（系统工程专业论文）动态路线诱导系统中诱导周期问题研究.pdf

摘要 动态线路诱导作为智能交通管理系统中一个重要的手段，通过诱导信息的发 布改变了交通管理者与出行者之间的信息不对称状况，在一定程度上协调了交通 管理者希望达到“系统最优”、而个体出行者希望达到“用户最优”两个相互冲 突的目标，从而提高了道路网的总体通行能力和利用效率，减少了车辆的旅行时 间。 本文是以题名为交通诱导系统智能化方案及其仿真研究的文献中提供的智 能诱导策略的前提下系统地研究动态路线诱导系统的诱导周期问题，这是诱导系 统最基础性的问题，也是至今尚未系统研究过的问题。 首先综述了国内外学者对交通诱导系统的相关研究文献。在此基础上，指出 了交通诱导系统的研究现状和存在的问题；对交通诱导系统各部分的基本特征、 结构与功能进行分析与阐述。然后，主要研究诱导系统中影响诱导周期确定的各 种因素，系统地分析了影响诱导周期的主要因素，从不同层次，不同角度分析了 这些影响因素以及它们之间的内在联系。根据所研究问题的特性提出了研究诱导 周期问题的主要方法一系统仿真，同时论证了方法的可行性。以具体路网为背 景进行系统仿真的设计，设计出仿真系统的功能模块以及仿真环境，达到更好的 模拟路网状况以及实现诱导系统各项功能的目的，为研究诱导周期问题创造了试 验条件。针对路网结构、控制周期和服从率三个影响诱导周期的主要因素设计并 进行了一系列仿真试验。仿真试验结果表明：1 、采用在线学习诱导策略是有效 的，可以提高路网的使用效率。2 、路网结构、控制周期和服从率对于确定诱导 周期具有很大的影响。3 、路网结构对于诱导周期的影响( 即一个周期内通过交 叉口数量) 很大，一个周期内通过的交叉口越多，诱导效果越不明显；控制周期 的变化对于诱导周期的影响，主要是在控制周期延长的情况下，诱导周期必须延 长，一定范围内成正比关系；服从率对诱导周期的影响，在低服从率的情况下， 这就需要采用的诱导周期不宜过长，在较高的服从率下，诱导周期时间可以适当 延长。试验结果表明合理的设定诱导周期有助于实现交通流在时间和空间上的均 衡，提高系统的整体性能。 关键词：智能交通系统动态路线诱导系统诱导周期交通流仿真 a b s t r a c t a sap a r to fi m e l l i g e n t1 r a i l s p o r t a t i o ns y s t e r 玛d 辫i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ( d r g s ) 呻r o v e st h ec o n d “i o no fi 1 1 f o n i l a t i o na s y n l l l l e t 巧b e t w e e nt r a v c l e r sa n d t r a 伍ca d m i l l i s t r a t o r s ，c o o r d i i l a t e st h ec o n f l i c t i o nb e t w e e nt r a v e l e r s “u s e ro p t i i i 】l u m ， a n da i l m i l l i s t r a t o r s “s y s t e mo p t i i i m m ”，t os 0 i n ee x t e n tm e e t st h ei l e e do ft h et r a v e l e r s a n dm a n a g e r s ，s oe i l h a n c e st h et r a m cc 印a c “ya n dr e d u c e s 仃a v e l e r st 邱t i i i l e t h cs e l e c to fg u i d a n c ec y c l eo fd r g s ，w 1 1 i c hi st h eb a s i cp r o b l e mb u tl l a sn o t b e e ns t u d i e d ，i ss y s t e m t i cs t u d i e di i lt l l i sd i s s e r t a t i o nb a s e do nt h eg u i d a n c es t r a t e g y p r o v i d e db yd e s i g no f 血e 1 1 i g e n tr o u t eg u i d a n c es y s t e ma n d i t ss m l u l a t i o n t h er e l a t e dr e s e a r c h e si i lc 蛐a n da b r o a da r er e v i e w e da tt h eb e g i i l n 协g ，a i l dt h e c u r r e n ts c u d i e ds i n l a t i o na n dt h ep r o b l e m sa r ep o n e do u t i na d d i t i o i l ，t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c