（交通运输规划与管理专业论文）遗传算法求解城市公共交通平衡配流模型的研究.pdf

北方交通大学硕士学位论文摘要 y3 4 9 5 9 遗传算法求解城市公共交通平衡配流模型的研究 摘要 公交拥挤是发展中国家和发达国家普遍存在的现象，尤其是 在我国特大或大城市( 如北京和上海) ，公共交通已成为城市交 通和经济发展的瓶颈。优先发展大城市公共交通已成为各国的共 识。因此关于拥挤条件下的公共交通平衡配流问题的研究，不但 具有很重要的理论价值，而且具有非常重要的应用价值。 公共交通平衡分配( t r a n s i te q u i l i b r i u ma s s i g n m e n t ) 问题是 指如何将公交o d 交通需求合理分配到网络中的各条路段或路线 上去，换句话说，就是寻找公交网络的平衡流分布。 f f 不同于道路网络中的私家车车辆可以自由选择行驶路线，来 达至b 费用最少的目标，而公交服务系统中的所有公交车辆则是沿 着固定线路行驶，乘客的选择原则是使总的出行费用最少。在拥 挤状态下，公交线路的费用随着拥挤程度的增加而增加。在高峰 期，费用会急剧增加。而且不同线路、不同发车频率的公交车辆 之间会产生竞争机制，乘客等车的过程，同样也是不断修正决策 的过程。直到各条线路的费用趋于平衡。也就是说，拥挤效应的 存在，使得公交乘客的选择原则在实现过程中与公交系统提供的 服务之间不断地进行着交叉的变化和影响。研究公交平衡流分 配，就是要找出最佳的流量分布，以达到预定的某种目标。如此 必须借助于一定的数学模型和算法来模拟和再现这种竞争机制， 估计网络上的交通流量的合理分布，即研究拥挤状态下的流量平 衡分布，从而为决策部门提供科学的依据。这就是本论文的主要 研究目的。 o 本论文主要研究了用目前解决大规模和复杂问题的全局快速 搜索的遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，以下简称g a ) 来求解拥挤 状态下城市公交网络平衡配流模型问题，针对不同的算例进行了 数值实验，对计算结果进行了分析，得出了初步的和合乎实际的 结论。 体文的第一章主要阐述了研究公交平衡配流的意义。第二章1 7 、 t 北0 交通大学硕j + 学位论文 摘要 r 剌用系统工程的观点，分析了公交网络系统的运行过程。 第三章简要介绍了基本交通配流模型和g a 的基本原理、约 束函数优化问题的g a 的实现过程。 第四章首先介绍了公交的用户平衡( u s e re q u i l i b r i u m ，以下 简称u e ) 配流模型。在此基础上，重点研究了用g a 求解城市 公共交通平衡配流模型。从而提出了嵌入g a 的对角化算法，并 针对不同拥挤程度的路网进行了验证。 第五章首先介绍了基于l o g i t 模型并考虑能力约束的公交随 机用户平衡( s t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u m ，以下简称s u e ) 配流模 型。在此基础上重点研究了用g a 求解城市公共交通随机用户平 衡配流模型，从而提出了用实数编码的g a 求解这一模型，并用 算例对网络进行迭代搜索，结果表明相对于一般的方向搜索算 法，在解决大规模网络配流问题上，g a 能克服运行效率下降很 快的问题。 另外，为保持本文的完整性，本论 一些相关知识，供读者参考。1 石 斑词鞣冀挈遗传算法f 弓芒她乎琏i 雪 ( i 文还以附录的形式给出了 道野 一一、 ，随机用户平衡 一 专讲韦交 ， j ! 互奎望奎兰塑兰兰垡堡兰 垒! ! ! ! ! ! ! a b s t r a c t t h ec o n g e s t i o no fp u b l i ct r a n s p o r ti st h ec o m m o np r o b l e mf o r n e a r l ya l lt h eb i gc i t i e so f t h ew o r l d ，e s p e c i a l l yi nb i gc i t i e s ( s u c ha s b e i j i n ga n ds h a n g h a ii n o u rc o u n t r y ) t h ep u b l i ct r a n s p o r th a sb e e n b o r l e n e c ki nu r b a n t r a n s p o r t a t i o na n de c o n o m yd e v e l o p m e n t i nm a n y c o u n t r i e s ，i th a sb e e nd e t e r m i n e dt h a t p u b l i ct r a n s p o r ts h o u l db e d e v e l o p e d a st h em o s ti m p o r t a n t p a r to f t h ew h o l e u r b a nt r a n s p o r t a t i o n t h e r e f o r e t l er e s e a r c ho l lt r a n s i te q u i l i b r i u ma s s i g