（系统分析与集成专业论文）多模式城市混合交通网络系统优化模型及算法.pdf

中文摘要 摘要： 交通流分配是交通规划与管理的一个重要的内容，也是运筹学研究的一个重 要方向。由于城市交通拥堵，环境污染和交通收费问题与交通流量有直接的关系， 所以建立合适的交通流分配模型和算法对解决交通问题有重大意义。中国城市交 通特点是多模式混合交通，在交通网络上，多种模式的车辆混合行驶，出行者还 可以从一种交通模式换乘到另一种模式。本论文针对中国城市交通网络的特点， 在多模式混合交通流分配问题上做了如下工作： ( 1 ) 对城市交通系统上的各种交通模式进行了分类，分析了多模式交通网络 在路段上的干扰现象，给出了符合实际的多模式混合交通费用函数。 ( 2 ) 研究了多模式交通网络上的各种模式之间的换乘行为，通过状态转移网 络来标定多模式交通网络的拓扑结构，对不同特点的交通模式其费用计算进行了 归纳总结，提出了相应的网络交通流分配方法。 ( 3 ) 在多模式混合交通系统的流量分配模型和算法的基础上，本论文讨论了 公交票价的变动对多模式交通网络平衡配流的影响，提出了使出行总费用最低的 系统优化目标，并建立相应的系统优化双层规划模型，针对双层规划模型的特点， 用遗传算法对模型进行了求解。 关键词：多模式；配流；系统优化；双层规划。 分类号：u - - 4 9 1 a b s t r a c t ： a bs t r a c t f l o wa s s i g n m e n ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h et r a f f i cp l a n n i n ga n dm a n a g e m e n t i ti sa l s o a ni m p o r t a n ti n t e r e s ta r e ao fo p e r a t i o nr e s e a r c h ( o r ) a st h et r a f f i cf l o wi sc l o s e l y r e l a t e dt ou r b a nc o n g e s t i o n ，p o l l u t i o na n df a r ep o l i c y , i ti sc r i t i c a ln e c e s s a r yt om o d e l t h ef l o wa s s i g n m e n ti nu r b a na r e a t h ec h i n e s eu r b a nt r a f f i ci sw i t ht h ec h a r a c t e ro f m u l t i m o d a lm i x e dt r a 伍ca sd i f f e r e n tm o d a lv e h i c l ec a nr u n o n o n er o a dw i t ho b v i o u s i n t e r a c t i o na n dp a s s e n g e r sc a nt r a n s f e rf r o mo n ek i n do fv e h i c l et oa n o t h e r 1 1 1 i s d i s s e r t a t i o np r e s e n tt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k sa b o u tt h ef l o wa s s i g n m e n to f m u l t i m o d a lm i x e dt r a f f i c ： ( 1 ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，d i f f e r e n tm o d e so fu r b a nt r a f f i ci sc l a s s i f i e d ，t h e i n t e r a c t i o no ft r a f f i cm o d e si nu r b a nr o a d si sc a r e f u l l ys t u d i e da n dt h er o a dm i x e dt r a 伍c r e s i s t a n c ef u n c t i o ni so b t a i n e d ( 2 ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eb e h a v i o ro f p a s s e n g e r st r a n s f e r r i n gf r o mo n em o d et o a n o t h e ri ss t u d i e d ，t h en e t w o r ks t r u c t u r eo fm u l t i - m o d e lt r a f f i cn e t w o r ki sm o d e l e db y s t a t et r a n s f e rn e t w o r k ( s a m ) a n dt h er e l e v a n ta l g o r i t h mo ff l o wa s s i g n m e n ti s p r e s e n t e d ( 3 ) b a s e do nt h em o d e la n da l g o r i t h mo fm u l t i - m o d a lm i x e dt r a f f i cn e t w o r k ，t h i s d i s s e r t a t i o nd i s c u s st h er e l a t i o n s h i po fb u sp r i c ev a r i a t i o na n dt h ef l o wa s s i g n m e n t e q u i v a l e n t ，p r e s e n t st h es y s t e mo p t i m i z a t i o nm o d e i nt h ef o r mo fb i - l e v e lp r o g r a m m i n g t om i n i m i z e st h es u mo ft h es y s t e mf a r ea n do f f e r st h er e l e v a n tg e n e t i ca l g o r i t h m k e y w o r d s ：m u l t i m o d a l ；f l o wa s s i g n m e n t ；s y s t e mo p t i m i z a t i o n ；b i l e v e l p r o g r a m m i n g c l a s s n o ：u 4 9 1 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， 提供阅览服务，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) 学名：彩缪q 签字日期：2 妒佴月f le t 导师签名： 签字日期：夕矿p 7 年月f 日 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：衫 签字日期：夕咖7 年易月f1 日 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师四兵锋副教授的悉心指导下完成的，四兵锋副 教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在此衷心感谢 两年来四兵锋老师对我的关心和指导。 孙会君副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向孙会君老师表示衷心的谢意。 张好智博士后对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，孙华、郑建峰、龙建成等同学对我论文中的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢妻子谭桂虹、女儿韦秋靓，她们的理解和支持使我能够在学校专 心成我的学业。 1 1 研究背景 1 1 1 城市交通拥堵的现状 第一章绪论弟一早三百了匕 目前，随着经济的发展和城市化进程的加快，城市机动车拥有量急剧增加， 交通供需矛盾日益突出，交通拥挤越来越严重，它导致车辆车速降低，延误增加， 交通事故率增大以及环境污染程度加剧。交通问题已成为困扰城市发展的主要障 碍之一。以北京市为例，自1 9 9 0 年以来，机动车保有量年增长率始终保持在1 0 以上，截止2 0 0 6 年年底，北京机动车年保有量已经达到2 8 9 万辆( 张倩，2 0 0 7 ) 中国统计年鉴资料( 2 0 0 4 年) 表明，2 0 0 7 年2 0 0 2 年这十几年间，北京市交通投 资力度不断加强，城市道路面积增长了1 1 倍，道路长度年增大1 0 ，全市道路总 长达到1 4 4 万公里。但是道路的增长速度远远赶不上车辆的增长速度，全市交通 负荷不断增长，交通拥堵日趋严重，1 9 9 0 1 9 9 4 年，市区干道负荷增加了1 7 5 ， 市区交通干道饱和度达到了8 5 的水平，北京市中心区的高峰车辆平均时速只有 2 0 公里j 、时( 高自友和任华玲，2 0 0 5 ) 。在道路投资不可能大幅提高的情况下，需 要通过行政控制手段来对城市道路交通系统进行优化，保证城市的交通效率的提 高，以做到节约出行时间，减少环境污染的要求。 1 1 2 城市交通拥堵的危害 交通拥堵给经济社会带来巨大的伤害，本论文通过定量分析从以下五个方面 简单解读交通拥堵的弊端( 摘自嗍1 u n w e n d a c o m j i n g j i x u e 2 0 0 9 0 1 1 0 2 8 4 1 - 2 ) 。 ( 1 ) 巨大的拥堵经济成本。权威资料显示，停车时没有公里数用时间衡量油 耗，三分钟相当于一公里，以每辆车平均油耗每百公里8 升计算，则每三分钟的 停车油耗为o 0 8 升。