（计算机应用技术专业论文）基于动态流的交通疏散算法设计及其系统实现.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着城市化发展速度加快，城市规模日益扩大，城市的安全隐患和风险不断 加大，应急条件下的交通疏散越来越受到人们的重视。为了缩短应急条件下交通 疏散时间，尽快疏散受灾区域中的车辆，提高疏散资源利用率，本文研究车辆动 态行驶模型，交通疏散系统的框架，交通疏散关键算法，面向交通疏散的诱导相 关模型和关键算法，以及交通疏散系统的设计、实现与测试。 本文介绍当前知名的交通疏散系统、传统的疏散模型的特点，并分析它们存 在的不足，利用扩展的前向关联边结构存储路网，分析了交通流在道路上的动态 行驶过程，计算车辆在路网中的动态行驶时间。在这些基础上，本文提出面向应 急的交通疏散系统框架。 在介绍交通疏散算法所追求的多种最优化目标的基础上，本文提出面向动态 交通流的应急交通疏散算法，将传统的最短时间路径算法应用到交通疏散中，利 用反向流改进交通疏散算法。本文还将启发式搜索应用到交通疏散领域，并改进 启发式搜索中的估计值函数，提高算法效率。 本文针对可变信息板提出应急条件下基于发布订阅引擎的应急交通诱导的 体系架构。本文提出一种基于交叉口转向比例的区域诱导方法，并基于元胞自动 机模型，利用s w a r m 平台仿真交通流来测试算法效率。测试结果表明，所提出 的动态区域诱导方法使得出行者整体的平均出行时间比使用静态的诱导区域划 分方法减少2 0 屹5 ，平均等待时间减少4 p l o 。 本文根据所提出和设计的路网存储结构、车辆动态行驶模型、系统框架、应 急交通疏散和诱导算法，划分交通疏散系统模块，设计和实现了系统的各个模块， 最后基于洪水扩散模型对系统进行了测试。测试结果表明，系统能动态地根据灾 难的变化给出疏散路线，实现了避难所的高利用率，较快地将危险区域中的车辆 疏散到安全区域。 关键词交通疏散，动态流，发布订阅，元胞自动机，动态交通诱导 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ep a c eo f u r b a n i z a t i o nd e v e l o p m e n tu n p r e c e d e n t e ds p e e d i n gu p ，t h eg r o w t h o fc i t i e ss i z e ，u r b a ns e c u r i t yr i s k sc o n s t a n t l yi n c r e a s i n g ，u n d e rt h ec o n d i t i o n so f p a r o x y s m a ld i s a s t e r st h et r a f f i ce m e r g e n c ye v a c u a t i o nh a sb e e na t t r a c t e dm o r ea n d m o r er e s e a r c h e s i no r d e rt or e d u c et h et r a f f i ce v a c u a t i o nt i m eu n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h es u d d e nd i s a s t e r s ，a ss o o na sp o s s i b l ee v a c u a t ev e h i c l e si nt h ea f f e c t e dr e g i o n s ，a n d e n h a n c eu t i l i z a t i o no fe v a c u a t i o nr e s o u r c e s ，t h i st h e s i ss t u d i e sd y n a m i cm o d e l so f v e h i c l e s ，f r a m e w o r ko ft r a f f i ce v a c u a t i o ns y s t e m ，t r a f f i ce v a c u a t i o nk e ya l g o r i t h m s ， e v a c u a t i o n - o r i e n t e dw a f f l eg u i d a n c em o d e la n da l g o r i t h m s ，a sw e l la 3t h ee v a c u a t i o n t r a f f i cs y s t e md e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n dt e s t i n g t h et h e s i sn o to n l yi n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u r r e n tf a m o u