s ，s t m c t u r ea n dm n c t i o no fe a c hp a no fd r g sa r e 锄l y z e d a l la 耐 m a i l lf 犯t o r si i l n u e n c e dt h ed e t e n l l i n a t i o no fg u i d a n c es y s t e ma r eg i v e 珥柚dt h e f i a c t o r s a 1 1 dt h e i ri 1 1 t e r r e l a t i o n s i ne a c hk e r a r c h yi sd i s c u s s e d b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c sa b o v e ，t h em a i l lc o n f mm e t l l o do fg u i d a n c ec y c l e ，n a m e l ys y s t e m s i i i m l a t i o l l ，i sp u tf o r w a r d d e s i g n i l l gt h es i i i m l a t i o na c c o r d i l l gt os p e c i n ct r a 衔c n e t w o r kw m c hi sf o rb e t t e rs i l i m l a t i i 培，p r o 访d e st h ee x p e r i m e m a lc o n d i t i o no f r e s e a r c l l i n gg u i d a n c ec y c l e t h es i i r m l a t i o ni so p e r a t i o na 豳【i n ga tr o a ds t r u c t u r e ， c o n t r 0 1c y c l ea n d 南l l o wr a t e ，w h i c ha r et h ei m i l le f r e c t so fg u i d a n c ec y c l e d e t e m 证a t i o 芏1 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a t ：1 t h eg u i d a n c es t r a t e g yb a s e do n i m c el e a m 啦i se 腩c t i v ea n d 呻r o v e st h es e i c er a t eo f 仃a m cn e t w o r k 2 r o a d n e t w o r ks t r u c t u r e ，c o m r 0 1c y c l ea n df o u o wr a t e1 1 a v er e m a r k a b l ei l l f l u e n c eo n g u i d a n c ec y c l ed e t e m 血a t i o n 3 r o a dn e t w o r ks t m c t l l r eh a sab i gi l l n u e n c eo n g u i d a n c ec y c l e ，i ，e t h et o t a ln u m b e rt h ev e l l i c l ep a s s e di i lo n ec y c l e ，a n dt h em o r et h e i n t e r s e c t i o n sp a s s e di i lo n ec y c l e ，t h es i i l a l l e rt h ee 能c to fg u i d a n c ec y c l e ；t h e i 1 1 n u e n c eo fv a r i a n c eo fc o m r o lc y c l eo ng u i d a n c ec y c l ei st h a tt h eg u i d a n c ec y c i e m u s te x t e l l dw i t ht h ep r o l o n go fc on t 】lc y c l e t h ee 舵c to f 如l l o wr a t ei st h a tt h e g u i d a n c ec y c l ei sn o ts u “a b l et o ol o n gu n d e rl o w e rf o u o wr a t e ，a 1 1 dc o m p a r a b l yt h e g u i d a n c ee y c l ec a nb ep r o l o n g e du n d e rah i g h e rf o l l o wr a t e t h er e s u h so f s i h l u l a t i o n s h o wt h a tr e a s o n a b l eg u i d a n