（系统工程专业论文）基于博弈论的交通控制与诱导一体化模型的研究.pdfVIP

中文摘要 餐缝交逶系绫i t s ) 是近年寒兴起豹逶过各耱技零手段磐凌目蕊严爨豹交 通问题静综会系统。交通控隶和线路诱导赋是现今城市交通的两个重骚管理手 段，是i t s 的麓要组成部分，二辫之间存在着密切联系且功能互补。控制与诱导 的一体化研究是i t s 的主要发展方向。 近年来，交通工程人员从迭代优化分配和全局优化两个方向对控制与分配 的结合避孬了一系确豹磷究，扶袋臻翡静态条 争下麓缀合逐多发震至l 动态条件下 结合。蟊蓊瓣磷究中存在善良下空簧游逶，印蕊有翡缀铡与分配裙缝合懿方法程 模型一般是以其中一种管理方法控制或分配( 诱导) 为主，而将另一种作为外生 变量或约束条件，其实质是一种改进的控制或分配的方法。另外，现有横趔的一 个最基本的假设就是交通流按照用户最优均衡得到，没有充分发挥诱导作为一种 管理手段的爨癸终麓，是控制与分酝携结合嚣不是控捌与诱导豹结合，没露真正 把诱导和藏髑稳结合秀交逶管瑗豹统一手段。无论获交遴管理静嚣标还怒鼹倍患 的角度，这一假设都是不合理的。 针对上述问题，本文提出了交通管理者应从系缆最优的原则出发制定诱导 与交通控制结舍的交通管理策略的论点，并引入了博弈论的思想和方法解决由系 统最优带来麴系统管理与个体出行之闻豹矛藩。在肇一控铡、单一诱导、诱导与 控毒l 秘潺不黼餐瑾模式下，分弱建立了管理者与毒行蠢之阕静薄弈模蘩，给蹬葙 应求解算法。 最后利用典型路网对上述模趔进行仿真实验，通过对比分析三种不同条件 下的仿真结果，得出结论：在系统最优原则下的诱导比用户最优下可以使路网更 热均衡，系统惑蹬行费用减少，撼离了路网整体性能，褥在控制与诱导协调的情 嚣下效采雯翔爨著，毓嚣验证了本文蒋弈摸垄霹求瓣冀法豹毒效鳇彝可嚣戆。 关键词：交通控制路线诱导博弈论控制与诱导一体化 a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e mi san e w l yd e v e l o p e dc o m p r e h e n s i v es y s t e mt os o l v e s e r i o u st r a f f i cp r o b l e m a st w oi m p o r t a n tm e t h o d si nu r b a nt r a f f i c m a n a g e m e n t ， t r a f f i cc o n t r o la n dr o u t eg u i d a n c es h o u l db ei n t e g r a t e df o rt h e i ri n t i m a t ei n t e r a c t i o n a n dt h ec o m p l e m e n t a r i t yo f t h e i rf i m c t i o n t h e r eh a v eb e e nt w o a p p r o a c h e s t oa d d r e s s c o m b i n e d c o n t r o l a s s i g n m e n tp r o b l e m s i n c et h r e ed e c a d e s a g o ：( a ) i t e r a t i v e o p t i m i z a t i o n a n d a s s i g n m e n tp r o c e d u r e ；c o ) g l o b a lo p t i m i z a t i o n m o d e l a n d r e s e a r c h e sh a v eb e e nd e v e l o p e df r o mu n d e rs t a t i cc o n d i t i o nt od y n a m i cc o n d i t i o n t h e r ea r et w o p r o b l e m i nt o d a y ss t u d y , o n ei st h a tm o s t e x i s t i n gm o d e le m p h a s i z eo n o n l yo n e o ft h et w o m e t h o d ( t r a f f i cc o n t r o la n d r o u t eg u i d a n c e ) ，a n dt r e a tt h eo t h e ra s e x t e r i o rv a r i a b l eo rc o n s t r a i n t ；t h eo t h e ri sa l lo f t h e s em o d e l sh a v eaf i m d a m e n t a lb u t u n r e a s o n a b l e h y p o t h e s i s ，t h a ti s ，t r a f f i cf l o wi sr e s u l t e df r o m u s e r o p t i m i z a t i o n u