假设每天每辆车因堵车额外耗费时间为3 0 分钟计算( 这是一 个非常保守的数字，很多人上下班时间在路上会堵上一个小时) ，则平均每辆车每 韭宝奎亚太堂甄坐位监奎堑= 童蕴监 天的额外油耗为0 8 升( 事实上，频繁的起步停车油耗要大得多) 。以9 3 号汽油每 升6 2 5 元计算每辆车每天额外耗费0 8 x 6 2 5 = 5 元钱，综合各项因素，根据零 点研究咨询集团在与北汽福田汽车有限公司于近期联台发布的中国居民生活机 动性指数研究报告中指出北京的车主平均每个月要支付3 7 5 元为“交通拥堵” 埋单。据统计，北京的拥堵经济成本居全国大城市首位。 ( 2 ) 巨大的社会成本。根据中国社科院数量经济与技术经济研究所张国初研 究员的调查与评估方法，北京8 0 0 万左右的从业人员中，有一半咀上是坐车上班， 包括私车、公交车等。如果说一天中有4 0 0 万人坐车上下班t 一个人的社会成本 为2 0 元，那么因为堵车造成的社会成本一天就是8 0 0 0 万元。相当于每年2 9 2 亿 元。如图卜1 所示为北京市道路交通高峰期间的拥堵情况。 图卜1 交通拥堵 f i g1 1t r a f f i cc o n g e s t i o n ( 3 ) 环境成本。首先是空气污染，北京市的汽车保有量已超过3 2 0 万辆，而 且还以每年1 5 - - 2 0 1 的速度增长。无疑，它是引发交通棚堵和空气污染的主要 因素。据北京市环保局监测北京城市郊区大气中7 4 的碳氢化合物，6 3 的氮 氧化合物来自汽车尾气，监测资料还表明：汽车缓慢行驶状态下的尾气排放量是 快速行驶的5 倍。为此有关专家认为：“世界水平”的交通拥堵造就了北京城“世 界水平”的空气污染。机动车排放污染己成为北京市大气污染的主要米源之一， 其直接排放的污染物总量、浓度的分担率均呈现上升趋势，北京城市空气中机动 车排放的c 0 2 、n o x ，分别占全市各污染源排放总量的8 3 和4 3 ，由于机动车尾 气管高度低，污染物排放属于超低空捧放，因此其环境浓度分担率更高，分别为 8 4 和7 3 。另外，对北京市城近郊区大气p m i o 和p m 2 5 的源解析表明，含交通 扬尘在内的各种扬尘污染源是大气p m i o 和p m 2 5 的主要污染源，p m i o 的排放量占 到3 9 5 。在扬尘浓度分担率中，交通扬尘的比例占到6 5 。 其次是交通噪声，北京交通噪声一直居高不下，多年来都在7 0 d b 以上。在对 全国1 0 个大城市道路交通噪声情况的考核及排序中，北京市排在倒数第三位。 2 0 0 2 年，中国环境污染治理总投资为1 3 6 3 4 亿元，占当年g d p 的1 3 3 。整个 交通行业共投入污染防治资金3 亿多元，使交通行业污染治理能力有了较大的提 高。2 0 0 2 年，北京市环境保护总投入达到1 3 4 亿元，占当年g d p 的4 3 ( 北京市 2 0 0 2 年g d p 为3 2 1 2 7 1 亿元) 。如果按交通污染分担率为7 0 0 计算的话，北京市 交通环境成本约为9 3 8 亿元，占当年北京市g d p 的2 9 2 。来自北京市政府的数 据称，以1 9 9 8 年为起点，当年北京环保投入5 4 亿元。2 0 0 5 年达到1 0 0 亿元，2 0 0 6 年超过2 5 0 亿元，7 年间累计1 2 0 0 亿元。 ( 4 ) 健康成本。科学分析发现，汽车尾气中有上百种不同化合物，当中污染 物有固体悬浮微粒、一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等， 一辆轿车一年排出有害废气比自身重量大3 倍，并且汽车在不断消耗着地球的资 源。机动车的燃料消耗成为无情吞噬石油资源的无底洞。目前，汽车使用的汽油 约占全球汽油消费量的1 3 。 汽车尾气中的一氧化碳与血液中的血红蛋白结合的速度比氧气快2 5 0 倍。所 以，即使有微量一氧化碳的吸入，也可能给人造成可怕的缺氧性伤害。轻者眩晕、 头痛，重者脑细胞将受到永久性损伤，氮氧、氢氧化合物会使易感人群出现刺激 反应，患上眼病、喉炎，尾气中氮氢化合物是致癌物质，它是一种高散度的颗粒， 可在空气中悬浮几昼夜，被人体吸入后不能排出积累到临界浓度便激发形成恶性 肿瘤。 ( 5 ) 焦虑成本。根据环境心理学的观点，环境对与心理具有巨大的影响。交 通拥堵会导致严重的心理焦虑，根据弗洛伊德的精神心理学理论焦虑往往具有以 下症状：恐慌和紧张情绪，感到最坏的事即将发生，常坐卧不宁，缺乏安全感， 整天提心吊胆，心烦意乱，对外界事物失去兴趣。严重时有恐惧情绪，对外界刺 激易出现惊恐反应，常伴有睡眠障碍和植物神经不稳定现象，如入睡困难、做恶 梦，易惊醒，面色苍白或潮红，易出汗，四肢发冷，手指发麻。肌肉跳动，眩晕、 心悸，胸部有紧压或窒息感，食欲不振，口干，腹部发胀并有灼热感，便秘或腹 泻，尿频，月经不调，性欲缺乏等。根据调研发现，在同一路段拥堵3 0 分钟以上 会产生胸闷、焦躁、心烦意乱等症状，忍耐性大大降低，从而增加了事故率和犯 罪率，不利于社会稳定和安定团结的大局，不利于和谐社会的构建。 通过对以上五个方面的分析，我们看到交通拥堵不仅对经济、社会带来巨大 的伤害，更重要的是对身体、心理健康具有很大的伤害。