（交通运输规划与管理专业论文）基于不确定性分析的交通网络设计问题研究.pdf

摘要面对交通基础设施建设不足与资金短缺的压力，交通网络设计问题( n l ”) 成为解决交通问题行之有效的方法和措施。然而，在以往的交通网络设计问题中很少考虑设计过程中的不确定因素，包括交通运行环境的不确定性、数据本身的不确定性等。也很少对灾害情况下的交通网络设计问题进行重点研究但交通网络中的不确定性是实实在在存在的，突发的灾害事件更是威胁交通网络的天敌因此，在进行交通网络设计时决策者既要考虑交通运行环境的随机性，也要考虑数据本身的不确定性，还要对灾害情况下的交通网络进行重点研究依托国家8 6 3 高技术研究发展计划“经济圈交通网络结构优化技术”( 编号：2 0 0 7 a a l l z 2 0 2 ) 本文重点研究了如何在交通网络设计问题中考虑这些不确定性因素来进行合理交通网络设计，主要研究工作如下：通过对交通网络设计过程中不确定因素分类，提出了针对交通网络设计的广义可靠度的概念，利用不确定系统优化理论，分别建立了考虑运行环境随机性和考虑设计参数未确知性两种情况下常用的交通网络设计模型，并进一步对考虑不确定因素的规划问题的一般求解方法进行研究，主要以需求不确定情况下的用户平衡为例，给出了不同的求解方法，包括点估计法、模拟法、公式推导法和情景概率法。交通网络可靠性分析评价是基于可靠性分析的定性交通网络设计问题的基础重点对交通网络可靠性分析中的两个关键问题进行研究。首先对不同已知情况下路段单元可靠度的计算方法进行了研究，包括已知随机供需下路段运行时间可靠度的计算方法，和已知路段运行时间统计数据时可靠度函数的标定法：然后对交通网络系统可靠度的计算方法进行了研究，建立了最小路最小割法系统可靠度的布尔函数模型，给出了i - 下限近似法；最后通过分析路网特性，探讨了更适合大型路网可靠度计算的改进递推分解法，给出了具体求解步骤，结合算例说明有效性。交通需求作为交通网络设计的基础输入数据具有很大的不确定性，包括长期需求预测的未确知性和短期需求的随机性。首先，建立了两类考虑长期需求预测不确定性的交通网络设计模型，包括适用于连续型需求变量的灵敏度分析模型和适用于离散型需求变量的广义期望值模型，通过算例证明了其有效性：然后，对于考虑短期需求随机性的交通网络设计问题，主要通过研究由于需求的随机性导致路径流量的随机性，路径、路段运行时间的随机性，同时考虑到不同类型的出行者预算出行时间不同，建立了多类型用户随机配流模型，并引申到交通网络设计问题中，结合的算例说明模型的有效性。道路通行能力不确定性也是导致运行环境随机性的重要因素，分析了供给不确定性形成的原因，给出了常用的路段通行能力分布函数表示，考虑到路段供给退化的影响，分别建立了基于路段容量可靠性的交通网络设计模型和基于多类型用户平衡配流的交通网络设计模型对于基于路段容量可靠性的交通网络设计模型中，通过对路段最大流量进行限制，并在路径配流过程中采用概率随机用户平衡( p s u e ) 模型，建立了基于交通网络的备用通行能力最大的交通网络设计模型，通过具体算例进行说明。对于基于多类型用户平衡配流的交通网络设计模型，考虑路段供给退化的影响，不同类型用户有东南大学博士学位论文基于不确定性分析的交通网络设计问题研究不同的预算出行时间建立了基于用户预算出行时间的用户平衡模型，研究了求解算法，并引申到交通网络设计模型中，给出具体算例进行说明。交通信息化能有效的减少运行环境的随机性，因此对应不同的交通网络设计模型。首先介绍了信息化条件下的交通规划理论，然后建立了信息化条件下考虑实际出行环境随机性的两类交通网络设计模型，基于多模式随机配流的交通网络设计模型和基于多类型用户混合配流的交通网络设计模型对于基于多模式随机配流的交通网络设计模型，考虑到信息化条件下的随机环境对出行方式选择和路径选择的影响，建立了方式和分配组合的多模式随机配流模型，并引申到交通网络设计问题中，给出算例说明其有效性。对于基于多类型用户概率混合配流的交通网络设计模型，考虑到出行者信息拥有程度不同将有不同的路段估计运行时间分布，从而有不同的预算出行时间，建立了多类型用户混合配流模型，并引申到交通网络设计问题中，给出算例说明其具体应用。各种自然灾害和突发事件的频繁发生对交通网络设计提出了新的要求。首先将灾害破坏分为随机破坏和蓄意破坏两种，分析了灾害发生后的交通需求特性，特别是交通配流特性，然后根据不同情况下的交通网络设计问题的具体特点和不同内容，研究了考虑随机破坏的交通网络设计问题和考虑蓄意破坏的交通网络设计问题。其中，对于考虑随机破坏的交通网络设计问题又分为灾害前预防和灾害后重建两类问题进行分析，分别建立了合适的网络设计模型，并通过算例说明方法的有效性。对于考虑蓄意破坏的交通网络设计问题，建立了管理者和破坏者的双层博弈模型，找出被破坏的路段，即为需加固路段，通过算例说明方法的有效性。