（载运工具运用工程专业论文）昆明城市交通分配模型研究及应用.pdf

摘要 交通分配是将各交通分析区域间的出行交换量按照一定的模型方 法分配到各条具体路段上。交通分配方法能否客观地反映实际交通流情 况，取决于城市交通网络有关参数的合理确定以及交通分配模型本身的 完善与否。 最优化理论、计算机技术，特别是地理信息系统的发展为交通分配 模型的研究提供了坚实的基础。t r a n s c a d 软件是地理信息系统与交通 需求模型相结合的先进的宏观交通仿真软件。t r a n s c a d 系统为昆明城 市交通分配模型的研究和应用提供了先进的软件平台。 由昆明理工大学交通学院牵头进行的“昆明城市交通综合整治及近 期实施方案研究”项目中，大型的交通现状调查为科学的交通分配提供 了数掘，出租车o d 调查为交通分配提供了原始o d 矩阵。由于交通分 配在交通规划中占有重要的地位，所以在项目中需要进行可靠的交通分 配。在项目组的专家提出了交通整治方案之后，还需要在规划交通网络 上进行交通分配，用来对方案进行宏观评价。 本文在先进的t r a n s c a d 软件平台上，进行了昆明交通分配模型的 研究和应用。首先建立了昆明市区交通网络的g i s 地图并进行了网络属 性的标定，确定了众多的交通分配模型参数；应用矩阵反推技术得到了 较为合理的o d 矩阵：根据昆明城市的实际交通情况进行了分配模型的 i j 价与筛选。把选定的交通分配模型应用到实际的交通整治项目中，对 交通整治方案进行了宏观评价。 本文对交通分配模型的研究方法，具有独立性、i 叮重复性和【i i j 发展 陀，它丝然是腑交通整治项目的需要而提出的课题，但是它又一一j 以从该 项h - ，剥离出来，作为独立的单元应用于其他| e 勺交通规划项l t 。 关键词：交通分配，o d 矩阵推算，昆明市交通，t r a n s c a d 非参数榆验，方案评价，地理信息系 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o fu r b a nt r a f f i ca s s i g n m e n t m o d e li nk u n m i n g a b s t r a c t t r a f f i c a s s i g n m e n t i st h a tt h eo dm a t r i xi sl o a d e do n t ot h e t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ku n d e rs o m ea s s i g n m e n tm o d e l s t h eo b j e c t i v i t yo f t r a f f i c a s s i g n m e n tl i e s o nt h ea c c u r a c yo ft h et r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k ，t h e a s s i g n m e n tm o d e l sa n di t s i n p u t s t h ei m p r o v i n go ft h ep r o c e s so p t i m i z a t i o n ，t e c h n i q u eo fc o m p u t e r ， e s p e c i a l l yt h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( o i s ) h a sp r o v e dt o b ea n e f f i c i e n ta n de f f e c t i v et o o lf o ro u r s t u d y i n g o nt r a f f i c a s s i g n m e n t t r a n s c a d ，ar e v o l u t i o n a r ys y s t e mf o rt r a n s p o r t a t i o nd a t am a n a g e m e n ta n d a n a l y s i s i st h e o n l yp a c k a g e t h a t f u l l yi n t e g r a t e s g i sw i t h p l a n n i n g m o d e l i n g a n d l o g i s t i c sa p p l i c a t i o n s t r a n s c a d i sa ne x c e l l e n tt o o lf o r s t u d y i n gk u n m i n g t r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e l sa n dm o d e lr e s u l t s t h ep r o j e c tl e a d e do nt h ef a c u l t yo