n m e n to f c o n g e s t e d n e t w o r k ，i so fg r e a tv a l u eb o t hi nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n t r a n s i te q u i l i b r i u ma s s i g n m e n ti st oa s s i g nt h eo dd e m a n dt o e a c hl i n ko rl i n eo ft h et r a n s i tn e t w o r kp r o p e r l y i na n o t h e rw o r d ，t o s e e kt h ee q u i l i b r i u mf l o wp a t t e r no f t h et r a n s i tn e t w o r k d i f i e r e n tf r o mp r i v a t ec a ro fr o a dn e t w o r k ，t r a n s i tv e h i c l e sd r i v e f o l l o w i n gs c h e d u l e dr o u t e ，a n dt h eo b j e c t i v eo fp a s s e n g e rc h o o s i n g r o u t eo rl i n ei st om i n 蕊z e sh i st o t a lt r a v e lc o s t t h ec o s ti sn o tf i x e d i tw i l li n c r e a s ew h e nc o n g e s t i o ne f f e c ti n c r e a s e s d u r i n gp c a kh o u r p e r i o d s ，t h ec o s tw i l li n c r e a s es u d d e n l y ，v e h i c l e so f d i f f e r e n tl i n e sa n d w i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c yp a s s i n gt h es a r n es e c t i o nc o m p e t ew i t he a c h o t h e rf o rt h es a m ec , o m n l o n c a p a c i t y t h e r e f o r e 也ep r o c e s s o f p a s s e n g e r sw a i t i n gf o rb u si sa l s ot h ep r o c e s so fm o d i 聊n g h i so w n s t r a t e g yu n t i lc o s t so fa 1 1t h er o u t e sa t t a i nt oa l le q u i l i b r i u ms t a t e t h a t i s ，u n d e rc o n g e s t i o nc o n d i t i o n ，t h ep r i n c i p l e so fp a s s e n g e r sc h o o s i n g r o u t e si s a l w a y si n f l u e n c e db y 恤es e r v i c c s o f f e r e db y 血et r a n s i t s y s t e m s i nt u r n t h e s e r v i c e so f f e r e d b y t h et r a n s i t s y s t e m s i s i n f l u e n c e db yt h eb e h a v i o ro f p a s s e n g e r s t h ei n f l u e n c e sb e t w e e nt h e t r a n s i ts y s t e ma n dp a s s e n g e r sk e 印c h a n g i n gc o n t i n u a l l yf r o mo n et o t h eo t h e r 1 1 1 i sp a p e r 。