关键词t 不确定性分析；交通网络设计问题；需求不确定；供给退化；信息化；灾害破坏；双层规划模型东南大学博士学位论文a b s t r a c tf a c i n gt h ep r e s s u r eo fl a c ko ft r a n s p o r t a t i o ni n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o na n df u n ds h o r t a g e , t h et r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e mb e c o m e st h em o s te r i e c t i v em e t h o dt os o l v et h et r a 伍cp r o b l e m h o w e v e r , u n c e r t a i nf a c t o r s ，i n c l u d i n gr u n n i n gc o n d i t i o n sa n dd a t ai t s e 坞e t c ，w e r er a r e l yc o n s i d e r e dd u r i n gn e t w o r kd e s i g np r o b l e m a n dt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g nu n d e rd i s a s t e rc i r c u m s t a n c e si sl i t t l eg i v e ne m p h a s i sr e s e a r c h e s b u tt h eu n c e r t a i n t yi sa s s u r e d l yl i e si nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m 1 1 地u n e x p e c t e dc a l a m i t yi sm o r en a t u r a le n e m yt h r e a t e n i n gt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k s oi nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m , d e c i s i o n - m a k e r st a k ei n t oa c c o u n tn o to n l yr a n d o m i c i t yo ft r a f f i cr u n n i n gc i r c u m s t a n c e , b u tu n c e r t a i n t yo fd a t ai t s e l f a n dt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e md u r i n gd i s a s t e rm u s tb ep l a c e de m p h a s i so n r e l y i n go nt h eh i t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 8 6 3 ) o fc h i n a ( n o 2 0 0 7 a a l1 2 2 0 2 ) ，1 l m m cn e t w o r ks t r u c t u r eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e so fe c o n o m i cc i r c l c t h ep a p e rp u te m p h a s i ss t u d i 豁u p o nh o wt a k i n gi n t oa c c o u n tt h e s eu n c e r t a i nf a c t o r sd u r i n gt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g na n dm a k e st h eq u e s tt oac e r t a i nd e g r e ei nt h eb e l o wa s p e c t s ：t h eg e n e r a l i z e dr e l i a b i l i t yc o n c e p ti nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g ni sp u tf o r w a r db yc l a s s i f y i n gt h e s eu n c e r t a i nf a c t o r s b a s e do nu n c e r t a i n t yp l a n n i n gt h e o r y , t h en e t w o r kd e s i g nm o d e l sa r eg i v e n , c o n s i d e r i n gr u n n i n gc i r c u m s t a n c er a n d o ma n dd e s i g np a r a m e t e ru n c e r t a i n t y t h eu s u