对于交通规划部门和公 众的高度注意，并拿出更加具有开拓性和务实型的办法落实科学发展观，关注民 生，促进交通发展。 1 1 3 交通管理措施 通过研究国外大城市治理交通拥堵的成功经验，得到一些有益的启示，结合 中国城市情况，提出以下建议( 摘自w w w 1 u n w e n d a c o r r f f j i n g j i x u e 2 0 0 9 0 1 1 0 2 8 4 1 ) ： ( 1 ) 制定交通政策，限制小汽车使用频率，从根本上解决城市道路拥堵问题。 国外城市汽车化发展的经验表明，人均g d p 达到3 0 0 0 美元之后，j 、汽车就会进 入高速发展期，即小汽车基本普及进入普通家庭。近年来北京市私人小汽车增长 迅猛。据北京市交通委统计，1 9 9 4 年北京市机动车保有量为6 7 万辆，其中私人小 汽车拥有量2 0 万辆，占机动车保有量的2 9 8 5 ；2 0 0 5 年北京市机动车保有量为 2 5 8 万辆，其中私人小汽车拥有量达1 3 0 万辆，占机动车保有量的5 0 3 9 。小汽 车出行已成为日常出行的主导方式之一，且在各类出行方式中所占的比例不断攀 升。北京市小汽车使用频率较高，年均行驶里程为2 5 万公里左右，是发达国家同 类城市的近两倍。 小汽车交通需求过度膨胀与城市道路承载能力产生尖锐矛盾，使得近年北京 的交通拥堵现象更为严重，早晚流量高峰期间，城区内道路9 0 以上处于饱和或 超饱和状态。据调查，近年来北京市每年用于城市道路建设的资金投入都在3 0 亿 元以上。“十五”期间北京市道路长度年均增长3 左右，城市道路面积年均增长 1 1 7 。据北京市车管所统计，最近几年车辆年增长速度约为1 5 ，车流量年增长 速度己达1 8 ，分别是道路增长速度的5 倍和6 倍。 北京作为一个土地资源短缺的特大城市，不可能靠无限制地修路来扩大道路 4 交通容量。要根本解决城市交通拥堵难题，必须借鉴国际经验转变思想、创新思 维：即从重视道路建设向重视交通政策转变。要解决北京市的交通拥堵问题，应 改变单纯依靠修路架桥、大上工程的传统做法，把着力点转移到制定切实可行的 交通政策上来。一方面要迸一步加大公务车改革力度。据统计，2 0 0 5 年北京市新 购车辆共计3 6 2 万辆，其中公务车就达1 0 2 万辆，占2 8 ，公务车改革势在必行。 要在严格核定并减少机关单位公务车配额、实行“控购”的同时，对公务车的使用实 行严格监督管理。另一方面要对私人小汽车的使用实行总量控制和引导。从调控 小汽车的拥有和使用频率入手，加大小汽车的拥有成本和使用成本，减弱人们的 买车意愿，使人们即使能够买得起车，也很难做到用得起车。通过采取符合市情 的多种经济手段减少各类小汽车在城市中的无序和过度使用，最终达到治理北京 城市交通拥堵的目的。 ( 2 ) 采取以公共交通为主导的政策，努力提高公共交通吸引力。 国际经验表明，在高密度的城市里，公共交通与小汽车很难做到同时发展。 北京是一个建筑与人口密度都很高的城市，在这样的城市，必须采取以公共交通 为主导的交通政策，不断提高公交系统的客运分担率，促使小汽车出行方式向公 共交通出行方式转移。北京市目前共有公共交通线路5 9 3 条、城市轨道交通线路4 条，但仍难以满足市民出行的需要，公共交通还不够便捷，吸引力也不够强。目 前国外发达国家大城市核心区出行中，公共交通分担率一般占6 0 8 0 ，东京、 伦敦、纽约、巴黎比重已达到6 7 8 7 ，小汽车包括出租汽车在内，仅占总出行 量的1 2 3 2 。而北京近几年私人交通出行比例却持续增高，公共交通分担率由 1 9 8 6 年的3 5 下降到2 0 0 5 年的2 8 1 。其中小汽车的无节制使用是导致公共交 通出行比重持续下降的主要原因之一。社会化、集约化公共交通( 特别是轨道交 通和大容量快速公交) 与非社会化、离散化私人小汽车和公务车交通在市内客运 交通中的客运分担率之比，是决定特大城市交通运行状态和服务水平的关键。一 般来说，两者的客运分担率之比为5 ：5 ，是衡量特大城市交通运行状态和服务水 平的临界点；客运分担率之比为7 ：3 ，则处于相对均衡状态，可使道路交通免于 发生大范围、长时间拥挤堵塞；而客运分担率之比为3 ：7 或2 ：8 ，则表明市内交 通的需求一供给处于总量与结构双重失衡的状态，导致道路交通大范围、长时间 拥堵不可避免。目前北京市内客运中公共交通与小汽车交通( 包括私家车、公务 车和出租车) 的分担率之比大约为4 ：6 ，已突破临界点，接近总量与结构双重失 衡的状态。 改变小汽车和公共交通并行发展的现状，优先发展公共交通，加快轨道交通 和大容量快速公交建设，制定高效率和有吸引力的公交政策，是提高交通效率、 缓解北京城区交通压力的关键所在。建议如下：一要采取积极措施，加大投资建 设力度，确保实施以公共交通为主导的政策，在建设布局合理、四通八达、密集 交叉、互相联网的城市公共交通系统上下功夫。科学配置和利用交通资源，建立 以公共交通为导向的城市发展和土地配置模式。采取有力措施，切实防止和纠正 违反规划侵占公共交通基础设施及其建设用地的行为，保证优先发展公共交通的 需要。二要继续着力解决新建居住区出行困难、不同交通工具间的换乘不够方便、 公交车辆候车时间过长等影响客流量增长的问题。