ft r a n s p or t a t i o ne n g i n e e r i n go f k u n m i n gu n i v e r s i t y i s p r o p o s e d t or e s o l v eu r b a nt r a f f i c p r o b l e m s o f k u n m i n gc i t y f r o mt h ev i e wo fs y s t e m ，a n da i ma t d e v e l o p i n ga t r a f f i c s c i e n c er e s e a r c h s y s t e m a n d g i v i n g an e a rf u t u r e p r o g r a m i no r d e rt o r e s h a p ek u n m i n gu r b a nt r a n s p o r t a t i o n t h et r a f f i c i n v e s t i g a t i o n a n dt h e o r i g i n d e s t i n a t i o ns u r v e yp r o v i d e d t h ed a t a b a s ef o rt h ee x a c tt r a f f i c a s s i g n m e n t s o m es t r a t e g i e sh a db e e nb r o u g h tf o r w a r d t h em a c r o s c o p i c a l e v a l u a t i o no ft h ep l a na n dr e s u l t sn e e d st h et r a f f i ca s s i g n m e n tp r o c e s s t r a n s c a di si d e a lf o r b u i l d i n gt r a n s p o r t a t i o n i n f o r m a t i o na n d d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m sw eh a v ed e s c r i b e di nt h i sp a p e rok t r e x p e r i e n c ei u u s i n gt r a n s c a dt op r e p a r eat r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ko fk u n m i n ga n dt a z s a si n p u t st ot r a f f i cm o d e l i n gb a s e do nm o d e l p u r p o s e ，d a t aa v a i l a b i l i t 3 。a n d m o d e lp a r a m e t e r s ，c a n v a r ys i g n i f i c a n t l y t h e f i r s t p a r t o ft h e p a p e r i s d e v o t e dt o s t u d i n g o nt h e a s s i g n m e n t m o d e l s t h e i n p u t d a t am rt h e a s s i g n m e n tm o d e l i n ga n dt h ep a r a m e t e r so ft h em o d e l s a no de s t i m a t i o n m o d e l a tt h i ss t a g e ，t h eo d e s t i m a t i o nm o d e la c c e p t sa si n p u tt h eu p d a t e d o dm a t r i c e sa n du s e st r a f f i cc o u n t s ，a l o n gw i t has e r i e so fo t h e ri n p u t s t o e s t i m a t ea g g r e g a t ed e m a n df o rt h ec u r r e n ti n t e r v a l t h es e c o n dp a r td e a l s w i t hm e t h o d sf o rm e a s u r i n gt h ee f f e c to ft h es e v e r a lm o d e l s ，v a l u i n gt h e m o d e l sa n dc h o o s i n gt h e m o d e lb e i n gw e l ls u i t e df o r t h ec o n d i t i o no f k u n m i n gt