（交通运输规划与管理专业论文）城市道路网络运营可靠性分析及优化研究.pdf

中文摘要 摘要 城市经济的健康发展和城市功能的正常发挥很大程度上依赖于稳定可靠的运输网 络，随着城市生活节奏的加快和工作效率的提高，这种依赖将与日俱增。因此，运输网 络的可靠与否将直接影响到经济的发展和城市功能的发挥。城市道路网络系统是运输网 络系统的关键部分，研究其可靠性具有重要的理论价值和现实意义。随着社会的进步， 人们对道路网络处理日常和突发事件交通问题的应变能力提出了更高的要求，要求道路 网络能够保证重要路段或o d 对的车辆行驶顺畅。通过道路网络运营可靠性研究，可以 找出网络供需矛盾及供需随机性规律，从而采取有效措施，减少由于其随机性带来的阻 塞发生概率。 目前，其他学者对道路网络系统可靠性和路网优化研究都有不少成果，但仍存在很 多不足或需要改进的地方。对路网可靠性研究的不足主要体现在对可靠性指标的计算大 都只在小型网络上测试过，并没有应用于实际的道路交通网络，同时存在很多严格的假 设，而这些假设往往与实际情况并不吻合，现有的可靠性指标还不能完全评估路网的性 能；对路网优化研究仍有需要解决的问题，包括路网优化的算法、网络节点变化的处理、 路网优化中如何考虑路网可靠性等。 鉴于这些不足或需要改进的方向，本文通过对城市道路网络可靠性研究现状及应用 实质的分析，提出城市道路网络运营可靠性分析指标容量限制行程时间可靠性 ( t r c ) ，并建立相应的模型，最后将运营可靠性引入道路网络优化模型中。 围绕城市道路网络运营可靠性问题和基于可靠性的道路网络优化问题，论文在已有 研究成果的基础上开展了如下研究工作： 1 分析了城市道路网络系统的不确定性，提出系统供需模型。将行程时间可靠性和 容量可靠性进行综合分析，提出一种道路网络运营可靠性评价指标容量限制行程时 间可靠度( t r c ) 。在系统分析城市道路网络特性的基础上，从路、人、环境和管理四 个方面，深入分析影响城市道路网络运营可靠性的各种因素，剖析各种因素的作用规律 和作用机理，探究道路网络系统不可靠的根源，并提出了这些影响因素作用机理的概念 模型。 2 分析了不确定条件下路径选择行为及其影响因素，包括时间、经济、信息和心理 因素的定性分析；阐述了不确定条件下路径选择理论，在期望效用理论与随机效用理论 的基础上，引入“前景理论 ；从出行者决策过程中的决策节点、决策时刻及决策阶段 等方面，分析了基于“前景理论 的路径选择行为；建立了基于“前景理论 的不确定 北京交通大学博士学位论文 条件下路径选择行为理论模型，并给出了出行者备选路径集生成方法和出行者决策“参 考点 的定义。 3 对城市道路网络单元( 路段和交叉口) 的特性进行定性分析，提出路段和交叉口 的交通组织方式，对路段的交通组织包括车道、车速、公交和行人过街组织在内的内容 进行分析，并对无信号交叉口组织和有信号交叉口组织进行深入分析。在交通组织方式 的基础上，根据交通供需随机性和随机变量的正态分布，建立了道路网络单元运营可靠 性分析模型，研究了道路网络基本单元的运营可靠性分析方法。 4 分析了g o 法( 一种以成功为导向的系统概率分析技术) 的基本原理和基本方法， 对相关操作符给出或推导出概率组合公式，分析了基于g o 法的城市道路网络的系统特 征和系统构成，研究了基于g o 法的城市道路网络运营可靠性分析方法，建立了城市道 路网络系统的g o 图，采用概率组合公式算法执行g o 运算，得到系统可靠性指标，并 进行了实证研究。 5 明确了基于t r c 的城市道路网络优化目标、思路及决策变量；建立了基于t r c 的城市道路网络优化模型，模型采用双层规划模型形式，上层模型以交通效益为目标函 数，以t r c 可靠度和污染排放量为约束条件，下层模型以交通量为目标函数和约束条 件，上层模型中的阻抗和交通量由下层模型提供；采用改正遗传算法对优化模型进行求 解；最后，进行了实证分析。 关键词：城市道路网络运营可靠性路径选择g o 法优化 a b s t r a c t t h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to fu r b a ne c o n o m ya n du r b a nf u n c t i o ni sl a r g e l yd e p e n d e n to n s t a b l ea n dr e l i a b l et r a n s p o r tn e t w o r k ，a n dt h i sd e p e n d e n c ew i l li n c r e a s ew i t ht h ea c c e l e r a t i n g r h y t h mo fu r b a nl i f ea n dw o r ke f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，w h e t h e rat r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ki s r e l i a b l e w i l lb ead i r e c ti m p a c to ne