n d e r t h i sh y p o t h e s i s ，t h el e a d i n gf u n c t i o no f r o u t eg u i d a n c ea n dt r a f f i ca u t h o r i t yc a nn o tb e f u l l yb r i n g i n t o p l a y t or e s o l v et h e s ep r o b l e m t h i s p a p e rp r o p o s e sa n e w v i e w p o i r l l _ a c o m b i n e d c o n t r o l g u i d a n c em o d e l b ef o r m u l a t e di nw h i c h m a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e so ns y s t e m o p t i m i z a t i o n ，a n de s t a b l i s hm o d e l sa p p l y i n gg a m et h e o r y t os o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e n t r a f f i cs y s t e ma n di n d i v i d u a ld r i v e rr e s u l t e df r o m s y s t e mo p t i m i z a t i o n a tl a s t ，a na l g o r i t h ma n das i m u l a t i o no nat y p i c a lt r a f f i cn e t w o r ka r eg i v e n t h r o u g hc o m p a r i s o no ft r a f f i c v o l u m ea n ds y s t e mt o t a lt r a v e lc o s tu n d e rt h r e e d i f f e r e n tc o n d i t i o n ，t h ec o n c l u s i o ni sg i v e nt h a tt h em a n a g e m e n ts t r a t e g yb a s e do n s y s t e mo p t i m i z a t i o nc a ni m p r o v et h en e t w o r kp e r f o r m a n c eo b v i o u s l y ，e s p e c i a l l yi n t h ec a s eo f i n t e g r a t i o no f t r a f f i cc o n t r o la n dr o u t eg u i d a n c e a n di ti sp r o v e dt h a tt h e g a m e t h e o r e t i cm o d e li nt h i sp a p e ri sp r a c t i c a la n dt h ea l g o r i t h mi sf e a s i b l e 。 k e y w o r d s ：t r a f f i cc o n t r o l ，r o u t eg u i d a n c e ，g a m et h e o r y ， i n t e g r a t i o no f t r a f f i cc o n t r o la n dr o u t eg u i d a n c e 独创性声明 奉久声鲻爱呈交豹学位论文楚零入在导簿接导下逡行豹磅究工馋黢联簿兹 研究成果，除了文中特别加以标渡和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂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 作了明确豹说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：考艇篇 签字日期：2 0 0 3年月，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了勰叁凄盘茎有关缳窝、使角学位论文躯燧定。 特授权蠢凌基茎霹酸将学霞谂文豹全部或整分肉辔编入毒关数摇黪逡行检 索，并采用影印、缩印或扫描等笈制手段保存、汇编以供查阅和借阅。阐意学校 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厝邋用本授权说明) 学位论文作者签名 杏黼 导师熬名。麟 签字日期；o 年，月拶曰 签字鄹期：劢多年1 月厂曰 第一章绪沦 第一章绪论 交通控制和线路诱导是现今城市交通的两大重要管理手段，是i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) 的重要组成部分。