r a f f i c f i n a l l y ，a p p l i e dt h em o d e l t ot h ep r o j e c tf o rt h ee v a l u a t i o n o f t h e p l a n t h i sp a p e ri st h er e s u l to fr e s e a r c hi n t o t h e m o d e l l i n ga n de f f i c i e n t s o l u t i o no fp r o b l e m si nt r a f f i ca s s i g n m e n ta n dr e l a t e da r e a s t h ea i mo ft h e p a p e ri s t op r o v i d eau t i l i t ya c c o u n to ft h ea p p l i c a t i o no ft h ek u n m i n g t r a f f i c p r o j e c t t h es t u d y i n g i sd e s c r i b e da n da n a l y z e d b y u s eo ft h e a d v a n c e ds o f t w a r e o t h e r w i s e ，t h i st i t l ew i l lb eo f v a l u ea n di n t e r e s tf o rt h e o t h e rt r a f f i c p l a n n e r s o u rp i l o t s t u d y s h o u l d h e l p u si no t h e rt r a f f i c p l a n n i n gp r o j e c t s k e yw o r d ：t r a f f i ca s s i g n m e n t ，o de s t i m a t i o nm o d e l s ，k u n m i n g t r a f f i c t r a n s c a d ，p r o j e c te v a l u a t i o n ，g i s 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互事肆我 日 期：阳严年孑月矽日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：二鱼l 坚 论文作者签名 互乳关 日 期：兰翌! 竺生兰月塑旦 昆岍理工人学硕i 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 交通规划是确定交通目标，设计达到交通目标的策略或行动的过程。 城市交通规划的主要目的在于模拟城市交通活动的现况，了解城市交通 问题的症结，预测城市交通的发展趋势，为设计一个合理的交通系统提 供有效的解决策略。交通规划通常包含了交通发生，交通分布，交通方 式划分和交通分配四个步骤，这就是交通规划的四步法( 也叫四阶段法) 理论。 交通分配是指将各分区之阳：j 的出行分布量分配到交通网络的各条边 上去的工作过程。它是传统的交通规划四步法中的最后一步，在现代交 通规划中它是方案设计的理论基础。在整个交通规划过程中，路网交通 分配具有重要地位。通过对未来出行的交通分配得到路段交通量，爿最 终完成交通量预测。交通分配具有以下的功用： 将现有出行需求量分配到现有交通路网，了解现有路网的交通负 荷状况，以便采取相应的措施； 将未来出行需求量分配于现有交通路网，并评估其结果，为未来 道路系统的发展提供参考； 将未来各年度的出行需求量分配于未来各年的规划交通路嘲上 以便决定路网建设发展的优先顺序； 可对路网的各科- 改善方案进行对比和评估； _ = 】交通分配所得到的路网交通流量数据，可作为确定道路系统设 h 流景或服务水平的参考。 1 2 交通分配理论发展的历史回顾 进行道路网规划时，如何将o d 交通量分配到交通网络的备条路线 中去，这是许多研究者苦苦思考的问题。交通量分配的研究是随着现代 觇划厅法的发展而发展起来的。最优化理论、计算机技术的发腱为交 通分配模型舶研究提供了擎实的基础。交通分配理论的发展j ：要经历了 以下的一些阶段。 1 人们早就认识到：所需旅行时问，距离及旅行费用等是选择路线 笫i 狐共7 l 负 昆明城市交通分配模型研究与应用 的重要基准，但在早期由于缺乏系统理论和计算手段，不得不依靠实际 作业者的个人经验和判断。进入5 0 年代后美国b p r ( b u r e a uo fp u b l i c r o a d s ) 和h r b ( h i g h w a y r e s e a r c hb o a r d ) 在研究高速道路交通转移率时提 出了转移率曲线方法12 】，这可以说是交通量分配理论系统发展的最初尝 试。 2 1 9 5 7 年e f ，m o o r e 和g b d a n t z i n g 发表了寻找网络中两点问最短 路方法的论文，这一成果对交通量分配理论的发展产生了很大的影响。 