c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n du r b a nf u n c t i o n u r b a nr o a d n e t w o r ks y s t e mi st h ek e yp a r to ft h et r a n s p o r tn e t w o r ks y s t e m ，s oi ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h e r e l i a b i l i t yo fi t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , t h er o a dn e t w o r k sa b i l i t yo fd e a l i n gw i t hd a i l ya n d u r g e n tp r o b l e m si sr e q u i r e di nd e e p e rd e g r e e i tm u s te n s u r et h a tv e h i c l e so ni m p o r t a n tr o a d n e t w o r ks e c t i o n so ro dp a i r sr u ns m o o t h l y t h r o u g ht h es t u d i e so fr o a dn e t w o r ks y s t e m r e l i a b i l i t y , w ec a i lf i n do u tc o n f l i c t sa n ds t o c h a s t i cl a w so f 。s u p p l ya n dd e m a n di nt h en e t w o r k a n dt a k ee f f e c t i v em e a s u r e st or e d u c et h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yc a u s e da tr a n d o m a tp r e s e n t ，s o m eo t h e rs c h o l a r sh a v em a d eg r e a ta c h i e v e m e n t so nt h es t u d yo ft h er o a d n e t w o r ks y s t e mr e l i a b i l i t ya n do p t i m i z a t i o no fr o a dn e t w o r k , b u tt h e r ea r es t i l lm a n y d e f i c i e n c i e sr e q u i r i n go fi m p r o v e m e n t t h ed e f i c i e n c yi sm a i n l ye m b o d i e di nt h ec a l c u l a t i o n o fr e l i a b i l i t yi n d e xw h i c hi so n l yt e s t e di ns m a l ln e t w o r k sb u tn e v e ru s e di np r a c t i c a lr o a d n e t w o r k s ，a n dt h e r ea r em a n ys t r i c ta s s u m p t i o n st h a ta r eo f t e nn o tc o i n c i d ew i t ht h ea c t u a l s i t u a t i o n ，m o r eo v e r , t h er e l i a b i l i t yo ft h ee x i s t i n gi n d i c a t o r so fr e l i a b i l i t yc a nn o tf u l l ya s s e s s t h ep e r f o r m a n c eo fr o a dn e t w o r k ；t h ep r o b l e m ss t i l ln e e dt ob er e s o l v e da b o u to p t i m i z a t i o n r e s e a r c ho fr o a dn e t w o r ki n c l u d et h en e t w o r ko p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s ，t h em e t h o do fd e a l i n g w i t hn e t w o r kn o d ec h a n g e s ，a n dh o wt oc o n s i d e rt h er o a dn e t w o r kr e l i a b i l i t yi nt h er o a d n e t w o r ko p t i m i z a