st r a f f i c e v a c u a t i o ns y s t e m sa n dt r a d i t i o n a le v a c u a t i o nm o d e l s ，b u ta l s oa n a l y z e st h e i r s h o r t c o m i n g s a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee m e r g e n c y t r a f f i cn e t w o r kf l o wa n d t h ea c t u a lr o a dn e t w o r k , t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h es t o r a g es t r u c t u r et h a tc a ns h o w s t h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n da n a l y z e st h ed y n a m i cp r o c e s so fm o v i n go ft r a f f i cf l o wi nt h e r o a d ，c a l c u l a t e st h et r a v e l i n gt i m ea c c o r d i n gt ot h ea t t r i b u t e so f r o a d sa n di n t e r s e c t i o n s b a s e do nt l i e s es t u d i e s ，t h et h e s i sd e s i g n st h ef r a m e w o r ko fe v a c u a t i o ns y s t e mf a c i n g t oe m e r g e n c y b a s eo nt h ei n t r o d u c t i o n sa b o u tm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nw h i c ha r ep u r s u e db y t r a f f i ce v a c u a t i o na l g o r i t h m s ，t h i st h e s i sb r i n g su pe v a c u a t i o na l g o r i t h mu n d e rt h e c o n d i t i o n so fd y n a m i ct r a f f i cf l o w t h i st h e s i su s e st h et r a d i t i o n a lm i n i m u l nt i m ep a t h a l g o r i t h mt oe v a c u a t et r a f f i c ，a n du s e sc o n t r a f l o wt oi m p r o v e t h ee v a c u a t i o na l g o r i t h m t h i st h e s i sa p p l i e sh e u r i s t i cs e a r c ht ot h ef i e l do ft r a f f i ce v a c u a t i o na v o i d i n gb l i n d s e a r c h ，a n di m p r o v e st h ee s t i m a t e f u n c t i o nc n h a n c e st h ee v a c u a t i o na l g o r i t h m e f f i c i e n c y t h et h e s i s p u t sf o r w a r de v a c u a t i o n - o r i e n t e da r c h i t e c t u r eo fe m e r g e n c yt r a f f i c g u i d a n c ea n da n a l y z e sh o wt oi n t e l l i g e n t l ya n da u t o m a t i c a l l yg e n e r a t et r a f f i cg u i d a n c e i n f o r m a t i o n , a n dp u t sf o r w a r dt h er e l e a s e s u b s c r i b ee n g i n eu n d e re m e r g e n c y 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n d i t i o n st op u b l i s hg u i d a n