c ec y c l ei sh e l p m lt 0r e a l 娩et h ee q u i l i b r i u mb e t w e e n t r a 伍ct i h l ea n ds p a c ea i l di m p r o v et h ew h o l ee m c i e n c yo f t r a m cs y s t e m k e y w o r d s ：i t s ，d y n a m i c r o u t eg u i d a n c es y s t e mg u i d a n c ec y c l e ，t r a 币cn o w s i r n u l a t i o n 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，也不包含为获得鑫鲞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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：昊钍签字日期：劢毋年月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘茎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，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) 学位论文作者躲羡难 签字日期：矽。寥年月莎日 导师签名： 锁闯知 签字日期：洳寥年厂月莎日 第一章绪论 1 1 智能交通诱导简介 1 】【2 】【3 】 1 1 1 城市交通发展现状 第一章绪论 城市经济的飞速发展，需要有强大的城市交通作为保证。城市道路是城市各 种交通方式最主要的活动空间，是各种交通流的基本载体，是保证城市交通功能 顺利实现的血脉。但由于我国早期的城市规划对交通认识不足，没有给城市道路 的发展预留足够的空间，如何在现在资源的充分利用上来寻找突破口成为主要的 关注点。与国外相比，中国城市道路资源无论从覆盖面，还是人均道路拥有率都 有较大的差距。 同时小汽车的数量在不断的增长，而且增长的速度很快。小汽车不断进入家 庭，因此城市的交通需求不断增加。虽然中国政府关于汽车行业前期实行部分开 放的政策，但国外价格低、性能好的车辆进入中国家用车市场亦在所难免，中国 人购买私家车会越来越方便。这就给城市交通带来更大的压力，解决城市的交通 问题会更加复杂。 从目前的交通发展的角度以及城市的土地资源的有限性来看，单纯的从扩大 交通供给来看，已经不能满足需求了。应该从充分利用城市交通资源来考虑，在 现在资源条件下，充分利用这些条件，来进步缓解甚至解决交通问题。 按照系统科学的观点看交通现状，城市交通系统是一个开放的“巨系统”， 它的生存与发展不仅与其自身各组成要素有关，还跟与其不断交换物质、信息的 其它系统相关。从这一观点出发，城市交通系统问题的研究范畴应该包括以下方 面的内容： ( 1 ) 城市特性分析，包括城市化水平、城市布局形态、城市社会经济、城 市政治地位、城市区位、城市道路状况以及城市未来的发展趋势等。分析清楚城 市交通系统的生存环境状况以便于找寻自身的不足。 ( 2 ) 城市对外交通发展情况分析。城市市内交通是联系、是纽带，对外交 通发展快，则市内交通也必须要有相应的发展，否则外部交通就会在城市内中断。 ( 3 ) 世界城市交通发展研究。在看到中国城市相对于国外城市的独特特点 的基础上，有选择性地采用国外交通发展的成功经验和先进科技成果，早日实现 中国城市交通的高速发展。 第一章绪论 ( 4 ) 从社会学、经济学角度进行交通特性分析。从整个城市社会经济( 包 括城市土地利用) 出发，城市交通怎样发展才能实现城市道路运行效率最高；研 究公共交通系统发展的经济敏感点、投资可行性，以便为决策服务。 ( 5 ) 城市交通子系统分析。在明确交通系统各组成部分的功能作用的基础 上，确定各子系统的规模，以使城市交通大系统组织有序、功能效率最高。加大 对城市交通控制系统的研究，深化城市交通诱导的作用，实现城市交通的智能化 控制，缓解城市交通压力。 ( 6 ) 研究城市交通系统中各种交通工具的构成成分。仔细分析各主要竞争 对手的优缺点，制定公共交通发展的策略以实现可持续发展。 ( 7 ) 各出行者特性分析。通过对车行者的分析，达到更好的了解交通的成 分构成，为进一步提高现有的城市交通利用率。 在现有的城市结构系统下，如何提高现有交通系统资源的利用率，来提高整 个城市的交通运行效率，是未来交通发展的主流方向。只有通过提高城市交通体 系的运行效率才能在一定程度上缓解城市交通拥堵状况。 1 1 2 交通诱导的研究现状 交通流诱导以交通流预测和实时动态交通分配为基础，应用现代通信技术、 电子技术、计算机技术等为路网上的出行者提供必要的交通信息，为其指出当前 的最佳出行路线，从而避免盲目出行造成的交通阻塞，达到路网畅通、高效运行 的目的h 】。简单地可以说诱导就是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，使网络流量趋于均衡。实时、动态、合理的诱导将有效改善路网状 况。