（交通运输规划与管理专业论文）车辆诱导系统与可变信息板研究.pdf

丫5 8 6 4 1 2 北京交通大学硕士学位论文 摘要 目 前，世界很多大城市都遇到了严重的交通问题，交通拥挤、道路 阻塞，交通秩序混乱和交通效率低下。车辆诱导是解决交通效率和提高 机动性的有效途径，也是目 前国际城市交通领域研究的重点。本文从理 论和实际应用两方面探讨了在我国建立全面的城市车辆诱导系统问题。 本文首先介绍了动态交通分配 ( d t a) . d t a是车辆诱导理论的核 心问题。近年来，尽管发达国家的诱导装备比较齐全，但诱导理论上的 不足影响了诱导系统的实施效果，以至于无法大面积推广应用。因此， 深入研究动态交通分配问题已成为诱导系统研究的核心问题。 然后讨论了车辆诱导的模型与算法问题。车辆诱导的模型与算法直 接决定所研究的城市车辆诱导系统的可行性，其优劣直接影响车辆诱导 系统的造价与功能。本文在总结己 有的模型与算法的基础上，建立了基 于流体神经网 络的 最优路径选择模型，设计了 一类应用于车辆诱导系统 的遗传算法。 本文重点研究了可变信息板问题。车辆诱导系统可分为可变信息板 系统 ( v ms ) 和单车诱导信息系统 ( i v n s ) ，本文分析了这两类信息系 统的系统配置， 为研究和开发适合我国国情的车辆诱导系统提出了建议。 目前，单车诱导系统研究较多，而基于可变信息板的城市车辆诱导系统 还未见报道。本文探索了在我国建立基于可变信息板的城市车辆诱导问 题，研究可变信息板的 设计与应用问 题和在我国建立城市可变信息板诱 导系统的可行性问题。 关键词:车辆诱导可变信息板来 经 作 者、 勿 全 文 公 布 导师同念 北京交通大学硕士学位论文 ab s t r a c t t o d a y , m a n y c i t i e s o f th e w o r l d f a c e s e r i o u s t r a f f i c p r o b l e m s s u c h a s t r a f f i c c o n g e s t i o n , t r a ff i c s y s t e m c h a o s a n d t r a g i c i n e f f i c i e n c y . i t i s r e c o g n i z e d t h a t v e h i c l e g u i d a n c e i s t h e b e s t m e t h o d t o s o l v e t h e s e t r a f f i c p r o b l e m s . v e h i c l e g u i d a n c e is a l s o t h e e m p h a s i s o f r e s e a r c h i n t h e d o m a i n o f i n t e r n a t i o n a l t r a f f i c e n g i n e e r i n g . t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e p r o b l e m t h a t b u i l d s c o m p re h e n s i v e u r b a n v e h i c l e g u i d a n c e s y s t e m i n c h i n a fr o m t h e o r e t i c a l a n d p r a c t i c a l a s p e c t s . f i r s t , t h i s s t u d y i n t r o d u c e s t h e t h e o ry o f d y n a m i c t r a f fi c a s s i g n m e n t ( d t a ) , w h i c h i s t h e c o r e t h e o ry o f v e h i c l e g u i d a n c e . n o w a d a y s , t h e t e c h n o l o g y o f h a r d w a r e f o r v e h i c l e g u i d a n c e i s w e l l d e v e lo p e d i n d e v e l o p i n g c o u n t r i e s . b u t t h e o ry o f v e h i c l e g u i d a n c e i s i n s u f f i c i e n t , a n d i t i s d i ff i c u lt t o s e t u p v e h i c l e 厕d a n c e s y s t e m . t h e r e f o r e , i t i s t h e k e y p ro b l e m t o r e s e a r c h d t a d e e p l y f o r v e h i c l e g