c ei n f o r m a t i o n t h i st h e s i sb r i n g su pag u i d a n c er e g i o n d y n a m i cd i v i s i o nm e t h o db a s e do nt u r n i n gr a t i oo fi n t e r s e c t i o n , a n db a s e do nc e l l u l a r a u t o m a t o nm o d e lu s e ss w a r ms i m u l a t i o np l a t f o r mt os i m u l a t et r a f f i cf l o wi no r d e rt o t e s tt h ee f f i c i e n c yo ft h em e t h o d , t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i cr e g i o n a l g u i d a n c ea l g o r i t h mh a v et h ea v e r a g et r a v e lt i m er e d u c e db y2 0 t o2 5 t h a nu s i n g s t a t i cg u i d a n c er e g i o n a la l g o r i t h m , a n di n a k e st h ea v e r a g ew a i t i n gt i m er e d u c e db y4 t 0l o a c c o r d i n gt ot h en e t w o r ks t o r a g es t r u c t u r e ，t h ev e h i c l e st r a v e l i n gd y n a m i cm o d e l ， t h ef r a m e w o r ko ft h es y s t e m ，t h et r a f f i ce v a c u a t i o na l g o r i t h m sa n dg u i d a n c e a l g o r i t h m sd e s i g n e db yt h i st h e s i s ，t h et h e s i sd i v i d e st h ee v a c u a t i o ns y s t e mi n t o m o d u l e sa n dh a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e de a c hm o d u l e so ft h ee m e r g e n c yt r a f f i c e v a c u a t i o ns y s t e m f i n a l l y , t h es y s t e mi st e s t e db a s e do nt h ef l o o ds p r e a dm o d e l d e s i g n e db yt h i st h e s i s t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a ng i v ee v a c u a t i o nr o u t e s d y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ec h a n g e so fd i s a s t e r s a l s ot h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mh a sm a d eu s eo ft h es h e l t e r sa th i g hu t i l i z a t i o nr a t e ，a n dq u i c k l ye v a c u a t e v e h i c l e si nt h ed a n g e r o u sr e g i o n s k e y w o r d s t r a f f i ce v a c u a t i o n ，d y n a m i c f l o w ，p u b l i s h s u b s c r i b e ，c e l l u l a r a u t o m a t o n ，d y n a m i ct r a f f i cg u i d a n c e 浙江大学硕士学位论文 图目录 图目录 图1 1 车流波的形成与传播4 图1 2o r e m s 6 图1 3e t i s 界面7 图2 1 简单路网图。