化系统规划，创造有利于污染物扩散的条件，减少污染；( 5 ) 城市交通规划与管理。( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 类途径通过车辆产品技术进步和燃料成分的改进可以降 低单车的排放水平，但是随着城市交通量的增加，会抵消通过单车技术进步所减少的污染物的排放 量。同时，机动车尾气排放控制技术的进步，一方面需要投入大量的研究经费，另一方面研究周期 长。( 4 ) 类途径只是创造有利于污染物扩散的条件，但随着城市经济发展，城市建筑物密集程度越 来越高，城市规划逐渐显得无能为力。( 5 ) 类途径通过调整车辆的组成特点、车辆运行工况( 怠速、 加速、匀速、减速规律) 、车辆的使用规律( 如车辆的行驶里程、车龄分布) 、交通量的大小及分 布情况( 由交通规划和管理控制) 等，减少污染。发达国家的经验证明，前四类途径进一步降低污 染的潜力已不大，或从现有技术上已达到或接近极限水平，而第五类途径开始受到重视。 目前现有城市交通规划方法和管理方法的主要着眼点还都仅仅停留在如何减少交通堵塞、提高 机动性、减少交通事故，交通路网规划对城市环境的影响仅仅在后评价阶段开展。由于模型并没有 考虑环境因素，从而导致部分路段或交叉口污染物浓度远远超过国家标准。因此，仅仅依靠后评价 是无助于全面改善交通环境问题的。实际上，环境因素必须作为城市资源来进行合理利用才能真正 解决这个问题。 智能交通系统( i t s ) 将信息、数据通信传输、自动控制、导航定位、图像分析技术以及计算机 网络和处理技术等综合应用于整个交通管理体系，建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的、实 时准确高效的交通管理系统。该系统可加强道路、车辆、管理人员之间的联系，进而实现准确的交 通诱导。因此，如果在交通诱导方案生成过程( 关键是动态交通分配过程) 中考虑环境影响因素， 就有可能解决交通环境污染问题 9 1 。 综上所述，通过研究智能交通系统的核心理论体系一一动态交通分配( d y n a m i ct r a f f i c a s s i g n m e n t , d t a ) ，并对现有的动态交通分配模型进行必要改进，建立嵌入环境交通容量约束的动 态交通分配模型，从而使得动态交通分配在形成方案的过程中充分考虑环境因素的影响，是有很强 的理论和实际意义的。 1 3 国内外研究现状 本论文将对考虑城市环境交通容量的动态交通分配问题进行研究，涉及到动态交通分配、城市 2 第l 苹绪论 环境交通容量分析、路段阻抗函数等相关理论。下面对这几方面的现有成果作简要介绍。 1 3 1 动态交通分配理论 城市动态网络交通分配理论历经2 0 余年的发展，许多研究者进行了多方面的研究。从动态网络 交通流模型的研究方法上来看可以分为5 大类【1 0 l ：l 、计算机模拟方法；2 、数学规划建模方法；3 、 最优控制理论建模方法：4 、变分不等式( v i ) 与非线性互补理论( n c p ) 建模方法；5 、不动点理 论建模方法。 y a g a r 【n 】( 1 9 7 1 ) 提出了第一个基于计算机模拟的动态网络交通分配模型。该模型满足w a r d r o p 用户最优原则，考虑了时间变化的需求以及排队的形成。b r a s t o w t l 2 】( 1 9 7 3 ) 提出了一个d u o 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 分段的常值函数。此外，m a h a m a s s a n i 、p e e t a 【1 3 ，1 棚( 1 9 9 3 ，1 9 9 2 ) 、和j a y a k r i s h n a n 1 5 】( 1 9 9 2 ) 的模 型也是基于计算机仿真模拟的模型。这类模型的优点在于相对容易的将交通控制等措施集成起来， 可用来评价i t s 项目中交通信息服务、路径诱导效果等。缺点是解析性差，无法从模型本身分析其 解的收敛性以及分析精度等。 第一个数学规划方法模型是m e r c h a n t 和n e m h a u s e r 1 6 】( 1 9 7 8 ) 提出来的。这个模型是离散时间 的、非线性非凸的规划模型。k k t 条件表明其满足动态的w a r d r o p 原则。c a r e y t l 。7 】( 1 9 8 7 ) 将m - n 模型改进为非线性凸规划模型。c a r e y 1 8 】( 1 9 9 2 ) 提出了动态交通网络的先进先出( f i r s t i n f l r s t - o u l f i f o ) 规则，文中指出，f i f o 必将导致模型解的可行域非凸，使得求解非常困难。j a i l s 0 n 【1 9 】( 1 9 9 1 ) 提出了一个多目标规划模型，但是该模型的一些假设违反了f i f o 规则。j a y a k r i s h a n l 2 0 】( 1 9 9 5 ) 改进 了这个多目标规划模型，使其满足f i f o 规则。 l u q u e 和f d e s z 【2 1 】( 1 9 8 0 ) 提出了一个应用最优控制理论解决d s o ( 动态系统最优) 配流模型 的新思想。他们将m - n 模型改进成一个连续时间的最优控制问题，最优条件由p o n t r y a g i n 最小值原 理获得。b o y e e 2 2 】( 1 9 9 5 ) 将一个连续形式的动态用户最优模型转化为一个简单的全有全无配流问题。 