（交通信息工程及控制专业论文）随机环境下的城市交通网络出行时间可靠性研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 随着生活水平的提高和信息技术的发展，人们不仅仅要求缩短出行时间，更加期望能在预定的 时问之内，安全、舒适地到达目的地。为此出行对问可靠性的概念应运而生。从提高出行时间的准 时性出发，对交通网络出行时间可靠性进行系统地分析，将有利于城市现有交通问题的解决，对城 市机动车出行选择有所启发，并且对未来的城市交通规划也很有帮助。 出行时间可靠性的定义是在规定的时间内，车辆能够从起点到达目的地的概率。论文首先对国 内外研究现状做了综述，简要总结了国内外研究存在的问题，提出本文的研究思路和方法，随后阐 述了出行时间可靠性的研究背景和交通网络分析基础理论，为问题的展开做铺垫。 近年来，非集计模型发展迅速，已经成为交通分析的一项基本工具。本文从时间价值的概念得 到启发，提出出行时间可靠性价值的概念，将出行时间可靠性的价值定义为出行者可以接受的与出 行时间的标准差相等价的出行时间的长度，并设计调查表格，对南京市停车场的2 0 0 名驾驶员进行 了调查，根据调查数据，设计三种不同的效用函数，利用s a s 软件分别进行参数标定和假设检验， 得到被调查者的出行时间可靠性价值系数和出行效用函数。 路径选择行为是交通网络分析的基础，本文考虑了出行时间的随机变化和出行者的感知误差， 将随机环境下的路径选择行为描述为一个不动点方程。由于交通网络的随机性表现在交通需求的随 机性和通行能力的随机性两个方面，基于出行时间可靠性的路径选择行为必须同时考虑这两方面的 影响，论文在定义交通需求和通行能力的分布函数后，通过蒙特卡罗方法仿真求解试验路网下不同 路径和o d 对的出行时间可靠性，其中出行者的效用函数采用非集计模型标定的结果，路径选择模型 为基于s n - s u e 的不动点方程。 在交通网络设计中考虑出行时间可靠性的难点是设计适合路网模型的可靠性指标，论文将此可 靠性指标定义为所有路径的出行时间在预定范围内的概率，同时在下层规划中考虑基于出行时间可 靠性的路径选择行为，并利用遗传算法求解。论文同时对比了另外一种交通网络设计方案，指出对 于非关键路段，即便是增加很小的通行能力，也可以改进整个路网的出行时问可靠性性能。 关键词：出行时间可靠性；出行时间可靠性的价值；非集计模型；路径选择行为；交通网络设计； 双层规划模型；遗传算法 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r da n dt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e e l m o l o g y , p e o p l e sn o to n l yw i s ht os h o r t e nt h e i rt r a v e lt i m e ，t h e ya l s ow a n tt oa r r i v ea tt h e i rd e s t i n a t i o ns a f e t ya n d c o m f o r t a b l yw i t h i nt h e i ra n t i c i p a t e dt r a v e lt i m e , t h e nt h ec o n c e p to f t r a v e lt i m er e l i a b i l i t ya p p e a r e d a i m e d a ti m p r o v et h ep u n c t u a l i t yo ft r a v e lt i m e t h es y s t e m a t i c a l l ya t t a l y s c so ft r a v e lt i m er e l i a b i l i t yo f t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k sw i l lm 矗k ef o rt h es e t t l e m e n to fu r b a nt r a n s p o r t a t i o np r o b l e m sa n dd i r e c tt h e a u t o m o b i l ev e h i c l e s t r a v e l ，i ti sa l s ov e r yh e l p f u lf o rt h ef u t u r eu r b a nt r a n s p o r t a t i o np l a n n i n g t h ed e f i n i t i o no f t r a v e lt i m er e l i a b i l i t yi st h ep r o b a b i l i t yo f av e h i c l et r a v e lf r o mo r i g i n a t i o nt od e s t i n a t i o n i np r e s c r i b e dt r a v e lt i m