（计算机应用技术专业论文）交通应急模型及其算法研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 摘要 随着我国城市化进程的加快，城市人口的激增，城市的交通问题越来越严重； 而另一方面，城市中的各类突发事件也在不断的频繁发生，我国大城市已经进入 突发事件高发期。特别是9 1 1 恐怖事件、“卡特里娜”飓风袭击、印度洋地震海 啸等重大灾害给现有的交通应急管理系统提出了新的需求：1 ) 能够应对突发事 件中复杂的城市交通情况；2 ) 能够协调不同组织管理城市交通应急事件；3 ) 通 过多样化的手段有效实施应急交通管理。 在这一背景下，本文针对上述问题，基于突发事件威胁下的脆弱的现代大城 市所面临的严峻背景，深入分析大城市交通应急平台的新需求，引入人工交通、 复杂理论等理论，研究交通应急疏散、预案模型设计、交通仿真评估等交通应急 管理中的建模、实验、分析方法，支持突发事件下的交通决策、组织、干预和评 估，满足突发灾害下大城市交通应急管理的需求。 本文的研究工作及主要贡献包括三个方面： 其一、面向交通应急的疏散算法。 基于应急子路网结构( 疏散点分布、避难点分布、交叉口转向控制、道路车 道数、车道通行能力等) ，借助v m s 的动态诱导能力，研究道路反转策略，要求 减少交叉口的冲突点，提高道路通行能力。 其二、面向交通应急的预案过程改进方法。 支持人类活动参与的交通预案过程模型。基于b p e l 过程建模语言，采用有 限状态机方法对人类活动进行建模，加强b p e l 的建模能力；同时借鉴f o a f 词 汇库，增强了b p e l 在人际协同方面的安全授权能力；最终提高b p e l 对大量人 类活动参与的交通预案过程的建模能力。 第三、面向交通应急的仿真建模方法。 基于元胞自动机理论，在s w a r m 仿真平台的基础上，设计突发情况下车辆微 观行为特征，以及交通信号的变换策略，通过群体行为的计算涌现，研究突发事 浙江大学博士学位论文摘要 件下的交通仿真技术，构建人工交通系统，用于研究“极限”宏观交通现象。 本文可为突发事件威胁下的脆弱的现代大城市交通环境，提供具有自主知识 产权、高效、可靠、安全、智能、普适的基础交通应急管理平台，在交通指挥、 抢险救灾、国防战备、公共安全、医疗救护、消防救援等领域具有广泛的应用前 景。 关键词：交通应急，交通疏散，交通预案，人工交通 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea c c e l e r a t e du r b a n i z a t i o np r o c e s s ，t h eu r b a np o p u l a t i o ns u r g e r a p i d l y , a n dt h ec i t y st r a f f i cp r o b l e mi sg e t t i n gw o r s e a tt h es a m et i m e ，a l lk i n d so f e m e r g e n c ye v e n t sh a v eo c c u r r e df r e q u e n t l yi nt h ec i t i e s ，a n do u rc i t yh a se n t e r e da l a r g en u m b e ro fe m e r g e n c y - o u t b r e a kp e r i o d a f t e ras e r i e so fd i s a s t e r s ，s u c ha st h e9 11 t e r r o r i s ta t t a c k s ，”k a t r i n a ”h u r r i c a n e ，t h ee a r t h q u a k ea n dt h et s u n a m ii nt h ei n d i a n o c e a na n do t h e rm a j o rd i s a s t e r s ，t h ee x i s t i n gt r a f f i ce m e l ：g e n c ym a n a g e m e n ts y s t e m f a c ew i t ht h en e wr e q u i r e m e n t s ：1 ) t od e a lw i t ht h ec o m p l e xu r b a nt r a f f i cc o n d i t i o n s u n d e re m e r g e n c i e s ；2 ) t oc o o r d i n a t ew i t ht h ed i f f e r e n to r g a n