u i d a n c e s y s t e m . t h i s s t u d y d i s c u s s e s t h e m o d a l a n d a l g o r i t h m o f 丫 e h i c l e g u i d a n c e a l s o . t h e m o d a l a n d a l g o r i t h m d e t e r m i n e t h e f e a s ib i l it y , p e r f o r m a n c e a n d c o s t o f v e h i c l e g u i d a n c e s y s t e m d i re c t l y . b a s e d o n t h e s u m m a ry o f m o d a l s a n d a l g o r i t h m s f o r m u l a t e d a l r e a d y , t h i s s t u d y f o r m u l a t e s fl u i d n e u r a l n e t w o r k m o d a l , a n d d e s i g n s a k i n d o f g e n e t i c a l g o r i t h m f o r v e h i c l e g u i d a n c e . t h i s s t u d y r e s e a r c h e s t h e p r o b l e m o f v a r i a b l e m e s s a g e s i g n s d e e p l y . v e h i c l e g u i d a n c e s y s t e m is d iv i d e d i n t o v a r i a b l e m e s s a g e s i g n s 四ms ) a n d in - v e h i c l e n a v i g a t i o n s y s t e m . t h i s s t u d y a n a l y z e s t h e i n f o r m a t i o n s y s t e m o f t h e t w o k i n d o f s y s t e m , a n d p r o p o s e s a d v i c e s t o r e s e a r c h a n d s e t u p v e h i c l e g u i d a n c e s y s t e m t h a t s u i t t h e s i t u a t i o n o f o u r c o u n t ry . n o w , t h e r e a r e m a n y 1 1 北京交通大学硕士学位论文 res e a r c h o f i v n s , a n d f e w o f v ms . t h i sd i s c u s s e s b u i l d i n g a s e t o f v e h i c l e g u i d a n c e s y s t e m i n c h i n a b a s e d o n v ms . a n d r e s e a r c h t h e d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n p r o b l e m o f v m s a n d t h e f e a s i b i l i t y o f v ms a p p l i e d i n c i t y . k e y w o r d s : v e h i c l e 酗 d a n c ev a r i a b l e me s s a g e s i g n s 北京交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . ， 车辆诱导理论概述 1 . 1 . 1 i t s 与车辆诱导系统理论 交通运输业的发展水平是国家兴旺发达的重要标志之一。交通运输 业的高速发展，一方面促进了物资交流和人们的往来，大大缩短了出行 时间，提高了工作效率:另一方面也带来了许多弊病，特别是汽车交通 运输，不论是发达国家还是发展中国家，都存在着不同程度的问题。近 半个世纪以来，交通拥挤、道路阻塞和交通事故频繁发生正越来越严重 地困扰着世界各国的大城市。 现在北京的交通状况是政府和市民非常头 疼的一个问 题， 建国初期，北京只有机动车2 3 0 0 辆，到1 9 9 7 年2 月， 北京市的机动车突破了1 0 0 万辆，这一过程整整经历了4 8 年。从 1 9 9 7 年2 月份到2 0 0 3 年8 月， 仅仅6 年半时间， 北京的机动车保有量就完成 了第二个 1 0 0 万辆的增长， 增长之快超乎想象。 据预测， 到 2 0 0 8 年北京 的机动车将达到 3 5 0万辆。