交通流诱导的方式一般分为路边显示板式和车内显示屏式两种。前者主要适 用于群体车辆诱导，后者则主要适用于城市路网的个体车辆诱导 5 】。交通诱导系 统的主要功能是根据当前路网的交通流量和状况及路网上行驶的或将进入路网 的车辆的目的地，经过优化计算，为车辆提供最佳的行驶路线。该系统的主要目 标有两个，从宏观网络的角度：可以均衡网络上的交通流量使网络的综合交通能 力达到最充分利用：从微观车辆的角度：达到缩短每辆车行驶的距离，减少行驶 时间的目的。 目前，城市交通控制系统与诱导系统相互配合，共同完善城市交通系统。两 系统在交通管理的适用性上存在着区别，控制强调对路网上已经运行的车辆进行 有效管理，使其流动达到有序性，诱导系统试图避免未来将要出现的交通拥挤现 象或拥挤现象的加剧，为车辆的行驶路线提供优化方案。前者的本质是对路网上 已经发生的交通流量的时间分布进行直接的调整，后者是对路网上未来即将通过 的交通流量的空间分布进行直接调整。 2 第一章绪论 对交通诱导的研究只有4 0 多年的时间，代表性的早期诱导系统是2 0 世纪6 0 年代末美国的电子路径导行系统( e r - g s ：e l e c t r o l l i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 和7 0 年代初日本的综合车辆控制系统( c a c s ：c o n 驴r e h e n s i v ea u t o m o b i l ec o m r o l s y s t e m ) 。8 0 年代，美国、日本和德国等开始大规模地进行诱导系统的研究开发， 诱导系统的研究如雨后春笋般迅速发展起来【6 】。 九十年代后，美国先后进行了p a t h f m d e r ，t r a v t e k ，d 州c e 等项目7 】【8 】。 p a t h 丘n d e 使用静态路径诱导系统b o s c ht r a v e l p i l o t 和航位推算法( d r ：d e a d r e c k o n i i l g ) 进行车辆定位和路径诱导；t r a v l 酞项目是在美国佛罗里达奥兰多进 行的a t i s 现场实验【7 】，t r a v t e k 系统实现的路径诱导是基于实时的交通条件； a d v a n c e 项目是美国在c k c a g o 实施的诱导项目，它是基于实时交通条件的分 布式路径诱导系统。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 i i m d a lt r a v e l e ri n f o m a t i o ns y s t e i i l s ) ，包括在t e i 矾e t 上进行实时交通 信息的发布，这些交通信息资源在美国已十分丰富【9 】。 日本在1 9 9 0 年开始的车辆信息通信系统( v i c s ：v e l l i c l ei n f o 蚴t i o n c o m m u l l i c a t i o ns y s t e i i l s ) 项目是基于以前的研究成果在日本建立的世界上第一个 国内统一的进行交通信息服务的通信系统【1 0 1 。v i c s 在1 9 9 3 年1 1 月开始试运行， 在1 9 9 6 年4 月正式开始信息服务，覆盖地区包括东京等大城市及主要高速公路。 日本的交通管理系统【l l 】( u t m s ：u r b a nt r a 衔cm 锄g e m e ms y s t e i i l s ) 由五个子 系统组成，其中的动态路径诱导系统( d r g s ：d y l l a i i l i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ) 是一种交互类型的中心决定式的路径诱导系统【1 2 1 ，它使用另一个子系统先进的 车辆信息系统( a m t s ：a d v a n c e dm o b i l ei i 怕m l a t i o ns y s t 锄) 提供的来自多个 信息源的实时交通信息和收集的行程时间数据进行路径诱导。日本的东京、长野 己经开始运行u t m s 。日本的d i s 是世界上第一个投入使用的中心决定式路 径诱导系统【9 】。 德国的a l i 是欧洲最早出现的诱导系统。德国和英国分别在八十年代末期开 发出了用于示范的基于红外信标进行通信的动态路径诱导系统：l i s b 系统和 a u t o g u i d e 系统【13 1 ，二者都是利用历史数据进行诱导。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 i c m a s t e r ，向用户提供包括行驶速度等细节性信 息。在九十年代，德国西门子公司基于l i s b 开发的a l i s c o u t 系统( 在欧洲称为 e u r o s c o u t ) 具有一定的国际影响，它不但安装于德国柏林等欧洲城市，亦应用 到了美国m i c l l i g a n 的o a k l a n dc o u m y 。德国斯图加特的s t o i 蝴项目致力于开发 双模式路径诱导系统；即在安装红外信标的区域开发基于红外信标进行中心决定 式的路径诱导。