1 7 图2 2 路网数据结构图一1 7 图2 3 路段的行驶时间构成1 8 图2 4 交通应急疏散系统组织结构图2 3 图2 5 应急疏散系统框架2 4 图2 6 应急疏散系统数据流程2 5 图3 1 用于疏散的路网图2 8 图3 2 基于动态网络流的人员疏散处理流程3 0 图4 1 系统结构3 8 图4 2 发布订阅系统模型3 9 图4 3 诱导信息的订阅发布一4 0 图4 4 动态区域诱导算法流程一4 3 图4 5 仿真实验框架4 4 图4 6 实验平台中模型s w a r m 和观察员s w a r m 、s w a r m u t i l s 类图一4 5 图4 7 基于s w a r m 实验的多个自治体类图4 7 图4 8 实验运行界面一4 7 图4 9 使用动态的区域划分算法的平均行驶时间4 8 图4 1 0 使用静态的区域划分算法的平均行驶时间4 8 图4 1 1 不使用v m s 诱导的平均行驶时间4 8 图4 1 2 整体车辆平均行驶时间4 9 图4 1 3 整体车辆平均等待时问4 9 图5 1 交通应急疏散系统总体模块图一5 3 图5 2 应急交通疏散系统各模块之间数据流程图5 4 图5 3 资源与图层管理模块结构5 5 图5 4 交通疏散系统界面5 6 图5 5 灾难管理模块处理流程5 7 图5 6 洪水灾难演进变化5 9 图5 7 杭州市主干交通道路一6 1 图5 8 交通道路网模块结构设计6 l 图5 9 交通道路网模块的类图6 2 图5 1 0 疏散规划方法6 3 图5 11v m s 管理界面6 4 图5 1 2v m s 诱导流程图6 5 i v 浙江大学硕士学位论文 图目录 图5 1 3 诱导区域动态划分算法生成的诱导区域表例图：6 5 图5 1 4 应急交通动态疏散( a ) 6 8 图5 1 5 应急交通动态疏散( 1 ”6 8 图5 1 6 交通疏散时间评估6 9 v 浙江大学硕士学位论文 表目录 表目录 表1 1 灾害情况统计表2 表5 1 系统实现平台5 2 表5 2 表示洪水灾难分块演化的数据结构5 9 表5 3 洪水分区演化配置样本6 6 表5 4 受灾点疏散情况6 8 表5 5 疏散完成后被使用的避难点利用状况6 9 v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏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谢意。 学砬论文作者签名：阉乡名扎签字日期： 加纱年么月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 习吵面k 导师签名： 签字日期：坼 6 月 乡日签字日期：9 出g 月；日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 随着城市化进程加快，城市人口激增，城市中的各类突发灾难也在频繁发生， 突发灾难造成的影响不仅使人员伤亡、经济损失，同时造成的间接损失同样不可 忽视，而交通疏散算法及其系统的研究就是解决该问题的关键。本章分析本文的 研究背景与意义，介绍交通疏散领域的基本概念，分析知名的交通疏散系统及相 关算法的特点和存在的不足，介绍国内外交通疏散算法及其系统的研究现状，在 这些基础上提出了课题的研究内容和目的，并介绍论文的章节安排。 1 1 研究背景及意义 随着经济和社会的进步，城市化发展速度加快，城市规模日益扩大，特别在 大城市，人口不断增多，城市功能日趋复杂，安全隐患和风险不断加大，城市的 交通问题越来越严重，城市中的各类突发事件也在频繁发生，突发事件造成的种 种社会问题越来越受到政府和科研单位的重视。突发事件造成的影响并不仅仅使 人员伤亡、经济损失，突发公共事件造成的间接损失同样不可忽视。由于城市人 口集中、建筑物密集以及交通拥堵等原因，一旦发生事故，势必造成人员伤亡和 巨大的财产损失，严重影响城市经济的发展和社会的稳定，表1 1 为近些年来世 界各地发生的灾害情况。目前公共安全科学技术还没有发展到能有效预测和预防 所有事故的程度，因此，针对灾难的应急交通疏散领域的研究工作是必不可少的。 交通应急疏散是一项系统性和综合性的工作，既涉及科学、技术、管理，又 涉及政策、法规和标准。我国在此方面无论是科学研究或是企业和政府的实际应 用都起步较晚，缺乏系统的理论和实践指导。因此，必须高度重视我国城市公共 安全体系存在的问题，加强安全科技研究，解决城市公共安全中的关键科学与技 术问题，从而确保安全状况的全面好转，保持经济的平稳发展和社会的稳定。 随着城市脆弱性的增强，使人类承受比过去更加严重的事故后果。城市突发 灾难有许多特点：破坏性、突发性、意外性、连锁性、复杂性等。基于城市突发 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 灾难的这些特点，减轻城市重大事故危害的工作一般包括：事故的预防、交通疏 散、事故救护及事故后处理四大部分。而交通疏散是其中的重中之重，城市很多 突发灾难不可避免，但是交通疏散和应急条件下的交通诱导可以大范围通过交通 尽快地疏散和诱导人群车辆，从而能够尽量减少人群车辆遭受损失。因此，开展 “城市应急疏散算法及交通疏散系统”的研究对于城市应对重大事故有着重要的 现实意义。 