e t h es u m m a r i z a t i o no f r e s e a r c hs t a t u sw a sp r o v i d e df i r s t l y , t h es u m m a r i z a t i o no f r e s e a r c hi n s u f f i c i e n c yi na n do u to f c h i n aa n dt h er e s e a r c ht h i n k i n ga n dr e s e a r c ha p p r o a c hw e r ep r o v i d e d n e x t t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do f t r a v e lt i m et e l a b i l i t ya n db a s i ct h e o r yo f t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k sa n a l y s i s a l s oe x p a t i a t e di nt h i sp a p e r , i ti sm a t t i n gf o rt h eo u t s p r e a do f t h ep r o b l e m i nr e c e n ty e a r s ，t h ed i s a g g r e g a t e dm o d e ld e v e l o p e dr a p i d l y , i th a sb e e nab a s i ct o o lf o rt r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c h e n l i g h t e n e db yt h ec o n c e p to f t h ev a l u eo f t r a v e lt i m e ，t h ec o n c e p to f t r a v e lt i m er e l i a b i l i t yw a s p r o v i d e da n dd e f i n e da st h el e n g t ho f t r a v e lt i m ew h i c he q u a lt od e v i a t i o ns t a n d a r do f t r a v e lt i m et h a tt h e t r a v e l e r sc a l la c c e p t e d ，i n v e s t i g a t i o nt a b l ew a sd e s i g n e da n d2 0 0a u t o m o b i l et r a v e l e r sw f y ei n v e s t i g a t e d , b a s e do i lt h ei n v e s t i g a t i o nd a m ，t h r e ed i f f e r e n tu t i l i t yf u n c t i o n sw f f l d e s i g n e da n dt h ed a t aw a sd e m a r c a t e d p a r a m e t e r sa n dh y p o t h e s i st e s t e db yt h es o f t w a r es a s ，t h eo u t c o m ew a s t h et r a v e lu t i l i t yf u n c t i o - r o u t ec h o i c em o d e li st h eb a s i so f t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k sa n a l y s i s ，t h es t o c h a s t i cf l u c t u a t i o no f t r a v e lt i m e a n da p p o r e e i v ee r r o ra ”c o n s i d e r e di nt h i sp a p e r , a n dt h er o u t ec h o i c em o d e li sd e s c r i b e da saf i x e d - p o i n t m o d e lb a s e do ns n _ s u em o d e l t h es t o c h a s t i cc h a r a c t e ro f t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k si n c l u d et h es t o c h a s t i c c h a r a c t e ro ft r a n s p o r t a t i o nd e m a n da n dc a p a