随着经济的发展，未来若干年，北京市出现 的交通问题有可能在国内其它城市再次出现，解决城市的交通问题是我 们从事交通运输研究工作者的职责。 近年来交通运输领域提出一个新概 念一“ 智能 运 输系 统” ( i n t e l l ig e n t t r a n s p o r ta t i o n s y s t e m ， 简 称i t s ) ， 其 涵义是综合运用先进的信息通讯、网络、自 动控制、交通工程等技术， 改善交通运输系统的运行情况， 提高运输效率和安全性， 减少交通事故， 降低环境污染，从而建立起一个智能化的、安全、便捷、高效、舒适、 北京交 通大学硕士学 位论文 环保的 综合运 输体系i l l 。由 于 该体 系可以 使 汽车与 道路的功能智能 化 是目 前解决城市以及高速公路交通拥挤、 改善行车安全、 提高运行效率、 减少空气污染等的有效途径， 也是全世界交通运输领域研究的前沿问题。 可以预料“ 智能运输系统” 将成为2 1 世纪现代化地面交通运输体系的模 式和发展方向，是交通运输进入信息时代的重要标志。 车辆诱导系统理论研究实际上就是 i t s的基础理论研究。智能运输 系统研究主要体现在两个方面: 1 . i t s的实施技术研究，主要把电 子控制技术、通信技术、计算机 处理技术、 g p s 定位导航技术等有效地运用到i t s的各项研究中。目前， 在实施技术方面的研究进展较大，已 经取得了较为理想的成果。 2 , i t s的基础理论研究，也是车辆诱导系统理论研究。i t s基础理 论通常称为 “ 实时动态交通分配 ( r e a l - t i m e d y n a m i c t r a f f i c a s s i g n m e n t ) 。该 理论模型是 美国it s 研究的“ 出 行和运输管 理系 统少 、 “ 出行需求管理系统” 、 “ 公共交通运输管理系统” 、 “ 商业车辆的运营管 理系统” 、 “ 应急情况的管理系统” 、 “ 先进的交通控制和安全系统”和欧 洲的 “ d r ive , p r o me t h e u s ”以及日 本的 “ r a c s . a mt i c s , v i c s . s s v s ” 等领域研究的核心内 容。 目前发达国家在 i t s实施技术研究方面进度较快，但基础理论模型 研究较为滞后，所以 造成某些研究项目 因理论问题未解决，没有得到实 际应用，这就是目 前世界各国重视理论模型研究的主要原因。 1 . 1 . 2 车辆诱导系统定义 城市交通领域的 研究重点是解决交通设施供给不足、交通秩序混乱 和交通效率低下三方面的问题。前两个问题可以通过交通规划和交通控 北京交通大学硕士学位论文 制得以解决，而车辆诱导则是的解决交通效率和提高机动性的最佳途径 2 1 。在没有诱导的 情况下， 车辆在路网中的行驶路线只能是驾驶员凭经 验选择，无法预先知道前方各路段和交叉口的交通状况。这样，一旦在 某一交叉口或某一路段交通受到干扰，就有可能引发由点到线最后到面 的交通阻塞，从而降低城市交通网的使用效率。 车辆诱导系统 ( v e h ic l e g u i d a n c e s y s t e m) 又称为交通流诱导系统 ( t r a f f i c f l o w g u i d a n c e s y s t e m) ，或路径诱导系统 ( r o u t e g u i d a n c e s y s t e m ) ， 它 利 用全 球 定 位 系统( g p s , g lo b a l p o s it io n i n g s y s t e m ) 、 电 子 交通图 ( e l e c t r o n i c m a p o f t r a f fi c n e t w o r k ) 、 计 算机和先进的 通 信技术， 使得车载计算机能够自 动显示车辆位置、交通网络图和道路交通状况， 为驾驶员找到从当前位置到目的地的最优行驶路线，并协助出行者方便 地进入原先没有去过的 地方 3 1 。 使用 这种系 统， 能 够有效地防 止交通阻 塞的发生，减少车辆在道路上的逗留时间，并最终实现交通流量在网络 中各路段上的最优分配。根据诱导信息作用的范围，车辆诱导可以分为 车内诱导系统和车外诱导系统两大类。 在车内诱导系统中，实时交通信 息传输于个别车辆和信息中心之间，车辆上安装有定位装置、信息接收 装置和路径优化装置。由于诱导对象是单个车辆，因而也称为单车诱导 系统。 这类系统的诱导机理比 较明确，容易达到诱导目的。目 前各发达 国家研究的大部分是这种系统。但其对车内设施和信息传输技术要求较 高，造价相当昂贵。相比之下，车外诱导系统的交通信息是在车流检测 器、信息中心和可变信息板之间传输，诱导对象是车流群，因而也称为 群体车辆诱导系统。 这种系统一般适用于高速公路或路段较长的城市车 辆的诱导。单车诱导和群体诱导的内容将在后面章节详细论述。 实现车辆诱导主要有4 方面的工作:一是要取得路网中当前的和过 北京交通大学硕士 学位论文 去若干时段内的交通信息:二是逐步推测未来若干时段内路网各交叉口 和各路段的交通流状态;三是采用先进的通信技术和全球定位技术实现 车辆定位和用户与诱导中心的信息双向交流:四是行驶路线优化。