a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sa 托s t u d i e dc o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i np r o b l e m u s e re q u i l i b r i u mu n d e ru n c e r t a i nd e m a n di sd i s c u s s e da sa ne x a m p l e t h r e ek i n d sm e t h o d sa r cp r o d u c e d , p o 砬e s t i m a t i n g , s i m u l a t i n ga n ds c e n ep r o b a b i l i t y t h ca p p r a i s e m e n to fr e l i a b i l i t yi st h eb a s i so fq u a l i t a t i v et r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m c a l c u l a t i n gm e t h o d so fl i n k sr e l i a b i l i t ya r es a v d i e df o rd i f f e r e n tk n o w nc o n d i t i o n s t h ec a l c u l a t i n gm e t h o di sg i v e nk n o w nr a n d o ms u p p l ya n dd e m a n d , a n dt h ef u n c t i o no fr e l i a b i l i t yi se s t i m a t e dk n o w ns t a t i s t i c a ld a t ao fl i n e st r a v e lt i m e i m p r o v e dr e c u r s i v ed e c o m p o s i t i o na r i t h m e t i ci ss t u d i e df i t t i n gt oc a l c u l a t el a r g e - s c a l et r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kr e l i a b i l i t y t h ed e t a i l e ds t e p sa r ep r e s e n t e da n da l le x a m p l ei sg i v e nt oa p p r o v ei t sv a l i d i t y t h ei n p u td a t ao ft r a f f i cd e m a n di sr a t h e ru n c e r t a i ni nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g n t h e s eu n c e r t a i nd e m a n d si n c l u d en o to n l yl o n g - t e r md e m a n db u ts h o r t - t e r md e m a n d s ot h er e a s o nb e i n gu n c e r t a i ni sa n a l y z e df i r s t l y c o n s i d e r i n gl o n g - t e r md e m a n du n c e r t a i n t y , t w ok i n dm o d e l sa r ep r e s e n t e d , s e n s i t i v ea n a l y s i sm o d e lf i t t i n gf o rc o n t i n u o u sd e m a n da n dg e n e r a l i z e de x p e c tv a l u em o d e lf i t t i n gf o rd i s c r e t ed e m a n d a ne x a m p l ei sg i v e nt oa p p r o v e 沤v a l i d i t y f o rc o n s i d e r i n gs h o r t - t e r mr a n d o md e m a n di nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m , s t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u mi sp r e s e n t e db a s e do nt r a v e lt i m eb u d g e to fd i f f e r e n tu s e rc l a s