表1 1 灾害情况统计表 灾害种类时间地点 事件名称 伤亡及损失情况 死亡近百人，损失上亿美 2 0 0 3 韩国东南部飓风“鸣蝉” 元 2 0 0 5 美国休斯敦 飓风“丽塔” 4 0 0 万居民撤离 飓风 中国浙江、福 4 0 0 万人受灾，因灾死亡 2 0 0 6 飓风“桑美”1 0 4 人、失踪1 9 0 人。直 建省 接经济损失1 1 2 5 亿元 强热带风暴2 3 3 万人死亡， 2 0 0 8 缅甸 “纳尔吉斯”3 7 万人失踪 6 2 8 人死亡，9 2 6 人受伤， 2 0 0 4 摩洛哥6 5 级 1 5 万多人无家可归 印度尼西亚超过2 8 万人失踪和死亡， 地震2 0 0 4 9 级 苏门答腊岛引发海啸波及多个国家 死亡7 9 ，0 0 0 ，伤6 5 ，0 3 8 2 0 0 5 巴基斯坦7 8 级 人，3 3 0 万人无家可归 美国世界 2 0 0 1 恐怖袭击3 0 0 0 多人死亡 贸易中心 恐怖事件 造成1 7 4 人死亡，4 6 4 人 2 0 0 6 印度孟买爆炸 受伤 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 交通疏散领域概述 考虑交通车辆在交通道路上的行驶过程是一个动态的，随着交通流量的变化 而变化，在应急情况下，交通道路网的结构也会随着时间的变化而变化，例如道 路损坏、道路容量变化，如何表示这样的特征和现象被称为动态交通流问题【。 1 2 1 交通分配 在城市灾时应急中，需要将这些受灾区域中的人群通过交通车辆快速安全地 疏散到安全区域，这就要求交通管理者对交通流做出准确的疏散并合理的加以组 织诱导，这样才能使疏散更加有效，从而减少灾害所带来的损失。交通疏散与应 急诱导作为行之有效的管理手段在应急过程中是必不可少的，它可以帮助出行者 进行更准确的路径选择。 在一般情况下，路网的结构是固定的，而路段的平均交通状况可以是常数， 在路网上对交通进行研究可以将交通状况设置为常数，也就是说此时交通流可以 采用静态分配。在静态分配的过程中，路网的服务水平和交通状况在仿真过程中 被处理成常量。 传统的静态模型对不能很好的描述疏散过程中的动态交通流，在疏散过程 中，从起点到目的地的交通量会随着时间的推移而发生变化。首先，一些同疏散 有关的交通量是随着时间的变化而变化的。同时，疏散的过程本身就是疏散车辆 在路网上的移动，等待疏散的人会随着时间的推移而减小。而且路网结构也是在 变化的，因为路网中的某些路会被禁止通行，或者可能增加新的道路【2 】【3 】。 静态交通分配主要用于道路网的规划与设计，它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。动态交通分配是指以时时刻刻变动的交通 需求为对象的交通量分配，它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。对于特定时间段道路网上的交通流，基于交通量为常数的静态交通 量分配模型也就无法解决。因此，静态交通分配模型不能用于进行实时动态的疏 散交通流诱导。而动态交通分配则能够反映出交通状况随着时间的波动，可以适 用于疏散交通流方面研究。而常用的一种动态分析交通流的理论方法是车流波动 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 理论。 车流波动理论是一种动态分析车流运动过程的方法 2 1 。根据车流波动理论， 波速就是车流波沿道路移的速度。图1 1 描述了车流波的形成与传播的轨迹。图 1 1 中所表示的是车流从低密度过渡到高密度而形成集结波的过程。交叉口红灯 时的车流运动状态就是一个形成集结波的过程。一辆车的行驶状态可以通过它的 位置x 随时间t 的变化规律来表示，图1 1 中三条折线表示上述集结波形成车流内 三辆车的动态。折线斜率等于车速，两折线之间的垂直距离，表示车头间距，水 平距离h 表示车头时距。图中坐标原点d 是第一辆车的变速点，随后第二辆车也 减速，其开始减速的位置在彳位置之后，用图中么点表示，继之第三辆车开始减 速的位置在图中用曰点表示。直线o a b 显示了集结波的动态轨迹，它的斜率就是 波速。从图中看到，集结波产生于d 位置，然后传播到彳位置的第二辆车上，最 后从么位置传播到b 位置的第三辆车上。 图1 1 车流波的形成与传播 4 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 2 交通疏散与诱导 应急交通疏散是指根据突发公共事件的需求和要求，在相关部门的统一协调 调度指挥下，采取一定的交通组织和管制措施，保障受灾人员安全、快速地疏散 到安全区域或指定避难场所，并将应急物资等及时、快速地运输到既定地点，完 成疏散和运输任务。 此外，根据疏散方式不同，可将应急交通疏散分为步行疏散和利用交通工具 疏散两大类，其中交通工具包括非机动车、机动车、火车、船舶和飞机等【5 1 。本 文研究交通疏散是指：重大突发事件所引起的，利用机动车辆进行大范围人员及 物资转移的情况。 面向疏散的应急交通诱导是以动态交通流为理论基础，将先进的信息技术、 数据通信技术、电子控制技术以及计算机处理技术等综合运用于应急条件下的整 个地面交通管理体系，建立大范围、全方位发挥作用的实时、准确、高效的应急 诱导，为交通疏散服务【3 】【4 】。