t i o ne t c a sap r o b a b i l i t y - b a s e de v a l u a t i o ni n d e x ，t h er e l i a b i l i t yo fu r b a nr o a dn e t w o r kh a sb e e n d e v e l o p e dr a p i d l yi nt h ef i e l do f u r b a nr o a dn e t w o r ks t a t ee v a l u a t i o n b a s e do nt h er e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no ft h er e l i a b i l i t yo fu r b a nr o a dn e t w o r k ，i tp u t sf o r w a r dt h ea n a l y s i si n d i c a t o r s o ft r a v e lt i m er e l i a b i l i t yu n d e rt h el i m i to fc a p a c i t y ( t r c ) ，a n dt h e ni te s t a b l i s h e st h er e l e v a n t m o d e la n da p p l i e si ti nt h er o a dn e t w o r ko p t i m i z a t i o nm o d e l a st ot h eu r b a nr o a dn e t w o r ks y s t e mr e l i a b i l i t yi s s u e sa n dt h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，t h i s a r t i c l ed o e st h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e so nt h eb a s i so fe x i s t i n gr e s e a r c h i n gr e s u l t s ： i i i 北京交通大学博士学位论文 l 、a n a l y z e st h eu n c e r t a i n t yo f u r b a nr o a dn e t w o r ks y s t e m ，a n dp u t sf o r w a r dt h es u p p l y a n dd e m a n dm o d e lo ft h es y s t e m a n a l y z e st h et r a v e lt i m er e l i a b i l i t ya n dc a p a c i t yr e l i a b i l i t y c o m p r e h e n s i v e l ya n dp u t sf o r w a r dar e l i a b i l i t ye v a l u a t i o ni n d i c a t o ro fr o a dn e t w o r k - t r a v e l t i m er e l i a b i l i t yu n d e rt h el i m i to fc a p a c i t y ( t r c ) a n a l y z e st h ei m p a c to fu r b a nr o a dn e t w o r k o p e r a t o r sd e e p l yi nt h ep e o p l e ，r o a d ，e n v i r o n m e n ta n dm a n a g e m e n to nt h eb a s i so ft h eu r b a n r o a dn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s 、a n a l y z e st h el a wa n do p e r a t i n gm e c h a n i s mo fe a c h f e a t u r ea n de x p l o r e st h er e a lf a i l u r er e a s o n sa n dp r o p o s e st h ec o n c e p t u a lm o d e lo ft h e m e c h a n i s mo ft h e s ei n f l u e n c i n gf a c t o r s 2 、a n a l y z e st h ep a t hc h o i c eb e h a v i o ra n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r si nu n c e r t a i nc o n d i t i o n s w h i c hi n c l u d et h eq u a