在广域内开发基于r d s t m c 交通广播的路径诱导一】。 从美国、日本和欧洲对诱导系统的研究现状可以看出，美国在计算机和通信 第一章绪论 等技术上的优势为系统的开发提供了有利条件；欧洲注重开发基于i m s t m c 广 播的动态路径诱导系统：日本在动态诱导系统的部署与应用等方面居于领先地位 【1 4 】。在我国交通诱导系统的研究开发尚处于起步阶段，同济大学提出的动态标 志路线导行系统【1 5 】是我国在交通诱导领域里较早的尝试。 目前大多数研究城市交通诱导的算法主要采用出行时间为衡量的主要目标。 以这个目标为基础建立诱导系统主要的步骤是：首先完成交通条件( 此处为路段 行驶时间) 的预测，然后交通诱导系统在以最小代价( 行驶时间) 行车路线的优 化制定诱导策略，在通过一定的技术手段将信息发布给使用者。车辆行驶路线的 选择也就是路网中起讫点间行驶时间最短的选择。由于路网中各路段的交通流随 时间变化，在不同的时段内，其交通流的大小也不同，时间最短路也就发生变化。 为此，在进行诱导时，根据最新的预测时间来选择最短路。 个体诱导在一定程度上，解决的只是对于一部分人员的局部最优，往往忽略 整个路网最优，达不到提高整体道路使用率的效果。诱导系统针对个体最优与群 体最优这两个不同的目标，采用不同的策略以达到不同的效果，但是这两个目标 之间又存在着必然的联系，并不是孤立的。路网的情况是多变的，可依据不同的 路网状况制定不同的诱导目标，得出相应的诱导决策信息，将两者有机的结合得 出更适合缓解城市交通压力，提高道路使用效率的策略，这必将是诱导系统发展 的趋势。 1 1 3 交通诱导的意义 作为城市交通管理的两大重要手段之一，城市智能交通路线诱导弥补了交通 信号控制的不足，为出行者提供了必要的交通信息，方便出行者进行路线选择。 同时，智能交通诱导实现了交通管理者优化整个城市交通路网的需要。对交通诱 导的作用，可以从以下两个方面进行分析： 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 通路网的使用效率。交通诱导通过各种信息发布手段及时为出行者提供路网的阻 塞情况报告，有效引导了出行者避免阻塞，快速方便地出行。同时，车辆的驾驶 员希望能够了解更多的路网交通状况，包括路网上车流的分布情况、施工情况及 路况信息等。在获取由诱导系统提供的各种信息后，驾驶员根据自己所关注的目 标做出最优的路径选择。 对于交通管理者来说，不仅要实现路网的畅通，出行的安全，同时有效的利 用现有的路网和交通设施资源，最大限度的降低出行成本，以节约社会资源为重 4 第一章绪论 要的目标。在传统交通管理模式下，这种优化交通流的目标无法实现。交通诱导 对出行行为的影响不再是强制性的控制，而是通过各种信息的发布对出行者的决 策产生作用，从而影响其出行方式。 1 1 4 发挥交通诱导作用的关键问题 1 4 1 1 交通诱导起作用的前提条件 交通诱导是智能交通的重要组成部分，目的是要提高路网运输效率。协助在 路网上行驶的驾驶员，选择哪一条路线使他们能最快、最佳地到达目的地。要使 诱导系统发挥作用，就必须满足以下两个前提： ( 1 ) 交通网络上的总的交通需求小于总的交通供给。从客观条件上讲，城 市中道路网的交通所能容纳的交通量必须大于城市出行者的需求；否则，不管采 用怎样的先进管理技术都不能缓解城市的交通拥挤状况。城市交通诱导系统只有 借助道路网中没有充分利用的空间，通过优化提高对没有被充分利用空间的利用 效率，实现诱导系统的最优目标。 ( 2 ) 交通规则对人们的约束行为必须有效，能够起到规范交通行为的作用。 从主观条件讲，交通诱导系统也是一种信息的传递，通过信息的传递转化为出行 者的行为。只有在转化为出行者行为的条件下，才会实现整个系统所要达到的目 标；否则，如果出行者不理会交通诱导的信息，那么交通诱导系统发挥作用的途 径就被阻断了，便没有途径去实现先进的优化方式，达到提高路网利用效率的作 用。 1 1 4 2 影响交通诱导有效性的关键问题 只有在满足这样的主客观的基本条件下，才可以去实现、完善交通诱导系统 的功能和作用。研究诱导问题可以分为这样主客观两种因素，从不同的角度来分 解交通诱导问题。从交通诱导作用的对象来讲，交通诱导要解决问题的对象是人 参与的问题。从作用方式上，城市交通诱导区别于城市交通控制系统，城市交通 控制系统是通过强制性的手段实现方式；而城市交通诱导系统采用的是引导式的 作用方式。这种引导式的方式就存在着两种可能，一种可能是诱导信息的接受程 度比较好，诱导信息的效果会很好的发挥出来；另一种可能是诱导信息接受程度 不高，诱导系统不能充分发挥作用。这就要求诱导系统不可能具有很强的强迫性， 在这种情况下如何保证信息执行的有效性，这是诱导系统需要解决的一个基本问 题。对于提高诱导的服从率，发挥诱导系统效果的途径可以归为以下两点： ( 1 ) 诱导决策信息的正确性和有效性。一个系统被接受的程度取决于该系 统自身的正确性和有效性。使用者使用一个系统时首要考虑的是该系统能否满足 自己的目的需求。对于诱导决策信息而言，驾驶员在采纳诱导信息后能否满足了 第一章绪论 其对出行满意度的要求，这是提高服从率的关键所在。如果该系统形成的诱导决 策信息本身存在缺陷，那么该系统就会失去有效性，用户的服从率就会很低甚至 为零。