经过j d c a r r o l l ，ma s c h n e i d e r 等人的努力，5 0 年代后期建立在最短路 方法基础上的全有全无法( a l l o r n o t h i n g ) i 2 | 在交通量分配中得到了实 际应用。 3 全有全无法实际上是一种以规划者意愿为中心的交通量分配方 法，其结果与实际交通状态相差甚大。为了改进这一不足，在此后的研 究中又有多种新的分配模型被提出，其中具有代表性的是 w a m c h l a n g h l i n 方法和概率分配法【川。w am c h l a n g h l i n 方法通过搜索 节点之i 、自j 第1 n 位最短路径，应用线形图理论分配各条路线的交通量： 概率分配法由j e b u r r e l l ，r e d i a l 等人在6 0 年代后期至7 0 年代初期提 出该方法以个人选择概率为基础，确定各条路线的选择比率。 4 在实际研究过程中人们逐渐认识到，正确的交通量分配方法应能 较好地再现实际交通状态，这种交通状态是使用者路线选择行动的结果。 基于这种认识，以使用者路线选择行动分析为基础的交通均撕模型理论 逐步发展起来。w a r d r o p 提出均衡分配原则之后，l 9 5 6 年b e c k m a n n 建 立了均衡理论的数学极值模型，19 7 9 年m j ，s m i t h 在对均衡原理进步 细致分析的基础上提出了变分不等式模型，他们的研究工作使得均衡模 型理论形成了比较完整的体系。 5 我圈的交通规划和交通分配理论研究情况。我国的交通规划起步 较晚，至今不到2 0 年历史。2 0 世纪8 0 年代初期和中期我国城市中的 交通 冤划主要是进行一些定性分析，最多也只作一蝗简单的，局剂的定 垃分析。2 0 世纪8 0 年代后期因外的交通规划理论爿。被引进，很快得到 了广泛的应用和长足的发展。在理论方面，我国学者在应用国外的交通 规划理论年f 】方法时，注重针对我国城市的实际情况进行完善，刨造了其 有中因特色的交通规划理论。在应用方面，同前我国大多数大城寸i 和一 部分中等城市都进行了交通调查，并在此基础上进行了交通舰划。日n h 批2 狐共7 i “ 昆明理工大学硕士学位论文 交通规划的方法主要还是借鉴国外成熟的模式，即“四阶段”规划法。 我国目前在交通分配的建模理论与方法研究上，大都是建立在“客运 型”交通体系的基础上，从研究的对象看，侧重于城市道路网、区域公 路网及区域综合运输网。在交通量分配模型的研究上还大多借鉴国外成 熟的分配模型。 l 。3g i s 与t r a n s c a d 软件 地理信息系统，简称g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，是集现 代计算机科学、地理学、信息科学、管理科学和测绘科学为一体的一门 新兴学科。它采用数据库、计算机图形学、多媒体等最新技术，对地理 信息进行数据处理，能够实时准确地采集、修改和更新地理空间数据和 属性信息，为决策者提供可视化的信息支持。 近年来，随着地理信息系统的飞速发展，越来越多的应用领域同g i s 技术建立了紧密的联系。由于交通信息系统具有精度要求高、规则复杂、 动态化、离散化等特点，原有的信息技术已经不能完全满足交通应用的 需求，而借助于g i s 的强大功能，可以实现交通信息化的时代要求。交 通领域中g i s 的应用也越来越受到研究者和开发者的重视，g i s 与传统 的交通信息分析和处理技术紧密结合，延伸出了交通地理信息系统，简 称g 1 s t 。交通地理信息系统是收集、整理、存储、管理、综合分析和 处理空间信息和交通信息的计算机软硬件系统，是g i s 技术在交通领域 的延伸，是g i s 与多种交通信息分析和处理技术的集成。g i s t 具有强 大的交通信息服务和管理功能，它可以应用在交通管理的各个环节。在 交通工程领域采用g i s 技术和方法研究交通规划、交通建设和交通管理 及其相关的问题，具有其他传统方法无可比拟的优点1 4 1 。 t r a n s c a d 系统是由美国c a l i p e r 公司开发的交通g i s 软件，是第一 个专门为交通规划、交通管理以及交通特性分析丽设计的应用软件1 5 | 。 旨在帮助交通运输专业人员和组织机构存储、显示、管理及分析交通运 输信息与数据。作为最早具备交通规划地理信息功能的软件，可以方便 地对各类交通运输及相关数据进行存储、提取、分析和可视化。t r a n s c a d 具有功能强大的交通运输地理信息系统，包括复杂的g i s 功能，例如区 域叠加，影响区处理，地理编码等。t r a n s c a d 具有开放系统结构，支持 在局部和大型网络上的数据共用。t r a n s c a d 为交通需求预测准备了一整 帮3 页共7 i 页 昆明城市交通分配模型研究与应用 套完善且又随时更新的工具，包括数字化地图、地理数据管理、复杂的 交通规划应用、操作研究和统计模型。t r a n s c a d 扩展了传统的g i s 数 据模型以包容交通运输的特殊数据结构。