整个 诱导过程不断滚动循环进行。 1 .2国内外城市车辆诱导系统研究 1 . 2 . 1 发达国家车辆诱导系统研究与开发状况 车辆诱导系统的研究最早始于日本 ( 1 9 7 3 ) ，一个称为 c a c s ( c o m p re h e n s i v e a u t o m o b i l e t r a ff i c c o n t ro l s y s t e m ) 的 项目 首 先进行了 基于 r f射频通信的车载动态路径诱导系统的开发实验，并得到了可以 减少1 3 %的行程时间的结论。 在1 9 9 0 年开始的v i c s ( v e h i c l e i n f o r m a t i o n a n d c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 项目 在日 本建立了 世界上第一个进 行交通信 息服务的通信系统。 v i c s 采用3 种通信方式红外信标， 安装于 道路的 主要路段:短波信标，安装于乡村区域的道路和高速公路; 调频副 载波广播。 v i c s 播发的实时交通信息包括: 主要地点间的行程时间、 交 通拥挤、法规、事故、广域的最优路径选择信息和道路施工、天气情况 及停车场信息等。日 本目 前正在部署一种与v i c s兼容的加强的交通管 理系统u 丁 m s ( u r b a n t r a ff i c m a n a g e m e n t s y s t e m ) ， 它由s 个子系 统组 成， 其中的动态路径诱导系统d r g s 是一种交互类型的中心决定式的路径诱 导系统， 用来自 于多个信息源的实时交通信息和行程时间数据进行中心 决定式的路径诱导。 d r g s将交通信息中心收集到的检测器数据转换为 路段行程时间数据，以此决定最优路径，所以即使在没有大量探测车辆 北京交通大学硕十学位论文 的系统运行的早期阶段也能够实现动态诱导。该系统在目 前只能在交通 主干道上进行动态诱导。日本的动态路径诱导系统是世界上第一个投入 使用的中心式路径诱导系统4 1 欧洲的车辆诱导系统研究开始是基于红外信标通信展开的，德国和 英国分别在8 0 年代末期开发出了 用于示范的l i s b系统和a u t o g u id e 系 统，而后英国推出了 世界上第一个商用车载路径诱导系统t r a f f i c ma s t e r ( 目 前己 发展成为具有提供语音信息功能的t r a ffic m a t e ) 。 进入9 0 年代， 德国西门子公司基于 l i s b 开发的 e u r o - s c o u t系统 ( 在美国称为 a l i - s c o u t )得到一定的应用，但是缺点是需要大量投资用于安装路边的 红外信标。目 前， 德国的s t o r m项日 致力于开发双模式车辆诱导系统， 即在安装红外信标的区域开发基于红外信标的车辆诱导，同时在广域内 开 发 基于r d s - t m c ( r a d i o d a t a s y s t e m - t r a ff i c m e s s a g e c h a n n e l ) 交 通 广播的车辆诱导。 目 前基于a l e r t - c协议的交通数据频道r d s - t ms 广 播已 经或者即将在英国、 德国、 意大利等 i 1 个欧洲国家开通， 它能够向 用户提供交通事故、 拥挤、 道路施工等信息; 另外隶属于p r o m e t h e u s 计划的d m r g ( d u a l mo d e r o u t e g u i d a n c e )将静态的自 主导航和基于 r d s - t m c广播联合起来成为动态的分布式路径诱导系统， 扩展的系统 可以用 g s m代替r d s - t mc系统。从实际应用方面看， 依据 r d s - t mc 设计的安装于高档桥车上的商用路径诱导系统 c a r m i n a t. d y n a g u i d e等现在不但可以显示/ 提示交通信息， 亦可以实现分布式的 动态路径诱导。 9 0年代后，美国对 i t s研究开始介入和展开，并先后进行了 p a t h f in d e r , t r a v t e k , a d v a n c e , s e i f t 等以车辆诱导系统为主要内容 的现场运营实验o t r a v t e k 系统实现的车辆诱导是基于拥挤和事故等实时 北京交通大学硕士学位论文 交通条件进行的，并具有为出行者服务的 “ 黄页” 信息，尤其适用于对 该地区不熟悉的旅行者使用;在美国芝加哥进行的 a d v a n c e项目 ( 1 9 9 1 . 7 -1 9 9 6 . 1 2 )的研究为车辆诱导系统建立了 系统性的研究基础， 该系统是一种基于实时交通条件 ( 当前路段行程时间)的分布式车辆诱 导系统， 车辆定位主要采用差分g p s ， 在g p s 处于盲区时辅以基于车轮 速度和方向传感器的航位推算法进行定位; 美国随后进行的s wi f t项目 ( 1 9 9 4 . 