应急交通诱导可以使车辆在道路上通过实时交通数 据的交互得到最新的疏散相关的交通信息，实现实时最优疏散路径的选择和实时 导航功能，能够有效地避开交通拥挤并防止交通阻塞的发生，减少车辆在道路上 的逗留时间，尽快疏散受灾难影响地区的人群和车辆。 面向疏散的应急交通诱导主要功能是根据从路网中采集得来的实时路况数 据，分析处理，预估未来交通状况趋势，结果数据可以用作实时交通路况信息或 作为智能交通控制系统的输入以产生最佳的、实时的交通控制策略；缓解或避免 由于大量疏散车辆同时抢占同一道路资源造成局部的交通拥挤，应急交通诱导通 过动态诱导、可变信息板( v a r i a b l em e s s a g es i g n , v m s ) 等措施指导路网上所有疏散 车辆最佳使用道路资源，促使交通畅通。 应急条件下的交通疏散与诱导是两个有相互作用的部分，交通疏散会影响交 通诱导，而交通诱导会影响疏散的快慢。本文所研究的交通诱导是特指为交通疏 散服务的交通诱导，不同于一般情况下的交通诱导或者交通信息发布，是从属于 交通疏散系统，为应急交通疏散服务的模块。 5 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 交通疏散系统介绍 当前，已经研究出了一些应急条件下的面向交通的疏散工具。如 o a k r i d g ee v a c u a t i o nm o d e l i n gs y s t e m ( 简称o r e m s ) 、e v a c u a t i o nt r a f f i c i n f o r m a t i o ns y s t e m ( 简称e t i s ) 以及t r a n s p o r t a t i o ne v a c u a t i o nd e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ( 简称t e d s s ) 。 1 3 1o r e m s o r e m s ( o a k r i d g ee v a c u a t i o nm o d e l i n gs y s t e m ) 是美国联邦公路局委托美 国橡树岭国家实验室和丹尼尔交通咨询公司合作开发的专门用于突发事件应急 交通疏散的一款仿真软件，如图1 2 所示。该软件经过o r n l 的若干次检测，结 果证明o r e m s 能够给m 比较合理的疏散时间。所以o r e m s 应急疏散仿真软件 在美国得到了专家的高度认可。 o r e m s 的核，t l , 分析模块是一个复杂的f o r t r a n 程序，即e s i m 。这个模 块是用来模拟在疏散过程中，计算整个路网上的交通状况的。e s i m 把路径分配 和交通量分配两个子模型同一个交通流仿真子模型结合了起来。e s i m 在交通分 配的过程中确定疏散者的目的地和所选取的到达这些目的地的路径。 图1 2o r e m s 该软件具有以下优点： 1 ) 不仅可以给出整个的疏散总时问，而且口j 以给出疏散比例在5 0 、7 5 、 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 9 5 时的疏散时问，可以为决策者提供决策依据； 2 ) 能够进行o d 的自动分配； 3 ) 可以给出应急疏散中的拥堵点和拥堵路段； 4 ) 可以动态显示疏散时道路的拥堵状况，道路上的车辆数，车辆的行驶速 度，车辆的运行时间状况： 当然o r e m s 有其缺点，其缺点主要有： 1 ) 无法导入底图，必须要按照每个交叉口的坐标来进行输入，路网搭建比 较繁琐； 2 ) 在搭建路网时，程序不会自动报错，因此给程序的调试和运行带来极大 困难： 3 ) 不能进行应急疏散时疏散车辆的动画演示，缺乏直观性。 1 3 2e t i s 美国运输部与联邦紧急事件管理局( 简称f e m a ) 合作开发- j e t i s ，e t i s 是一个 飓风疏散工具，如图1 3 所示。对于美国东南部在1 9 9 9 年左右登陆佛罗里达的飓风 所引起的重大的交通拥塞问题的直接反映所创建，e t i s 在整合了行为研究、以往 的数据、正在进行的事故的实时数据的模型上进行运行，信息包括受影响的天气 信息，疏散百分率和旅行者占有比率。 图1 3e t i s 界面 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 e t i s 是一个基于地理信息系统，通过w e b 协助收集和传播信息以进行交通 疏散的工具。在疏散期间e t i s 由每一个受到威胁的州的交通部门官员对输入信 息负责，这些信息包括处于疏散状态的沿海的地区、旅游者密度、疏散参与速率 和有关交通的有效的数据。e t i s 为州和f e m a 区域运作中心提供监控疏散进程 的平台。这个系统也提供了预测州之间的交通状况以及可能的疏散目的地。