c i t yo ft h er o a d , t h er o u t ec h o i c em o d e lb a s e do nt h et r a v e l t i m er e l i a b i l i t yn m s tt a k ei n t oa c c o u n tt h e s et w oi m p a c tf a c t o r s ，t h ed i s t r i b u t i n gf u n c t i o no fd e m a n da n d c a p a c i t yh d e f i n e da n dt h er o n t ec h o i c em o d e lw a ss o l v e db yt h em o n t e - c a r l os i m u l a t i o n , t h et r a v e l t i m er e l i a b i l i t yo fd i f f e r e n tr o u t e sw c t ec a l c u l a t e di nt h et e a t e dn e t w o r k s ，w h i l et h eu t i f i t yf u n c t i o nw a s g a i n e df r o mt h ed i s a g g r e g a t e dm o d e la n dt h er o u t ec h o i c em o d d i st h es n - s u eb a s e do nt h et r a v e lt i m e r e l i a b i l i t y t h ed i f f i c u l t yo f t r a v e lt i m er e l i a b i l i t yi n d e xc o n s i d e r e di nw a n s p o r t a t i o nn e t w o r k sd e s i g ni st h er e l i a b i l i t y i n d e xf i tt ot h et r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k sd e s i g n , t h er e l i a b i l i t yo f t h et r a v e lt i m eo f a ur o u t e sw f f f ew i t h i nt h e p r e s c r i b e dr a n g e ，a n dt h er o u t ec h o i c em o d e lb a s e do nt h et t a n a p o r l a t i o nn e t w o r k sr e l i a b i l i t yw a se m b e di n t h es u b - l e v e lo fb i - l e v e lp r o g r a mm o d e l ，a n dt h em o d e lw a gs o l v e db yt h eg aa p p r o a c ha n o t h e r t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k sd e s i g ns c h e m ew a sc o m p a r e di n t h i sp a p e rw h i c hi n d i c a t e dt h a tt h e l i t t l e i m p r o v e m e n t o f n o n - c r i t i c a ll i n k sw a s v e r yi m p o r m tf o rt h ew h o l en e t w o r k sr e l i a b i l i t yi n d e x k e y w o r d s ：t r a v e lt i m er e l i a b i l i t y , t h ev a l u eo ft r a v e lt i m er e l i a b i l i t y , d i s u g g r e g a t e dm o d e l ，r o u t ec h o i c e m o d e l ，t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k sd e s i g n , b i q e v e lp r o g t a n m 血gm o d e l ，g e n e t i ca l g o r i t h m 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：日期： 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) 授权东南大学研 究生院办理。 