i z a t i o n st om a n a g eu r b a n t r a f f i ce m e r g e n c i e s ；3 ) t oi m p l e m e n te f f e c t i v e l yt h ee m e r g e n c yt r a f f i cm a n a g e m e n tb y d i f f e r e n tm e a n s i n t h i sp a p e r , b a s e do nt h eb a c k g r o u n df a c e db yt h ev u l n e r a b l em o d e mc i t i e s u n d e rt h et h r e a to ft h ee m e r g e n c i e s ，w ea n a l y s i z ed e e p l yt h en e wd e m a n do ft r a f f i c e m e r g e n c yp l a t f o r mi nt h el a r g ec i t i e s w eh a v ei n t r o d u c e dm a n yt h e o r i e s ，i n c l u d i n g a r t i f i c i a lt r a f f i c ，c o m p l e x i t yt h e o r yt os t u d yt h em o d e l i n g , e x p e r i m e n t , a n a l y s i sa n d f o r e c a s t i n gm e t h o d si nt h ee m e r g e n c ym a n a g e m e n tf o rt r a f f i ce m e r g e n c ye v a c u a t i o n ， p l a nm o d e ld e s i g n i n g ，t r a f f i cs i m u l a t i o na s s e s s m e n t , t os u p p o r tt r a f f i cd e c i s i o n - m a k i n g ， o r g a n i z a t i o n ，i n t e r v e n t i o na n de v a l u a t i o n ，a n dt om e e tt h ed e m a n do ft r a f f i ce m e r g e n c y m a n a g e m e n ti nt h em e t r o p o l i t a n n i ss t u d yi n c l u d e sm a i n l yt h r e ea s p e c t s ： f i r s t ，t h ea l g o r i t h mf o rt h et r a f f i ce m e r g e n c ye v a c u a t i o n b a s e do nr o a dn e t w o r ks t r u c t u r ef o r t h et r a f f i ce v a c u a t i o n ( t h ee v a c u a t i o np o i n t d i s t r i b u t i o n ，t h es h e l t e rp o i n td i s t r i b u t i o n ，t h es t e e r i n gc o n t r o li ni n t e r s e c t i o n ，t h el a n e n u m b e ri nr o a d s ，t h et r a f f i cc a p a c i t yi nl a n e s ，e t c ) ，w eh a v ed e v e l o p e da l lo p t i m a l p a t h r e v e r s a la l g o r i t h mt or e d u c et h ei n t e r s e c t i o nc o n f l i c t , a n di m p r o v er o a dc a p a c i t y s e c o n d ，t h et r a f f i cp l a np r o c e s sm o d e l st os u p p o r th u m a na c t i v i t i e s w eh a v eu s e dt h ef i n i t es t a t ea u t o m a t am e t h