s e s a n dt h eb u d g e tt r a v e lt i m et o o ki n t oa c c o u n tt h er a n d o md e m a n d ，r a n d o ml i n k sf l o wa n dr a n d o mp a t hf l o w t h i sm o d e li sa m p l i f i e do nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m a ne x a m p l ei sg i v e nt oa p p r o v ei t sv a l i d i t y t h ec a p a c i 锣u n c e r t a i n t yo fl i n k si so n eo ft h em a i nf a c t o r sr e s u l t i n gi nr a n d o m l yr u n n i n gc i r c u m s t a n c e f i r s t y l y , t h er e a s o no fu n c e r t a i n t yi sa n a l y z e d a n dt h ed i s t r i b u t ef u n c t i o no fu s u a lc a p a c i t yi sg i v e n b a s e do nt h eu n c e r t a i nc a p a c i t y , t w om o d e l so ft r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e ma r es t u d i e d , l i n kc a p a c i t yr e l i a b i l i t ym o d e la n dt r a v e lt i m eb u d g e tm o d e l i nt h ef o r m e r , t h es p a r ec a p a c i t yi sc a l c u l a t e db yp s u em o d e la n dl i m i t i n gt om a x i m a ll i n k sf l o w a n da l le x a m p l ei sg i v e nt oa p p r o v ei t sv a l i d i t y i nt h el a t t e r , t r a v e lt i m eb u d g e te q u i l i b r i u mo fd i f f e r e n tu s e rc l a s s e si si n d u c e dt ot r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m a n dt h ea r i t h m e t i ci sp r e s e n t e d a ne x a m p l ei sg i v e nt oa p p r o v ei t sv a l i d i t y t h er a n d o m i c i t yc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e dt h r o u g ht r a v e li n f o r m a t i o n s oi th a sd i f f e r e n td e s i g nm o d e l s m东南大学博士学位论文基于不确定性分析的交通网络设计问题研究t h et r a f f i cp l a n n i n gt h e o r yi si n t r o d u c e dw i t ht r a v e li n f o r m a t i o nf i r s t l y u n d e rt h i sc o n d 【i t i o nt w ok i n dn e t w o r kd e s i g nm o d e l sa r es t u d i e dc o n s i d e r i n gt r a v e li n f o r m a t i o n , b a s e do nm u l t i - m o d es t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u ma n db a s e d0 1 1d i f i e r e n tu s e rc l a s s e sm i x e de q u i l i b r i u m i nt h ef o r m e r , t h ec o m b i n e dm o d ea n da s s i g n m e n tm o d e li se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fr a n d o mn a m i n gc i r c u m s