8 -1 9 9 7 . 1 2 ) 使用高速的调频f m副载波向 传呼机式手表、车载 专用电台、便携式微机提供实时交通信息， 便携式微机可以显示诸如事 故报告、检测器数据等信息，可实现分布式的路径诱导;t r a v i n f o项目 ( 1 9 9 3 .4 -1 9 9 8 . 1 2 ) 通过一系列设备， 如传呼机、出行者咨询电话系统、 车载导航系统和 i n t e rn e t 主页向出 行者提供及时而准确的多方式信息和 动态路径建议，由 于无线i n t e r n e t 月 及 务蓬勃发展，因此，基于i n t e rn e t 的 这种车辆诱导系统富有开发与实用前景。目 前美国各地广泛布置了区域 性的多方式出 行者信息系统 ( m u l t im o d a l t r a v e l e r i n f o r m a t i o n s y s t e m ) , 可以提供实时的交通信息， 而且i n t e rn e t 上的交通信息资源在美国己 十分 丰富。 1 .2 .2 我国车辆诱导系统的研究与开发现状 我国对车辆诱导系统的研究起步较晚，目前处于对定位系统、电子 地图、双向通信等问题的研究阶段，投入使用的基本上都是以无线电广 播为基础的初级诱导手段 统正处于研究和试验阶段 基于g p s 、集群通信、 可变信息板的诱导系 而比较全面的城市车辆诱导系统的研究成果 尚未见报道。下面重点介绍一种基于可变信息板的群体车辆诱导系统一 多段接力式动态标志路线引导系统。 北京交通大学硕士学位论文 多段接力式动态标志路线引导系统属于群体车辆诱导系统，是由上 海交警总队和同济大学于1 9 9 5 年6月合作完成的， 通过可变信息板和交 通广播电台实现车辆的诱导。由于仅显示单一路段交通信息的可变信息 板路径诱导系统，只适合于诱导路段比较单纯的高速公路网络，而在行 驶路径较为复杂的城市路网中，则会因诱导路径过短而容易产生误导现 象。因此，该系统采用在相邻交叉口 前连续设置显示多路段交通信息的 可变信息板，就像接力棒那样，通过各个交叉口上的多路段动态交通信 息，把车辆逐段诱导到不拥挤的路段上，直到目的地。多段接力式动态 标志路线引导系统由5 个部分组成 ( 见图1 . 1 ) .交通信息采集系统; 交通信息评价处理单元:数据传输系统; 中央计算机处理系统: 可变信息板、交通信息广播台及其控制单元。该系统的不足之处是无 法对同一路段上行驶而终点不同的车辆进行不同的引导。 图1 . 1多段接力式动态标志路线引导系统构成 北京交通大学硕士学位论文 此外，北京、上海、大连、广州、哈尔滨、长春、沈阳等许多城市 都开通了调频交通信息广播电台，及时发布部分重要路段的交通状态和 交通事故通报，供出行者决策参考。 1 . 2 . 3 结论 车辆诱导系统的研究在发达国家起步较早，并取得了一些比较有影 响的成果。特别是美国、德国和日本己经开发出了各具特点的车辆诱导 系统的雏形。虽然与大面积应用尚有一定的差距，但初步试验表明，该 系统在加强交通控制与管理功能方面的作用是不可低估的。 发达国家的车辆诱导系统一般由3部分组成:车辆定位模块、通信 模块和驾驶员决策支持模块。车辆定位模块的功能是跟踪车辆在路网中 的位置。其输出既包括车辆当前的绝对位置 ( 经度、 纬度和高度) ，也包 括车辆在电子地图上的相对位置。定位过程主要依靠航位测定、地图匹 配和全球定位系统 ( g p s )完成。通信模块负责完成车辆和交通信息中 心的数据交换。车辆利用接收器可以获得从交通信息中心发射来的实时 交通信息 ( 当前路段的行程时间、阻塞或事故发生地点等) 。同时， 车辆 作为流动的交通信息探测设备，把当前的交通信息通过发射装置反馈给 交通信息中心。 目 前广泛使用的通信方式有射频通信( 无线电广播通信) 、 红外通信、微波通信和蜂窝移动电话通信等。驾驶员决策支持模块的功 能是进行最优路径的计算和路径引导信息及其他信息的显示。最佳路径 的计算是车辆诱导的关键部分。在进行计算之前，首先由 用户输入目的 地，然后该模块根据定位模块提供的定位信息和通信模块提供的当前交 通状态信息计算出从当前位置到达目的地的最优路径。所得到的最优路 径随驾驶员的需求不同而不同，可以是路程最短的路径，也可以是运行 北京交通大学硕士学位论文 时间最短的路径。路径优化采用较多的是图论中的最短路算法和人工智 能中的启发式搜索算法。最优路径的显示可以有 3 种方式:文本方式、 声音方式、 和图形方式。 其中文本方式用文字在显示器上显示诱导信息， 如 “ 在前面路口向右拐”等;声音方式通过文语转换和语言合成单元将 文本信息以声音的形式输出，这是一种最直接、最有效的方式:图形方 式是在电子地图上用特殊颜色的连线表示出最优路径信息，这是一种常 见的比较直观的屏幕输出形式。 总之，发达国家对车辆诱导系统的研究起步较早，取得了比 较显著 的成果。其主要特点是:国家机关、民间企业 ( 特别是汽车、电子企 业) 、学术团体紧密配合，通过协作完成项目的研究、开发和实施过程; 均以车辆与信息中心的双向通信为手段进行信息的采集、 传输和利用， 属于 技术 高 度密 集的 项目 ; 车 载 设备 较 多， 使 用 成 本 偏高。 