本章阐述了控制和诱导的 理论、方法、重要作用及本质，并分析了控制与诱导的一体化在当今城市交通管 理中的必要性、可能性，以及本文的主要工作。 1 1 智能交通系统( i t s ) 简介。“2 随着当今世界经济的发展和汽车拥有量的增加，城市交通拥挤日益严重，提 高交通管理水平、改善路网状况，提供快速、安全、舒适的交通服务，减轻污染 已越来越引起人们的重视。9 0 年代初出现的智能交通系统( i t s ) 正是应以上要 求产生的。智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技 术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的 一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系 统。当前i t s 的服务领域有：先进的交通管理系统、先进的出行者信息系统、先 进的公共交通系统、先进的车辆控制系统、营运车辆调度管理系统、电子收费系 统、应急管理系统等，相应地研究者开发了以下各子系统： 先进的车辆控制系统a v c s ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ) ：是开发帮 助驾驶员实行自动车辆控制的各种技术，从而使汽车行驶安全、高效。a v c s 领 域包括对驾驶员的警告和帮助，避免与障碍物相撞等自动驾驶技术。 营运车辆调度管理系统c v o m ( c o m m e r c i a lv e h i c l eo p e r a t i o n f 1 e e t m a n a g e m e n t ) ：它的目的是利用车辆自动识别技术、车辆自动定位技术、车辆自 动分类技术等，提高企业内部劳动生产率、增加安全度，改进对突发事件的反应 能力，改善车队管理和交通状况。 先进的公共交通系统a p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ：采 用各种智能技术促进公共交通运输业的发展，如通过个人计算机、闭路电视等向 公众就出行时间和方式、路线及车次选择等提供咨询，在公交车站通过显示器向 候车者提供车辆的实时运行信息。 先进的乡村交通系统a r t s ( a d v a n c e dr u r a lt r a n s p o r ts y s t e m ) ：包括为驾 驶员和事故受害者提供援助的无线紧急呼救系统，不利道路和交通环境的实时警 告系统以及有关驾驶员服务设旖和旅游路线、景点等信息系统。 第一章绪论 自动高速公路系统( a u t o m a t e dh i g h w a ys y s t e m ) ：该系统包括车辆自动导 航系统和控制，交通管理自动化以及事故处理自动化。 先进的交通管理系统a t m s ( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) ：用于监 测控制和管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员之间提供通信联系。依靠先进的 交通监测技术和计算机处理技术，获得有关交通状况的信息，并进行处理，及时 的向道路使用者发出诱导信号，从而达到有效管理交通的目的。 先进的出行者信息系统a t i s ( a d v a n c e dt r a v e l l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) ： 该系统采取先进的信息技术、数据通讯技术、电子传感技术、控制技术及计算机 技术将采集到的各种道路交通及服务信息经交通管理中心处理后传输到交通系 统的各个用户( 驾驶员、公共交通利用者、步行者) 使得出行者实时选择出行方 式和出行路线。 在智能交通系统中，a t i s 和a t m s 是智能交通系统的基础。二者均有着向出 行者传递信息的功能，a t m s 同样具有许多向驾驶员提供信息的设备，如可变信 号板、公路咨询广播等，但它们传递的信息量是有限的，且面向的是出行者的整 体；而a t i s 则是以个体驾驶员为服务对象，驾驶员可以通过车载路径诱导系统， 在与中心的双向信息传递中使自己始终行驶在最短路径上。a t i s 提供历史数据 和实时可供预测的信息，用以支持旅行决策的制定。另一方面，a t i s 又影响了 出行者的个人出行路径的选择，并因此而缩短了出行时间且提高了出行质量。相 应的，a t m s 利用这些信息资源优化了信号系统、公路匝道和突发事故的管理等。 作为智能交通系统的基础，a t i s 和a t m s 两个领域的研究工作近年来己得到了充 分的发展。 道路交通控制和线路诱导是现今城市交通在线管理的两大重要手段，同时是 i t s 的两大子系统a t m s 、a t i s 系统功能的实现，i t s 中城市交通的在线管理主 要由道路交通控制系统和车辆诱导系统完成。因此后面两节中我们对控制和诱导 的理论、方法、重要作用及本质进行概括介绍。 1 2 交通控制 交通控制始于十九世纪，最初的目的是通过安装在路口的信号灯来控制通过 路口的车辆，避免各个冲突方向的车辆的碰撞，后来逐步延伸到以减小车辆通过 路口的延误时间为目的。