因此，首要条件保证系统自身的正确性和有效性，只有整个系统的根源正 确了才能保证实施会有作用效果，才会增加系统可信度。 ( 2 ) 诱导决策信息的服从率问题。驾驶员的服从率决定对决策信息接受程 度，进而影响到路网上的交通分流。而诱导方案的可信度，从驾驶员来看，应是 管理者提供给的诱导方案是有利于改善其出行质量，如避开了拥挤路段，节约了 行程时间，途经路线所遇交叉口的红灯少、交通安全性高等。如果不采纳，达到 什么程度诱导还有效果，或者在什么条件下诱导就失去它的功能了。 从更本质的角度来看执行效果问题，出行者基于不同的出行目的，但是对于 出行的满意度问题大体趋同。交通流诱导是对路网上己经发生或即将发生的具有 意向性的交通流，在连接其起点和终点的各条路径上的数量分布进行调整，通过 改变行驶在不同路径的车辆数，达到优化目标，即对路网未来即将发生的交通流 量的空间分布进行调整。城市交通诱导信息要想能够被很好的接受、执行，就必 须建立起自己的信誉体系。只有诱导系统的可信度不断提高，才能够被更多的人 所采纳。而这种信誉体系的建立是通过有效的诱导决策信息来实现的，也就是对 诱导系统的核心提出要求。即顾客的满意度是与产品质量直接挂钩的，因此才提 高了交通诱导系统信息质量的同时也将会提高诱导决策信息的服从率。它们之间 是相互作用的，是一种相辅相成的关系，不能孤立的实现。 1 1 5 诱导系统的特点 城市交通诱导系统的运行机理与作用决定了诱导系统本身具有很多的特性。 诱导系统作为一种交通管理的手段，在实现方式以及管理的侧重点上，与另一种 管理手段交通控制有很大的不同，具有以下特点： ( 1 ) 时变性。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。因此，在动态条件下，诱导决策系统要具备时变的特性。 ( 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 是诱导决策信息的生成和发送，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 ) 非强制性。与其它交通管理手段相比，诱导系统具有自己独特的作用 方式。控制系统的作用方式是强制性的，通过控制信号的改变作为一种强制性的 信息作用给驾驶员，驾驶员必须执行该信息。而诱导系统输送给驾驶员的是一种 第一章绪论 建议性的信息，驾驶员可以采纳也可以拒绝。 ( 4 ) 网络性。控制系统针对的目标是每个路口处车辆的延误、排队时间最 短。而诱导系统是针对一个区域内几条路径上车辆的一种均衡，是对路网上未来 即将通过的交通流量的空间分布进行直接调整。因此，是一种网络性的均衡。 ( 5 ) 预测性。诱导系统的目的是使得将来的路网车辆是均衡的，其中包含 了对于路网车辆形成下一个状态的预测。控制周期是针对当前交叉口的车辆情 况，进行信号的控制。因此，诱导系统相对与控制系统具有预测性的特点。 一个系统本身的特点就决定了系统相关问题的解决方式，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。要求建立的模型和算法符合实时性的要求，能够及 时得到诱导决策信息，而且此诱导决策信息既要求是动态的，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 1 6 诱导系统的信息流 在智能交通系统中，系统与车辆之间的信息交流应当是双向的，其中由车辆 到系统传输的信息主要包括车辆行驶的目的地以及车辆的行驶速度。但是由于硬 件方面的原因，要求所有的车辆都向系统传送其去向和状态是不现实的。因此， 在现今的许多交通管理系统中，甚至在智能交通系统的规划中，都假设信息的传 递是单向的：即车辆驾驶员只能被动地接受信息。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，这些信息不仅有当前的车流 量、等待队长、行驶车速、等待时间等实时信息，也包括各条路段上各个指标在 不同时段的历史统计数据等历史信息，甚至可以给出对未来一段时间路况的预测 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 预测起着重要的参考作用。这种将客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，其实现的主要技术手段是各种 检测技术以及数据通讯和信息处理技术。 ( 2 ) 对诱导系统的深入研究己不再满足于路况信息的收集发送，可以进一 步对不同起点行驶方向不同的车辆推荐一条或几条基于当前路况( 或基于对未来 预测) 的最佳行驶路线，这是实时车辆线路诱导系统要完成的任务，所推荐的行 驶线路是诱导策略或诱导方案的基本内容。目前这些诱导决策信息还是建议性 的，驾驶员可以采纳，也可以拒绝而选择其它线路。而有些研究者提出控制与诱 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 第一章绪论 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。 