我国对车辆诱导系统的 研究和应用大部分是以 无线电 广播为基础的 初级诱导系统，基于g p s 、集群通信、可变信息板的诱导系统正处于研 究和试验阶段，而缺少的是对城市车辆诱导系统比 较全面的研究。从交 通运输的未来发展趋势看，为我国的大中城市建立车辆诱导系统是必要 的，但既不能照抄照搬发达国家的研究成果，也不能完全迁就国内大部 分城市的交通设施及交通管理设施的现状。 1 . 3 我国城市车辆诱导系统结构框架 通过上节的分析，可以看出，发达国家特别是德国研究的车辆诱导 系统成本比较高，而国内已有的研究一方面不够全面系统，另一方面又 太迁就现有的交通设施，对长远发展不利。本节构建了我国城市车辆诱 导系 统结构框架， 该系 统由4 个子系 统组成 s 1 ( 见图i .2 ) : ， 9 北京交通大学硕士学位论文 - - 一 - j r 双 向 通 伯 装 盆- c - 效 字 化 地 圈 软 件件 图1 .2我国城市车辆诱导系统结构原理图 北京交通大学硕士学位论文 1 . 3 . 1 车辆信息采集与处理子系统 从图 1 .2中可以看出，交通流信息的采集主要是在交通控制中心完 成的。所以，城市安装自 适应式的交通信号控制系统是实现车辆诱导的 前提条件。这个子系统涉及4 个关键问题: ( 1 )交通信号控制系统应该是实时自 适应交通信号控制系统; ( 2 ) 接口技术的研究。 把从交通控制中心获得的网络交通流信息传 送到车辆诱导主机; 3 )滚动式预测网络中各路段和交叉口的交通流量; ( 4 ) 建立能够综合反映各种因素的路阻函数， 确定各路段的出行费 用，为诱导提供依据。 1 . 3 . 2 车辆定位子系统 车辆定位子系统的功能是确定车辆在路网中的确切位置，主要研究 内容有: ( 1 ) 建立一套差分的理论模型和应用技术， 即讨论如何根据基准台 所测出的测差来正确地修正车载机的误差，从而达到提高定位精度的目 的。 c z ) 设计系统的通信网络， 其中包括信号的编码、发射和接收，以 及信号的调制和调解等问题。 ( 3 )研究系统的电子地图制作方法以及在光盘上的实现技术。 ( 4 ) 建立一套故障自 诊断系统，以保证在系统发生故障或信号在传 输中出现较大误差时，也能准确地确定车辆位置。 北京交通大学硕上学位论文 1 . 3 . 3 交通信息服务子系统 交通信息服务子系统是车辆诱导系统的主要组成部分，它可以把主 机运算出来的动态交通信息 ( 包括预测的交通信息)通过各种传播媒介 及时地传送给公众。这些媒介包括有线电视、联网的计算机、收音机、 电话亭、路边的可变信息板和车载的接收装置等，使出行者在家中、在 路上都可以得到交通诱导信息。 1 .3 . 4 行车路线优化子系统 行车路线优化子系统也可称为行车诱导系统，是城市车辆诱导系统 的重要组成部分。它的作用是依据车辆定位子系统所确定的车辆在网络 中的位置和出行者输入的目的地，结合交通信息采集与处理子系统传输 的路网交通信息，为出行者提供能够避免拥挤、减少延误、快速到达终 点的行车路线， 在车载计算机的屏幕上显示出车辆行驶前方的交通状况， 并以箭线标示所建议的最佳行驶路线。 1 .4 论文结构 本文共分七章，在第一章绪论之后: 第二章回顾了动态交通分配的理论问题 ( d t a ) 。 动态交通分配是车 辆诱导理论的核心问 题， 其理论、 模型和算法的优劣直接影响车辆诱导 系统的实际应用。本文首先介绍交通分配与平衡的概念，重点介绍了 w a r d r o p第一、 第二平衡原理。然后讨论了路阻函数的问 题，引入广义 路阻函数的概念，路阻函数是车辆诱导模型中极为重要的概念。最后讨 论动态系统最优( s o ) 和动态用户最优 u e ) 分配模型的路径选择原则。 .! z- 北京交通大学硕士学位论文 第三章总结了目 前已有的车辆诱导模型，主要包括三部分:动态交 通分配模型，交通流量、行程时间预测模型和路径选择模型。将交通流 作为压缩性流体， 利用流体神经网络与交通网络的相似性，建立了基于 流体神经网络的最优路径选择模型。 第四章分析了己有路径选择算法的不足，提出了作用于车辆诱导系 统的路径选择算法应考虑的两个问题:全局准最优和实时性问题。借助 于强大的遗传算法，设计了 一类应用于车辆诱导系统的遗传算法，给出 了复制、变异、交叉3 个遗传算子的算法实现。 第五章从实际应用角度阐述了两类车辆诱导系统:可变信息板系统 和单车诱导信息系统，分析了这两类信息系统的系统配置，为研究和开 发适合我国国情的车辆诱导系统提出了建议。 第六章探讨了可变信息板的设计与应用问题和在我国建立城市可变 信息板系统的可行性问题。 第七章总结了论文的研究结论，指出了未来的研究方向. 北京交通大学硕士学位论文 第二章 动态交通分配理论 2 . 1引言 动态交通分配是车辆诱导理论的核心问题。目 前，应用于车辆诱导 系统的技术已 经趋向成熟，在车辆诱导系统中，尚未解决的是诱导依据 和方法问 题，即把什么样的信息提供给用户才能达到避免拥挤、提高路 网使用效率的目的，如何在短时间内得到这些信息，以及如何根据这些 信息快速确定出最佳出行路径。 这是国际运输领域的一个前沿理论问题， 学术上称之为“ 动态交通分配” ， 其理论、 模型与算法的优劣直接影响车 辆诱导系统进而整个智能运输系统的造价与功能。