目前北京地面公交线路普遍较 长，线路重叠率较高，应进一步优化公交线路网结构，适当调整站点设置，以充 分满足市民日常出行的多样化需求。要利用高新技术，改变传统交通管理方式， 以信息化为基础，促进乘客、车辆、场站设施以及交通环境等要素之间的良性互 动，加强智能交通系统建设，提高公交服务质量和城市管理水平。三要加强交通 换乘枢纽建设，方便不同交通工具间的转乘。北京每天约有4 5 0 万人次乘坐路面 公交，其中多数人五分之三的时间用在公交车上，五分之二的时间用于换乘及到 达公交站上。据北京市公共交通研究所调查，按照国际惯例，乘客换乘最好是在“可 视距离”，即在下车就能看得见的距离之内。而北京乘客平均换乘距离为3 5 0 米以 上，1 6 的乘客换乘距离超过1 0 0 0 米，这不仅直接影响了公交系统的客运分担率， 而且为“黑三轮”、“黑摩的”的非法运营提供了市场。因此，搞好换乘与公交端点交 通建设十分关键。应当转变观念，在重视新建交通设施的同时，加强对现有交通 设施的管理和利用，提高换乘中心的环境质量和换乘条件，努力实现公共汽( 电) 车、大容量快速公交、轨道交通之间的方便快捷换乘，以及城市交通与铁路、公 路、民航等对外交通之间的有效衔接。同时，加强对出租车运营停靠和机动车、 自行车停车管理。特别是应加强换乘枢纽自行车停放处的建设和管理。目前在不 少地铁站和公交枢纽站自行车乱停乱放现象严重，不仅影响市容市貌，而且偷盗 现象时有发生，不利于市民安全出行，影响了现有交通设施的科学有效利用。 ( 3 ) 改善道路网络结构，充分、合理、有效地利用好现有交通设施。 6 据调查，北京的路网条件具有特殊性，存在先天性不足和结构性缺陷。历史 文化保护街区、分散文物保护区及建设控制区的总面积占旧城总面积的4 2 。在 历史上北京旧城区可供汽车行驶的道路本就很少，解放后形成的主干道长度大于 次干道、次干道长度大于支路的格局，降低了行车路径的选择性，形成非稳态道 路网结构。市区故宫等多处成片的古代建筑群和北海、什刹海、后海、中山公园、 景山公园等大片水面、园林，以及军队、部委、院校等独立封闭的“大院”，构成空 间阻隔，分割了城市路网，损害了路网系统的整体性，加重了路网密度稀疏的先 天性不足。次干路、支路严重短缺，路网稀，节点通行能力低，“微循环”系统薄弱， 干路系统空间布局不均衡，道路通达性差等因素，严重制约了路网整体效能的发 挥，将交通压力都挤向干道或环路，致使市区道路用地率低下，交通拥堵日益严 重。据北京市城市规划设计研究院专家分析，北京旧城宽度6 米以上道路网密度 为每平方公里3 5 公里，1 2 米宽以上道路网密度仅为每平方公里1 9 公里，道路用 地率为9 5 ；三环以内道路网密度为每平方公里3 公里，道路用地率8 7 。而东 京道路用地率为2 3 9 ，伦敦中心区为2 4 8 ，相差较大。另据北京市社会科学院 研究资料显示，2 0 0 2 年北京的人均道路面积为4 7 平方米，少于上海的6 平方米、 广州的9 7 6 平方米，更少于东京的1 3 5 平方米、伦敦的2 4 5 平方米。因此，在中 心城区路网难以大幅度扩充的情况下，在加强路网建设与改造的同时，充分、合 理、有效地利用好现有交通设施至关重要。 近年北京交通设施建设的实践表明， 虽然新建、改建了不少道路，使局部交通拥堵得到适度缓解，但道路网的结构性 缺陷和容量严重不足的状况尚未得到明显改观，未能从根本上改变大范围交通拥 堵的被动局面。受市区土地空间资源的限制及旧城风貌保护的制约，市区路网难 以扩充，结构难以调整，仅靠在市中心区外围修环路很难解决市中心区交通拥堵 问题。建议在难以对市中心区进行大规模路网改造的情况下，将工作的着力点转 移到整合现有道路交通资源、提高道路使用效率、改善路网结构上来。在落实交 通规划，加快构建城市轨道交通、高速公路、城市快速道路等骨干网络的同时， 加强城市次干路与支路的“微循环”系统建设，进一步调整和完善道路网功能结构， 减少“断头路”和车流不畅的节点，对基层交警加强“疏堵”训练与考核，发展大容量 公交，减少小汽车出行和出租车空驶率，提高道路系统整体运行效率。 ( 4 ) 改善城市交通出行结构，处理好交通发展与城市规划、建设、管理的关 7 系。长期以来，北京市沿用了传统的单一中心市区连片扩展蔓延的空间发展模式， 市中心城市功能的过度聚集和土地的超强度开发，形成人口与就业岗位高度集中 的格局，并由此带来交通出行的高度集中。目前北京交通出行量集中于城近郊区， 三环路以内集中了全市区5 0 以上的出行量，向心交通十分明显。汽车拥有量和 汽车交通出行量的超常增长，导致市区道路网的高峰时段交通平均负荷度达到o 7 左右，其中旧城区高达0 9 ，处于交通饱和甚至超饱和状态。随着机动车的增多， 北京市停车泊位严重不足，市中心的停车泊位更是严重短缺，道路两侧违章停车 现象的增多，使本来就不堪重负的道路变得更加狭窄，加剧了交通拥堵。至2 0 0 6 年7 月底，北京市机动车拥有量已达2 7 5 万辆，而目前全市可统计的经营性和非 经营性停车位只有1 5 1 万个，其余1 0 0 多万辆机动车处于无场无位或无场有位的 “乱停”状态，城八区范围内停车问题尤为突出。城市功能布局的调整是从根本上解 决交通问题的关键因素，治理交通拥堵应特别注意将交通问题与整个城市的规划、 建设、管理统筹考虑。