o d st om o d e lh u m a na c t i v i t i e st o s t r e n g t h e nm o d e l i n gc a p a b i l i t i e so fb p e l ，a n dh a v eu s e df o a fv o c a b u l a r yd a t a b a s e 浙江大学博士学位论文 t oe n h a n c e dt h es e c u r i t ya u t h o r i z a t i o n c a p a b i l i t i e s o fb p e li n i n t e r p e r s o n a l c o o r d i n a t i o nt ou l t i m a t e l yi m p r o v et h et r a f f i cp l a nm o d e l i n gc a p a b i l i t i e si n v o l v e di na l a r g en u m b e ro fb p e l h u m a na c t i v i t i e s t h i r d ，t h em o d e l i n gm e t h o do fa r t i f i c i a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mb a s e do nc e l l u l a r a u t o m a t a b a s e do nc e l l u l a ra u t o m a t at h e o r y , i nt h es w a r ms i m u l a t i o np l a t f o r m ，w eh a v e d e s i g n e dm i c r o - b e h a v i o ro fv e h i c l e su n d e re m e r g e n c ya n dt h et r a n s f o r m a t i o ns t r a t e g y f o rt r a f f i cs i g n a l s ，a n ds t u d i e dt h et r a f f i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt ob u i l da r t i f i c i a l t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mf o rs t u d i n g ”m a x i m u m ”m a c r ot r a n s p o r tp h e n o m e n at h r o u g ht h e c a l c u l a t i o ne m e r g e n c yo ft h eg r o u pb e h a v i o r t h i s p a p e rc a np r o v i d et h eb a s i c t r a f f i c e m e r g e n c ym a n a g e m e n tw i t h t h e i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s ，e f f i c i e n t , r e l i a b l e ，s e c u r e ，i n t e l l i g e n t , u n i v e r s a l a s p e c t si nt h em o d e mc i t yt r a f f i ce n v i r o n m e n tu n d e rt h et h r e a to ft h ev u l n e r a b i l i t yo f t h em u l t i s c a l ee m e r g e n c i e st oh a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt r a f f i c c o n t r o l ，d i s a s t e rr e l i e f , n a t i o n a ld e f e n s ep r e p a r e d n e s s ，p u b l i cs a f e t y , m e d i c a lc a r e ，f i r e a n dr e s c u ea n do t h e rf i e l d s k e y w o r d s ：t r a f f i ce m e r g e n c y ，t