在交通控制系统中，控制的对象是交通流，控制设备包 括交通信号灯，可变限速标志等。城市交通控制系统中，主要将信号灯作为执行 设备，通过安装在路口的信号灯色的改变控制交通流的运动，以提高通行能力。 所以城市交通控制又称作信号控制。信号控制作为交通管理的重要手段已得到深 第一章绪论 入的研究和应用，控制规模由原先的单个路口的点控、单条干道的线控发展到整 个道路交通网络的面控；控制方式由离线的定周期控制、多套配时方案在线选择 式控制、配时方案的在线生成式控制发展到各种智能化的控制方法”。 i 2 i 交通控制方案 交通控制是通过安装在路口的信号灯来控制车流的有序运动，以达到提高通 行能力的目的。其控制方案主要包括以下参数： i 信号周期：路口的各个相位是按顺序切换的，一次循环称为一个信 号周期。 2 绿信比：对一个相位，其绿灯持续时间与周期长度之比。对于某个 特定相位的车辆，绿信比决定了其在路口的等待时间。 3 绿灯时间：路口某相位绿灯持续的时间。 4 相位差：相邻路口同方向的相位，绿灯开始时刻的时间差。 5 绿灯间隔时间( 黄灯时间) ：相邻相位从一个相位结束到下一个相位 绿灯的开始之间的时间间隔，其目的是腾空路口，避免不同相位车辆间的冲 突。 6 最短( 长) 绿灯时间：各相位规定的绿灯时间的下( 上) 限值。 1 2 2 控制目标和约束 信号控制交叉路口的运行效率一般由四个基本指标来衡量，即通行能力、饱 和度、延误时间和停车次数。控制效果就是寻求最大的通过能力，最低的饱和度， 使道路上车辆的延误时间和停车次数最少。另外，有时还要考虑其他参数，如最 大等待队长，耗油量等。在来往各个相邻路口距离比较短的时候，为了不使下游 路口的等待队列延续到上游路口，以至影响上游路口，有必要将队列长度作为控 制目标。耗油量多少不仅直接影响运行费用的经济指标，同时也决定了尾气排放 量和对环境的污染程度，因此，在考虑能源和环境因素时，必须将耗油量作为一 个目标。 除了上述目标外，控制方案还必须满足约束条件，保证控制方案的可行性， 这些约束包括最大( 小) 绿灯时间，非负约束等。 1 2 3 交通控制的层次 交通流按照其控制的范围，可分为孤立路口控制，主干道控制( 绿波带控制) 和区域控制等不同层次，也称为点控、线控、面控。孤立路口控制又有固定配时、 车辆响应控制、和单点最优控制的方法。主干道控制根据考虑的车流的方向有单 第一章绪论 向绿波带和双向绿波带之分。目前世界上许多实际运行的系统都是区域交通控制 系统，有离线优化方法，在线方案选择式，在线方案生成式，都是根据路网的总 体运行指标优化方案，存在着各自的不足，如实时性较差，控制条件与现实情况 相差较远，可操作性差等。近年来各种智能化的交通控制系统得到了发展。 1 2 4 交通控制的一般化模型 点控、线控、面控，控制目标、实现方法和手段均有所差异，但可用如下的 一般化模型来描述： “( 七) = s i x ) ￥( 七一1 ) ，x ( k p ) ( 1 1 ) 式中： 工似)一第k 个控制周期的交通流状态变量 “ )一第k 个控制周期执行的交通控制策略向量方案，”忙) 依被控交通 流的范围不同而包括不同的内容。对孤立路口控制， “q ) = 【c 忙) ，s 似) 】， ( 1 2 ) c 僻) 信号周期 s ) 一绿信比 对主干道控制或区域控制， “( 七) = c x d 忙l s 忙) 】 ( 卜3 ) c ) = 【c f c k ) l i = 1 , 2 ，h ，f 为路口号，门为区域内路口总数 ( 卜4 ) 5 忙) = b ，( 七) l i = 1 ，2 ， ( 卜5 ) d 取) = b ( 七0 ) 路口f 和，之间的相位差 ( 卜6 ) 卜控制周期数 1 2 5 交通控制的本质 对于交通控制，如果不考虑控制效果对交通需求的影响，无论采取何种方式， 其本质都是对已经发生的即将通过某个路口的车辆进行控制，其结果是改变了不 同方向的车辆通过路口的时间，从而使网络流量在时间上的分布发生变化，以最 大限度地提高现有道路的通行能力。这种对路网上已经发生的交通流量的时间分 布进行的直接调整是交通控制系统的本质特征。 第一毒绪论 1 。3 交遥诱静筒奔强3 随着近年智能交通系统( i t s ) 研究的深入，交遄流诱导在交通管理中发挥 的作用臼益黧鼗，是目前公认的熊决交通效率低下和提高机动性的最佳逡径。交 通滚诱导特别蹩动态诱导与在线按嗣豹结合作为一秘综合静技术帮手段箴为 i t s 磅究静熬患秘难点之一。 在没有诱学的情况下，车辆猩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脚的交通状况。这榉，一旦在某一交叉口成某一 路段受到干扰，就有可能引发幽点到线最后到面的交通阻塞，从而降低城市交通 网的使用效警。在这静情况下交邋诱导或为解决阉趱驹有效手段。 交透滚诱羚竣交逶滚颈溪l 移交辩凌态交逶分配海簇旗，应震爨圣逶傣技术、 电子技术、计葬枫技术等为路网上的出行者提供必疆的交通信息，为其指出当前 的最佳出彳予路线，从而避免盲髓出行造成的交通阻戆，达到路网畅通、商效运行 的目的。简单地可以说诱导就怒引导城市路网中的交通流在不拥挤的路段和交叉 口中运行，使阏络流量趋于平衡。