t a n c et ot r a f f i cm o d ea n dp a t hc h o i c e t h e nt h i si si n d u c e dt ot r a n s p o z m t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m a ne x a m p l ei sg i v e nt oa p p r o v ei t sv a l i d i t y i nt h el a t t e r , c o n s i d e r i n gt h eu s e rh o l d i n gd i f f e r e n ti n f o r m a t i o nd e g r e e ，t h e yh a v ed i f f e r e n te s t i m a t i n gt r a v e lt i m ea n dp a t hc h o i c em o d e s oam i x e de q u i l i b r i u mm o d e lo fm u l t i - c l a s s e su s e ri sg i v e n -t h i sm o d e li sa m p l i f i e do nt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m a ne x a m p l ei sg i v e nt oa p p r o v ei t sv a l i d i t y w i t ht h eh i g hf r e q u e n c yo fv a r i o u sn a t u r ed i s a s t e r sa n dm a n - m a d eo n e s ，n e wr e q u i r e m e n ti sp u tf o r w a r dt ot r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g n a tf a s tt h ed e s t r u c t i o n so fd i s a s t e ra r ec l a s s i f i e dt w ok i n d s ，s t o c h a s t i cd e s t r u c t i o na n dp u r p o s e f u ld e s t r u c t i o n 功ed e m a n dc h a r a c t e r i s t i ca f t e rd i s a s t e ri sa n a l y z e d , e s p e c i a l l ya s s i g n m e n tc h a r a c t e r i s t i c t h em o d e l sc o n s i d e r i n gt w ok i n d sd e s t r u c t i o ni sg i v e n t h es t o c h a s t i cd e s t r u c t i o nn e t w o r kd e s i g nm o d e li sc l a s s i f i e dp r e v e n t i v em o d e la n dr e b u i l d i n gm o d e lo fd i s a s t e r a p p r o p r i a t em o d e l sa r es t u d i e d , a n de ne x a m p l ei sp r e s e n t e d 1 1 1 em o d e lc o n s i d e r i n gp u r p o s e f u ld e s t r u c t i o ni sm a d eu s eo ft w o - l e v e lg a m em o d e ，g o v e r n o ra n du s e r a n dt h er e s u l ti sn e e d e dr e b o u n d e dl i n k s a n da ne x a m p l ei sg i v e nt oa p p r o v ei t sv a l i d i t y k e y w o r d s ：u n c e r t a i n t ya n a l y s i s ；t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r kd e s i g np r o b l e m ；d e m a n du n c e r t a i n t y ；d e g r a d a b l ec a p a c i t y ；i n f o r m a t i o n i z a t i o n ；d e s t r u c t i o nb yd i s a s t e r s ；b i l e v e lp r o g r a m m i n gm o d e l烈东南大学博士学位论文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。