r a f f i ce v a c u a t i o n ，t r a f f i cp l a n ，a r t i f i c i a lt r a f f i c 浙江大学博士学位论文图目录 图目录 图1 1 主要研究内容4 图1 2 论文中主要技术的逻辑关系5 图2 1 交叉路口模型18 图2 2 杭州主干道道路模型l9 图2 3 道路模拟的状态图19 图3 1 有向图模型2 8 图3 2 算法整体设计流程2 9 图3 3 道路改向算法流程3l 图3 _ 4 五种流量冲突的情况3 2 图3 5 启发式搜索算法流程3 4 图3 - 6 成果算法流程3 5 图3 7 基于路网模型的比较3 6 图3 8 基于路径选择算法的比较3 6 图3 - 9v m s 的应用场景3 7 图3 10v m s 的应用架构3 8 图3 1 1 动态区域划分算法4 0 图3 1 2 动态诱导算法4 l 图3 1 3 仿真框架4 2 图3 1 4 三种算法的平均行驶时间比较( 交通密度为1 0 ) 。4 3 图3 1 5 三种算法的平均等待时间比较( 交通密度为1 0 ) 4 3 图3 1 6 不同交通密度下三种算法的平均行驶时间比较4 4 图3 1 7 不同交通密度下三种算法的平均等待时间比较4 4 图4 1 人类活动集成进b p e l 的建模过程4 9 图4 2 产品测试中的b u g 状态图5 3 图4 3 状态图的元数据【3 5 , 5 3 , 5 6 1 5 5 图4 4b p e l 的元模型【4 8 】5 5 图4 5 状态变迁的一般模式5 6 图4 6 状态机实例转换到的b p e l 代码5 7 图4 7 用改进型f o a f 加强r b a c 模型的建模过程5 8 图4 8 新的b p e l 元语编写的语句例子5 9 图4 9 从b p e l 过程抽取的i m a c 模型6 l 图4 10f o a f 的简单例子。6 2 图4 1 1 改进型f o a f 的复杂例子6 2 图4 1 2d a r t f i o w s 的一些截图6 4 图5 1 交通仿真的体系结构6 8 图5 2 交通体系中的仿真流程6 9 v 浙江大学博士学位论文图目录 图5 3 正常情况下交通个体关系图7 0 图5 - 4 交通流仿真模块体系架构7 1 图5 5 元胞运动示意图7 1 图5 6 原始道路循环语句的运行结果7 4 图5 7 简化循环的道路语句后的运行结果7 5 图5 8 危险区域的产生7 7 图5 - 9 允许东西直行8 4 图5 1 0 允许东西左转8 4 图5 1 1 允许南北直行8 4 图5 12 允许南北左转8 4 图5 1 3 危险区域的扩散8 7 图5 14 仿真模型的设置界面8 8 图5 1 5 前后时间片的路网中车辆行驶状态8 9 图5 16 车在交叉口的转向9 1 图5 1 7 车到达前后的时刻图一9 3 图5 18 危险区域的参数设置。：9 4 图5 1 9 危险区域的示意9 4 图5 2 0 系统运行界面图9 5 图5 2 l 交通流状况监控主窗口9 6 图5 2 2 交叉路口和信号灯9 6 图5 2 3 程序运行控制面板9 6 图5 2 4 参数配置面板9 7 图5 2 5 路网中的车辆数目分析窗口9 7 图5 2 6 系统中的相关时间和运行时间关系监控板9 8 图5 2 7 危险区域使用路灯优化算法9 9 图5 2 8 危险区域未使用路灯优化算法9 9 图5 2 9 密度4 级策略b 下的拥堵车辆数目随时间的曲线图( 黄色) 1 0 l 图5 3 0 密度4 策略c 下的拥堵车辆数目随时间的曲线图( 黄色) 。1 0 1 图5 3 1 密度4 策略为b 下的受堵车辆平均等待时间( 蓝线) 一1 0 2 图5 3 2 密度4 策略为c 下的受堵车辆平均等待时间( 蓝线) 1 0 2 图5 3 3 杭州市区的任意多边形网格。1 0 6 图5 3 4 有源淹没和无源淹没和泄洪共同作用时的算法1 0 8 图5 3 5 洪涝动态演化过程10 9 图6 1 系统领域框架1 1l 图6 2 交通领域的实体分析图11 3 图6 3i t s 领域服务分析1 1 4 图6 - 4i t s 粗粒度操作分析1 1 4 图6 5 交通应急的应用框架l1 6 图6 6 系统开发框架1 17 图6 7 系统开发框架1 l8 v i 浙江大学博士学位论文 图目录 图6 8 服务构件体系一1 19 图6 - 9 交通应急系统总体模块图1 2 1 图6 1 0 交通应急系统的核心模块交互1 2 1 图6 11 系统界面大致布局12 4 v 浙江大学博士学位论文表目录 表目录 表2 1 四类软件16 表2 2 中国城市应急系统建设进度预测2 3 表3 1 离散时间模拟演示3 0 表4 1 自动化过程和人类驱动的工作流之间的区别5 0 表4 2b u g 状态图的状态变迁表5 4 表4 3 状态图和b p e l 之间的转换规则5 6 表4 - 4 在扩展的b p e l 和r b a c 之间的映射。