日期： 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来小汽车数量的剧增导致城市交通日益拥挤、问题日益恶化。用路网服务水平( l e v e lo f s e r v i c e ，l o s ) 来刻画路网性能，虽然能够从交通设施、道路工况、使用情况等几个方面诠释路网所 能给人们提供的效用，但是随着近几十年来城市交通的不断发展，城市路网规模越来越大，交通量 也随之迅猛增长，导致对路网性能准确而又实时的描述也变得越来越困难，因而当面对这种更为复 杂的道路工况和时变性更快的交通状况时，交通工程师感到采用服务水平这一指标来描述路网性能 越来越不适应当前的规划要求：与此同时，多种随机事件也会对交通运输系统造成破坏，并且这些 随机事件中有很多是不可避免的，由此造成城市交通网络性能状态的随机变化。事实上，经济的健 康发展很大程度上依赖于稳定可靠的交通运输网络。特别是随着智能运输系统i t s ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 的出现，对运输系统稳定可靠的要求与日俱增。为了衡量道路网在随机事 件下的应变能力和承受能力，描述出行者在一定的交通环境下，在规定时间内准点达到目的地的概 率，出行时阿可靠性的概念应运而生，并且越来越受到人们的重视。 交通网络的随机性主要表现在两个方面”1 ，一是需求方的随机变动：有多种因素影响出行者的 出行，比如出行目的、个人偏好、路网状况等，因此交通量是随机变化的；另一方面是供给方的随 机变动：有多种不确定因素随机改变着路网的状态，比如交通事故、自然灾害乃至日常的交通拥堵、 道路改造维护等。现有的交通模型往往缺乏对影响交通运输网络的随机因素的度量，要合理反映交 通网络中出行时间随机性的特征，就必须对现有交通模型进行修正，引入可靠性分析。 经济发展和社会进步提高了人的时问价值，预想不到的时间耽搁可能造成巨大的经济或社会损 失。已有研究表明人们在出行的时候不仅选择出行时间最短的路径，可靠性也是人们在路径选择时 考虑的重要因素“。出行时间可靠性要求即使在交通需求或道路状况不确定的情况下，交通网络也 能够保证提供稳定、可靠的服务，从而更好地满足社会与路网用户在各种条件下的交通需求。它从 路网用户的角度出发，将一般网络可靠性的研究方法和路网特有的用户行为纳入到考察范围中，从 而形成了比较完整的理论基础，这比以往所采用的其他道路网指标更具代表性和适用性。 随着人民生活水平的提高和信息技术的发展，人们不仅仅要求缩短出行时间，更加期望能在预 定的时间之内，安全、舒适地到达目的地。因此，城市交通网络出行时间的可靠性值得深入研究。 从提高出行时间的准时性出发，对交通网络出行时间可靠性进行系统地分析，将有利于城市现有交 通问题的解决，对城市机动车出行选择有所启发，并且对未来的城市交通规划也很有帮助。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 a s a k a r a 和k a s h i w a d a n i i * l 于1 9 9 1 年首次提出了出行时甸可靠性的概念，将出行时间的可靠性 定义为在规定的时间内，车辆能从起点o 到达讫点d 的概率。为计算方便，a s a k u r a 假设路段交通 流的出行时间符合正态分布，利用出行时间可靠性对日常( 非灾害) 情况下的路网运行状况进行评 价，结果表明该方法很有效。 在此基础上，1 9 9 6 年a s a k m l 5 1 又提出了由于道路条件恶化导致通行能力下降的出行时间可靠性 的计算方法，将出行时间可靠性定义为拥挤状态出行时间与畅通状态出行时间之比的函数。根据这 一定义计算的可靠性可作为标准来确定服务水平的等级。按照不同的要求，无论是否有路段发生拥 东南大学硕士学位论文 挤，整个路网都应保持在一定的服务水平上。当它们的比值接近于1 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，说明某段路发生严重的堵塞而不能到达目的地。1 9 9 9 年a s a k u r a 又将连通可靠性和出行时间可靠性的计算方法结合，建立了利用随机用户平衡模型求解交通系统可 靠性的方法，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 性的计算方法，但该方法基于二元状态估计，在实际应用中仍有定的局限性。 b e l l 等人于1 9 9 9 年提出利用敏感性分析的方法来估计由于交通需求变化导致的出行时间的变 化，该方法所采用的路径流量估计模型( t h ep a t hf l o we s t i m a t o r p f e ) “是一种基于l o g i t 的s u e 分配方法，该模型假设出行时间误差服从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 出行时问和路网的o d 矩阵等，以此估计出行时间可靠性。 w i l l i a mh i c l a m 等人在b e l l 之后提出了计算出行时间可靠性的交通流模拟器模型1 f s ( t r a 伍c f l o ws i m u l a t o r ) “。