w i e l 2 3 】( 1 9 9 4 ) 提出了一个求解离散时间形式动态网络交通配流模型的增广l a g r a n g e 算法。最优控 制理论方法建立的模型具有易于分析的优点，但是模型一般都很复杂，并且需要对称性条件，对于 一般的网络缺乏一个有效的算法。 应用变分不等式和非线性互补理论进行动态网络交通流分配理论建模是近年发展起来的。 k a i t o u n i l 2 4 1 ( 1 9 9 3 ) 提出了一个动态交通配流的模型，该模型是在静态交通配流基础上通过时间 一空间扩展网络技术直接推广而得到的。r a n 2 5 捌( 1 9 9 6 ) 、c h e n 2 r l ( 1 9 9 9 ) 分别提出了基于路径 和路段的与n c p 模型。h u a n g 2 嘲( 2 0 0 2 ) 给出了基于路径的考虑排队现象的出发时间和路径选 择的组合模型。c h e n 给出了出发时间和路径选择的组合模型，并提出路段通行能力约束问题，构造 了组合模型和求解算法。由于基于和n c p 建立的动态交通配流模型较为简洁，较易理解，因此， 应用v i 和n c p 建模是研究动态交通配流的有力途径。 不动点理论与变分不等式、非线性互补问题之间的关系密不可分，因此就有学者研究基于不动 点理论动态网络交通流分配模型。k a u l i n a n l 2 9 j ( 1 9 9 8 ) 研究了动态配流中用户均衡性质，指出动态 路径均衡条件是一个不动点问题，给出了不同均衡条件下不动点问题存在的充分条件。l a m p o 】( 2 0 0 2 ) 在研究弹性公交发车频率下的公交配流时，给出了一个基于不动点理论的随机均衡模型，证明了不 3 东南大学硕士论文 动点模型的存在性，并设计了有效的求解算法。 综上所述，d t a 模型发展开始主要从模拟的方法和解析的方法来建模，但是两种方法各有优点 和缺点。所以一些学者开始考虑将两种方法结合起来。d a g a n z o 3 i 】( 1 9 9 4 ) 利用有限差分设计了一种 新的近似方法一元胞自动机模型( c e l lt r a n s m i s s i o nm o d e l ，c ，i m ) 它模拟的车流符合实际情况，并 且收敛速度很快，解法简单，并且能够扩展用于一般的情形。l 0 和s z e t o 3 2 】( 2 0 0 2 ) 在引入元胞自动 机模型( c t m ) 的基础上，利用变分不等式构造了一个基于元胞传输模型的d t a 模型。f l o r i n a l 3 3 】 ( 2 0 0 4 ) 也给出了一个基于模拟的d t a 模型，文章指出，d t a 过程分两个环节，一个是根据交通网 络上交通状态计算各路段的( 路径) 上的阻抗，另一个是根据这些阻抗并按某种配流原则把o d 需求 分配到交通网络上。但现在的模型都有一个共同的特点，即主要致力于优化出行时间这一目标，而 忽略了交通尾气污染问题。近年来，一些学者也开始考虑在交通分配中考虑环境因素，但主要集中 在静态交通配流上，比如，t z e n g 3 4 1 ( 1 9 9 3 ) 建立了多目标交通分配模型，以出行时间、污染物排放 量和出行路径长度为优化目标，并提出了相应的算法。r i l e t t p 5 】( 1 9 9 4 ) 对单独基于出行时间和单 独基于一氧化碳排放量的li e 配流问题和s o 配流问题进行了研究，其机动车污染物排放因子采用 t r a n s y t7 - f 中给出的排放因子与平均车速关系模型。b e n e d e k p 6 1 ( 1 9 9 8 ) 基于t r a n s y t7 - f 中 的排放因子与平均车速关系模型，推导出了广义环境费用函数，并建立了考虑环境公平性目标的交 通分配模型。杨文国f ” ( 2 0 0 3 ) 建立了考虑环境因素的广义用户平衡( g u e ) 模型和广义系统平衡( g s o ) 模型。但是在动态分配模型中很少考虑环境因素，因此，考虑环境的动态交通分配模型需要深入研 究。 1 3 2 城市环境交通容量分析 环境容量( c a r r y m gc a p a c i t yo f e n v i r o n m e n t ) 是一个从生态学中发展起来的概念。1 9 6 8 年，日 本学者首先将“环境容量”的概念借用到环境保护科学中来，提出在环境保护领域，环境容量是指 在人类生存和自然生态不受危害的前提下，某一环境所能容纳的污染物的最大负荷量，即环境所能 接受的污染物的限量或忍耐力的极限。城市环境容量是指环境对于城市规模及人们活动提出的限度。 城市环境由于受诸多因素的影响，因此城市环境容量是诸多环境容量的交集，城市环境容量是由若 干个环境容量的子集组成，包括城市人口环境容量( x 1 ) 、自然环境容量( ) ( 2 ) 、用地容量( x 3 ) 、工业容 量( x 4 ) 以及交通容量( ) ( 5 ) 、建筑容量陬) 等。各环境容量之间互不关联、互不包含p s i 。不同的环境子 集有自己的最大允许量，其允许量是由该子集内部的相关因素确定，城市环境是否受到严重影响， 或如何控制和调节城市环境，保持城市的可持续发展，就是要控制该因素在城市发展过程中的增量 变化。 城市环境交通容量是指某城市一定区域内，在一定的道路、交通状况、环境质量标准下所能容 纳的最大机动车数量。环境交通容量按其研究范围的大小和内容，可分为微观环境交通容量和宏观 环境交通容量。微观环境交通容量方面：b u c h a n a n 硎( 1 9 6 3 ) 首次提出了环境交通容量的概念，并建 立了量化模型。随后很多学者从