6 0 表5 1 十字路口的交通灯7 8 表5 2 不同交通灯算法比较。10 0 表5 3 不同密度和不同调度策略下的系统运行时间表。1 0 0 i x 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所垦交的学位论文悬本人在譬师指导下进行的研究工作及取得的 硬究成聚。除7 文中特别加以标注稠致滋的媲方终，论文巾不包岔其镳人已经发 袤或撰写过酌研究成聚，也不色禽为获撂逝主薹表茎或其他教育机构的学位或 诞书褥使用避的错辩。与我一露互作的嗣瘩对本研究所傲的任何霓敝均已在论文 串作7 叨确豹说骥并表示谢意。 誓位论文作者签名签字日期l 2 。7 年，月哆嚣 学位论文舨权使用授权书 本学位论文诈翁究全了解逝鎏塞茎。寄较绦馏势国蹶襄有关粥门或帆构 遴蹙率论交的旋印僻翮磁盘兜许论文狻褒酒和磁溷。本入援扳数姿基壁霹 以将学饶论文豹全鼯或铝分内容编入有荚数缀库邋行捡索稻传播，可以采用影 球、缩印绶毒：! i l 援簿笈铡手段保存、舡镟学包论文。 f 像密的学位i 幺交在鳞密藤迓爝本授枚带) 嗲经论文终露锡名： 导痨签名； 簇字臌知7 年朋f ；疆 签字慌矽嗲笨嗍j 灞 ， 致谢 漫漫五载求学途，有太多的人需要感谢，有太多的事需要回忆回首在求是 园中学习和生活的点点滴滴，那些令我感激的人，一位位浮上思绪；那些让我感 动的事，一幕幕回映眼帘。正是这些师长同学亲友的指导、支持和帮助，使我能 有机会远离喧嚣与浮躁，在优越和宽松的科研环境和氛围下，静心钻研，潜心研 究，从而完成这篇博士论文。欣慰之余，我要向关心和支持我学 - j 的老师、同学、 朋友和家人表示真挚的谢意! 首先我要衷心感谢我的恩师吴朝晖教授。感谢他五年多来对我无微不至的关 怀和孜孜不倦的教诲! 正是他给了我学 - - j 深造的机会，引领我走进了学术殿堂。 恩师所创建的自由宽松、团结合作的学术氛围，以及资源丰富、开放融合、国际 化的科研环境，为我的成长和发展提供了极好的软硬件平台恩师渊博的理论知 识、严谨的治学态度、高昂的工作激情、敏锐非凡的洞察力、高瞻远瞩的战略眼 光以及为国家为社会的强烈责任感，都是我永远学 - - j 的楷模；恩师在为人、处世、 治学等方面言传身教更让我受益匪浅，并将成为我终身的财富。可以说，读博期 间我的点滴进步，无不凝聚着吴老师对我的谆谆教诲和精心指导。在此，我再一 次表示对吴老师的衷心感谢和无限崇敬! 此外，我要特别感谢本课题组的平玲娣老师、吴健老师、李莹老师、尹建伟 老师、邓水光老师、李石坚老师他们不但在工作和学 - - j 中给予我细心地指导， 在生活中更是给予我无私的关怀和帮助。与他们的每一次交谈我都受益匪浅，而 他们勤恳踏实的工作作风、追求卓越的进取精神，以及对学生的真诚、坦率和关 爱之心，都是我学 - j 的榜样。在此表示深深感谢! 感谢齐奕鹏、周少林、张凌三位同学，他们是我在学习研究中最好的伙伴 在科研上，与他们的交流和讨论使我受益匪浅，他们的新思路、新思维、辛勤工 作使我的研究工作如虎添翼；在生活上，他们也曾与我一起分享许多快乐的时光。 感谢陪着我一起折腾研究项目的师弟师妹们，他们是胡组权、黄毅照、杨成海、 严森铨、裘群杰、朱辉、马兴、马礼、皇甫俊彦、林凡、黄颂博、戴路平，孙蕾， 唐智，刘佳、朱明哲、汪超、杨奕锦、许信、蔡礼蔚、刘钊、徐嵩、金鑫、王益 文、陆云钢、王伯承、李河斌、王辉。他们的辛勤工作是我研究工作的重要基石。 感谢本课题组成员邝砾、殷昱煜、金路、施冬财、李弈远、刘小明、钱剑锋、 陈韩玮、吴斌、阮凌波、徐睿智、潘晓华、董科雄、魏栋彦，黄俊、缪晶晶、王 家忙、沈正伟、沈琦、颜时锋、陈智伟，陈东、瞿炜杰、成曦、汪骧、黄颂博、 宋仲凯、曾文秋、仲青青、朱显杰、来瑾颖、赵琳、孙煦雪、叶斌、杨显发、吕 春旭、朱天慧在与他们一起工作和学习的过程中，我总能从他们身上学到很多 东西，我的每一点进步都离不开这个团队对我的支持与帮助与他们在一起的时 光，总是充满快乐再次感谢他们对我工作的支持和配合 感谢c c n t 实验室姚敏老师、赵民德老师、姜晓红老师、潘刚老师、陈华钧 老师、杨莹春老师、秦晋秘书、陈翎秘书、孟佳秘书，以及实验室其它同仁，他 们是杨国青、杨建华、王跃明、郑国轴、郑能干、单振字、李冬冬、毛郁欣、封 毅、张宇、马隽、刘亚波、刘雁飞，叶磊、黄挺、周忠眉、王春山、郑骁庆、汤 萌芽、王闰、王恒、徐昭、谢骋超、安柏霖、叶志勇等等。感谢他们在这五年多 的学习和生活中给予我的大量帮助他们在学业上的切磋和帮助，在生活上的嘘 寒问暖，都让我受益良多。 我要感谢我的家人。感谢我父母的养育之恩，他们含辛茹苦的把我培养成人； 感谢我妹妹的鼓励支持，她细雨无声的勉励着我的前进。