在该模型中，一部分路段的流量由安装在这些路段的探测器提供，而其他路 段的流量则依据这些探测到的数据经s u e 法推算确定，此后再求得路段的出行时闻，进而确定路径 出行时问可靠性。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 出行时间可靠性、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。使用该模型计算出行时间可靠性时，假定路段和路径的出行时间服从正态分布，路段 出行时间的均值和方差可通过多次模拟的方法得到，出行时间可靠性的计算方法同b e l l 相同。 y a s u n o r il i d a 等人2 0 0 1 年又对上述p f e 模型进行了改进1 ：将出行时间表征为流量的函数，利 用排队等待时间来表示出行延误，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 法估计出行时问分布情况，最终得到了路径的出行时间可靠性、o d 对出行时间可靠性等 出行时间的价值分析在国际上研究较多【i l j i ，但是对于出行时间可靠性价值的研究相对较少， t e r e n c ec l a m 1 3 等人对美国s r g l 高速公路上的出行者是否选择收费道路的调查数据进行分析，得 到出行时间及其可靠性的价值。j o h n b a t e s 等人【1 4 i 经过s p 调查，利用非集计模型研究了出行时间可 靠性的价值，并考虑了与公共交通相互影响下基于出行时间可靠性价值的方式划分问题。 随机环境下的路径选择行为方面，m i r c h a n d a n i 等人率先进行研究后认为“，j ：在传统的路径选择 模型中往往假定路径出行时问是确定的。同时假定出行者能够正确认识路径出行时间，这在很多情 况下并不合理。在m i r c h a n d a n i 等建立的广义交通平衡模型中，基本思想是：路段上的出行时间本质 上是一个随机变量，而路径由一系列路段组成，因而路径出行时间也是随机变量，服从一定的概率 分布。每一个出行者对于特定路径的出行时间的概率分布都有自己的估计，并且这种估计因出行者 的不同而不同。但是，该广义交通平衡模型的求解需要m o n t ec a r l o 抽样，计算量极大，难以应用到 大规模网络。 a b d e l - a t y 【”1 发现出行者不仅关心出行时间的减少，出行时间的随机变动也是路径选择中的一个 重要的决策因素。s m a l l 等人i l ”发现无论是客运还是货运都会额外付出一定的代价( 时间或者费用) 来减少出行时间的变动，以保证能够按时到达目的地。此井g h o s h ，k a z i m i ，l a m 以及s m a l l i x s - 2 0 j 等人的研究成果都表明出行时间的变动是随机环境下路径选择的个重要影响因素。 a n t h o n yc h e r t 等人考虑出行时间本身的随机性，模拟了三种不同的风险取向行为，将用户路径 选择模型分成d n - d u e ，d n s u e ，s n - d u e ，s n s u e 四类1 3 , 2 1 皿】。基于m o n t e - c a r l o 技术，c h e n 计算了不同路径选择模型下的出行时间可靠性。并进行了比较，结果表明不同路径选择模型下的出 行时间可靠性存在一定的差别。 h o n gi cl o 等人”在路网不确定性和通行能力随机性的基础上，提出利用机会约束规划的方 法( c h a n c e - c o n s t r a i n e dp f i o g r a m m i n g ) 来研究路网问题，但未考虑交通需求的随机变化。l o 假设路 段通行能力均匀分布，出行时间呈正态分布，提出了概率用户平衡( p u e ) 的路径选择行为，并在 此基础上提出了网络交通流分析和交通网络设计的模型，但未在目标函数中考虑可靠性指标。 s t e p h e nc l a r k 等人 2 6 1 通过估计日常交通变化下的出行时间分布的概率密度函数来确定出行时间 可靠性，该方法将用户平衡分配分为两个步骤实施；第步，根据路段流量的多项矩计算路径出行 时间的矩；第二步，计算与这些矩值相对应的出行时间的概率密度函数，从而估计出行时间可靠性。 2 第一章绪论 w a t l i n g 指出以往的路径选择模型存在的不足 2 7 】：虽然考虑了不确定性，但这种不确定性是由外 在因素所确定的，而且没有考虑交通流量的波动与出行时间波动的联系。基于这些不足，w a t l i n g 建 立了广义随机用户平衡模型，同时描述了交通量与出行时间的波动，并且这种随机性是平衡过程的 内在特性。 a n t h o n yc h e n 等人2 0 0 5 年研究了不确定环境下的路径选择模型1 2 s j ，对比了以下三种路径选择 行为期望出行时间最短的路径在一定时间内完成出行概率最大的路径在能够保证以预先确定 的概率在一定时问内完成出行的前提下，平均时间最短的路径。但未说明哪种路径选择行为更能符 合实际情况。