一方面要制定和采取有效措施，适应城市空间结构和功能 布局优化调整的需要，改变中心区超强度开发和无序蔓延扩展的状况，建立城市 多中心结构，合理疏散中心区功能，努力改善城市交通出行结构，缓解城市中心 区交通压力。另一方面，鉴于目前停车收费未在中心区域和黄金时段拉开较大档 次、原本紧张的停车泊位周转较慢的现状，建议区别不同地域、场所、时段，实 行差别化停车政策，执行不同的停车收费标准，理顺地上地下、路内路外停车收 费价格关系，拉大收费差距，切实加强停车收费管理并纳入法制化轨道。进一步 修订停车位配建指标，严格控制中心区停车泊位总量，理性调整停车泊位供给， 加速泊位周转，推进停车产业化进程。在城市交通需求与日俱增、市区道路资源 又很有限的情况下，治理北京城市交通拥堵，需要加强领导，统筹规划，多方配 合，建立适合北京市情的交通发展模式，实施治标与治本相结合的交通政策，促 使北京交通进入良性发展的轨道，逐步形成高效、优质、功能结构较为完善的一 体化交通体系新格局，为首都的发展和宜居城市的建设提供良好的交通保障。 韭立奎通本堂亟堂焦监窑簋二童 绮i 盘 11 4 中国城市混合交通特性 中国道路交通网络是一种混合交通流，即机动车( 小汽车，公交车等) 与非 机动车混合行驶。如图1 - 2 所示为机非混合行驶对道路的干扰作用。 图1 2 中国城市混合交通 f i g 1 - 2c h i n e s e u r b a n m i x e d t r a f f i c 混合交通是指各种交通工具或各种交通工具与行人共用同一单幅道路的交通 现象通常分为三种情况：一是不同种类机动车的混合交通；二是机动车和非机 动车的混合交通：三是机动车、非机动车与行人的混合交通。通常我们所说的混 合交通是指后两种情况。其中，机动车与非机动车的混合交通是我国城市交通的 主要特征，尤其是机动车与自行车在交义口的混合通行状况更是各城市交通管理 的一大难点，主要表现在机动车与自行车在交叉口的冲突所带来的问题，如通行 能力下降、交通事故增加等。严重的混合交通状况给我国城市交通管理带来许多 难以治理的问题，成为我国城市交通混乱的根本原因之一 中国城市交通在今后相当一段时间内还将处于机动车和非机动车混合行驶状 态。因此，有必要对城市道路中机非混合交通流进行研究。在机非混行的路段上， 交通流由于非机动车的阻滞干扰，容易造成交通延误。目前尚缺乏明确对这种延 误进行分析的数学模型和计算方法。而定量分析混合交通中非机动车对路段交通 流的影响，对于评价路段的服务水平，确定合适的路阻函数等具有重要的意义。 1 2 论文的主要研究内容和方法 交通分配是在已知城市交通网络的基础上，将网络中所有0 d 对之间的交通需 求量通过一定的准则分配到各个路段，并统计出相应路段的交通量。它不仅仅是 城市交通控制和诱导的前提，而且是城市交通网络收费的基础，更是城市交通规 划和评估的关键( 李峰，2 0 0 5 ) 。本论文的主要内容是多模式混合交通网络流量 分配模型以及相应的系统优化模型。本论文从基础的知识出发，首先是交通网络 的拓扑结构，交通网络在物理形式上表现为行车路段和路口，可以抽象表示为边 和点的集合，所以交通网络可以用图论中的“图 这一拓扑结构表示，从而图论 的所有概念和算法，比如求最短路径的算法等都可以应用到交通网络中。在交通 网络上进行交通流量分配就是预测各路径( 路段) 上的交通流量，这个交通流量 跟路径的费用有直接关系，本论文把费用分成三类：时间、拥挤度和价格。其中 价格是交通管理部门人为确定的，与系统其它参数无关。时间费用主要是指路径 上的车辆行驶时间，也即该路径上所有路段阻抗函数的累加。普通的路段阻抗函 数是一个只与单一模式交通流量有关的函数，由于本论文重点研究多模式交通网 络，多模式的特点是交通网络上有多种交通模式存在，而且多种模式交通之间互 相干扰，所以本论文采用了多模式混合交通路段阻抗函数，这种阻抗函数考虑到 了多种交通模式互相干扰对路段时间费用的影响，比较符合实际。至于拥挤度费 用，它本质上是时间阻抗费用的一个变形，本论文用一个类似于路段阻抗函数的 公式来计算拥挤度费用。 由于多模式交通网络上出行者还可以在交通模式之间互相换乘，要选择换乘 点和交通模式，情况比较复杂，所以为了研究方便，本论文把多模式交通网络按 照各交通模式自己的行车路段和节点分解成各自的模式子网来研究，在模式子网 层面研究其交通模式车辆流量预测和分配方法，而在多模式网络层面则研究出行 者的换乘点选择和模式选择行为，这种分层结构使多模式交通系统配流问题得到 了简化，系统的逻辑结构比较清楚。 由于各种模式子网的网络拓扑结构和费用形式有很大的差别，为了研究方便 起见，把这些交通模式分为两大类分别研究。一类是只有一条路径的，如公交车 和地铁，其特点是：( 1 ) 出行者在模式子网上不需要选择路径。( 2 ) 由于车厢内 l o 乘客数目是可变的，所以存在拥挤度费用。( 3 ) 存在价格费用，而且这个价格费 用与模式子网的路径与路段无关，只是在进入该模式子网时发生。还有一类模式 子网在网络拓扑上是有多条路径的，如小汽车和自行车子网，其特点是：( 1 ) 出 行者需要选择路径。( 2 ) 由于该种模式车辆承载率是固定的，所以不存在拥挤费 用，而只有路段时间费用。