研究生签名：凌避e l期：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) 授权东南犬学研究生院办理。研究生签名：猃翰i 导师签名：喂屹日期：趟，y第一章绪论1 1 交通网络设计问题的意义交通运输供给能力不足已严重阻碍了国家或地区的国民经济的快速发展，成为制约一个国家或地区的国民经济快速发展的瓶颈【1 1 为了克服这一现象，必须增加对交通基础设施建设的投资力度。但是目前，在世界各国中，无论是发展中国家还是发达国家，资金不足问题都是交通运输发展中最大的障碍为了解决交通运输资金短缺问题，克服交通运输供给能力的瓶颈障碍，必须采取积极、有效的措施。一方面要吸引多方面的资金流入，达到增加交通基础设施建设所需资金数量、推动交通运输供给能力合理增长的目的；另一方面需要合理分配、用好、管好这些有限的资金，在资金投入决策之前，一定要全面比较各种投资建设方案力争使有限的资金投入产生最大的经济效益、取得最佳的社会效益。因此，如何从总体交通状况出发，提出适当的、科学的、系统的、最佳的交通投资改建方案。并通过这些合理的交通投资方案能进一步促进交通状况的改善，带动各项经济活动的发展，达到交通建设与有限资金的和谐统一，这是一个关系到国民经济长期、持续、快速稳定而又协调发展的大问题交通网络设计问题( n d p - n e t w o r k d e s i g n p r o b l e m ) 研究的主要内容就是通过优化计算方法寻找最优的用于道路网络新建或改善的交通建设投资方案，即研究如何能用最少的资金投入达到使整个交通网络中某种指标最优的目的，这些指标可以是使整个交通网络中的系统总阻抗最小，也可以是使整个交通网络所能容纳的出行量最大等等，从而为交通规划决策部门和有关人员提供科学、系统、合理、有效的决策方案和决策数据，使政府的有限资金投入能取得最佳的投资效益综上所述，可以得出研究交通网络设计问题的重要性有以下几点：交通网络设计问题是行之有效的、从系统工程观点出发的以达到缓解整个或局部交通网络拥挤局面的对策和方法：交通网络设计得出的最优交通网络投资方案是交通规划部门和决策、研究人员进行比较参考的非常重要依据，而这恰恰是交通规划过程的关键所在；交通网络设计问题可以使政府有限的资金投入能取得最佳的投资效益。因此，研究交通网络设计问题不仅在理论研究上有着重要的价值，而且髓够用于解决实际的交通问题，具有非常重要的现实意义。由于现代交通的多样性和复杂性，所以交通网络设计问题一直被认为是交通研究领域中难度最大、最具挑战性的问题之一。1 2 基于不确定性分析的交通网络设计问题的提出1 2 1 交通网络设计中的不确定性因素不确定性是工程中经常遇到的问题，几乎所有物体( 或元件) 的性能都存在不确定性。随着对事物的不确定性认识的不断深入，人们逐渐认识到在现实世界中不仅存在随机不确定性，而且存在着客东南大学博士学位论文基于不确定性分析的交通网络设计问题研究观认识上的模糊性以及主观认识的未确知性【2 】。交通系统是由道路网络和运行在其中的人、车、物等组成的功能系统，其主要任务是实现人和物的流动。由于交通系统涉及到人的主观活动以及人和系统间的相互作用，使其同样具有很大的不确定性【3 1 。因此，在进行实际的交通网络设计决策的过程中存在着很多的不确定因素，可以用图1 1 所示的坐标图形象表示 4 1 。这些不确定的因素根据其性质主要表现为如下三大类：一类为长期预测型的未确知性，一类为短期供需型的随机性还有就是由前两类派生出来的主客观认识的模糊性。本文则主要针对于交通网络设计中的前两类主要的不确定性进行分析研究。考虑如何利用不确定系统优化理论，在交通网络设计中考虑不确定因素的影响。网络输入需求l 短盏要蓬的i 长期需求预测if 型未确知性f时间短期长期短期供给的长期供给预测随机性型的未确定性供给图1 - 1交通网络设计中的不确定因素分类( 1 ) 长期预测型的未确知性常规路网的交通规划是建立在对未来情形交通预测的基础上的，包括对未来交通需求的预测、未来交通方式的预测以及未来路网的预测等，如图l - 2 所示，所有这些是进行交通网络设计工作的基础。预测就是根据过去和现在推断未来，根据已知推断未知，并做出关于这一事件发展的设想。既然是一种设想就包括对未来情形的一些估计，因而具有未确知性。图1 2 交通网络设计中长期预测型数据的未确知性此外，路网的突发事件也具有明显的未确知性，如火灾、地震、恐怖袭击、路网改造施工等突发事件，很难在交通网络设计阶段就预知发生的具体位置、等级以及破坏程度等。( 2 ) 短期供需型的随机性交通网络中的短期供需的随机性也即交通网络运行环境的随机性，供需随机性是形成原因。运行环境随机性是表现结果。在日常交通网络中，阻塞的发生主要是因为路网的交通需求超过通行能力造2东南大学博士学位论文第一章绪论成的。因此当通行能力及实际交通流量均为确定值时阻塞是否会发生是可以确定的；但事实上，由于出行需求的变化、出行时间的不确定性、路径选择的不一致性等导致交通系统的实际流量也具有很强的随机性，而道路实际通行能力因受天气、事故、行人干扰等随机性因素的影响，也同样不是确定值。