近年来，尽管发达国 家的诱导装备比较齐全，但诱导理论上的不足影响了诱导系统的实施效 果，以至于无法大面积推广应用。因此，深入研究动态交通分配问题己 成为诱导系统研究的核心问题。 2 . 2 交通分配问题的基本概念 2 . 2 . 1 交通分配与平衡 交通分配即是将已 经预测出的o d交通量按照一定的规则符合实际 地分配到道路网中的各条道路上，并求出各条道路的交通流量。o d交 通量是两点之间的交通量，即从出发地到目的地之间的交通量。一般的 道路网中，两点之间 ( 即o与d之间) 有很多条道路，如何将o d交通 北京交通大学硕士学位论文 量正确合理地分配到o与d之间的各条道路上即是交通分配模型要解决 的问题。 如果两点之间有很多条道路而这两点之间的交通量又很少的话，这 些交通量显然会沿着最短的道路行走。随着交通量的增加，最短路径上 的交通流量也会随之增加。增加到一定程度之后，这条最短路径的走行 时间会因为拥挤或堵塞而变长， 这一部分道路利用者会选择次短的道路。 随着两点之间的交通量继续增加， 两点之间的所有道路都有可能被利用。 如果所有的道路利用者 ( 即驾驶员)都准确知道各条道路所需的行 走时间并选择走行时间最短的道路，最终两点之间被利用的各条道路的 走行时间会相等。没有被利用的道路的走行时间更长。这种状态被称之 为道路网的平衡状态，对于平衡状态的准确定义将在后面介绍。 实际道路网中一般有很多组o d ， 每组o d之间的各条路径都是由很 多独立的路段组成，由这些独立的路段又可以排列组合成无数条不同的 路径。 因此实际道路网的每组o d之间都有很多的路径。 另外， 各组o d 之间的路径也互相重叠。 由 于这种复杂性， 从1 9 5 2 年w a r d r o p 提出 道路 网平衡的概念和定义之后， 如何求解w a r d r o p 平衡成了 研究者的重要课 题。1 9 5 6年， b e c k m a n n等提出了 求平衡交通分配解的一种数学规划模 型。 经过 2 0 年之后即 1 9 7 5 年才由l e b l a n c 等学者将 f r a n k - w o l f e 算法用 于求解 b e c k ma n n模型获得成功，从而形成了现在的实用解法。这三点 突破是交通分配问题研究的重大进步，也是交通分配问题的基础。 w a r d r o p 对交通网平衡定义为: 在道路网的利用者都知道网络的状态并试图选择最短路径时，网络 会达到平衡状态。在考虑拥挤对走行时间影响的网络中，当网络达到平 衡状态时， 每组o d的各条被利用的路径具有相等而且最小的走行时间: 北京交通大学硕士学位论文 没有被利用的路径的走行时间大于或等于最小走行时间。 这条定义通常称为 w a r d r o p第一原理或 w a r d r o p平衡 ( w a r d r o p e q u i l i b r i u m ) 也可称为利用者平衡 we ) 或用户最优。另 外， w a r d r o p 还提出了另一原理，即系统最优原理。该原理为: 在考虑拥挤对走行时间影响的网络中，网络中的交通量应该按某种 方式分配以使网络中交通量的总走行时间最小。 该原理称为w a r d r o p 第二原理。 第一原理反映了道路网利用者选择路线的一种准则。按照第一原理 分配出来的结果应该是道路网上交通利用者实际路径选择的结果。而第 二原理则反映了一种目标，即按什么样的方式分配是最好的。在实际网 络中不可能出现第二原理所描述的状态，除非所有的驾驶员互相协作为 系统最优化而努力。这在实际中是不可能的，第二原理为规划管理人员 提供了一种决策方法6 1 2 . 2 . 2 路阻函数 交通分配与平衡都是以考虑拥挤对走行时间的影响为基础和前提 的，而考虑的方法则是借助路阻函数。路段阻抗函数 ( 简称路阻函数) 是指路段走行时间与路段交通量之间的函数关系7 1 一般来说，道路的所需走行时间并不是常数，而是随着该路段上交 通流量的增加而增加，而且往往还受相邻的其它道路上的交通流量的影 响。但在普通的交通分配模型中，为了使问题简化，只考虑自 身的交通 流量对其所需时间的影响而忽略其它道路的影响。因此，普通的路阻函 数可表达为: 北京交通大学硕士学位论文 t o = ,f ( q o ) ( 2 . 1 ) 路段 a 的所需时间; :路段 a 上通过的交通流量。 ta:qa 其中， 对于道路走行时间函数的研究， 既有通过实测数据进行回归分析的， 也有进行理论研究的。其中被广泛应用的是由美国公路局 ( b u r e a u o f p u b l i c r o a d , b p r)开发的函数，被称为b p r函数。该路阻函数只考虑 了机动车交通负荷的影响，而我国是实行混合交通的。北京工业大学的 研究人员曾对不同的路阻函数模型进行了深入的研究，并用我国北京的 实际调查数据进行了标定和验证。其结果表明，美国公路局的模型最适 合我国的实际情况i . b p r函 数形式为: t o ( q . ) ( 2 . 