s h o i c h i r on a k a y a m a 等人田1 假设路段流量服从p o i s s o n 分布，将用户平衡原理推广到出 行时间随机变化的情况，建立了基于随机出行时间的路径选择行为。a k o n i g 等人1 3 l j 研究了出行时 间可靠性对路径选择行为的影响，建立了一个描述和测量出行时间可靠性和出行方式选择的非集计 离散选择模型。 b r a c s s 诡异现象说明：假定交通网络o d 出行量不变，新建道路并不总能保证降低整个交通网 络的拥挤程度。k i l n 和s u b0 2 1 以及f r i e s z 等人p ”率先用双层规划模型研究了交通网络的设计问题， 在他们的n d p 双层规划模型中，上层交通网络设计的目标函数反映交通网络设计的目的，下层规 划考虑出行者的路径选择行为，最常用的是固定需求的用户平衡模型。b e l l 和l i d a 最早将可靠性的 概念引入到交通网络设计中来俐，采用的是离散型的基于连通可靠性的交通网络设计，没有考虑出 行者的路径选择行为，只适合在发生特殊情况下( 例如发生地震、洪水等自然灾害) 的交通网络设 计。l o 和t a n g 将网络存储通行能力( n e t w o r kr e s e r v ec a p a c i t y ) 的概念运用到交通网络的设计中来， 目标函数为通行能力可靠性最大。a g a c h a is u n a l e * p ”首先研究了基于出行时间可靠性的交通网络设 计问题，路径选择行为是基于p r o b i t 的s u e 分配，目标函数是整个路网的总出行时间不超过一定范 围的概率，给出了可靠性交通网络设计的基本概念和发展方向。随后，a g a c h a is u m a l e e 【3 1 研究了交 通需求随机变动下的交通网络设计问题，假设交通需求呈p o i s s o n 分布，其目标函数是交通网络总出 行时间在一定范围内的概率，下层规划为基于p b o b i ts u e 的路径选择行为，s u m a l e e 建立了总出行 时问的一阶矩和二阶矩，并基于网络总出行时间的敏感性分析设计了梯度投影法来求解这个双层规 划问题。p i y a c h o o t i n a n 0 7 等人研究了基于通行能力可靠性的交通网络设计，上层目标函数为所有路 段流量不超过通行能力的概率，并在下层的用户选择模型中考虑了出行经验，对研究基于可靠性的 交通网络设计具有定的指导意义。 1 2 2 国内研究现状 国内对于出行时间可靠性方面的研究较晚，且基本上都是基于别人的研究成果上面的拓展，原 创性的较少。近几年北京工业大学交通研究中心借鉴可靠度理论，从交通供需随机性出发，以达到 预期服务水平作为道路单元及系统运行可靠的标准，从道路单元服务水平和出行时间两个角度对路 网进行了研究并建立了两种道路运行状态的概率型评价指标畅通可靠性，出行时间可靠性网。 其中出行时间可靠度以出行时长( t r a v e l t i m e ) 为衡量标准，利用m o n t e - c a r l o 模拟法，提出了正常 条件下快速路出行时间可靠性的计算模型：在此基础上，利用随机用户平衡分配法，提出了考虑偶 发事件影响下快速路出行时间可靠性的计算模型p q 。 熊志华 4 0 1 认为在交通系统可靠性的分析当中，有必要考虑路段间的相互关系，提出了基于路段 相关的交通网络出行时间可靠性的概念，并对不同条件下路段可靠性的相关模式及求解算法进行了 分析。 刘海旭等人”提出出行质量的概念，以描述出行者在不确定环境下的路径选择准则，并将出行 质量定义为出行时问和出行时间标准偏差的线性加权和，综合了影响路径选择的两个不同的重要因 素：出行时间和出行时间可靠性。假定在路段通行能力随机变化的情况下，出行者以估计出行质量 费用最小作为路径选择的标准，建立了基于出行质量的随机用户平衡分配模型。在此基础上，刘海 旭等人1 4 2 分析了随机路网中出行时间的随机变动，将o d 交通量和路段通行能力作为离散随机变量， 并基于用户平衡分配模型，利用近似算法求解出行时间可靠性。 3 东南大学硕士学位论文 郭寒英等人 4 3 1 对突发事件下的路网出行时间可靠性进行了分析，从路段通行能力与出行时间关 系的角度，对交通流量与出行时间关系进行讨论。在研究出行时问的均值、标准差等特征值在突发 事件下变化的基础上，利用机会约束模型建立异常状态下路网通行能力分析的非线性规划模型，并 通过实例分析结果表明突发事件出现时路网出行时间可靠性与其承担的交通流量有直接的关系。 北京交通大学高自友等人系统分析了交通网络设计的双层规划模型，提出了基于p u e 的交通 连续平衡网络设计方法 4 5 j 、基于环境污染限制和最优信号控制的交通连续平衡网络设计方法州以及 与土地利用相结合的连续平衡交通阿络设计方法等 4 7 。但未考虑到交通需求和通行能力的随机变化， 基于出行时间可靠性的交通网络设计问题国内还鲜有研究 1 2 3 国内外研究存在的主要问题 综合以上分析可以看出，目前国内外关于随机环境下的城市交通网络出行时间可靠性方面的研 究方兴未艾，交通网络分析研究的主流仍然是确定性的交通量和出行时间，而在现实世界中，交通 量并不是确定性变量，而是随机变量，用确定性的指标来评判随机性的交通系统，已经不能适应时 代的要求，虽已有部分学者进行了很多开拓性的工作，目前关于城市交通网络出行时间可靠性的研 究仍然存在以下问题； ( 1 ) 在基于出行时间可靠性的路径选择模型中同时考虑出行时间长度及其不确定性因素时，还 没有引入出行时间可靠性的价值的概念，基本上都是根据经验做出判断。 ( 2 ) 关于随机环境下的路径选择行为的研究都是事先假设出行时间呈一定分布，没有同时考虑 交通需求的随机变化和通行能力的随机变化，在路径选择行为上没有充分考虑可靠性的影响，部分 考虑出行时间可靠性对路径选择行为的影响时，效用函数的选择不具一般性。 ( 3 ) 目前出行时间可靠性的影响在交通网络设计中的应用还十分有限，交通网络设计考虑的因 素还不全面，目前出行者在路径选择行为中已经越来越多地考虑出行时间可靠性的影响，未来的城 市交通网络设计必然要考虑出行时间可靠性的因素。 本文将针对以上国内外研究的不足，对随机环境下的城市交通网络出行时间可靠性进一步深化 研究。 1 3 本文的研究目标和主要研究内容 1 3 1 本文的研究目标 ( 1 ) 从我国城市交通的实际情况出发，分析我国城市出行者的行为和心理特征，设计s p 调查 表格并建立非集计模型计算分析被调查者的出行时间可靠性的价值。 ( 2 ) 深入研究网络交通流理论，通过分析出行时间可靠性对路径选择行为的影响，在同时考虑 交通需求的随机变化和通行能力随机变化的情况下，对基于出行时间可靠性的路径选择行为建模， 并设计求解算法。 ( 3 ) 参考城市交通网络设计的双层规划模型，提出基于出行时间可靠性的交通网络设计的双层 规划模型，并设计算法求解。 1 3 2 主要研究内容 本论文的研究对象是随机环境下的城市交通网络出行时间的可靠性，论文的研究涉及到交通工 程、系统工程、信息学、运筹学等领域和学科，本文将运用概率论、数学规划等有关领域的基础理 论及最新方法，主要在理论上对以下几个方面进行研究和探讨。 第二章是对随机环境下的城市交通网络出行时间可靠性的综述，首先论述交通网络可靠性问题 4 第一章绪论 的产生和随机性发生源，对交通网络的可靠性问题进行分类和特征分析，将出行时间可靠性分为路 径出行时间可靠性、0 d 对出行时间可靠性、系统出行时间可靠性三种类型，从需求空间的随机性和 供给空间的随机性两方面分析出行时间可靠性的影响因素，最后简单介绍平衡交通分配的相关知识， 包括路段阻抗函数、w o r d r o p 原理和路径选择行为等。 第三章首先介绍了传统交通规划四阶段模型的缺点和非集计模型的产生，给出非集计模型的特 点与分类，随后对非集计模型的基础理论随机效用理论进行论述，包括出行者效用函数的类型、 形式和特性变量的选择等，简要介绍了非集计模型的两个调查方法r p 调查和s p 调查。然后从 出行时间价值的思想得到启发，将出行时间可靠性的价值定义为出行者可以接受的与出行时间的标 准差相等价的出行时间的长度，根据与出行时间方差的不同关系建立三种不同的效用函数，并根据 调查结果，对三种模型进行参数标定和9 5 的置信度假设检验，结果显示被调查者的效用函数中出 出行时间的长度和出行时间的标准偏差线性相关。 第四章首先分析了路径选择行为在交通系统中的应用和随机环境下的路径选择模型的特点，然 后研究了基于出行时间可靠性的路径选择模型，并给出了随机环境下出行时间可靠性分析程序。该 方法的思想是：出行者选择路径必须同时考虑出行时间长度和出行时间可靠性的影响，两者可以通 过第三章研究的出行时间可靠性的价值衔接起来。在实际分析时，可以通过模拟随机环境下的交通 网络的需求量和通行能力值，并考虑到出行者的经验，给出各条路径出行时间可靠性的具体数值， 这种预测型方法同时考虑了交通需求和通行能力的随机变化，对研究随机环境下的城市交通网络特 征具有实际指导意义。 第五章是对交通网络设计问题的探讨，本文建立了基于出行时间可靠性的交通网络设计的双层 规划模型及其上层规划的目标函数，将上层规划的目标函数定义为路网中所有路径的出行时间都能 在一定范围内的概率，并将基于出行时问可靠性的路径选择行为嵌入在双层规划模型的下层规划中， 最后利用遗传算法求解该模型。 最后第六章对论文所做的工作进行简单的总结，并讨论和展望了本论文内容的今后研究方向。 5 东南大学硕士学位论文 第二章城市交通网络出行时间可靠性研究基础理论 2 1 交通网络可靠性综述 2 1 1 交通网络可靠性问题的产生 可靠性的概念在许多系统( 如：电力系统、供水系统、通讯系统等1 早已应用，它指的是系统或单 元在规定的条件下和规定的期限内完成预定功能的能力，因此可用于评价复杂系统的鲁棒性。网络 可靠性的概念在工程技术中有着广泛用途，早期的网络可靠性模型主要用于分析电子元件和机械设 备的工作状态，而目前其应用领域逐步扩大。 随着我国经济水平的提高，城市内部交通运输量大幅度增长，这使得城市机动车保有量猛增， 从而对城市道路交通的管理提出了新要求。研究城市道路网是为了考察其运行质量，以作为路网管 理的依据。而从可靠性这方面来考虑则是最近几年才由日本学者提出来的，因为路网可靠性是对城 市道路状况更准确、更全面地评价，它不仅从一般网络可靠性的角度来研究城市道路网，而且还将 交通网络的特殊拓扑结构和城市交通流的特性纳入到考察范围中来，从而形成了较为完整的概念模 型，这比以往所采用的指标( 如拥挤程度、出行时间等) 更具代表性和适用性 4 s 1 。 