交通需求及通行能力的随机性是造成路网运行状态服务水平随机变化的主要原因p 】【习图1 3 给出了不同供需分布密度函数图图中的阴影面积即为阻塞概率需求，、供给、，厂、需影供给7参需求厂给么飞需求供给均为定值器求变化供绘不变需求供给均变化嚣求不变供给变化图1 3 不同供需分布密度函数图在日常路网中短期供需的随机性主要来自以下三个方面：交通需求的随机性。产生交通需求的机理是个人的出行决策。绝对的个人出行是不存在的它必然会随着个人日常生活的不同而发生变动因此交通需求作为个人出行的集计，尽管具有一定的规律性，但是在根本上，它是随时间空间的变化而随机变化的交通供给的随机性主要指日常的道路通行能力因受天气、事故、行人干扰等随机性因素的影晌，也同样不是确定值。导致路段、交叉口及路网实际通行能力变化的原因包括永久影响，持久影畴和短时影响三种。交通行为的不确定性。出行者根据他们察觉到的不同路径的旅行时间来选择出行路径在不确定的交通环境中，出行者会根据历史经验来调整他们的出行行为。导致交通行为不断变化，包括出行时间和空间分布的变化、出行方式的变化以及出行路径的变化等。1 2 2 基于不确定性分析的交通网络设计问题的提出以前所介绍的交通网络规划设计方法都有一个共同的特点，就是在分析问题时很少考虑交通网络中的不确定因素，通过上面的分析可以发现，交通网络实时都受到不确定因素的干扰，在交通网络设计中存在多种不确定因素。因此，在选择设计方案时，决策者应根据经验知识考虑不确定因素进行交通网络设计尤为重要。首先，随着经济的快速增长，人们时间效益的不断提升，在日常的交通状况下，更为稳定可靠的交通运输网络日益成为出行者和管理者的迫切需要。现有的交通网络设计模型缺乏对影响交通网络的随机因素的度量。只有在交通网络设计阶段就弓l 入不确定系统优化理论，考虑由于交通网络运行环境随机性而引起的用户路径选择模式的变化以及管理者对可靠性水平要求的变化，才能够从根本上提高交通网络的可靠性水平。其次，在交通网络设计中除了考虑交通网络运行环境的随机性外，还存在多种其他类型的不确定因素如未确知性和模糊性等。交通网络设计的主要目的是满足未来的社会发展的交通需求。然而根据前面的叙述可知，对未来的交通发展状况是在进行系列的预测和推测的基础上的，具有很大程度3东南大学博士学位论文基于不确定性分析的交通网络设计问题研究上的未确知性，因此，在交通网络设计中也应该考虑这些未确知性因素。再次，灾害的频发使人们更应该注重对考虑灾害破坏的交通网络设计问题。考虑到交通网络抵抗灾害破坏能力的加固设计中，由于未来灾害发生的不确定性和灾害发生情况复杂性，不同类型的灾害有不同的网络设计特点，也应该利用基于不确定性分析的交通网络设计技术对网络的特殊抗灾功能进行加固设计。1 3 基于不确定性分析的交通网络设计问题研究现状基于不确定性分析的交通网络设计问题主要是考虑交通网络设计过程中的不确定性，重点利用不确定系统优化理论来解决交通网络设计问题。下面首先介绍了交通网络设计问题的国内外研究现状，然后介绍了基于不确定性分析的交通网络设计问题的国内外研究现状。1 3 1 交通网络设计问题的国内外研究现状根据方案设计过程的不同，交通网络设计又可分为定性交通网络设计和定量交通网络设计两种 6 1 。( 1 ) 定性交通网络设计目前，我国交通规划工作者所采用的方案设计方法还大多以定性交通网络设计方法为主。首先，在交通分配基础上，发现现状路网对规划年份预测流量的供求矛盾所在( 缺陷所在) ，为现状路网的改进提供依据；然后，由多个规划者综合考虑交通、社会、经济、地形地貌、城市风貌等各方面的因素，根据自己的感性知识和经验各自提出一套方案，这样就得到多套方案：然后用数学评价模型对各套方案进行评价分析，选出其中最有的一个作为最终的方案。这样做的缺点是，备选方案只有有限的几个，而真正可行的方案有许多甚至无穷多个，所以即使所采用的评价模型正确，也只能在这有限的几个方案中优选，而不能全域优选，很难得到真正的最优方案【6 】。从定性交通网络设计的过程中可以看出，方案的选取和评价是定性交通网络设计的关键所在。因此，关于定性交通网络设计的分析主要是从方案选取和评价这两个方面入手。定性的交通网络设计的方法，主要凭感性和经验进行交通网络设计。虽然其中也包含一些定量的指标，但整体上来说，是定性为主，定量为辅。这种方法存在一些明显缺陷【_ 丌，主要有：备选方案只有极有限的几个，而其真正可行的方案有许多个甚至无穷多个，所以即使采用的评价模型齐全，也只能在这有限的几个方案中优选，而不能全域优选，很难得到真正的最优方案：“头痛医头，足痛医足”，往往把注意点孤立地放在某条路段，殊不知交通网络上的车流是均衡分配或随机均衡分配的，一条路段的拓宽或新建条路段都会导致交通流在整个网络上重新分配；不能保证建设资金被投放在最重要的地方也就不能保证最大的成本效益比；在确定拓宽或新修一条路段时，不能准确的确定出最佳的工程规模( 如车道数) 。