例如：交通运输网络属性文件， 是一种专门的数据结构，用于代表交通运输网上节制通行的各种规则。 矩阵，是用于存放行程和旅行时间、货运流、起讫点( o d ) 出行率等 交通运输常用基本数据。路线与路线系，则是指示货车、公共汽车、个 人从一个地方到另一个地方的旅行路线。线性参照数据，是指根据沿着 道路与某一固定点的距离来确定交通运输分析对象的位置。对于城市交 通需求预测模型，t r a n s c a d 软件在g i s 系统方面开创了新的方法理论， 使交通规划步骤简化，改进了需求模型的建模过程，应用模型包含各种 类型的交通应用的全面解决方案。本文在昆明交通分配模型的研究与应 用中，就借助了该软件的诸多功能。 1 4 课题的提出和研究内容 1 4 1 课题的提出和研究意义 1 项目背景。 昆明主城区的交通拥挤，堵塞状况严重，并且随着城市人口规模的 扩大，机动车数量的迅猛增长，交通问题将更为严峻。因此，城市交通 问题已成为社会各界当前最关注的热点问题之一。为了发挥现有交通设 施的潜力，对昆明城市交通应进行分阶段、分重点的综合整治研究。昆 明市近期交通整治项目就是针对这些交通问题进行研究的。项目的基本 目标是初步建立城市交通基础数据库，通过交通分析模型，在深入分析 昆明市交通现状的基础上提出近期交通综合整治基本目标与方案设计， 并对其进行综合评价 2 本课题的研究意义。 交通分配模型在交通规划中占有重要的地位，在昆明市近期交通综 合整治计划的研究内容中，城市交通现状分析，道路交通需求预测，规 划检验及模拟分析评价几个重要的模块中都需要进行昆明市区交通网络 的交通量分配。正确的。接近实际情况的交通量分配尤为重要。所以研 究和选择适合昆明交通情况的交通分配模型，利用实际的交通数据来进 行昆明市区交通分配是非常重要的。本课题正是为了解决这些问题而提 第4 负共7 i 页 昆明理工大学硕士学位论文 出的。 1 4 2 课题研究的主要内容 在昆明市近期交通整治项目中，进行了交通需求预测模型的建立， 并且通过交通调查、放样，得到了原始o d 矩阵。本文在该项目研究的 基础上，重点对交通分配模型的建立、评价与筛选，o d 矩阵反推，应 用交通分配数据进行整治方案的评估等方面进行了深入的研究。本课题 的研究集中在交通分配的模型分析、评价、应用上，既是针对该项目进 行的研究，并为该项目服务。又具有独立性、可重复性和可发展性，可 以从该项目中剥离出来，作为独立的单元应用于其他的交通规划项目。 1 昆明市区交通网络的建立与各种属性数据的标定。 交通分配首先要有一个赖以实现分配过程的交通网络。交通网络建 立的准确性，完备性以及属性数据是否合理，准确与交通分配结果是否 符合实际密切相关。本文所研究的范围是昆明城市道路，交通整治项目 中用于分配的交通网络地理信息文件比较简单，基本上只包括了昆明市 市区的主干道，本文将使交通网络更加细化，能更好地描述昆明市交通 状况。 2 建立0 d 矩阵。 由于大规模的o d 矩阵的调查，费用相当的昂贵，在昆明市城市交 通近期综合整治研究项目中进行的大规模的交通调查中，也只是进行了 出租车的抽样o d 调查，经过放样得到了昆明市市区的原始o d 矩阵， 又称种子( s e e d ) o d 矩阵，然后根据种子矩阵在t r a n s c a d 软件中进行 o d 矩阵推算，进而得到由路段实测交通流量推算出的o d 矩阵。 3 适合昆明实际情况的交通分配模型的筛选。 交通分配模型有很多，它们的理论基础，模型建构，算法实现各不 相同，且各有优缺点，所以无法用一个标准选择出某一个所谓的最优模 型。但是如果同时应用名目繁多的分配模型会使得交通量分配变得混乱， 不适合具体城市的需要。所以，要用科学的方法进行交通分配模型的评 价与选择，确定比较符合昆明市市区交通状况的交通分配模型。 4 输出交通分配结果数据并进行数据的可靠性评价。 首先准备交通分配所需的数据，然后在昆明市区交通网络上进行交 通分配。交通分配的目的是为了尽可能地与实际交通流量相符合，所以 第5 嚣共7 l 页 昆明城市交通分配模型研究与应用 分配结果与路网实测流量的符合度评价是分配是否合理的检验标准。进 行交通分配后可以输出很多关于路段和交叉口的交通信息，这些数据可 以应用于其他交通分析和交通仿真。 5 交通分配模型研究在昆明市近期交通综合整治项目中的实例应 用。 第6 页菇7 l 页 昆明理丁大学硕士学位论文 第二章交通分配模型 2 1 交通分配模型分类 对于交通分配模型，国内外均进行过较多的研究。交通分配模型的 分类主要有以下一些分类方法： 1 根据对交通流时变特性的假设不同，分为静态交通分配和动态交 通分配两大类别。静态交通分配模型以年平均目交通流量为描述对象， 说明的是一种路网交通处于稳定状态时的交通情况；动态交通分配模型 描述的是时变交通流，与静态交通分配模型不同，它需要说明车辆由于 受到交通阻塞影响在路网上的滞留情况。 2 有关交通信息情况的假设分为两种基本情况。一种情况是，用户 掌握确定自己交通选择所需的路网交通情况，因而确切知道自己应该走 哪条道路，对应形成确定型模型：另一种情况是，用户并不掌握路网确 切的交通情况，而是根据有限的信息，选择自认为是正确的路线，由此 建立了概率型模型。 3 交通费用与交通流量关系假设。