安对、动态、合理约诱导将有效改善路湖状况。 交逶滚诱导瓣方式一簸努荛臻边驻示援式纛车蠹显示溪式嚣静。蔻者主裘遥羯于 高速公路的粲俸车辆诱导，屠赣剡主要适用于城市路阏的个体车辆诱导啪。 1 3 1 诱导系统的信息流 在i t s 系统中，系统与车辆之闽的信息交流应巍怒双向的，其中由车辆割系 统簧辕豹绩惑主要惫廷车赣行畿麴蠢豹建疆及车辆弱牙裴逮瘦。毽是囊予嫒 孛方 面的原因，鬻求所有的车辆都向系统传送它的去向帮状态是不现实静。因此，在 现今的许多交通管理系统中，甚鬣在i t s 的规划中，都假设信息的传递魑单向的： 即车辆驾驶臌只能被动地接受信恩。这些信息可以包括两个不同层次的内容： 1 被管理范围内的各条道路上的路况信息，这魉信息不仅有当前的车流量、 等待双长、行疆车速、等待薅勰镣实嚣幸售惑，也毽攒器条路段上各个豢拣在不阂 对段静历史绫计数据等历史镶患，甚至可酸绘蹬辩寒米一段对闽鼹穗的预溺结 果。这些关于过去、现在、未来的信息将对驾驶员或行人的行进路线的选择和预 测起着重袋的参考作用。这种将档观的情况呈现给用户，由出行者根据自己的判 断决定如何行驶是a t i s 研究初期的主要功能，其实现灼主要技术手段怒各种检 溅技术 奠及数撬遵逐窝绩息憝骥鼓本。 2 ，对诱静系统鲍深入研究憋不再满足于鼹滚稼感翡浚集发送，霹以逡一步 对不同起点驶向不同目的地的举辆推荐一条或几祭熬子当前路况( 或熬于对未来 预测) 的最仕行驶路线，这是嶷时车辆线路诱导系统鼹完成的任务，所推荐的行 第一章绪论 驶线路是诱导策略或诱导方案的基本内容。目前这些诱导策略还是建议性的，驾 驶员可以采纳，也可以拒绝而选择其它线路。而我们提出控制与诱导结合进行交 通管理的研究思想目的之一正是希望通过控制策略的实施不仅实现控制本身的 目标如道路上车辆延误时间和停车次数最少等，同时可提高出行者对诱导的服从 率，实现控制与诱导功能的互补，更好地优化整个路网，使路网运行始终处于良 性循环中。 1 3 2 诱导系统的特点 诱导系统具有以下特点： 1 动态性。动态性表现在网络的状态( 到达率、路段的流量、路段的行驶 时间和流出率) 是随时间变化的，因此系统不仅应当能够及时地确定诱导方案并 发送出去，而且能够根据网络状态的变化及时更新诱导方案，以适应新情况的发 生。 2 实时性。在诱导系统中，无论路网数据获取、通信、收集、处理，还是 诱导策略的生成和发送，都应该在一定时间内完成，满足在线运行的要求。否则， 无论多么准确的信息多么合理的诱导方案都是过时的。 3 主观性。最佳行驶路线是根据交通管理者的管理思想和具体的优化原则 确定的，对于不同的管理者考虑问题的角度和出发点不同，侧重点不同，导致系 统所遵循的优化原则有所不同，因此得到优化路线存在差异。 4 平稳性。在动态条件下，交通环境和道路状态是实时变化的，所以诱导 策略也是时变的。但是诱导策略的变化不应是瞬时的，在一段时间内，应保持相 对平稳，否则，对出行者的心理和行为会造成干扰。 5 可操作性。交通诱导系统的直接服务对象是交通出行的主体一驾驶员， 其提供的诱导方案对驾驶员而言应当是直观的，易于接受的，具有可比性。因此 诱导方案不仅包括路网内两点之间的最佳行驶路线，还应当包括其预计的行驶时 间以及其它可行的路线及行驶时间。 诱导系统的以上特点给我们在诱导的模型及算法的研究中提出了同样的要 求，首先要根据不同的管理思想确定合理的诱导原则。在这样的原则下，要求我 们建立的模型和算法符合实时性的要求，能够及时得到诱导策略，而且此诱导策 略既要求是动态的，随路网状况的不断变化而变化的，又要求在一定时间内保持 相对平稳。 1 3 3 诱导的基本原则 一般而言，诱导系统主要侧重从两个方面对交通流进行诱导，一是用户均 6 第一章绪论 衡( u s e re q u i l i b r i u m ，u e ) 的思想，一是系统最优( s y s t e mo p t i m u m ，s o ) 的 思想。 对用户均衡的思想，是假定每名驾驶员仅从自身的利益出发去寻找最短行驶 时间的路径，司机之间不存在相互协调。由于各条路段的行驶时间是该路段上车 流量的函数( 一般为单调增函数) ，因此，对f 时刻，起讫点r ，s 之间被选中的 行驶路径总是具有相同的行驶时间。换句话说，t 时刻未被选中的路径行驶时间 一定大于等于该时刻r ，s 之间的最短行驶时间，此时网络处于一种动态均衡状态。 系统最优的原则是假设司机接受诱导系统的统一调度，优化的原则是使网络 上所有车辆累加起来的总行驶时间( 或平均行驶时间) 最小。 用户平衡与系统优化的区别在于前者假设每个驾驶员都是独立地选择最短 的线路行驶，这样两点之间大于最短行驶时间的路径，总是不被这两点之间行驶 的车辆选中： ；o ) o r ；( f ) = n 粤 ( f ) ( 1 7 ) ；g ) = o 铮t ；( f ) 唧n 鲫 ( 1 8 ) 了o ) ， ：( f ) 分别为f 时刻起讫点为_ s 选择路径p ，p 的出行者。 r ；0 ) ，r ；0 ) 分别为t 时刻起讫点为r s 的路径p ，p 的行驶时间。 在系统最优的情况下，总是有一部分车辆为了网络的总体性能的提高而舍近 求远，即使两点间大于最短行驶时间的路径也会有车辆行驶，这两点间的车辆的 总行驶时间r 7 0 ) 最小。