( 2 ) 定量交通网络设计1 9 7 3 年，m 0 r l o k 首次提出交通网络设计问题并展开研究以来【5 】【9 】，在北美和西欧许多学者如m o r l o k 、l e b l a n c 、s h e f t i 、f r i e s z 、m a r c o t t e 、b e l l 等对交通网络设计问题开展了深入的定量化的研究，提出了描述网络设计的数学模型和许多相应的算法，形成了交通规划领域中的一个新的研究方向4东南大学博士学位论文第一章绪论网络设计问题( n d p - - n e t w o r kd e s i g np r o b l e m ) 1 0 , 1 l , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 s 。近期国外的研究主要有，2 0 0 1 年，m e n g和y a n g 使用边际函数工具将连续平衡网络设计问题的双层规划模型转化为单层的优化问题但是该等价的优化问题仍然为一个非凸的优化问题，最后设计了一个局部的收敛的算法来求解该等价的优化问题l 2 0 0 7 年，j o s e f s s o n 在使用p a t r i k s s o n 在文献【1 7 】中提出的对交通平衡灵敏度分析的结论与方法，通过分析可分解的平衡分配问题，设计了求解下层问题为可分解的平衡分配问题的双层优化问题的算法【l g l 。2 0 世纪9 0 年代以来，我国的一些学者如杨海( y a n gh ) 、黄海军、黄进仕( w o n g s c 、刘灿齐、高自友等也加入这个研究行列 6 1 。1 9 9 9 年，宋一凡等研究了求解弹性需求条件下连续平衡网络设计问题近似解的启发式算法【1 9 1 ；单连龙等将城市出行分布、居住土地使用布局与城市道路交通连续平衡网络结合起来研究【硎：2 0 0 0 年，高自友等出版了国内首部城市交通连续平衡网络设计方面的专著城市交通连续平衡网络设计理论与方法，该专著对城市道路交通连续平衡网络设计的定义、模型及求解算法做出了较为详细的描述【2 2 0 0 1 年，黄海军等建立了一个基于随机用户平衡的弹性需求城市交通网络设计问题的双层规划模型 2 2 1 2 0 0 2 年，刘灿齐提出了预算约束的离散交通网络设计的数学规划模型。探讨了它的隐枚举算法；然后，在忽视b r a e s s 诡异的前提下，改进了这个算法，以节省计算时间【2 3 1 2 0 0 3 年，赵彤给出了离散、连续以及混合的城市道路交通网络设计双层规划模型【m 1 1 3 2 基于不确定性分析的交通网络设计问题的国内外研究现状目前，在交通网络设计问题中，考虑交通网络设计过程中的不确定性主要集中在以可靠性分析评价为基础的定性交通网络设计和通过在配流模型中考虑不确定因素来进行交通网络设计两个方面。( 1 ) 基于可靠性分析的定性交通网络设计问题基于可靠性分析的定性交通网络设计问题以对交通网络的可靠性评价为基础通过对交通网络系统可靠性的分析评价，来找出交通网络的瓶颈所在，主要用于交通网络规划、路网改扩建设计以及交通网络的抗灾加固等。目前基于可靠性分析的定性交通网络设计问题主要研究成果包括：路两两相四阶段一规宠法赵湘育、王东炜等研究了“两相四阶段”规划法t 2 5 1 。将交通网络的评价划分为结构相和交通相两大部分，在此基础上又把交通网络的结构相划分为拓扑规划和结构设计两个阶段，将交通相划分为交通规划阶段和交通管理阶段，从而对交通网络可靠性和单元敏感性分析，以期对不同阶段路网的瓶颈子网络和瓶颈路段、交叉口等进行定性和定量的评价，来对规划方案进行优化设计和对现有的路网的改建、扩建提供建设性的建议和意见。路网改扩建优化设计陈艳艳等具体研究了可靠性理论在路网改扩建设计中的应用f 2 蝴，2 8 冽。一般先要计算交通网络可靠度，再对各单元重要度进行计算，并根据单元重要度对关键路段进行判断，从而得到各选路段，再根据资金等条件约束考虑交通网络设计目标，确定最后的交通网络改扩建单元为了对交通网络可靠度进行计算，基本方法是先确定交通网络单元的状态表示方法，然后计算在某一截值下的单元可靠度，再计算路径的可靠度、o d 对问的可靠度以及网络系统的可靠度。许良的博士论文研究了以连通可靠性、出行时间可靠性和能力可靠性为目标函数的交通网络设计s东南大学博士学位论文基于不确定性分析的交通网络设计问题研究问题【3 0 1 其仍以对交通网络系统的可靠性分析计算为基础，以提高交通网络本身的可靠性为主要目的，主要考虑由于交通网络运行环境随机性引起的不确定性。论文分别对基于可靠性分析的连续交通网络设计和离散交通网络设计进行了研究，给出了求解算法，并进行了算例分析。在这类以交通网络可靠度为目标函数的交通网络设计中，交通网络系统可靠度的计算方法仍是目前的难点。 路网抗灾加固设计傅方、王东炜等通过对震区道路系统规划设计方案的可靠性分析【3 1 3 2 ，3 3 1 ，进行了震区新建道路网络系统规划设计。史建港、陈艳艳等研究了交通网络可靠性理论在交通系统震害预澳i 及应对策略方面的应用【3 4 】。首先分析了地震发生情况下交通生成的不同过程，然后以可靠性为评价结果对交通网络进行抗灾加固设计。( 2 ) 基于不确定性分析的定量交通网络设计问题基于不确定性分析的定量交通网络设计问题主要是通过分析交通运行环境的随机性对出行者出行选择的影响，导致不同的交通网络配流模式，从而建立不同的交通网络设计模型。目前基于不确定性分析的定量交通网络设计问题主要研究成果包括：l o 等( 2 0 0 3 ) 首先研究了在考虑路段容量退化情况下的交通网络设计问题f 3 习。假设出行者在选择出行路径时不仅考虑平均出行时间，还考虑出行时间的不确定性