l i m t i v ea n a l y s i so ft i m e ，e c o n o m y , i n f o r m a t i o na n dp s y c h o l o g i c a l f a c t o r s ；e x p o u n d st h er o u t ec h o i c et h e o r yi nu n c e r t a i n t y , a n dp r o p o s e st h e ”p r o s p e c tt h e o r y ” o nt h eb a s i so ft h ee x p e c t e du t i l i t yt h e o r ya n dr a n d o m u t i l i t yt h e o r y b a s e do nt h i st h e o r yi t a n a l y z e st h er o u t ec h o i c ea c t i o ni nt h et r a v e l e r sd e c i s i o n - m a k i n gn o d e ，t h ed e c i s i o n m a k i n g t i m ea n dd e c i s i o n - m a k i n gs t a g ea n de s t a b l i s h e st h er e l e v a n tm o d e l ，a n dt h e ni tg i v e so u tt h e a l t e r n a t i v er o u t ec o l l e c t i o ng e n e r a t i n gm e t h o d sa n dd e f i n e st h et r a v e l e rd e c i s i o n - m a k i n g ”r e f e r e n c ep o i n t ” 3 、a n a l y z e st h ec h a r a c t e r so ft h eu r b a nr o a dn e t w o r ku n i t ( 1 i n k sa n di n t e r s e c t i o n s ) ，p u t s f o r w a r dt h eo r g a n i z a t i o nm e t h o do ft h er o a da n di n t e r s e c t i o n , a n a l y z e st h eo r g a n i z a t i o n so f t h el i n k s ，i n c l u d i n gt r a f f i cl a n e s ，s p e e d ，t r a n s i ta n do r g a n i z a t i o n so fp e d e s t r i a n sc r o s s i n gt h e s t r e e t ，a n dm a k e sd e e pa n a l y s i so ft h eo r g a n i z a t i o no fu n s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o na n ds i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so fo r g a n i z a t i o nm e t h o d ，i te s t a b l i s h e st h ea n a l y z i n gm o d e l o fu r b a nr o a dn e t w o r ko p e r a t i n gr e l i a b i l i t yi na c c o r d a n c ew i t ht h en o r m a ls c h o o lo ft r a f f i c s u p p l ya n dd e m a n d ，a n dt h e ni ts t u d i e st h ea n a l y z i n gm e t h o do ft r c 4 、a n a l y z e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fg om e t h o d ( as u c c e s s - o r i e n t e ds y s t e mp r o b a b i l i s t i e a n a l y s i st e c h n o l o g y ) ，a n dg i v e st h ep r o b a b i l i t yc o m b i n a t i o nf o r m u l a so fr e l e v a n to p e r a t o r s a n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s t i t u t i o no fu r b a nr o a dn e t w o r