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己知的条件下，依 据一定的路径选择准则，将出行需求分配到网络上，以得到最优的交通流分布模 式，从而为交通流管理、动态诱导等提供依据。近来也有一种解决实时交通诱导 问题的新思路的提出智能交通诱导系统，该系统在实际交通流的运行中学 习，建立起从交通流状态到诱导决策信息的直接映射，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，建立起新的映 射。 实现智能交通流诱导主要有以下五方面的工作：一是取得路网中当前和过去 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 导中心的信息单向( 双向) 交流；四是利用实时动态交通策略理论确定行驶路线， 为出行者提供最佳行驶路线；五是检测诱导决策信息的实际效果，并以此为依据 实现诱导策略的自寻优，整个诱导过程应不断滚动循环进行。 1 2 研究诱导周期的意义 1 2 1 诱导周期的概念 传统的交通控制是通过信号灯分时控制路口交通流的通行状态，路网运行效 率的提高主要取决于控制方案的优化。然而，引入诱导的交通管理更多的着眼于 通过信息的传递，通过改变出行者的出行路径改变流量分布，从而使得网络流量 趋于系统最优条件下的均衡。引入线路诱导的交通管理系统，在采集路网上交通 流信息并进行处理的基础上，形成诱导和控制方案，接着将诱导信息通过诱导系 统发布出去。出行者在接收诱导信息后作出的出行路径的决策，使路网上的车流 量达到某种均衡。诱导系统再重新采集路网交通流信息，然后形成新的诱导方案， 再将诱导信息发布出去，如此周而复始，这样的每一次循环为一个诱导周期，这 样就形成了诱导周期概念。 诱导周期概念与控制周期的概念相似，但是诱导过程和控制过程周期之间存 在着区别。控制方案通过信号控制设备进行实施，如交通信号灯的变化，周期、 相位以及绿信比的调整。而诱导信息的发布则是通过a t m s ，a t i s 系统发布。从 第一章绪论 传递的信息内容到发布方式，诱导系统和控制系统都不相同。不同的信息内容对 周期的要求也不同，控制过程的信息更新的周期比较短，而诱导信息的更新周期 则较长。另一方面，控制信息面对的是一个或几个路口，而诱导信息则面对一个 更大的区域，更多的路口。从信息发布方式上讲，诱导系统应选取覆盖较大区域 范围的发布系统。 1 2 2 诱导周期的作用 确定诱导周期是城市交通诱导系统的基础性研究工作。诱导周期的作用过程 是：诱导周期起点时刻，从路口检测器处可以获得一组交通流数据，希望通过诱 导信息引导这组交通流数据代表的车流按照预设的目标行驶，在该诱导周期结束 时刻这些车辆形成的交通流状态到达基本均衡。但是这是一种预估，人们难以真 正准确地知道在这个诱导周期中这些车辆会形成什么状态。显然，诱导周期的长 短是影响诱导效果的重要因素。确定诱导周期就是通过设定一个合理时间范围， 在这个时间范围内能够尽可能好地预测，使预测结果尽可能准确。 从路网结构看，诱导周期的作用就是尽可能消除路网的不同对于诱导决策信 息发挥作用的影响。理论上诱导周期受路网的影响比较大，可以提出对于不同的 路网结构划分不同的诱导周期，来消除这种结构性的差异。那么一段时间内的路 网交通流量的变化就会影响诱导周期的作用效果。与之相关问题就是怎样收集路 网的状况，通过什么进行下一步的预测，使得下一步的预测和实际的路网状况更 相符。诱导决策信息的形成是在对一定的路网交通流量进行预测的基础上，交通 流量本身的改变就会影响交通驾驶员的行为引起新的状态改变，这就给准确预测 带来比较难解决的问题，诱导周期的设置的目的是为了更合理预测这种改变的程 度，如果这种改变超过某个范围必然会影响预测的准确性。 从信息的发布方式看，诱导周期的作用就是使驾驶员更容易、合理地接受信 息。对于被诱导者的影响来看，不同的人对于信息的接受频率也不同，驾驶员希 望在他们在能够改变状态之前就获得相应信息，这样才能进行行驶路线的改变。 而且信息变化不能过于频繁，过于频繁更换诱导信息使得信息的使用者不能及时 反应过来，会对信息的真实可靠性产生怀疑。为了增加信息的可靠性以及提高信 息使用者对于信息的接受程度，诱导周期必须设置在合理的范围内，不能过短。 1 2 3 研究诱导周期的必要性分析 从诱导周期的形成和作用过程来看，建立诱导周期的必要性可以从以下几个 方面进行分析： ( 1 ) 从系统论的角度看，一个系统是由各个功能要素构成的，而这些要素 9 第一章绪论 又是相互影响、相互作用的。它们之间的相互作用共同构成一个有机的整体，它 不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所 没有的新质。智能交通诱导系统为了完善自身的功能，就必须有足够的要素来支 撑它，只有具备相应的要素，整个系统才能达到诱导出行，发挥整个路网的效益。 ( 2 ) 从诱导系统的整体设计结构来看，诱导周期是系统的其他功能模块发 挥作用的基本参数。诱导系统中的某些模块作用优劣取决于诱导周期的确定，有 些模块则根据诱导周期的变化而变化。例如，诱导周期是诱导决策信息的发布时 间间隔，基于这个时间间隔对于路网状态的提取进行信息处理得到下一周期的诱 导决策信息；另外，在诱导决策信息的协调上，也需要通过诱导周期的长短确定 协调的范围，以保证车辆运行的平稳性，决策信息间更好地衔接和协调。