( 3 ) 在价格方面，由于该模式的燃料消耗，车辆折旧 等费用都直接与路段时间费用有关，所以本论文不单独考虑该类模式子网的价格 费用。 在模式子网上的交通流量分配是一个简单的单一模式交通流分配问题，有很 多成熟的理论和方法。对于只有一条路径的模式子网，采用的是全有全无的配流 方式；而对于有多条路径的模式子网，则采用交通流平衡配流方法。交通流平衡 分配目前最广泛使用的是u e 和s u e 分配原则，u e 是确定型分配原则而s u e 是 随机型分配原则，本论文采用s u e 原则，因为s u e 比u e 有更大的普适性。另外， 使用传统的算法求解s u e 配流模型比较复杂，本论文采用了相对简单的m s a 算 法进行求解，计算机模拟结果证明，这种算法有较好的收敛性。 在多模式交通网络上，如何定义出行者的换乘选择行为是一个难点，本论文 使用了状态转移网络来标记出行者在多模式交通网络上的路径，这种“路径 是 一种“超级路径 ，因为它的“节点”是出行者在换乘点的状态，这个状态有三个 分量：物理节点编号、当前交通模式和换乘次数。它的“路段 分两种：一种是 模式子网，另一种是模式子网之间的换乘行为，分别称为子网连接和换乘连接。 因此，状态转移网络是一种虚拟网络结构。把多模式网络转换为状态转移网络后， 就可以把它当作普通的物理网络进行费用计算和配流，状态转移网络上的路径费 用和流量之间关系可以写成非线性互补问题，求解这个模型比较方便的算法是 m s a 法，这种算法的每一步迭代过程都要求状态转移网络的路段费用。状态转移 网络中的换乘连接费用包括换乘等待时间和换乘价格，这个换乘等待时间与模式 子网的出行者流量有关；模式子网的费用则直接与子网内部平衡或非平衡时的流 量有关。因此状态转移网络的费用和流量与模式子网的费用和流量存在对应关系， 在状态转移网络上进行流量分配即可导出各模式子网的流量，从而达到最终目的： 预测每个物理路段上各种交通模式的流量。 在建立多模式网络的流量分配模型之后，本论文进一步建立了系统最优模型， 这个系统最优模型写成双层规划的形式，双层规划的下层规划是多模式交通网络 的流量分配模型，而上层规划是系统的最优目标规划。系统最优目标本来有多种， 本论文选取了“系统出行总费用最低 作为系统最优目标，这是因为在城市交通 管理中，尾气污染，拥堵程度等都直接与系统总费用有关。系统总费用包括时间， 价格和拥挤度，其中价格是该模型的控制变量，价格的变化会引起下层配流模型 流量的变化，从而引起上层系统优化目标值的变化。所以，求解这个系统最优模 型的本质就是确定一个合适的价格向量，使多模式交通系统在这个价格费用下平 衡配流时的系统目标值最小。双层规划模型的求解算法有多种方法，本论文使用 遗传算法来求解双层规划问题。 为了配合理解论文的各种模型和算法，本论文使用了一些算例，这些算例都 使用相近的网络拓扑结构，以便于对算法复杂性和收敛速度进行对比，这些算例 都用v i s u a l 卅6 0 进行编程，运算结果进行了反复验证，证明完全可靠。在算例 中，还对系统数据进行了分析，用图表的方式给出了系统流量与费用之间的关联 和变化规律。 1 3 国内外研究现状 道路阻抗函数是交通流分配的基础，因此大量的专家学者对道路阻抗函数进 行了深入的研究。目前对于路阻函数的研究，国内外绝大部分研究成果都是对国 外关于机动车的交通路阻函数( 尤其是b p r 函数) 的改进，修正或参数标定，都 不考虑不同交通方式( 小汽车，自行车及行人等) 之间的互相影响。裴玉龙和盖 春英( 2 0 0 3 ) 对标准车型问题，道路路段基本通行能力的选取问题进行深入的分 析和研究，建立了考虑道路收费影响的道路阻抗函数模型；符白白等( 2 0 0 3 ) 给 出了基于时空两种统计方法的交通延误b p r 模型参数标定方法，得到了b p r 函数 和交通特性参数之间的转换关系；王元庆等( 2 0 0 4 ) 综合考虑了时间、费用和收 费站等因素，基于广义交通阻抗的概念，提出了公路交通网络的道路阻抗函数模 型；姚智胜等( 2 0 0 7 ) 应用支持向量机理论建立了预测整个道路阻抗的模型。 国外城市交通的特点是交通流构成条件相对单纯，主要由小汽车组成而且车 辆性能，道路条件均比较理想。但是对于我国的多数城市的交通特点：道路交通 流构成复杂，车辆性能，道路条件相差很大，非机动车和行人干扰大，即使同样 是机动车流，由于车辆性能上的整体差异，在道路阻抗模型中也应该有所体现， 因而普通的阻抗函数在解决我国混合交通网络流时存在共同的缺陷：一方面这些 函数没有考虑到不同交通方式的交通特性以及流量特点，另一方面这些阻抗函数 也无法反映不同交通方式之间的互相干扰问题。为此，有必要研究多模式混合交 通条件下的路段阻抗函数的表达式。目前，关于多模式交通条件下的路阻函数研 究比较少，王玮和张桂红( 1 9 9 2 ) 根据交通流理论中流量，密度以及速度等三个 参数之间的关系确定路阻函数的理论模型，然后考虑车流间断，自行车干扰，行 人干扰等方面的干扰对理论模型进行修正。杨佩昆和钱林波( 1 9 9 4 ) 考虑对向机 动车，非机动车的影响，构造出道路横断面不同路幅条件下道路阻抗函数模型。 