ks y s t e mb a s e do ni t 、 s t u d i e st h ea n a l y z i n gm e t h o do fu r b a nr o a dn e t w o r ks y s t e mr e l i a b i l i t yb a s e do ng om e t h o d ， e s t a b l i s h e st h eg om a po ft h es y s t e m 、c a l c u l a t e st h es y s t e mr e l i a b i l i t yi n d i c a t o r sb a s e do n g o a l g o r i t h mw i t hp r o b a b i l i t yc o m b i n a t i o nf o r m u l aa n dd e m o n s t r a t e si t 5 、g i v e sc l e a ro p t i m i z a t i o no b j e c t i v e s ，m e t h o d sa n dd e c i s i o n m a k i n gv a r i a b l e so fu r b a n r o a dn e t w o r kb a s e do nt h et r c ；s e t su pt h eu r b a nr o a dn e t w o r ko p t i m i z a t i o nb i l e v e l p r o g r a m m i n gm o d e t h eu p p e rm o d e li sb a s e do nt r a f f i ce f f i c i e n c ya st h eo b j e c t i v ef u n c t i o n a n dt h et r cr e l i a b i l i t ya n dp o l l u t i o ne m i s s i o n sa sc o n s t r a i n t s ，w h i l et h el o w e rm o d e li sb a s e d o nt r a f f i cv o l u m ea st h eo b j e c t i v ef u n c t i o na n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s t h eu p p e rm o d e l i m p e d a n c ei sg e n e r a t e di nt h el o w e rm o d e l t h e n ，i tc a l c u l a t e st h em o d e la n dc o m et ot h e s o l u t i o no fi ti nf i n a l k e yw o r d s ：u r b a nr o a dn e t w o r k ；o p e r a t i o nr e l i a b i l i t y , r o u t ec h o i c e ；g om e t h o d o l o g y ； o p t i m i z a t i o n v 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中 特别加以标注和致谢之处外，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 北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名： - 、 易签字吼叼年多月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 抖醐：7 年 导师签名： 签字日期& 6 根年b 月沙日 致谢 本论文是在导师毛保华教授的悉心指导下完成的，从论文选题、撰写、修改 到完善的整个过程中，毛老师倾注了大量的心血，给予我极大帮助和支持。衷心 感谢毛老师在我攻读博士学位期间对我的指导、关心和支持。导师渊博的知识、 严谨的治学精神和孜孜不倦的进取精神使我终身受益。 华中科技大学马鹤龄教授、李杰教授、赵耀教授、高健智博士生等为我论文 写作和修改提供了大量帮助，在此表示衷心感谢。 在博士学习期间，得到了实验室众多师兄弟师姐妹的关心和帮助，特别是陈 绍宽博士、陈建华博士和俞文锦、陈振起、郭谨一等博士生同学，正是与他们的 交流才使我的论文内容得以充实和完善。 感谢预答辩老师张星臣教授、杨浩教授和邵春福教授，他们的意见对我的论 文完善有很大的帮助。 感谢许良博士、蒋忠海硕士、胡程硕士、宋程硕士提供的许多有益的资料和 帮助。 深深地感谢我的父母、妻子和女儿，你们的爱给了我无穷无尽的力量。还要 感谢我的亲人和朋友，谢谢你们的支持和鼓励。 最后，论文的研究工作还得到了国家自然科学基金重点项目子项目“城市交 通网络优化与管理的若干基础问题研究( 7 0 6 3 1 0 0 1 ) ”、国家基础研究计划项目“典 型大城市交通疏堵问题的综合实证研究( 2 0 0 6 c b 7 0 5 5 0 0 ) ”、北京市教育委员会学 科建设与研究生教育建设项目的资助，在此表示感谢。 绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 上世纪八十年代以来，我国国民经济的高速发展和城市化进程的快速推进导致城市 机动车拥有量和道路交通量的迅速增长。这种增长带来的后果是：交通拥挤、阻塞，以 及由此导致的交通事故的增加、环境污染的加剧和居民出行的不便。城市交通问题，尤 其是拥堵问题，现已成为影响城市功能正常发挥和城市可持续性发展的全局性问题，也 是需要迫切解决的问题之一。 可靠性是一门新兴的工程学科，是研究产品全寿命过程中故障的发生原因、发展规 律，达到预防故障、降低故障率、提高产品质量之目的的工程技术【l 】。可靠性分析在电 力、供水及通讯网络系统中已经得到广泛的应用。 可靠性分析在交通运输领域的应用也越来越得到重视。一方面是由于自然灾害的频 发( 如我国2 0 0 8 年南方的雪灾和汶川的地震) 对交通运输网络可靠性提出了更高的要 求。在自然灾害发生后，生产、生活物资的供应和电力、电信、供水系统的恢复都依赖 于交通运输网络系统。另一方面是由于在日常的和大型群体活动期间的交通状况下，更 为可靠的交通运输网络也日益成为出行者和管理者的迫切需要。 城市道路网络系统( 简称道路网络系统) 可靠性是指在规定的条件下和规定的时间 内，道路网络所提供的各种服务能够满足出行者出行需求的能力，它是衡量道路网络质 量的重要指标之一。城市道路网络优化是指在一定的约束条件下通过在现有的城市道路 网络中增加新的路段或更新、改善已有路段的通行能力，从而使整个道路网络某种系统 性能指标达到最优。随着现代城市道路网络规模的不断扩大和人们对出行质量要求的不 断提高，道路网络系统可靠性与网络优化问题研究不仅具有重要的理论意义，而且具有 重要的解决实际交通问题的现实意义。 道路网络系统的一个重要特征就是随机动态性，一方面是需求方的随机变动：出行 者的出行受出行目的、气候条件等多种因素的影响，其出行量是随机变动的：另一方面 是供给方的随机变动：路网的状态受日常的交通拥堵、道路改造维护及交通事故等多种 不确定因素的随机影响，其通行能力也是随机变动的。道路网络系统的这种随机动态性 使得网络的连通性和出行时间具有较大的不确定性。 道路网络系统的随机动态性在突发事件条件( “非常态 交通条件) 下表现得更为 北京交通大学博士学位论文 突出：一方面，为了防止突发事件下灾难的扩大，减少受灾而积、人物损失，恢复生产、 生活秩序，会产生一定的物流和人流：另一方面，路网状态受到较大的影响。此时，道 路网络运输能力的供应能否不小于“抗灾救灾”所产生的人和物的运输需求，将直接影 响到“抗灾救灾 工作的成效。 因此，无论是在“常态 交通条件( 日常条件) 还是在“非常态 交通条件下，在 交通系统分析中都应合理地反映道路网络系统的随机动态性特征，以便提高系统的应变 能力，减少堵塞的发生。 道路网络系统可靠性包含的多种概率性能指标，是反映道路网络系统运行特征的有 力工具。在有限的资金条件下，研究道路网络系统可靠性，可以合理地配置现有道路网 络资源，提高系统服务水平。 1 1 2 选题意义 道路网络系统是城市交通的基础设施之一，城市交通各种影响因素对道路网络的作 用可以通过其可靠性来反映。对道路网络系统进行可靠性研究，分析可靠性各种影响因 素的发生规律及其作用机理，建立可靠性评价指标和计算模型，将可靠性概念和可靠性 技术渗透到道路网络的规划、建设和管理，是建立适合社会城市化、城市机动化趋势的 高效、经济、可持续发展的和谐交通系统的必然要求。 ( 1 ) 随着经济的发展和社会的进步，人们对道路网络处理日常和突发事件交通问 题的能力提出了更高的要求，要求道路网络能够保证重要路段或o d 对的车辆行驶顺畅。 通过道路网络系统可靠性研究，可以找出网络供需矛盾及其供需随机性规律，从而采取 有效措施，减小由于其随机性带来的阻塞发生概率。 ( 2 ) 道路网络可靠性研究为道路的规划和改造提供决策依据，确保道路网络具有 一定的可达性和畅通性。通过道路网络系统可靠性研究，可以寻找到系统的薄弱环节， 并通过调整道路网络布局或增大薄弱环节的容量来提高系统可靠度，进而制定保证一定 可靠度的道路网络优化方案。 ( 3 ) 道路网络可靠性研究为i t s 提供技术支持。可靠度分析可应用于信号控制、 交通信息、动态路线诱导及停车等系统的决策中，以便更合理地引导及控制交通出行， 有效地缓解交通拥挤，提高道路网络服务水平。 ( 4 ) 道路网络可靠性研究为交通管理者提供决策支持，帮助交通管理者确定敏感 路段和节点、优化管理人员及设施配置、采取相应的管理措施调节交通需求和交通供应、 制定城市突发事件应急预案等，增强城市抵抗各种风险的能力。 2 绪论 ( 5 ) 充分认识道路交通供需矛盾，实现道路交通的可持续发展，充分发挥道路网 络潜力，实现有限资源的合理利用，从而从根本上缓解道路交通问题，最终推动道路交 通系统乃至整个城市的可持续发展。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 路网可靠性 网络可靠性的研究始于对通信网络的分析，而后逐渐渗透到电力网络系统、计算机 网络系统和工程网络系统等各个领域。