sm a i no b j e c t i v ci st os e e kt h ef l o wp a t t e r no f e q u i l i b r i u ms t a t eb yf o r m u l a t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dd e s i g n i n g a l g o r i t h m s i nc h a p t e r1 ，t h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ho nt r a n s i te q u i l i b r i u m a s s i g n m e n tp r o b l e m i sm a i n l yi l l u s t r a t e d i nc h a p t e r2 ，h o wt h et r a n s i tn e t w o r k o p e r a t e si sa n a l y z e db y v i e w 北方交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t o fs y s t e me n g i n e e r i n c h a p t e r3 ，t h e s t a n d a r du s e r e q u i l i b r i u mm o d e la n dt h e p r i n c i p l e o fg e n e t i c a l g o r i t h m ( g a ) a r ei n t r o d u c e d ，t h e n t h e r e a l i z a t i o np r o c e s so fg a s o l v i n g f u n c t i o no p t i m i z a t i o n p r o b l e m w i t h c o n s t r a i n t si sg i v e n i nc h a p t e r4 ，at r a n s i tu s e re q u i l i b r i u m ( u e la s s i g n m e n tm o d e l a l g o r i t h m f o r c o n g e s t e dn e t w o r ki s i n t r o d u c e d t h e n g af o rt h e t r a n s i t e q u i l i b r i u m a s s i g r m 1 e n tm o d e l i sd i s c u s s e d a n dt 1 1 e d i a g o n a l i z a t i o nm e t h o dc o m b i n e d 晰t hg a i sp r o p o s e d f i n a l l y t h e a p p l i c a t i o n so f t h em o d e la n da l g o r i t h ma r et e s t e dw i t hn e t w o r k so f m i l d c o n g e s t i o n a n dh i g h c o n g e s d o n i n c h a p t e r5 ，a s t o c h a s t i cr i s e re q u i l i b r i u mf s u e ) a s s i g n m e n t w i 也b o t t l e n e c k sb a s e dt h el o g i tm o d e li si n t r o d u c e d t h e ng af o r t h et r a n s i ts u ea s s i g n m e n tm o d e li sd i s c u s s e d t h e ng aw h i c hi s b a s e df l o a tc o d ei sp r o p o s e dt os o l v et h em o d e l ，a n di t sa p p l i c a t i o ni s i l l u s t r a t e dw i t hn u m e r i c a le x a m p l e so fn e t w o r k so fd i 脑r e n ts c a l e i ti s p r o v e dt h a tf o rb i gs c a l en e t w o r ka s s i g n m e n tp r o b l e m s ，g ai sm o r e e f f i c i e n t 山纽t h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m ss u c ha sf r a n k - w o l f ei nt e r m s o fa b i l i t yt oi m p e d et h eq u i c k l yd e s c e n te f f i c i e n c yd u r i n gt h ef i n a l s t a g eo f t h e i t e r a t i o i l s a d d i t i o n a l l y , f o rt h ep a p e r sc o m p l e t e n e s s ，r e l e v a n tk n o w l e d g ea r e g i v e n i nt h ea p p e n d i x e s k e y w o r d st r a n s i tn e t w o r k u s e r e q u i l i b r i u m g e n e t i ca l g o r i t h m c o n g e s t m n s t o c h a s t i cu s e r e q u i l i b r i u m 北方交通大学硕士学位论文 第章绪论 第一章绪论 城市具有居住、工作、游息和交通四大功能。