文献中指出此时被选中的路径总是具有相同的行驶 时间的边际值，且等于最小的边际值，即 哪伽曹裂= 呼嘲 m 哪裂冲 剥) m ( 注：本文中所涉及的公式符号意义说明详见附录) 1 3 4 交通诱导的前提和主要工作 在交通网络中，实现对车辆的实时动态诱导，其前提是对网络交通状态( 流 量、行驶时间、费用、延误) 随时间、空间变化的动态特性全面、精确的理解和 把握之上。传统的诱导基于动态交通分配理论。动态交通分配是在交通供给状况 和动态交通需求已知的条件下，依据一定的路径选择准则，将出行需求分配到网 第章绪论 络上，强褥到鬣饶静交通浚分带禳式，蕨两为交通滤餐理、动态诱导等撬茯依蕹。 近来也有一种赡决实时交通诱导阀题的新思路的提娃 智能交通诱导黎绕，该系 统在实际交邋流的运行中学习，建立起从交通流状态到诱导策略的直接映射，诱 导效果从实际的路网运行中得到反复检验。当交通条件发生变化时，则自动进行 再学习，建立起赣的浃龛于。 实现交遴瀛诱导主要鸯竣下纛方嚣懿工 筝：一楚敬 ! 孽路麓中当蘸帮过去若干 时段内的交通信息：二是逐步撼测未来若干时段内路网各交叉口和各路段的交通 流状态；三悬港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 心的信息单向( 双向) 交流；四怒利用实时动态交通分配确定行驶路线，为出行 者提供最德行驶路线；五是捡测诱导氛略的实际效浆，势戳此为依摆实现诱导策 臻静鑫寻後。整个诱导过程瘦不鞭滚动簇繇送行。 i 3 5 交通诱导的本质 诱导的翻的是将从某节点，刹节点j 在某时刻t 产生的交通需求h ”( f ) ，依据 一定诱导思想合理分配到由网络务路段组戏豹连接，。s 的各路径上，以使反映系 统霞纯或臻户疑霞熬捂蠡这裂簸筑。嚣蘧，歇本矮采滋。交逶滚诱导是辩灏缀上 已经发生或即将发生盼具有意向髓盼交通流，在连接菇起点和终点的各条路径上 的数量分布谶行调整，通过改变行驶在不同路径的率辆数，达到优化目标，即对 路网未来即将发生的交通流量的窳间分布进行调整。 1 。4 控剿葛诱导一律耽磷究的必要性秘3 作为城市交通管理的两太熏袋手段，交通控制与线路诱导之间存在辫密切的 关系。我们w 以从以下几个方谳逐进行分析。 首先，= 糟互为输入和约束。对交通诱导来说，程决定诱导之前必须确定各 个路袋爨行玻瓣麓。峦于各个磐煮鼹霉实麓交通信譬接翻，健褥车辆豹行驶辩瓣 除了包稳农路段上豹行驶靖阕韩，还包括在路墨| 辩驮瓣等候爵霹及遂逶鼹嗣翡行 驶时间。而变通控制决定了车辆的行驶时间，尤篡怒率辆通过信号控制路口的时 问，因此，谯制定诱导策略时必须考虑交通控制的影响。通常，信号配时方案在 诱导模型中怒被视为己知输入的；另一方面，交通控制实施优化的前掇怒能够获 褥套会方囊繇将通过路蜀鹃车辆数，获戳在交通控铡中对车辆戮达援律鲍磷究缀 重要，诲多控测方法是霰定车辆琵从菜- - n 这畿簿麓旃提下进行熬。瑶当我们将 诱导与控制综合考虑时不难发现，各个路口的到达翠很大程度上是由驾驶员的路 线选择所决定，即交通诱导直接决定了各个路段和路口到达车辆的数激和时间。 8 第一章绪论 第二，从管理斡手段来看，诱警魏控制是踺网络交逶滚遴嚣有效蛰疆滟两耱 不同手段，楚稿辅稻躐的。诱哥与控稠分剐是对网络交逶流的空闫和时阉分布进 行调整，对一个特定的网络，其空间时间的管理与控制是不可分离的，缺少任何 一个，郗是片惑不完熬的。 第三，斌实魂戆方瑶来看，撩镧系统帮诱嚣系统可以建立在共强弱予系统之 上。交邋流检测系统、道路信息采集系统、交通信怠的发布系统，数据通讯系统、 交通流实时信息处理系统，被控网络的地理信怠系统以及有关网络环境的其他 翅数攒翻蕊感郝霹默被按制系绞秘诱导系统共嬲攘毒稳利用。 第潮，从控制的嗣标来看，无论诱导系统还怒控制系统都是以减小车辆的延 误时间、缩短行驶时间、提高网络的实际通行熊力为目的，因此为了实现共同的 匿标，二嚣鸯必要也蠢霹靛程蠢协谖，盛爻一个统一酶系统。 舅一方霆，挖铡耪诱导鸯蓑骥爨戆羡爨，及韵瓣上熬互棒。诱嚣系绫袋数豹 是建议性的、网络平衡的方法，丽掇制系统、聚取的是强制性、控制路阳菜相 位车辆_ i 鼹过或等待的方法。同样怒减少延误时间，诱导系统采用主动疏导、涟免 毽塞逡步趣裁熬愚鼹，控麓戮怒瓣已经发生煞 孥褫酌处理，建耀对被凌戆；爱 过来从镶略撬行熬绪祭看，控潮鲻怒差动豹，鼹蹲上的车辆必须遵守，诱导剩是 被动盼，出行者可以选择服从，也可以选择不服从。因此控制与诱导成该实现功 能的嚣补。诱导应对控制无能为力的路段堵塞、拥挤现象、突发的交通攀忭进行 合理静诱导，减少漆缀该骆羧懿交邋流量，双瑟藏轻堵塞；羧潮豫了对诱馨形戏 的流量进行优化控制外，更应当尽可能保证服从诱导的车辆在通过路团时的通 畅，减少其停车次数，这样不仅熊改落路网性髓，露盈可以掇窝司枫对诱浮系统 黔骧从察，觚两使路鼹运露处挚藏靛锤环孛。 城市交通管理中掖铺系统与诱静系统这种糊匿联系，又鞠曩独立、鞠麓纛补、 各有侧煎的特性，决定交通管理者威当综合交通诱导与控制为统一的交通管理手 段，痰臻综合模型进褥诱谖、伐纯、决策，建立交遥控制诱露一体倪系缝。 1 5 本文的主要工作 零文筵一章黄先瓣餐携交邋系绫愆两大圭蘩营理芋羧控铡每诱导懿瑗谂、方 法、本质功能作了简帮介绍，分桥二者的密切联系及功能上的互补，措浅控制与 诱导一体化研究的必要性及可能性。 