正是家人们默默无闻的 奉献、寄予我身的殷切期望、一贯的支持鼓励教诲鞭策，贯穿我的整个人生，让 我不敢有所懈怠，使我有信心去克服一切困难，有充足的时间和精力去完成学业 他们全心的付出和无言的关爱，将是我今后一辈子需要用心去报答 再次感谢所有关心和支持我的亲友、师长、同学! 施炜 2 0 0 9 0 9 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 2 0 世纪是世界各国城市化迅猛发展的一个世纪，人口和财富在城市高度集中， 推动了现代文明的飞速发展；同时，在重大灾害频发的2 0 世纪乃至2 1 世纪，日 益脆弱的城市系统也是一个巨大的承灾体，遭受着突如其来的无数人为灾害和自 然灾害的无情打击。 国际天灾人祸不断。1 9 7 6 年发生在意大利塞韦索( s e v e s o ) 的环己烷泄漏事故， 应急疏散2 2 万人；1 9 8 4 年1 2 月3 日印度博帕尔联合碳化公司发生5 5 顿甲基异 氰酸脂泄漏事故，造成2 5 0 0 多人死亡，5 万人失明，世界为之震惊；1 9 8 4 年墨 西哥城液化天然气储罐爆炸事故，应急疏散3 5 万人；2 0 0 2 年美国纽约9 1 1 恐怖 袭击导致3 0 0 0 多人死亡，给美国纽约带来8 3 0 亿美元经济损失；2 0 0 4 年，佛罗 里达州在2 4 小时内接连经受“哈利”和“查理”两场飓风的考验，造成超过2 0 0 0 亿美元的财产损失和1 8 人遇难；2 0 0 5 年初，印度洋地震海啸造成近1 5 万人遇难； 2 0 0 5 年8 月2 9 日，卡特里娜飓风登陆美国路易斯安那州和密西西比州，导致1 2 0 9 人死亡，造成3 4 4 亿美元经济损失。 国内风霜雨雪交加。1 9 7 6 年7 月2 8 日唐山大地震造成2 4 万余人丧生，1 6 万余人重伤，7 2 0 0 多个家庭绝户，2 6 0 0 多名儿童成为孤儿；1 9 7 9 年南方某电化 厂发生的液氯钢瓶爆炸事故，应急疏散6 万人；2 0 0 5 年登陆我国的台风“海棠、 “麦莎”、“泰利”、“达维”、“龙王”造成直接经济损失近2 0 0 多亿元，紧急转移 和安置1 8 1 万人，1 1 4 6 万人受灾，近3 0 人死亡；2 0 0 6 年8 月在闽浙两省交界处 登陆的超强台风“桑美 造成近2 5 0 人的重大人员伤亡，经济损失超过1 0 0 亿： 2 0 0 7 年1 0 月，台风“罗莎 在浙江境内肆虐了约2 0 个小时，给浙江大部分地区 带来持续强降雨，造成浙江省5 3 8 万人受灾，损失近4 6 亿元，直接经济损失4 6 亿元，其中造成省城杭州部分地区严重内涝，部分市民被迫撤离家庭；2 0 0 8 年春 节袭击我国南方的雪灾造成1 0 7 人死亡，损失逾千亿。 随着9 1 1 恐怖事件、“卡特里娜”飓风袭击、印度洋地震海啸等重大突发灾 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 害事件在国际上的频繁发生，我国大城市也已经进入突发事件高发期。2 0 0 7 年 1 0 月，台风“罗莎”致使杭州部分地区严重内涝，创历史记录的1 9 1 3 毫米日降 水量使得主城区有5 3 3 处道路积水，最大水深达1 5 米，主城区洪涝面积达8 2 1 9 8 千公顷，受灾人口超过2 1 万人。突发事件应急问题，特别是交通应急问题，已 经成为大城市管理者不容忽视的重要问题。 在灾难发生后很短的时间内，充分利用一切可能的力量，尽快营救人员、疏 散居民、减缓灾害后果和控制灾情，将灾害损失降低到最小程度，是一项十分复 杂的工作，此时，灾时大范围的人员应急疏散管理就显得极其重要。 1 2 研究动机和意义 1 2 1 研究动机 随着我国城市化进程的加快，城市人口的激增，城市的交通问题越来越严重； 而另一方面，城市中的各类突发事件也在不断的频繁发生，我国大城市已经进入 突发事件高发期。“十五一期间，台风“麦莎、禽流感、松花江水污染、非典、 矿难、猪链球菌感染等一系列重大突发公共事件不断考验着中国。特别是美国纽 约9 1 l 恐怖袭击和新奥尔良“卡特里娜”飓风洪水，印度洋地震海啸等重大灾害， 特别是2 0 0 8 年春节期间袭击中国南方地区的特大雪灾，2 0 0 7 年1 0 月肆虐浙江全 省的台风“罗莎”，从交通系统的疏导能力及指挥系统如何从容应对突发事件的 角度，给各国政府及城市交通管理部门都提出了新的需求：1 ) 能够应对突发事 件下复杂的城市交通情况；2 ) 能够协调不同组织管理城市交通应急事件；3 ) 通 过多样化的手段有效实施应急交通管理。 1 2 2 研究意义 研究面向突发事件的大城市交通应急关键技术，支持国家省地市各个层面的 抢险救灾、国防战备、交通指挥、公共安全、医疗救护和消防救援，保障广大人 民群众的生命和财产安全。我国幅员辽阔灾害频发，人民群众的生命财产受到极 大威胁。