是说明交通线路上的交通费用( 指 广义交通费用，包括交通时间和狭义交通费用) 是否随交通流量的大小而 变化。最短路径分配和多路径概率分配模型均假设交通线路的交通费用 不随交通流量变化。均衡分配模型认为交通费用随交通流量的增加而增 大。 4 o d 选择特征假设。说明o d 交通流量是否随路网动态交通费用的 变化而变化，这里路网动态交通费用是指随相应交通线路上流量而变化 的交通费用。在城市中，居民的购物出行往往根据交通拥挤情况改变目 的地，弹性o d 分配模型能够说明这样的交通状态。 5 按模型所依据的路径选择行为原理分类。以w a r d r o p 第一、第二 原理为划分依据。w a r d r o p 第一原理指出f 7 ：“网络上的交通以这样一种 方式分布，就是所有使用的路线都比没有使用的路线费用小。”w a r d r o p 第二原理认为：“车辆在网络上的分布，使得网络上所有车辆的总出行时 间最小。”如果交通分配模型满足w a r d r o p 第一、第二原理，则该模型为 平衡模型。并且，满足第一原理的称为用户优化平衡模型( u s e r o p t i m i z e d e q u i l i b r i u m ) 。满足第二原理的称为系统优化平衡模型( s y s t e m o p t i m i z e d e q u i l i b r u m ) 。如果分配模型不使用w a r d r o p 原理，而是采用了模拟方法 第7 页共7 l 页 昆明城市交通分配模型研究与应用 则被称为非平衡模型。 关于交通分配模型，按照不同的分类原则，可以得到不同的分类结 果。但是国际上通常把交通分配方法按模型所依据的行为原理分为均衡 模型与非均衡模型两大类i8 l ( 见图2 1 交通分配模型分类框图) ： 阿 i燮型j 冈 l1 i 堡型i 圈 圈 圜 囡 黑 嚣 巨互国。一 匝回 巨囹 臣囹 图2 - 1 交通分配模型分类框图 2 2 交通分配模型理论 y r a n s c a d 软件中集成了七种交通分配模型，基本上覆盖了国际上 通用的、较成熟的分配模型，下面就介绍这七种交通分配模型的理论( 见 图2 2t r a n s c a d 中集成的分配模型) ，在后面的研究中+ 还要从这七种 模型筛选出比较适合昆明市区交通情况的分配模型。 ，f、l r，、l 垦塑坚三查兰堡主兰垒笙塞 厂 函，一t l 一 o 时，c ，= q ； 式( 2 1 ) 当嘭= o 时，c ，c ： 式( 2 2 ) 其中，瑶是满足w a r d r o p 第一原理的一组路径流量，当嘭给定后， 可计算出所有费用，这时流量可由下式计算出： 圪= 吼。 式( 2 3 ) u r 某一路径的费用可按下式计算： c o , = 毛以忆) 虽然w a r d r o p 在1 9 5 2 年提出了这一原理，但直到1 9 5 6 年 b e c k m a n 等人才建立起一个更严密的框架将其表达为一个数学规 划，从而将他们进一步发展为适当的算法，它在实际中得到应用与 检验则又用了几年时间。 数学规划方法将w a r d r o p 分配问题表示为一个求具有极小化目 标函数和一定流量约束条件的问题： m i nzp 扩 = f 。c 。( v 如 满足 = 毛 且 o 0 第1 3 页共7 1 页 ) ) ) 5 6 7 2 2 2 ( ( ( 式 式 式 昆明城市交通分配模型研究与应用 目标函数值对应于网络中所有链费用一流量曲线下的面积之和。约 束条件式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 的引入使得能在问题的可行解空间搜 索，即非负的路径流量z ，组成了出行矩阵。 u e 的数学模型的算法选择 为得到w a r d r o p 平衡解的合理近似解，有几种不同方法，其中 最简单的是启发式方法，而最有意义的是按更严谨的数学规划法设 计的算法。要比较这些算法，应考虑三方面的属性：解是否稳定? 是否收敛到一个真实解? 从计算角度看算法是否有效? 下面 定义的指标占一般可用来评价某个接近w a r d r o p 平衡的程度： 巧，一c ；) 万= 竺1 i 。式( 2 8 ) 艺2 ；q p 其中：c 。一c ：为某个( f ，) 对间某一特定线路上出行费用超出具有最 小出行费用的额外部分。这些费用在最后一次迭代并获得各路段总 流量后可以计算出来。可以看出：占是对通过非最优线路所导致的 额外出行费用的度量，它是一个相对而非绝对的度量。 f r a n k w o l f e 算法 前面已描述了一种数学规划方法，并说明了它与解决交通分配 平衡问题的相关性。这种数学规划是非线性的，它有许多解法。目 前最常用的算法是f r a n k 和w o l f e 提出的算法。这种算法可被认为是 标准迭代算法的一大改进。f 。w 算法可被视为一种解决目标函数极 小化问题的下降方法。它类似于先建立一个规则，再沿模糊的山谷 向前寻找最低点，对山谷问题的一组合适的规则是： 选择一个下坡方向，它取决于当地的地形： 停在上述位置，并选择另一个下坡方向，并继续步骤2 ：当 发现没有任何下坡方向时，即到达了山谷的底部。 