近年来，随着经济的快速增长和生活质量的不断 提高，人们在追求出行可达性、安全性和快捷性的同时，也开始追求出行的可靠性。于 是，道路网络系统可靠性研究开始起步。 随着研究的不断发展，相关学术论文、会议及专著开始大量出现。如1 9 9 7 年b e l l 和i i d a 2 j 出版了 t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ka n a l y s i s ) ) ，1 9 9 9 年国际学术期刊 j o u r n a lo f a d v a n c e dt r a n s p o r t a t i o n ) ) 在第3 3 卷第2 期专门集结发表了交通网络可靠性方面的文章， 2 0 0 0 年b e l l 和c a s s i r t 3 】将1 9 9 9 年n e w c a s t l eu n i v e r s i t y 交通网络可靠性工作组研讨的论 文编撰成( ( r e l i a b i l i t yo ft r a n s p o r tn e t w o r k s ) ) 出版发行，2 0 0 3 年，b e l l 和i i d a 4 】在2 0 0 1 年第一届国际交通网络可靠性学术会议的基础上，将部分论文编撰成t h en e t w o r k r e l i a b i l i t yo f t r a n s p o r t ) ) 出版；2 0 0 4 年在新西兰召开了第二届国际交通网络可靠性学术 会议，会议就可靠性评估及网络可靠性估计等八个议题进行了研讨；2 0 0 6 年陈艳艳等【5 】 出版了专著可靠度在交通系统规划与管理中的应用；2 0 0 7 年在荷兰召开了第三届国 际交通网络可靠性学术会议，会议就可靠性评估及网络可靠性建模与估计等十一个议题 进行了研讨。 目前，道路网络系统可靠性研究主要集中在以下几个方面：连通可靠性、行程时间 可靠性、容量可靠性和畅通可靠性等。 1 连通可靠性 连通可靠性是最早被研究的道路网络可靠性指标，是指网络节点间仍然连通的概 率。连通可靠性只考虑了系统的物理结构，而未考虑通行能力、流量与路段长度等。 连通可靠性问题是由日本的m i n e 和k a w a i 6 】在1 9 8 2 年首次提出的，以连通可靠度 反映路网保持连通的概率。1 9 8 9 年i i d a 等【_ 7 】对连通可靠性的一个特例终端可靠性进 行了研究，用于表示在给定的o d 对之间至少有一条路径保持连通的概率。只有当每一 对o d 对之间存在一条可行的路径，才可认定整个网络是运行良好的。 研究连通可靠性时，只考虑路段的两种运行状态( 0 1 状态) ：路段连通( 通行能力 3 北京交通大学博士学位论文 最大) 或者不连通( 通行能力为零) 。b e l l 等【8 】建议将路段的二元状态进行扩展，即管理 者可以主观定义路段的连通与否。2 0 0 7 年郭继孚等【9 】认为仅考虑0 l 状态的连通可靠性 不适用于路段密集的城市道路网络，并提出了替代路径的连通可靠性算法。 n i c h o l s o n 和d u 1 0 】【1 1 】基于连通可靠度分析，建立了受损交通系统可靠度分析的理 论框架，并提出了受损交通系统综合均衡计算模型( t h ei n t e g r a t e de q u i l i b r i u mm o d e lo f d e g r a d a b l et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 。该模型在分析灾害交通系统的基础上，根据交通供给 与交通需求之间的关系，考虑了交通需求弹性变化的特性和灾害发生的不同等级，提出 了因灾害造成交通系统受损所带来的社会经济影响的评价方法。模型集交通产生、交通 分布、模式划分及交通分配于一体，是一个综合的均衡交通模型。 王海超等【1 2 】利用m o n t ec a r l o 模拟法对公路网进行了连通可靠性分析。在此基础上， 运用模糊网络随机分析的原理，给出了路段容量估计及可行最大流的估计计算方法，以 此通过最佳流的计算，估计出交通网络可靠度，从而给出不同程度的决策水平【l3 1 。朱顺 应等【1 4 】定义交通网络可靠度为：从网络一节点到另一节点在一定服务水平以上的通达概 率。考虑到利用二值法【i5 】确定的可靠度与实际交通流不符的特点，采用了饱和度( v c ) 确定法来计算路段的可靠度。 研究连通可靠性的主要方法是图论、布尔代数或整数规划【l6 】等。这些算法的差别仅 在于计算的效率方面，但多数算法在路网连通可靠性的研究中都难以令人满意，原因在 于：对于一个复杂的道路网络系统来说，同一路段的状态变量会在结构函数表达式中出 现多次，要获得系统可靠度的确定值，必须确定结构函数中所包含的所有路径并将其不 交化，这需要花费大量的运算时间和内存。因此，一般采用近似算法来计算大规模网络 的连通可靠性。由于连通可靠性仅考虑路段的两种运行状态，而实际道路网络中路段的 通行能力往往是介于零和最大之间，并且连通可靠性计算十分困难，因此，在应用上有 很大局限，只适用于道路交通网络处于极端状态下。 2 行程时间可靠性 行程时间可靠性以行程时间的波动性来反映道路网络的可靠性。