研制面向多灾难并发的大城市交通应急管理平台，有利于大城市管理决 2 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 策者在面对突如其来的自然灾害和人为灾害时，在最短时间内组织人员疏散，最 大限度保障群众的生命和财产安全；有利于应急决策的科学化、民主化、人性化， 提升政府决策水平，提高政府公众形象。 面对突发事件威胁下的脆弱的现代大城市交通环境，研究现实突发事件下的 大城市交通应急关键技术及其解决方案，研制新一代的突发事件下的城市交通应 急管理平台。以人工交通方法为理论基础，研究交通应急疏散、预案模型设计、 交通仿真评估等交通应急管理中的建模、实验、分析和预测方法，支持突发事件 下的交通决策、组织、干预和评估，满足突发灾害下大城市交通应急管理的需求。 1 3 研究内容和主要贡献 本文针对上述问题，基于多尺度突发事件威胁下的脆弱的现代大城市所面临 的严峻背景，深入分析支持全生命周期管理的大城市交通应急平台的新需求，引 入应急管理、人工交通、智能代理、复杂系统等理论，突破交通应急体系构建方 法、交通应急决策、组织、干预和安全评估模型、交通应急管理运行支撑等基础 理论和关键技术，研制新一代的面向突发事件的大城市交通应急管理平台，开展 原型系统的示范应用，研究相关的应用解决方案。 1 3 1 研究内容 广泛调研交通、防灾、国防、医疗、消防等应急交通系统相关的国内外著名 的研究机构( 如f e m a i l l ，n a s d a 2 ，m i tu n i v 3 1 ，o a kr i d g el a b 【4 】) ，积极吸收应 急管理、灾害科学、智能交通、等领域的国内外优秀研究成果( 如o r e m s l 5 、 h u r r e v a c 6 、h a z u s 【刀) ，深入分析突发事件威胁下脆弱的现代大城市交通环 境对交通应急管理技术的需求。提出所研制的目标交通应急管理平台的总体设计 方案。本文的研究内容主要包括三个方面： 其一、面向交通应急的疏散算法。基于应急子路网结构( 疏散点分布、避难 点分布、交叉口转向控制、道路车道数、车道通行能力等) ，借助v m s ( v a r i a b l e m e s s a g es i g n s ，可变情报板) 的动态诱导能力，研究道路反转策略，要求减少交叉 口的冲突点，提高道路通行能力。关键问题包括如何根据交通疏散的特点，建立 3 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 交叉口和车道的控制规则，如何设计满足道路通行能力的最优道路反转算法，使 得疏散道路通行能力最大化。 其二、面向交通应急的预案过程改进方法。支持人类活动参与的交通预案过 程模型。基于b p e l ( b u s i n e s sp r o c e s se x e c u t el a n g u a g e 。商业过程执行语言) 过 程建模语言，采用有限状态机方法对人类活动进行建模，加强b p e l 的建模能力； 同时借鉴f o a f 词汇库，增强了b p e l 在人际协同方面的安全授权能力；最终提 高b p e l 对大量人类活动参与的交通预案过程的建模能力。 第三、面向交通应急的仿真建模方法。基于元胞自动机理论，在s w a r m 仿真 平台的基础上，设计突发情况下车辆微观行为特征，以及交通信号的变换策略， 通过群体行为的计算涌现，研究突发事件下的交通仿真技术，构建人工交通系统， 用于研究“极限”宏观交通现象。 主要研究内容如图1 1 所示。 h 五霉j | 理论模型研究和关键簸笨巍黪 研究大城市交通应急体系构建理论 基于b p e l 的支持人类活动参与的交通应急预案过程模型 d 口“自“m # 二m “n “* “女# 舰“日“m 镕“舶“日制 * d 自# “4 怖。一。 基于元胞自动机的应急交通模型及其算法 图1 - 1 主要研究内容 1 3 2 主要贡献 本文的创新点包括三点。 其一，提出了基于v m s 诱导、道路反转和交叉口冲突避免的交通疏散算法。 比较传统的交通疏散算法，该算法优化了v m s 动态诱导能力，突出了道路反转 策略和交叉口转向控制策略，能够有效的提高疏散道路通行能力，降低交叉口冲 突时间，减少疏散时间，提高疏散效率。 其二、提出了b p e l 语言对人类活动建模的方法和步骤，引入有限状态机提 4 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 高了b p e l 刻画人类活动的能力，引入基于角色的权限访问策略和人际关系词汇 表提高了b p e l 在组织内权限管理的能力。该方法完善了需要大量人类活动参与 的交通预案建模过程，有利于交通应急预案中的跨组织多人员协同。 