交通在其中 起着重要的纽带的作用，直接或间接地影响着城市的、社会的工 作效率、经济效益和城市居民的生活环境，它是城市地区的工商 业、居民工作和日常生活等正常运转必不可少的条件，是城市这 个有机体的大动脉。 1 1 城市交通系统的构成 系统的结构是指系统内部相互联系的各种要素的稳定组合 形态( 如排列次序、空间配置、聚集状态、联系方式以及各要素 之间的相互影响) 。 城市往往是一个内外循环的区域交通的起讫点，因而城市 交通运输系统包括城市内部交通运输系统和城市对外交通系统。 城市通过铁路、公路、水运、航空、管道等交通运输方式完成与 城市外部地域的人流和物流的交换和移动。城市内部交通运输主 要是指地面和地下的公共交通电、汽车、快速轨道交通( 地铁、 轻轨、市郊铁路) 、私人机动和非机动交通、单位自有客货运输 和专业化货运交通等，个别城市有水路交通，它们起着内外交通 的消化作用。 城市内部交通系统一般又称为城市交通或城市道路交通， 而本文的研究对象是城市交通的子系统一公交系统。与公交系统 并列存在于城市交通系统中的非公交系统称为社会交通，包括个 体交通、单位交通。其中的个体交通又包括自行车、私家车，单 位交通包括客车、卡车等。公交系统大致分为两类：定线交通和 非定线交通。前者包括公共汽车、无轨电车、地铁及其它形式。 后者指的是出租车。 根据运输对象的不同，城市交通可分为两个子系统客 运系统和货运系统。这两个系统是相互联系不可分割的，尽管运 输对象不同，但是它们大多使用共同的运输建筑物和服务设施。 城市客运系统根据管理体制可分为公共客运交通、集团客运系统 和个体客运交通三种形式。 1 2 目前我国大城市交通存在的问题 北方交通大学硕士学位论文 第一章绪论 当前，我国城市交通发展正处于转折阶段，在汹涌的城市化 和城市机动车私有化浪潮的冲击下，城市交通设施正面i 临着前所 未有的压力，交通拥挤、停车无地、环境恶化己成为大城市的通 病。 目前大城市的道路和交通有如下特点： 1 1 道路容量不足 方面道路建设不断增加，一方面交通拥挤却没有缓解。高 峰期，城市中心区道路空间饱和度高( 接近1 ) ，平均行程车速 只有几公里川、时，市中心道路严重阻塞的路口数逐年增多，在 上海市，某些路段的空间饱和度超过1 ，高峰期长达6 小时。其 主要原因是：车辆的增长远远超过道路面积的增长的速度。据统 计，1 9 7 8 1 9 9 5 年我国的机动车辆的增长速度是公路里程增长速 度的8 1 倍。1 9 7 8 1 9 9 3 年我国城市道路面积和长度分别增加了 3 7 倍和2 9 倍，人均道路面积从3 4 平方米增长至6 5 平方米，但 同期，城市汽车增长了5 7 倍。城市汽车年平均增长率为 1 5 - 2 0 ，有的城市高达3 0 ，并且有继续增长的趋势。而市中心 的空间已不能再增加道路面积，因而，交通紧张状况没有得到解 决，交通阻塞依然存在。 2 ) 交通出行结构不合理 据调查，上海市区1 9 9 5 年的公交与自行车的出行比例为4 0 ： 6 0 ，而十年前这一比值为5 9 ：4 1 ，出租车和其它机动车方式虽 然在出行总量中所占比例不高，但分别增长了7 5 和2 6 倍。而 北京公共客运系统在城市日常出行中所承担的份额也不足4 0 。 这是因为公交线路设计不合理，居民乘车出行步行距离长，等车 时间久，换车不便，公交车拥挤不堪，于是公交乘客一部分流向 个体交通方式，因而导致了道路上个体交通方式增多，加重了非 机动车的交通量，引发了道路拥挤阻塞的严重后果，继而交通拥 挤又迫使公交车辆受堵，无法准时运营，更加拥挤，服务水平下 降，居民更不愿采用公交方式出行，使大城市交通结构中，私人 交通工具的出行率不断提高，处于一种恶性循环中。 3 ) 交通管理水平落后 与发达国家相比，我国城市中的交通管理和交通安全的现代 设施极少，拿交通管理工程设施最好的北京与日本的东京作个比 较( 1 9 9 5 ) ，如表1 1 ( 以东京的数据为基准) ： 2 北方交通大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1北京与东京交通设施比较 北京东京 交叉路口的交叉信号机数0 3 01 0 交通标志数00 31 o 每公里交通标志数 01 5l0 人行横道数 0 0 4 8l0 人行天桥数 0 0 3 6 l0 地下人行过道数 0 0 5l0 交通管制中心控制的交叉口数 o 0 31o 事实上，落后的交通管理设施，使得交通管理水平也是低下 的。 在这种较落后的交通设施、条件下，我国城市交通的行人、 非机动车辆和机动车辆混合行驶的交通特点，使得交通组织、交 通管理、交通控制之间的矛盾更加突出，因而导致严重的城市交 通拥挤和堵塞，具体表现为：乘车出行拥挤、道路超负荷、平均 车速下降、交通事故频发，交通污染严重等。 而实践证明，仅靠增加道路长度和砸积，扩大路网规模来解 决日益增长的交通需求，是不能彻底解决这一问题的。因为道路 空间是有限的，土地空间也是有限的，尤其是城市中心。道路的 使用权首先应考虑的是单位时间内通过断面的人数，而不是车辆 数。