1 9 9 1 年a s a k u r a 和 k a s h i w a d a n i 1 7 l 定义行程时间可靠度的概念为：对于给定的一个o d 对，出行者能在规 定时间内顺利完成出行的概率。根据研究侧重点的不同，行程时间可靠性又可分为路径 行程时间可靠性、o d 对行程时间可靠性以及系统行程时间可靠性。路径行程时间可靠 度是指给定路径上的行程时间在可接受阈值内的概率；o d 对行程时间可靠度是综合给 定o d 对之间所有被出行者使用的路径的行程时间以得到一个关于o d 对服务水平的测 度；系统行程时间可靠度则是考虑所有o d 对得到的一个整个系统服务水平的指标。路 径行程时间可靠度有助于出行者对路径的选择，而o d 对行程时间可靠度及系统行程时 4 绪论 间可靠度则有助于管理者估计道路网络的性能。 a s a k u r a e 埔l 于1 9 9 6 年又提出了由于道路条件的恶化而导致容量下降的行程时间可靠 度的计算方法。该行程时间可靠度定义为阻塞状态行程时间与畅通状态行程时间之比的 函数。按此方法计算的可靠度可作为确定服务水平等级的标准。当它们的比值接近于l 时，说明路网的流量接近于其通行能力；当这个值趋于无穷大时，说明某路段发生严重 的堵塞而不能到达目的地，这一特殊情况与连通可靠度是一致的。1 9 9 9 年a s a k u r a 又将 连通可靠度和行程时问可靠度的计算方法结合，建立了利用随机用户均衡( s t o c h a s t i c u s e re q u i l i b r i u m ，s u e ) 模型求解道路网络系统可靠度的方法【1 9 】，该方法考虑了拥挤路 网状态下出行者路径选择行为特性，所采用的算法与原有计算方法相比提高了计算效 率；同时，该方法考虑了不同路网状态出现的概率，改善了原有的连通可靠度的计算方 法。但该方法基于二元状态估计，在实际应用中仍有一定的局限性。 b e l l 等【2 0 】于1 9 9 9 年提出了用于估计由于交通需求的变化而导致的行程时间的变化 的灵敏度分析方法，该方法采用的路径流量估计模型( n l ep a t hf l o we s t i m a t o r ，p f e ) 2 1 】 是一种基于l o g i t 的s u e 分配模型，该模型的出行时间误差服从g u m b l e 分布。通过p f e 可以得到路径流量、路段流量及出行时间和路网的o d 矩阵，以此估计行程时间可靠度。 在b e l l 之后，l a m 等【2 2 】【2 3 1 1 9 9 9 年提出了计算行程时间可靠度的交通流模拟器模型 ( t r a f f i cf l o ws i m u l a t o r , t f s ) 。在该模型中，部分路段的流量由安装在这些路段的探测 器提供，而其它路段的流量则依据这些探测到的数据经s u e 法推算确定，此后再求得 路段的通行时间，进而确定路径的可靠性。t f s 模型的目标函数实际上是基于p r o b i t 的 s u e 函数表达式。通过该模型可得到行程时间可靠度、校核后的o d 矩阵、整个网络的 估计路段流量、路段或路径出行时间及其相应的均值和偏差。使用该模型计算行程时间 可靠度时，假定路段和路径的行程时间服从正态分布，路段出行时间的均值和方差可通 过多次模拟的方法得到，行程时间可靠度的计算方法与b e l l 的计算方法一样。 l i d a 等【2 4 1 2 0 0 1 年又对上述p f e 模型进行了改进：将出行时间表示为流量的函数， 用排队等待时间表示出行延误，而服务流率则与通行能力相当。通过这些改进及m o n t e c a r l o 模拟法估计出行时间分布情况，最终得到了路径的行程时间可靠度、o d 对行程时 间可靠度。 l e e 等【2 5 】于2 0 0 0 年建立了基于行程时间可靠度的大范围交通网络分配模型。该模 型在分析交通供给与交通需求的基础上，得到了相应的行程时间可靠度。该模型既反映 了行程时间的变化，也体现了交通拥挤状态下的出行行为特性。 i n o u y e t 2 6 】根据s u e 均衡分配模型的特点，提出利用该模型分配得到的路径行程时间 均值和方差、路段流量等计算行程时间可靠度；在此基础上，将行程时间的不同变化范 5 北京交通大学博士学位论文 围进行划分，以此为据，对交通流状态服务水平进行了分级讨论。 t i 胁p e nh s u 等【2 。7 】利用可靠度方法，提出了种新方法来计算动态随机的交通网络 最短路模型，以此生成的路径虽然不是网络中的距离最短路，但却是最可靠路径，在此 基础上，计算相应路径的行程时间可靠度。 侯立文等f 2 8 1 2 0 0 2 年进行了基于出行时长的路网可靠性仿真研究。定义基于出行时 长的路径可靠性为：从路网上的一点到另一点，不论选择哪条有效路径，其所用时间不 超过在该路径上正常行驶时间若干倍( 阈值) 的概率。其计算方法与行程时间可靠度类 似，出行时长由两部分组成，一是从起点到终点的正常行驶时间，二是在这个过程中所 有因排队等待而延误的时间。在建立可靠性指标的基础上，利用m a t l a b 语言作为建模 和仿真的工具，对给定路网进行了仿真研究，从而为出行决策提供依据。 刘海旭等【2 9 1 2 0 0 4 年通过分析随机路网中行程时间的随机变动，将