2 ) qa一吼 a 十 厂|打份| - 其中， c a :道路a 的交通容量，即单位时间里道路a 可通过的最大车辆 数; a ，s :参数; t a ( o ) : 道路a 的自 由 走行时间。 对于b p r函 数， 当q 。 小 于c 。 时， 有许多实 测数 据可供回归 分析用， 而且式2 .2 的q a c : 的 部分在很大程度上是根据交通分配的需要设定 的。一方面，走行时间函数应使分配交通流量大于其容量的路段尽可能 少，另一方面应该使各路段上的分配交通量符合实际。 最早的b p r函 数中，a 二 。 . 1 5 , 0 49 1 ， 这时的c 。 是 指实用交 通容 量，即实际道路单位时间中可通过的车辆数。 后来经过改进的b p r函数 北京交通大学硕士学位论文 为。 = 2 . 6 2 , 0 = 5 。这种情况下的 c 。 是指稳定交通容量 ( s t e a d y s t a t e c a p a c it y ) . 道路的实用交通容量小于稳定交通容量。 在理论研究和实际 道路网的交通分配中， 普遍采用b p r函数作为走行时间函数( 如图2 . 1 ) 0 t = f ( q ) 9 图2 . 1 b p r函数 城市交通网络中的路阻，还应包含反映交通时间、交通安全、交通 成本、舒适程度、 便捷性和准时性等许多因素，这里提出广义路阻的概 念。 所谓广义路阻 ( 出行费用) ，是指出行者为了完成从出发点到终点的 出行而付出的代价及其为社会带来的负影响的总和。它应该包括出行途 中占用的时间、支付的能源或票价等货币量以及产生的车辆磨损、环境 污染等非货币 量。路阻最低应该是指以上因素的综合最小值。然而，从 可计量性和数据可获得性方面看，在实际考虑出行费用时，一般都采用 被占用的时间或能够反应被占用时间长短的其它指标，如票价、排队长 度、耗油量、拥挤程度等。因此，在路径选择中，可以设计出行时间、 行驶距离、拥挤程度、道路质量和综合费用 5 种路阻，供不同出行者选 择使用。 北京交通大学硕士学位论文 2 .2 .3 交通网络的抽象与简化 交通分配中所使用的网络是图论中抽象的网络图，由节点和连线组 成。节点一般代表道路网中道路的交叉点以 及交通小区的重心， 连线则 代表在两点之间存在的一条道路。但这种连线既不代表道路的形状也不 代表道路的长度。 实际道路网中无论是路段的数目 还是交叉口的数目都是成千上万， 如果将这种实际道路一一对应地转化成计算网络，一方面收集整理相应 的数据十分困难;另一方面，计算时间将成倍地增加。因此，在实际分 析中，一般根据精度的不同要求而对实际道路网进行适当简化。简化时 主要考虑以下几点: i 、窄而容量小的道路可不予考虑; z 、 小的道路交叉口 不作节点考虑， 而在与之相关的道路的路阻函数 中恰当地考虑其影响; 3 、 根据需要可将几条平行道路合并成一条道路， 并修改这条道路的 容量; 4 、 分级构成网络。 比如可以 先以市内主要干线道路构成全市交通网 络，进行全市的交通分配，再以一个区或几个区所有道路构成细部子网 络进行局部的交通分配。 总之， 交通网的抽象与简化是由分析费用与分析精度的平衡决定的。 2 . 3 动态交通分配基本理论 交通需求具有随时间变化的性质，这使得交通网络上的交通流具有 动态特性。正因为如此，动态的交通需求分析模型能够更广泛、更确切 北京交通大学硕士学位论文 地描述交通网络上的各种交通现象。 动态交通分配是动态交通网络分析、 动态交通需求分析的一个重要组成部分。 动态交通分配 d t a , d y n a m i c t r a ff i c a s s i g n m e n t ) 是指以时时刻刻变 动的交通需求为对象的交通量分配。到目 前为止研究开发出来的大多数 模型均为静态分配模型，通常以日交通量为研究对象，推求一天的平均 交通量分布模式，从而进行道路网的规划和设计。但是，对于待定时间 段道路网上的交通流，特别是包括随时间变化交通流的模拟等，则到现 在为止以交通定常性为前提开发的静态交通量分配模型是无法解决的。 为表现这种比 较短时间内的非定常交通，从问题的性质上来看理所当然 需要进行动态分析。 和静态交通分配相比，动态交通分配模型在构造上有如下特征: 1 、 对动态交通量分配来说，首先有必要从时间、空间上对非定常交 通流做出描述。因此，有必要将道路网分成更小区间 ( 小段) 。另外，时 间间隔要取得很短。时间和空间的划分方法取决于所研究问题精度的要 求。但不管怎么说和静态交通分配相比， 计算容量和计算时间都将变动 得非常大。 2 、路径或路段 ( s e c t i o n ) 上的交通状态量的时间变动将用交通量守 恒准则或连续方程式这种表现方式的交通流模型来记述。作为此交通流 模型的 状态 孪量， 一 般 来说 可 用交 通密 度、 存 在台 数、 排队台 数 等 来 表 示。因此，相应于静态交通分配中的状态变量一交通量，动态交通量分 配取交通密度 ( 存在台数、排队台数)作为状态变量。 3 、 传统的静态交通量分配除有个别例外， 基本上是处理自由 流 ( 交 通密度从0 到临界密度之间的交通流) 。 例如交通量分配用的路阻函数的 代表例子b p r函数， 也没有针对路段交通量超过路段的交通容量的情况口 北京交通大学硕士学位论文 另