一般来说，f w 算法在开始的迭代步骤中收敛较迅速，愈接近 最优点，收敛愈慢。f r a n k w o l f e 算法( 简称f w 算法) 的基本步骤： 对当前链的费用选取一组合适的初始值，如自由流的出行时 间为c o ( o ) 。对所有流初始化，即令g o = 0 且1 7 = 0 ： 利用当前费用数据建立最小费用树集。令”= ”+ l ： 对这些树构成的矩阵r 进行全有全无赋值，得到辅助的流量 第1 4 页共7 l 页 昆明理工大学硕士学位论文 集c ； 按下式计算当前流量： v o 。= ( 1 一庐) 圪。一，十口暖 式( 2 g ) 选择西使目标函数z 最小； 在流量圪。基础上计算新的当前链费用；若流量( 或当前链 费用) 连续两次迭代中改变不大，则停止计算；否则回到第 二步。对迭代方法的主要改进是在第( 4 ) 步，这里西用数学 规划法公式计算，而不采用固定的值。这样能有效地保证收 敛于w a r d r o p 平衡。 2 随机用户均衡分配模型 大多数研究和应用的模型是基于确定性固定需求下的用户均衡 方法，它采用如下的确定性假设：交通网络上的任何路线使用者都 能完全正确地掌握所有交通信息，并对各条路线的实际交通阻抗有 完全正确的估计。显然这一假设不符合实际的交通状况。实际情况 是人们不可能掌握所有的交通信息，其所作出的任何决策都或多或 少具有一定的随机性。因而，合理的交通分配策略及具体应用的模 型应该能反映出这种随机性。 在纯随机和纯用户最优平衡交通分配模型中，前一种模型，由 于对线路费用感受的不同导致两点间有多条线路可选。后一个模型， 线路容量也会引起线路的差异。实际线路选择中两种影响都存在。 随机用户均衡( s u e ) 模型就是试图在兼顾这两种影响的条件下寻 求平衡条件。即，每个用户选择有最小感觉费用的出行路线。换言 之，在s u e 条件下，对处于当前线路的所有用户来说没有感觉费用 更小的路线l l 5 1 。 s u e 和w a r d r o p 用户均衡的不同之处是：在s u e 条件下，每个 司机都有单独的“出行费用”概念，而不是采用唯一的，对所有司 机都适用的费用概念。理论上，将随机性与平衡性结合起来似乎很 有吸引力，但实际操作起来很困难。实际中的最大困难在于算法的 收敛性。为了说明这仑问题，先定义“收敛”概念，在满足下列条 件时则被认为是收敛的： 从一组特定的链费用c 。开始，例如第一次迭代时采用自由流 费用，在后续的迭代过程中按流量函数计算费用； 第1 5 页共7 l 页 昆明城市交通分配模型研究与应用 采用一个具有特定规则( 如d i a l 规则) 的矩阵产生新的链流 量眈 ，然后可得： c o = c 。( z o ) 式( 2 1 0 ) 换言之，计算新流量产生的费用实际上就是寻找路线并分配交通量。 如果算法不收敛，解( 流与费用) 将取决于什么时候停止迭代过程， 这是一个带有随意性的决定。例如，换一个规划者处理相同的问题， 但经过不同次数的迭代将得到不同的费用，这对运输项目的评估来 说显然是不希望出现的情况。不难看出，在某些情况下s u e 算法是 有可能收敛的。实际上，按s u e 算法进行分配是前面提到的迭代加 载法( m s a 法) 的一个推广。该算法可以描述如下： 令当前费用q = c 口( o ) ，即自由流行驶费；对所有的a ，使v 初 始化：v o = 0 ；令h = 0 ； 令n = ”+ 1 ；用当前费用构造一个最小费用树； 通过当前树和适当的随机方法( 如b u r r e l l 法) 将出行矩阵分 配道路网；得到一组辅助流量只； 计算当前流量： 屹，。= ( 1 一庐) 圪。一+ 口暖 式( 2 1 1 ) 其中：西= 1 。 在流量圪。基础上计算新的当前链费用，如果流( 或当前链费 用) 在连续两次迭代过程中没有显著的变化，则停止；否则，转向 第2 步。 当月很大，很小时，上述算法得到的流和费用的变化是很小的。 重要的是要证明它收敛于正确的s u e 解。这里，s h e f f i 已证明，通 过较长的计算，即通过多次( 如5 0 次或更多) 迭代，该算法收敛于 s u e 解。 3 系统优化分配模型 w a r d r o p 在1 9 5 2 年提供了在网络上进行交通分配的一种方法， 这种方法可称为第二原理：在社会平衡条件下，在稠挤网络中的交 通流应按照平均或总的出行成本最小的方式来分配。这是个设计 原理，和第一原理相比较，第一原理主要是建立个体驾驶员使其自 身出行费用最小化的行为模型而第二原理则旨在使交通流向最小 出行费用方向分配，从而取得晟优的社会平衡。第二原理是面向运 第1 6 页熬7 l 页 昆明理工大学硕士学位论文 输规划师和工程师的。系统最优模型假定网络使用者能接受统一的 调度，大家的共同目标是使系统总的阻抗最小。此时可用如下的数学 规划模型来进行描述 1 6 ： 五c 。抚) v r ，s x k ，r ，s f 忑婿6 ：，k v a 式( 2 13 ) 式( 2 1 4 ) 其中：z ( 厂) 一系统总阻抗； 正 在弧a 上的交通流量； c o ( l 卜一弧口上的阻抗： m o d 对r 至s 之间的路径k 的交通流量； g 。一r 至s 之间的交通需求量； 彰。