第三、提出了突发事件下的交通仿真技术，基于元胞自动机理论，在s w a r m 开发平台的支撑下，设计了包括城市路网、灾害区域、交通信号灯、行驶车辆在 内的人工交通组件，设计突发情况下车辆微观行为特征，以及交通信号的变换策 略，用于研究“极限”宏观交通现象，用于交通策略的仿真评估。 1 4 文章结构 本文结构按以下内容安排。第一章是绪论，综述了交通应急领域的研究背景、 研究动机、研究意义、研究内容和主要贡献；第二章介绍了交通应急领域的研究 基础和现状。第三章设计了基于v m s 动态诱导、道路改向和交叉口冲突避免的 交通疏散算法；第四章优化了b p e l 过程语言在刻画人类活动方面的能力，使 b p e l 能够方便的应用于人类活动参与频繁的交通预案建模；第五章基于元胞自 动机理论，在s w a r m 开发平台的支撑下，设计了包括城市路网、灾害区域、交通 信号灯、行驶车辆在内的人工交通系统，用于交通策略的仿真评估；第六章分析 了交通应急管理系统的应用开发框架，并分别介绍了系统的各个功能模块。第七 章是全文的总结与展望。 本文的第三章、第四章、第五章、第六章等四个章节，是全文的主要研究部 分，其内部的逻辑关系如图1 2 所示。 图l - 2 论文中主要技术的逻辑关系 5 浙江大学博士学位论文第3 章研究基础与现状 第2 章研究基础与现状 本研究涉及的主要技术包括了政策法规、应急管理技术、交通决策技术、交 通疏散技术等，以下从这几个方面分别阐述国内外发展现状和趋势。 2 1 应急领域的政策法规 任何城市化发展迅猛的国家都必须关注城市化进程中的灾害趋势，城市是否 具有减灾能力已成为城市文明、质量、能力的标志之一。近年来，救灾应急问题 已经成为国内外政府和组织关注的重点。 2 0 0 6 年，美国交通部和美国国土安全部向美国国会提交两份报告 n a t i o n a l i n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e m & n a t i o n a lr e s p o n s ep l a n ) ) 和 c a t a s t r o p h i ch u r r i c a n e e v a c u a t i o np l a ne v a l u a t i o n ) ) 【引，全面阐述美国遭遇大规模灾害的指导思想和应对 方案。2 0 0 3 年，欧盟安全研究计划也提出更好的世界，安全的欧洲的报告， 规划欧盟未来的安全框架和应急措施。2 0 0 8 年，国土安全部发表了 n a t i o n a l r e s p o n s ef r a m e w o r k 9 1 ，用以取代 n a t i o n a li n c i d e n tm a n a g e m e n ts y s t e m & n m i o n a lr e s p o n s ep l a n ) ) 。 2 0 0 6 年，中国政府发布国务院关于全面加强应急管理工作的意见、“十 一五期间国家突发公共事件应急体系建设规划、国家突发公共事件总体应急 预案等指导性文件，并组织专家编制了2 5 件专项应急预案、8 0 件部门应急预 案；同时，国家中长期科学和技术发展规划和“十一五 科技计划也首次 把“公共安全”作为国家重点支持的独立领域进行战略研究，并制定规划纲要，设 立若干重大和重点项目。 2 2 应急管理技术 城市灾害应急管理是针对灾害进行准备、救援与恢复的管理程序和方法。通 过灾前计划和应急措施，充分利用一切可能的力量，在灾害发生后迅速控制其发 7 浙江大学博士学位论文第3 章研究基础与现状 展，并尽快营救人员、疏散居民、减缓灾害后果和控制灾情，将灾害损失降低到 最小程度。当前的应急交通疏散预案中对疏散行人车辆的行程路径选择、疏散时 间的估算、疏散方案效果评价的研究较少，对应急疏散缺乏技术性的规划和决策 支持系统。国际上影响较大的灾害应急管理系统主要有三个，美国的e m s 系统【1 0 】、 欧洲尤里卡计划的m e m b r a i n 系统与日本的d r s 系统。其他知名的g i s 应急减 灾系统还包括美国联邦急难管理署和美国国家建筑科学研究院联合开发的 h a z u s ( h a z a r du n i t e ds t a t e s ) 系列，欧洲核应急决策支持系统r o d o s i l l 】，日本东 京大学和东北大学联合研制的防震减灾系统c a s t ，俄罗斯科学院地震中心和俄罗 斯紧急状态研究中心开发的e x t r e m u m 防震减灾系统。 开源和平民化也是当前应急响应管理系统的两大趋势。2 0 0 4 年南亚海啸之后， 斯里兰卡的开源社区开发了一套灾难管理系统s a h a n a l l 2 】。目前s a h a n a 已经成为 全世界最知名的开源灾难管理系统，得到i b m 、g o o