因此， 从诱导系统的结构看，如果没有诱导周期，将很难发挥诱导系统的整体性功能。 ( 3 ) 从控制系统与诱导系统的功能作用来看，两个系统有着内在的联系， 控制系统是从强制性的角度来疏导交通流量；诱导系统则需要通过建议性的信息 给出达到疏导交通的目的。控制中为了达到疏导交通的目的采用了控制周期，同 样的道理诱导周期就有必要采用诱导周期来实现信息的有效性传达，达到对于路 网交通流量疏导的作用。 ( 4 ) 从诱导决策信息的实现方式看，诱导决策信息作用对象是车辆。而且 是有针对的车辆，因此对于车辆信息的采集必须是与时间段相对应的，车辆运行 时段改变的过程是与诱导周期密不可分的。诱导决策信息的形成过程与发挥作用 是存在时间差的，这个时间差就是诱导周期的时间间隔。诱导决策信息形成过程 就建立在对于车辆运动的准确预测，车辆预测准确性在一定程度上就取决于诱导 周期作用时间长短。有效的诱导决策信息是根据预测得到诱导决策信息在发挥作 用时候将会出现的交通状况制定的，这种有针对性的诱导决策信息才能更接近实 际，发挥应有的效益。因此，必须合理地设定诱导周期的长短，找出每个时段需 要进行诱导的车辆，在此基础上制定相应的诱导决策信息。 ( 5 ) 从目前研究现状看，诱导系统的诱导周期一般都取为确定长度的时间 区间值。而确定具体时间区间值时，并未做全面分析，可能依据的只是控制周期 对于诱导周期的影响。并没有一个有效的、完善的确定诱导周期的过程；对于诱 导周期在诱导系统中对于诱导效果的影响，也缺乏系统性、完整性的分析。确定 诱导周期使用具体的数值还是一个依据具体环境的变化的函数，诸多问题还有待 于通过具体的研究、实践进行确定。 1 0 第一章绪论 1 3 目前对于诱导周期问题研究现状 1 3 1 与诱导周期相关理论研究 天津大学李艳君提出了基于博弈论的交通控制与诱导一体化模型，针对动态 交通控制和动态交通分配结合模型中分配只是控制的输入问题，提出了诱导和控 制作为两种管理手段共同使用的协调模型【1 6 1 。该模型在控制周期和控制子区内 进行诱导信息的发布，认为控制和诱导在子区和周期上是致的。该模型中按照 控制周期对路网流量作动态分配，并将形成的控制方案和诱导方案在控制周期内 发布。这种诱导模式忽略了诱导信息的稳定性要求，出行者在接收到新的诱导信 息后很可能尚未做出路径选择行为或路径选择行为刚刚执行。此外，管理者线路 诱导和信号控制面向的区域是同一个子区，这种考虑是出于减小模型复杂性的目 的。但是这与交通诱导的出发点，实现路网的整体优化相差甚远，这样的处理只 能实现较小区域范围的网络均衡。 考虑到上述模型中存在的问题，张安训提出了控制和诱导的不等周期、不等 子区的解决方案。将几个控制周期合并为一个诱导周期，按控制和诱导各自的周 期进行策略调整、发布实施；几个相邻的诱导相关性较大的控制子区合并为一个 诱导子区，分别按控制、诱导子区进行控制、诱导决策信息的调整和发布。 诱导和控制不等周期的处理，一方面满足了诱导决策信息在时间上的稳定 性，给出行者一个可接受的改变频率，这样出行者接受诱导信息时才不至于无所 适从，进而保证路网上交通状况的相对稳定；另一方面满足了控制策略调整的实 时性和动态性，交通管理者可以根据路网的实时状况进行控制策略的调整，这样 不仅使得单个路口通行的状况得以改善，而且保证了诱导决策信息疏导交通时系 统工作状态的配合调整。 上述观点也存在一定的问题，不等周期的处理在一定条件下不应该是一成不 变的，情况不同，变化的需求程度也应不同。还需要进一步的研究：( 1 ) 依据 哪些条件来设定不等周期? ( 2 ) 在这些条件下如何确定诱导周期? 1 3 2 诱导与控制协调模型下诱导周期的研究 在前面对诱导的介绍中，曾总结了诱导系统的几个特点：时变性，实时性， 非强制性，网络性，预测性。因此，一方面一个交通诱导决策信息需要在一个诱 导周期内维持不变，以保证系统的稳定性；另一方面，诱导决策信息又应保证实 时、动态性，以适应网络状态的变化。诱导周期一般以几分钟或稍长为宜，取决 于网络状态随时间的变化程度。交通控制周期则以秒为单位来计算，一般最长不 第一章绪论 超过两分钟。考虑到操作上的可行性，线路诱导周期稍长，跨越几个控制周期的 方式比较理想。在本文中诱导周期为控制周期的整数倍( 这里设定为w ) ，诱导 决策信息每更新一次，控制策略则有w 次调整。 交通控制和诱导协调模式下，控制参数的调整按信号控制周期进行，而交通 诱导信息的调整和发布则按线路诱导周期进行。交通控制系统确定的、由路口信 号控制器执行的交通控制方案主要包括以下控制参数：周期、绿信比、相位差等。 目前，在调整控制参数以改变交叉口交通状况的时候，考虑较多的是绿信比的改 变，其他参数通常保持相对稳定，如周期和相位差相对不变，这些参数在模型的 建立时作为约束条件存在。诱导信息通常有以下几部分组成：被管理范围内的各 条道路上的路况信息，这些信息不仅有当前的车流量、等待队长、行驶车速、延 误等实时信息，也包括各条路段上各个指标在不同时段的历史统计数据等历史信 息，甚至可以给出对未来一段时间路况的预测结果。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要