郭中华和王玮( 2 0 0 7 ) 基于b p r 阻抗函数模型，提出了小中大三种车型构成的混 合交通流条件下车速流量实用模型，陈峻等( 2 0 0 7 ) 提出了混合交通流条件下路 内停车带设置后的机动车速阻滞模型。四兵锋等( 2 0 0 8 a ) 从出行需求的角度出发， 对混合交通路段阻抗函数进行了改进和发展，提出了较为适合我国道路特点的混 合交通路段阻抗函数， 交通流分配理论是交通规划和管理研究方面最重要的一个理论，目前，国内 外学者在此方面取得了大量研究成果。w a r d r o p ( 1 9 5 2 ) 提出了用户均衡( u e ) 和 系统最优( s o ) 的概念；b e c h m a n ( 1 9 5 6 ) 给出了u e 原则的数学等价模型；黄海军 ( 1 9 9 4 ) 的著作中总结了各种配流模型，是研究交通流分配的理论集成。 国内的学者运用交通流分配的基本原理，对多模式交通流分配进行了研究， 四兵锋等( 2 0 0 6 ) 、吴红兵等( 2 0 0 8 ) 给出了多模式交通网络中模式分离的模型 和算法。四兵锋等( 2 0 0 8 b ) 进一步分析了城市混合交通网络中出行者的交通选择 行为，考虑不同交通方式之间的相互影响，构造了城市混合交通网络流量分配的 系统最优化模型。 以上的研究只考虑到了多模式交通网络的模式选择和路径选择问题，但实际上 在多模式混合交通网络中，出行者不仅要对交通工具和交通路径进行选择，还可 能从一种交通模式换乘到另一种交通模式，如何定义这些换乘发生的可能性和换 乘次数是一个难点，因此，基于模式换乘的多模式交通网络比单一模式交通网络 复杂得多。国内外一些专家学者对此进行了相关研究，例如，n g u y e na n d p a l l o t t i n o ( 1 9 8 8 ) 给出了利用最小期望费用来选择交通路线或超级连接的方法 w ue ta 1 ( 1 9 9 4 ) 把这种方法发展应用于非对称费用问题，并考虑了换乘等待时 间费用。l o z a n oe ta l ( 2 0 0 1 ) 研究了在多模式网络中寻找广义最短路径的方法； l oe ta 1 ( 2 0 0 3 ) 提出了一种状态扩展网络结构( s t a t e a u g m e n t e dm u l t i - m o d a l ， s a m ) 来描述多模式交通系统，在s a m 网络中，每个节点都有4 个状态变量，通过 状态变量以及状态的转移规则，解决了换乘类型、地点和换乘次数的选择问题。 l oe ta 1 ( 2 0 0 4 ) 进一步采用n e s t e dl o g i t 方法在s a m 网络上实现了交通流的分 配。 道路收费作为交通需求管理的一种有效措施之一，近年来受到运输经济学家 和交通工程师的关注和研究。拥挤道路使用收费是对特定时段和路段的车辆实行 收费，从时间和空间上来疏散交通量，减少繁忙时段和繁忙路段的交通负荷。同 时，促使交通量向高容量的交通系统转移、抑制私人小汽车交通量的增加、促进 小汽车的有效利用，实现道路的最有效使用，达到缓解交通拥挤的目的。 近年来，一些学者利用数学规划的方法研究收费问题。y a n g 和l a m ( 1 9 9 6 ) 利 用双层规划和基于灵敏度分析的算法对拥挤道路收费问题进行了研究。李志纯等 ( 2 0 0 1 ) 建立了弹性需求下拥挤道路收费的模型，但该模型仅针对只有小汽车的交 通网络。谷强等( 2 0 0 2 ) 建立了多模式交通平衡下的道路收费模型，该模型将标 准网络进行了拓展，考虑了公交车和小汽车多模式交通下的收费策略，但却是以 确定性配流理论为基础，而且没有考虑交通需求的可变特征，所以有必要对上述 各研究成果进行改进。本论文以随机用户平衡配流理论为基础，对多模式交通网 络的公交收费问题进行研究，建立了一个接近实际的收费模型 双层规划用于解决交通问题的历史由来已久，在传统的双层规划模型中，下 层规划一般使用用户平衡( u s e re q u i l i b r i u m ，u e ) 配流模型。最常用的是固定 需求的u e 配流模型，也有学者使用基于l o g i t 模型的随机用户平衡( s t o c h a s t i c u s e re q u i1i b r i u m ，s u e ) 配流模型。研究双层规划模型时使用弹性需求的u e 模型 和s u e 模型应能更切合实际。另外国内外学者们研究了考虑其他因素的用户平衡交 通分配问题，如运量分布和流量分配的组合模型、基于网络能力可靠性的概率用 户平衡配流模型、考虑环境因素的广义用户平衡和广义系统最优配流模型( 杨文 国和高自友，2 0 0 3 ) 等。 1 4 由于用传统的方法求解双层规划较为困难，所以有一部分学者使用智能化算 法来求解双层规划，其中最有代表性和最成功的算法是遗传算法，遗传算法不依 赖于具体的规划模型，具有较高的通用性，通过对遗传算法进行局部的改良可以 克服算法的局限性，周和平等( 2 0 0 5 ) 使用遗传算法解决城市道路设计的双层规划 问题，而本论文采用遗传算法来求解城市多模式交通网络的系统管理优化的双层 规划模型。 1 4 论文的主要结构 本论文的结构共分四章。第一章绪论部分介绍了论文选题意义和研究现状。 第二章介绍了所有与关于交通