隧蕊在第二章孛介缓了蠡七十年代戬来，交逶工程人员瓣控制与分醚结合熊 硬究掰变，详缀讨论了各耱摸整葶嚣嚣法。在深入分橱了模鍪瓣蒗提秘结擒靛蒸疆 上，本文认为以往的控制与分配的结合往往是将分配或控制作为另一种管理手段 第一章绪论 ( 控制或诱导) 的输入，而没有同时把控制和诱导作为管理者的策略，因此这些 研究只能称作控制与分配的结合，却不是真正控制与诱导结合的研究。尤其这些 模型在建模时的基本假设是交通流在用户最优条件下得到，本文通过分析其不合 理性，指出应在系统最优的原则下进行交通流分配，从而给出管理者的控制与诱 导一体化策略的思路，并根据由此产生的管理者与出行者之间的利益矛盾提出应 引入博弈论进行研究的观点。 在第三章利用博弈论理论建立了管理者在不同策略下与出行者之间博弈的 三种模型，第四章中给出模型的求解算法并在一定条件下利用典型路网做了仿真 实验，以验证模型和算法的有效性。 第二章控制与分配结合研究的评述 第二章控制与分配结合研究的评述 控制与诱导结合的研究，离不开一个共同的理论基础交通分配。七十年 代起，交通工作者开始认识到控制与分配的相互影响，并进行了一系列控制与分 配结合的研究。但在这些研究中分配或控制只是作为另一种管理手段( 控制或诱 导) 的输入，而不是把控制和诱导同时作为管理者的策略，因此这些研究只能称 作控制与分配的结合，不是真正控制与诱导结合的研究。 本章首先对动态交通分配作了简单介绍，然后介绍了迄今为止主要的控制与 分配结合的模型和算法，分析这些模型在建模时的一个基本假设交通流在用 户最优条件下得到，指出其不合理性，提出了应在系统最优的原则下进行交通流 分配从而给出管理者的控制与诱导结合策略的思路，并根据由此产生的管理者与 出行者之间的利益矛盾提出应引入博弈论进彳亍研究的观点。 2 1 动态交通分配控制与诱导结合研究的理论基础 2 1 1 动态交通分配在交通控制和诱导中的作用和地位 控制和诱导结合的研究，一个重要的理论基础是动态交通分配( d y n a m i c t r a f f i ca s s i g n m e n t ，简称d t a ) 。从狭义的角度来看，动态交通分配是在交通 供给状况以及交通需求己知的条件下，分析其最优的交通流量分布模式，通过一 定的控制手段和诱导策略在时间、空间尺度上重新合理配置人们已经产生的需 求，从而使交通路网得以优质高效的运行。由此可知，交通分配依据一定的路网 均衡原则，得到最优的交通流量分布模式为交通诱导系统提供诱导决策的依据， 交通分配得到的交通流可作为交通控制优化决策时的输入，因此可以说交通分配 是控制和诱导结合的基础。另一方面，交通控制和诱导则是动态交通分配的实现。 交通控制通过改变路口的信号配时方案来改变车流的时间分布；而动态路线诱导 则通过信息提供、车载诱导系统等非强制性的手段改变车流的空间分布。反过来， 控制决定了车辆在路口等待及通过路口的时间，直接影响交通分配的结果：另外， 控制和诱导系统通过直接影响实际交通流在时间空间的分布过程，间接地影响了 动态分配过程。控制、诱导与分配的密切关系及相互影响可由图2 1 说明。 第二章控制与分配结合研究肋评避 图2 1 控制、诱替与分配豹密切关系及提互影响 2 1 2 动态交通分配研究简介。1 基于动态交通分配在交通控制和诱导中的重要作用，二十余年来，众多学者 在动态交通分配模型、动态交通滚模型、出行需求、镯执行为分析方面作了大量 静磅究。主黉内容涵盏懿下蔻方甏： 2 x ：k ”+ 一1 卜b ：k “+ a a ”j g 。+ a f t ”) ，s j o a a ，“。( 2 ) 令g ：“：g ：+ a ：d ： 第六步：计算过程终止检查：如果m x 。 g ：+ i 一酣f c 1 k ，停止；否则，令 n = n + l ，转向第一步。 这一算法包含了一个枚举的过程，只能应用于有少量信号交叉路口的路 网。其计算量是由第二步均衡分配的要求带来的。为了计算梯度，我们必须进行 ，个均衡分配。比如路网中有五个信号控制的路口，每个路口有四个相位， 身陇每次的梯度计算要进行二十次均衡分配。虽然由于各相位之间存在相互约束 可以将计算量减少到5 0 到7 5 ，但是在大型网络此算法的应用仍受到很大的制 约。而在小型路网中由于分配本身计算量极小，此时就不会有计算方面的问题。 2 敏感分析法 y a n g y a g a r l 9 9 3 年给出了饱和交通路网中确定性的交通分配和信号优化配 第一二章控制与分配结合研究的评述 时结合的两级规划模型和相应的敏感性分析法。他们首先假定o d 需求已知且确 定，出行者对各条路段的排队延误和旅行时间有充分和精确的了解，且在任一信 号控制模式下，出行者在用户最优原则下做出路径选择。另外，还假没信号配时 过程中信号周期、相位差都是确定的，只有绿信比是需要确定的参数。 前面我们给出了f i s k 等人的把全局优化配时问题看作管理者为主，出行者 为从的s t a c k e l b e r g 博弈模型。事实上，管理者通过改变信号配时方案可以影响 而不是控制用户的出行行为。出行者依然是选择个人最小费用的路径。 y a n g & y a g a r 把管理者与出行者之间的博弈展开成为一个两级规划问题。