，k 一若弧4 在连接o d 对r 至5 之间的路径k 上，则 盯，k = 1 ；否则，簖，k = 0 。 对于求解系统最优模型的算法，通常是将其目标函数变换形式 转化为用户均衡模型，应用f r a n k - - w o l f e 算法进行求解。由于问题 的特殊结构，算法复杂性有所降低，但对大规模交通网络的计算， 并不十分有效，且编制程序难度较大。因此在实际应用中受到了一 定的限制。一般来说，这两个原理所得到的流量是不问的。人们通 常只能期望实际交通流按照w a r d r o p 第一原理的近似解来分配。 第1 7 页共7 1 页 昆明理工大学硕士学位论文 第三章交通网络g i s 地图与交通分配数据准备 3 1 昆明市区交通网络地理信息文件 在t r a n s c a d 中地图要素为点、线、面，它们分别在不同层的地理 文件( g e o g r a p h i cf i l e ) 中保存。t r a n s c a d 中将实际的城市道路网构建 成一个交通网络，交通网络可定义为节点和路段的集合，它位于 t r a n s c a d 地理文件的线层( l i n e ) ，一般由构成线层基本要素的线段对应 实际路段，线层终点( e n d p o i n t ) 对应节点。 建立准确反映昆明交通现状的交通网络g i s 地图是交通分配工作的 前提和基础。根据实践经验，适当选取交通网络的规模和范围至关重要， 因为它决定着能否真实客观地反映出所研究对象的各种交通属性。一般 而言，交通网络的规模和范围的选取，可以根据城市路网的现状和交通 流状况，综合考虑对所研究对象产生直接或间接影响的道路及交通设施， 定性地加以确定 17 1 。交通分配中必须确定相应的昆明城市交通网络的地 理信息文件作为基本文件。本论文中，交通网络的地理信息文件是根据 昆明市交通近期综合整治研究项目中静态交通调查所得的昆明市道路基 本情况在t r a n s c a d 中建立的。 3 1 ，1 道路的功能分类 城市道路网是城市中各种职能道路相互交织组成的一个交通网状系 统。城市道路按功能可以进行如下的分类：城市快速干道，是用中央分 隔带将上下行车辆分开，供长距离行驶的车辆快速行驶的干道。城市主 干道，是用来实现区域之间和横穿城市各部分的交通流动，对主要的交 通发生点提供直接服务，并与高速公路，快速干道系统相连接的道路。 城市次干道，是市区内普通的交通道路，同时具有各种交通、运输和生 活服务功能，它与主干道组成城市道路网，是道路网中不可缺少的部分。 城市支路，是区域次干路，是城市小区内主要道路的联络线，解决局部 地区的交通，以服务功能为主。 3 1 2 昆明市区交通调查 从2 0 0 2 年1 2 月2 4 曰至1 月2 0 日，昆明理工大学交通学院动用了 交通工程专业、交通运输专业高年级本科生3 0 0 余人、研究生1 0 余人进 第1 9 页共7 l 页 昆明城市交通分配模型研究与应用 行了近一个月的交通现状调查和问卷调查，同时在昆明市城市管理局客 运管理处约协助下，对昆明市3 0 0 0 辆出租车进行了o d 调查和问卷调查： 本论文中引用的交通调查数据就是来源于此次交通调查( 见附录a ，b ， c ) 。 3 1 3 交通分区与质心选取 在进行交通分配之前要将所研究的区域划分为若干交通分析区域， 以配合o d 矩阵。交通区域的划分是一个十分敏感的问题，区域划分得 太粗会影响分配的精度，交通量有可能只集中到几条连接交通分区的道 路上去，与实际情况不符。而区域划分太细，又会使研究工作过于繁重， 同时并不一定能提高精度。交通分析区域的划分通常遵循以下的原则 i is ；经济的原则。对于经济发达地区，由于它的经济地位对所研究区域 的影响较大，应对其作详细的研究，因此交通区域应划分得细些。统计 的原则。一般的行政区，不论其交通量水平如何，均应设为交通小区， 即划分小区不应打乱现行的独立的行政统计区域。分流的原则。一个交 通小区不宜跨越两条平行的干线带来分流问题。根据以上的交通分析区 域划分原则，昆明市市区共划分为3 2 个交通小区【t 9 。( 见图3 1 交通分 区g i s 地图) 图3 - 1 交通分区g i s 地图 1 交通分析区域( t a z ) 质心位置的选择与确定。在交通调查区内 籀2 0 页共7 1 页 昆明理工大学硕士学位论文 道路网形成了一个网络系统。交通量分配模型需要用一个特别的质心点 表示一个区的交通发生点。本论文中以3 2 个交通分析区域的几何矩心作 为质心，交通产生和吸引均集中于该点，各区的质心可以在路网节点上， 也可以不在节点上，而是通过附加的连线与节点相连接。从质心到各节 点的联系，代表了一组交通分析区域交通发生点和路网的联系。 2 质心连接线的生成。在t r a n s c a d 中把各个交通分析区域的交通 发生量与网络联系起来需要生成一些质心连接线。软件提供了专门的工具来生成 质心连接线。 3 1 4 建立好的昆明市区交通网络g i s 图 根据调查数据在t r a n s c a d 中建立的昆明市区交通网络g i s 地图可 见图3 2 。 图3 2 昆明市区交通网络g i s 地图 笫2 1 页菇7 1 页 昆明城市交通分配模型研究与应用