但此 系统是采用静态的车流模型，没有考虑交叉口的延误等影响，并且严重依赖于每 个受到威胁的州的交通部门官员实时的输入相关信息。 1 3 3t e d s s h o b e i k a 与黄国平等人在v p i ( v i r g i n i ap o l y t e c h n i ci n s t i t u t e ) 针对发生自然灾害 时的疏散，开发出t e d s s 运输疏散决策支持系统。该系统是以疏散率模型为基 础，并利用所得的疏散时间进行更仔细的交通分配分析。该系统包括系统控制、 数据库、仿真程序和图形显示等四部份，并利用路网均衡分配模型计算每条路径 的流量【5 】【6 】。其最大的缺点是利用路网分配的模型来假设每一条路径的离开率， 此方法无法反应路网交叉口的混乱状况，并且图形表现方法也无法显示每个路段 在疏散过程中的车流情况。 1 4 交通疏散的国内外研究现状 自美国“9 1 1 ”恐怖袭击之后，政府应急指挥体系建设越来越受到国际社会 的关注，各国政府都加大了对处置突发事件的研究力度。除了从预防的角度加强 对制造恐怖事件的侦查力度外，同时也投入大量资金研究一旦事件发生，如何采 取最有效的疏散撤离措施，将突发事件带来的损失降低到最小。9 l l 之后，世界 各国的交通应急研究主要集中在以下三个方面：应急疏散预案研究；关键基础设 施的监视和保护；促进各组织之间的协调、通讯与合作。而我国政府在2 0 0 3 年 爆发“非典”危机之后，认识到建设应急指挥体系，制定各类突发事件应急疏散 预案的重要性，2 0 0 4 年国家开始制定各类突发事件的应急预案。 8 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 4 1 国外研究现状 应急疏散路径选择及其相关内容，作为疏散预案的重要组成部分，国外的相 关机构和学者进行了大量的研究，欧美一些国家，特别是美国起步较早，研究也 较为成熟。 f a n gy u a na n dl d h a n 用v i s s i m 模拟了美国田纳西州核电站的紧急交 通疏散川。在研究中，他们运用动态交通分配模型选择疏散路径，以基于最短行 程时间考虑的最优目的地选择模型进行交通疏散。他们的研究表明，在紧急交通 疏散中运用动态交通分配模型选择疏散路径，并且以基于最短行程时间考虑的最 佳目的地选择模型来进行交通疏散，对于缩短总体疏散时间，效果要显著优于静 态交通分配和静态目的地选择方法。 y a m a d a 运用最小成本流问题来对区域行人撤退至避难所进行交通分配。 y a m a d a 给出了最短路撤退规划的定义，即全部撤退者撤离至所有避难所的行程 总和的最小化【8 】。这种方法也适用于简单路网情形，即在最短路网行程距离的假 定下，路网中每个车辆均行驶至距其最近的撤退区域出口撤离。但在复杂路网中 分配车辆到离其最近的疏散出口容易引起严重的交织和拥堵。同时，这种方法在 实践中也很难实现，因为撤退管理者必须将有关最近的出口和最短路的信息传达 给所有的司机，并且所有的被疏散者都自愿服从这种疏散方案。 c a m p o s 提出了一种k 一最短路方法来确定最优的独立撤退路径，认为个人选 择的路径如果具有更大的通行能力和更短的行程时间，则是较优的【9 1 。最优撤退 路径通过每条连通路径的起点和终点之间路段的最大容量和行驶时间之比来确 定。 t h o m a sj c o v a 和j u s t i np j o h n s o n 提出了一个基于车道的网络流模型，用于 选择在复杂路网中进行紧急撤退的最优路径。该模型认为交叉口车流交织和冲突 是导致撤退拥堵的主要原因。模型的主要目标是使被疏散车辆通过距其最近的路 线出口撤离疏散区域，同时通过控制或改变交叉口车道的通行状态，减少被疏散 车流在交叉口的交织和冲突，从而减少紧急撤退情况下交叉口的延误【1 0 】。但是该 基于车道的网络流模型，着重考虑交通流在交叉口的相互作用对疏散效果的影 9 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 响，而不是以精确的最短路径来衡量撤退效果，并且没有限制紧急疏散的时间。 因此，模型的输出结果对诸如车辆数量和车道容量这些输入变量的敏感性较低， 这有利于紧急疏散的短期规划和预案制定。c o v a 研究的模型能够为紧急疏散规划 提供技术支持，但还需要在实践中进行更深入的研究和发展。 y i n gl i u 提出了一个双目标综合优化疏散模型，用于在应急疏散仿真平台上 生成最优的初始疏散方案。该模型的优化目标分为两个层次，即最高目标是将疏 散期间的所有有利因素最大化，最低目标是减小整个系统在疏散过程中的行程时 间和等候时间。该研究具有较高的实用价值，有助于规划者在各种情况下较快得 到优化的疏散方案【i l j 。 1 4 2 国内研究现状 对于我国在应急公共事件方面面对的严峻形势和存在的问题，党中央、国务 院高度关注，目前已完成国家总体应急预案、专项应急预案、部门应急预案，基 本覆盖了我国经常发生的突发公共事件的主要方面。此外，我国省级突发公共事 件总体应急预案的编制工作也已完成，许多市、区( 县) 也制定了应急预案。