在较饱 和的路网中，应用了一个简单的队列长度均衡模型以期不仅用于信号控制模型， 还可描述出行者的路径选择。 他们的两级规划模型如下： m i n f ( g ，地l d ( g ) ) = 屯+ ( r 。0 。，g 。) + d 。) s t d 。( g 卜屯g ) s 甜“，口 g 。= 1o ，e n ，是下游路口为的所有路段的集合。 d e ， g ? “s g 。g ? “，a 其中d 。是路段a 上的车辆在下游路口排队引起的延误，d 。只在路段饱和的 情况下才会产生。 ：i ：箩，x 。a ： 。 此时的局中入是管理者和出行者( 个体出行者的整体视作一个局中入) 。 1 篱理者的问题 管壤蠢赡策略是麓号控割，瓣糠跫交通隧缮中车辆总延谈簸小。瑕设镲譬瘸 熬帮蛰交叉西熬稳往疆确定，警壤蠢灏阕瑟是确定绿灯辩翔。掰管理者鹃溺繇爵 表述如下： ( p 1 ) 睁磊= f 棚斑 衙鼢十矿】- q 椎懒，i e n ( 3 - i ) ( 3 - 2 ) g o ( t ) = 掣( f ) 鳏o ) ，v i , a e b ( i ) ，m 3 ) m g ，( t ) g ? 一，v i n ，脚 ( 3 - 4 ) 爨褥函数磊是嘲络蓦延误蟊重阀，约束( 3 2 ) 表鹾一令信号蔽毒l 路口绿灯鼓 闯和损失时阀之和等于信号周期嵌。约束( 3 3 ) 定义了潞段绿灯时间g 。) 裙相 位绿灯时阀g ? 0 ) 之阏蛇关系。式( 3 - 3 ) 给蹬了每个相位最小的绿灯时阍约束。 邋避挺控毒参数绦烀对阉转纯为缭绩毙，数学蕊划溺题( p 1 ) 可以麓纯。 州毋蒜犏一萧m m , m l n 睁的 出上式可教番窭，这里静缘铸魄不丽予我稍逶常意义搿攒豹绿售魄，遮藏摇 的是分配的绿灯时间超过最小绿灯时间的那部分占路口总的可分配时间( 抬信号 周瓤妖减捧最小路灯融闯之搴疆及掇失时间) 的魄铡。进行这样豌转换秘的憝健戴 划( p 1 ) 糖猴纯，以耧予计算懿褥鼙。在实际黪镶号控铡管理中，绿灯辩闽g ? ； 可由式( 3 - 5 ) 推算。 这样规划( p 1 ) 可以标准化为 塑三兰堡型兰至量二笪些竺竖壅堡塑 ( p z ) 叩z g = f “。( f ) r ( t ) d t 一 口e a g t ( t ) = 1 ，v i n ，聊 g 。( f ) = 9 7 ( 0 0 2 q ) ，v i n ，b ( o ， 酊( f ) 0 ，v i ，m ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 7 ) 一( 3 - 9 ) 相应于约束( 3 - 2 ) 一( 3 - 4 ) 。定义p 2 的可行集为g 。r ；( f ) 是车辆在拥挤路段的延误时间，由路段流量、到达率和控制参数决定，进一步说 是t 时刻前系统参数的函数。即 f ：o ) = f ： 9 0 ) ， 0 ) f j t 】，g o ) ， ( j ) 分别是s 时刻的绿信比和流量。 r ：( f ) 可有不同的定义，但必须符合下面的条件： ( 1 ) f ：( f ) 连续且对流量、绿信比都是可微的。 ( 2 ) o ) 是流量的严格单调增函数，同时是绿信比的严格单调减函数。 2 出行者的问题 假设出行者的目标是最小化期望出行费用，这里我们假定出行者进行路线选 择时只从时间费用出发，因此这里以及后面的两个模型出行费用均以旅行时间为 指标，随着模型和算法的完善，再考虑将出行费用发展为一个将旅行时问、行驶 路程、路段拥挤度、道路质量、耗油量等分别赋予一定权重的综合性的指标。这 样，出行者的问题可表述如下： ( p 3 ) 呼n z = “朋l ( 咖础 ( 3 _ 1 0 ) 其中，l = + ，是车辆在路段a 的总旅行时间。h 是路径流量的一个解， h h ，h 代表路径流量的可行集，由动态交通网络的约束条件( 3 1 1 ) 一( 3 2 3 ) 的公式来定义。 路段动态描述： 掣喵( f ) 瑚) ，v a , p , r , s ( 3 - 流量守衡等式： 嘣牡p x 。e 。撇a ( r ) ( 刚a i s t h 瑞：霉。t h ，胙 c s 一 d “( f ) = ，r s o ) 坳e p ”( 3 1 3 ) 第三章控制写诱导一体纯的博奔建模 流入流出约束： u 2 ( 0 = 嘭 f + r 。( f ) ，v a ，p ，s u ；8 ) = ( o ) + “二均妣v a p ，r ，s 譬f ) 2 ( o ) + j 噶f 国挑v a ，办邵 确定性约束： ( f ) = “；( f ) ，v a ，j ，p v 。= v 。r s v a r t ， p x 。( f ) = 鬈( f ) v a ，p 初始条件： x 嚣( o ) = 爿函，v a ，p ，一5 喵渤= 。，v a ，p s ( 3 - 1 4 ) ( 3 - i 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) ( o ) 一，v a ，p r s ( 3 - 2 2 ) 非负条件： 。茁三0 ) ，“嚣) ，r s ( f ) 0 ，v a ，p ，r ，s ( 3 - 2 3 ) 舞：怒辩翔t 渣路径p 胰熬患，嚣终熹s 静车辆麴密发率。 3 管理蒋与出行者之