出行时间、速度、延度、饱和度等也可以用来评价交通网络质量，这些指标属于确定性指标， 在给定起讫点交通量、路段通行能力和出行函数的情况下，这些指标一般通过交通网络模型获得。 在现实世界中，交通量其实并不是确定性变量，而是随机变量，用确定性的指标来评判随机性的交 通系统，似乎并不适当。 由出行者的实际经验可知，在不同工作日的同一时段对某地点观测的交通量并不相同，从概率 论的角度来讲，交通量呈现某种概率分布。又例如，连接同一个起讫点对的两个路段出行时间相同， 但是一条路段通行能力大，另一条路段通行能力小，在交通需求随时问变化的情况下，就交通拥堵 的概率来说，通行毙力大的路段要比通行能力小的路段高。因此，考虑交通需求和交通供给方面的 随机性，用概率测度来评价交通网络的性能似乎更加贴近现实世界的交通现象。在多种因素相互交 织的交通网络空间上，研究交通网络的随机特征是一个具有挑战性的课题。9 0 年代的阪神大地震、 台湾大地震和伊兹米特大地震对交通生命线的破坏，促使人们认识到交通系统可靠性的重要性和紧 迫性。随着现代社会工作效率提高和节奏变快，个人时间价值的珍贵促使交通系统的用户更加关注 花费在路途中的出行时间及其可靠性。 交通量的随机变化可能来源于一系列复杂的因素。第一，来自于自然灾害，包括地震、洪水、 塌陷和泥石流等，这些不可抗拒的因素可能造成交通网络要素结构性的破坏。网络要素的状态可以 用0 - 1 状态来描述。0 表示“破坏”，1 表示“运行”。第二，来自于人类的社会活动，包括人们对道 路的常规维护、群众集会、路上停车、交通事故和恐怖活动，这些括动可能造成网络要素短暂的机 能丧失。第三，来自于道路用户选择行为的多样性。即使道路上没有发生天灾人祸和突发事件，不 同工作日的断面交通量仍然呈现多样变化。这种交通量的随机变化是道路上混合交通流成份的相互 干涉、交叉口冲突交通流的相互干涉、用户出行方式多样、出发时间多样性、出行路径多样性等因 素的综合反映。 由此可以看出，错综复杂的交通现象可以划分为两大类，异常状态( a b n o r m a l ) 和正常状态 ( n o r m a l ) ，天灾人祸和突发事件可归类于异常状态，而道路网络用户的多样性可归类于正常状态。正 常状态的现象具有可再现性( r e c u r r e n t ) 。比如说日复一日的重现，比较容易把握，而异常状态的现象 则不可能再现( n o n - r e c u r r e n t ) 。异常状态对网络要素的影响可以认为是正常状态下变化的极端情形， 例如，自然灾害导致路段功能丧失，等价于路段通行能力趋于零，出行时间趋于无穷大。 错综复杂的交通现象导致了交通网络的不确定性或随机性，包括需求空间的随机性和供给空间 6 第二章城市交通婀络出行时间可靠性研究基础理论 的随机性，具体主要表现于交通需求在网络上的空间分布、道路用户的路径选择行为、道路的通行 能力、道路的出行时间的不确定性等。可靠性产生原因、交通网络随机性与可靠性的关系可以用图 2 - 1 来表示。 影响因素 自 地震 然 洪水 灾塌陷 害泥石流 道路维护 萎群众集会 活路上停车 动交通事故 恐怖活动 选择行为的 多样性 栽流网络上的随机性 交通网络可靠性 图2 1 可靠性产生的原因、交通网络随机性与可靠性的关系 2 1 2 交通网络可靠性的分类 现今对交通网络可靠性的研究主要集中在3 个方面：连通可靠性、出行时间可靠性以及通行能 力可靠性。 ( 1 ) 连通可靠性 连通可靠性最早是由日本学者m i 和k a w a i 5 0 ! 于1 9 8 2 年提出的。它反映的是交通网络节点两 两间保持连通的概率。连通可靠性的求解过程中，一般只研究路段或节点的0 、l 两种状态，即连通 或不连通。而且连通可靠性分析假设当两点问只要有一条路径连通，则系统可视为连通可靠的。该 指标没有考虑路网容量限制的问题，即当路网处于连通状态时，即认为路段或路网能够满足所有的 交通需求的情况。这与日常交通路网的实际情况是不符的。所以。连通可靠性对日常路网运行状态 的评价不太适用，但对当地震等灾害发生的极端条件下的路网运行状态，其评价或预测结果还是可 以满足精度要求的。连通可靠性计算实际上是计算两点间任一条路径连通的概率。 ( 2 ) 出行时间可靠性 1 9 9 1 年，a s a k u r a 和k a s l d w a d a n i 提出以出行时问波动性反映道路交通网络可靠性，即出行时间 可靠性1 4 j ，它讨论o - d 间交通在一定的路网交通需求水平下在特定时间间隔内能够成功到达的概率。 1 9 9 6 年a s a k u r a 又提出出行时间的可靠性是阻塞状态运行时间与畅通状态运行时间之比的函数例， 即使路网中某一路段发生阻塞，也可以用这一比率作为衡量服务水平的标准，也就是说，当某一路 段上的交通状态开始恶化，仍然可以进行评价，即用交通状态恶化的比率衡量。当这一比率为0 或 较小时，表明道路基本处于理想通行能力条件；比值超过l 之后，比值越大，出行时间越长，可靠 性越差；当比率接近无穷大时，即终点不可达，这两种极端情况与路网连通性一致。 ( 3 ) 通行能力可靠性 1 9 9 9 年a n t h o n y