应 急预案对突发公共事件的预测预警、信息报告、应急响应、应急处置、恢复重建 及调查评估等机制都作了明确规定，形成了包含事前、事发、事中、事后等各环 节的一整套工作运行机制。 国内相关机构和研究学者对应急疏散路径选择及其相关内容研究较晚，但也 取得了一定的成果。 东北大学温丽敏2 0 0 0 年以“重大事故应急疏散研究”为题，首次系统探讨 了有毒物质泄漏情况下的人员疏散和组织技术问题【1 2 1 。在温丽敏的研究中通过引 入路径当量系数和毒物危害惩罚系数，把疏散路径的选择转化为求解理想模式下 静态最短路的数学规划问题，对在紧急状态下路段及交叉口的交通特性，紧急交 通控制、拥挤延误以及行人和驾驶员的非常态行为特征及相互影响均没有考虑， 不符合紧急状况下交通的不确定性、偶然性和交通需求的大幅度增长特性，与实 际情况下的应急疏散有一定的差距。 1 0 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 近两年来北京工业大学结合北京2 0 0 8 奥运交通需求与规划，做了许多相关 的研究：许焱做了奥运交通紧急事件管理系统规划研究并提出了系统框架的开发 方法，从组织机构、道路、人员、车辆等角度研究了建设奥运交通紧急事件管理 系统的基础条件。利用智能交通系统框架开发软件t u r b o a r c h i t e c t u r e 开发了奥运 交通紧急事件管理系统的体系框架，制订了交通阻塞、轻微交通事故、严重交通 事故和奥运专用车辆故障等紧急事件的处理预案。但缺少对突发事件的应急交通 疏散的深入研究。 卢兆明等提出了基于时变动态流的网络优化模型，该模型以最短疏散时间为 目标函数，同时对疏散路径、疏散目的地以及疏散开始时间进行优化。并以此优 化模型为基础，初步建立了基于g i s 的大规模应急疏散系统【”】。该系统可以模拟 优化各种灾害条件下最优应急疏散策略，为政府有关部门在城市建设和城市防灾 规划中的决策提供科学依据，也可用于城市应急规划设计和实时应急管理指挥。 当前，国内对交通疏散的研究，多停留于有关疏散目的与原则的定性研究， 理论深度不够。有关部门有针对性地制定了一些事故应急救援对策或预案，总体 而言，这些预案的内容不完整，缺乏技术性、实用性和可操作性。对于需要应急 疏散的研究尚处于探索阶段，特别是其中关于疏散路网的交通需求、分配、路径 选择与优化、拥挤延误、疏散时间和效果的专业技术研究，国内还比较匮乏。 1 5 课题研究目的与内容 1 5 1 研究目的 交通疏散系统中，如何改进疏散系统的效率与效能是十分重要的，因此针对 交通疏散的算法的研究与设计显得尤为重要。 本文研究目的是：其一，通过分析前人所设计的疏散算法和模型的特点和不 足，并分析应急交通流在路网的动态行驶过程，从而研究高效率的基于动态流面 向多种优化目标的交通疏散算法；其二，通过设计面向疏散的应急交通诱导模型 以及算法，为高效地疏散交通服务；其三，设计和实现符合灾难和交通路网实际 状况的交通疏散系统，为城市管理人员提供突发灾难下的应急交通疏散决策支 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 持。为此所建立的城市应急交通疏散系统，就是利用计算机系统对已确定的重大 危险源的原始数据和事先预测事故发生后利用高效的疏散算法提供多目标最优 化的交通疏散支持，并且提供对突发灾难条件下的实时、高效的应急交通诱导， 优化出所需疏散方案，提供给事故指挥者进行紧急处理的决策支持。系统的开发， 不仅可以高效、准确、迅速地提出交通疏散方案和诱导对策，直观地显示在决策 者面前。 1 5 2 研究内容 国内外大部分研究的共同相关问题是描绘灾难发生期间交通变化的实际能 力，强调改变交通疏散的实际条件，从而开发用于解决某个地区或者城市道路网 络最优的疏散方案的高效率算法，而不是关注应用于实际的交通路网和实际的应 急交通环境，并且很少的研究既关注路径选择又关注交通分配的疏散方案。 本论文研究利用信息技术解决突发事件，提高应急反应能力，快速反应，在信 息系统支持下，对于发生紧急事件的场所，做出更为科学合理的判断，迅速生成人 员疏散对策，为疏散指挥提供可靠的信息和科学的方案，最大限度的减少灾害的 损失。 本文研究的主要内容是： 第一，在阅读大量文献的基础上，系统地阐述课题的研究背景、意义和国内 外研究现状，介绍知名的交通疏散系统和交通疏散算法，并分析它们的基本思想 及特点以及所存在的不足之处，并对交通疏散系统和算法进行比较。 第二，根据应急交通网络流和实际交通道路网络的特性，提出能表示这些特 征的存储结构，并分析了交通流在道路上的动态行驶过程，计算车辆在路网中的 动态行驶时间。在这些工作的基础上，论文提出了面向应急的交通疏散系统框架， 分析该框架的特点，并对这个框架中应急疏散、应急交通诱导两个核心部分的研 究目的和内容进行分析。 第三，论文基于交通动态流和实际的交通路网特性提出面向多源多汇和多个 优化目标的交通疏散算法，并对算法进行分析。将传统的最短时间路径算法应用 1 2 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 到交通