况且新增道路大多在市区边缘或郊外，所以，不能单纯、被 动地增加道路等交通设施，去勉强求得暂时的供需平衡。特别是 人口密度高，交通需求总量大、已逐步开始进入汽车化时代的大 城市( 如北京、上海等) ，更应当分析现状，因地制宜、慎重思考 适合现代化交通产业可持续发展的策略和措施。 国内外许多交通阻塞问题严重的城市的多种实践表明，要 创造可持续的交通环境，是无法依靠大量的工程建设一劳永逸 的，更何况要受投资或能源、资源的限制。要适应动态的交通需 求，在持续进行交通建设的同时，必须通过管理来调节和发挥已 有设施的潜在能力。交通组织与管理的经济高效，体现在动态的 交通工具的数量、质量、运行方式与相应的交通基础设施及辅助 设施的和谐均衡。 1 3 公共交通的总体目标和在城市交通发展中的地位 建立适应飞速发展的现代化城市的公交系统，提高城市公 北方交通大学硕士学位论文 第一章绪论 交路网在整个城市活动的运输效率，与其它交通方式实现优势互 补，使城市交通发展与资源和环境相协调，保证城市交通的可持 续发展，这也是今后1 5 年我国城市公共交通发展的目标。 公共交通问题是城市的瓶颈问题，它的解决可以有效为其它 几种运输方式起很大的缓解作用，如果有便捷的公交系统，其它 车辆不会盲目增长，从而疏通了交通阻塞。许多国家已经意识 到，在城市交通发展体系中，要支持大运量的公共交通系统发展， 控制私人小汽车盲目发展并限制其使用。欧美各国已经经历了由 放任小汽车发展到重视公共交通建设的回归，从过渡追求个人行 动的偏向，调整到可持续发展的正确方向，其教训值得汲取，其 经验值得借鉴。 我国城市的基本特点是用地短缺、人口密集，任何城市交 通解决的方案都必须以此为约束，显然，公共交通方式是对土地 资源利用最有效的方式。因此，专家指出，建立以轨道交通为骨 干，常规公共交通为辅助的城市公共交通体系，是将来一个时期 内解决城市交通问题的唯一可行的办法。 在大城市和特大城市，主要的公共交通方式有公共电、汽 车和地铁。而快速轨道交通和公共电、汽车的优越性已从下面几 点得到证明： 可达能力。 花较少或相当的投资可提供较大的运载能力( 尤其在高 峰时间内) ； 能源消耗不到汽车的三分之一或四分之一； 危害( 噪音、空气污染) 至多为汽车的十分之一； 安全性至少高十倍； 空间占据约为汽车的十分之一。 目前，优先发展公交在许多城市已经初步落实到行动上， 包括四个方面的内容： 政策优先国家和地方制定优先发展公共交通的经济、产业、 投资和技术政策，包括有利于促进公共交通发展的票价、燃 油供应、税收和补贴政策： 规划优先在城市总体规划和交通规划中，优先考虑公交的 发展，优先落实公交发展用地，优先制定公交专项规划； 型垄兰望芝苎堑坠望型望垒茎一l = 蔓= 兰堕丝 建设优先优先实施公交项目，包括相关的道路建设项目、 轨道交通、 公交枢纽站与停车场项目和车辆更新项且，在 这些项目的工程设计中充分体现公交优先的原则： 管理优先在道路交通管理方面，优先考虑公交通行，设置 公交专用道，公交优先信号，允许单向路段上公交车辆的双 向通行等；政府对公交企业实行专营权改革等。 1 4 发展公共交通的对策 1 4 1 优先发展智能化交通 近年来，美国、日本和欧盟各国等一些发达国家对高速公 路和机动车的智能化问题进行了较多的研究，最早称为i v h s ( i m e l l i g e mv e h i c l e h i g h w a ys y s t e m ) 项目，取得了一批成果， 从而掀起了交通智能化的研究浪潮。目前，智能交通系统已成为 交通产业的发展方向。智能化交通实际上是利用高新的通信和信 息技术来提高交通运输效率，节约能源，保护生态环境，使全社 会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会经济效 益。 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s ) ， 其设计目标可以归纳为： 1 ) 提供路由指南和导航信息： 2 ) 收集、处理和传送最新的、动态的交通信息： 3 ) 提供紧急呼叫、快速救援； 4 ) 检测安全因素、监视车前路况； 5 ) 监控交通流量和交通信号，减少停留时间； 6 ) 提供不同交通运输工具之间的联合选择信息； 公交系统引进i t s 技术，利用先进的计算机通讯监视和控 制手段，使公交达到乘客一公交车辆一道路综合协调，能提高运 输能力，节约出行时间，这是彻底解决城市交通的瓶颈问题。因 此，公交定要置于发展的首位，公交的智能化是当务之急。 近年来，美国在公交车队的管理方面，以车辆、提高服务 ( 供给) 效率与质量和乘客安全为核心，积极吸取各种基于车辆 的智能公交系统a p t s ( a d v 锄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 ) 技术以及车辆和车队调度运营的新理念，提高了公交的有效性和 可靠性，使公交方式对潜在的乘客和服务区更具吸引力。在通讯 技术方面在传统的模拟方式地面移动通讯系统的基础上，尝试使 北方交通大学硕士学位论文第一章绪论 用低轨道地球卫星系统、f m 副载波r d s 系统、个人通讯系统、 发散频谱系统、共享频谱系统等通讯系统，并利用和开发地理信 息系统、车辆自动定位系统、乘客自动计数系统、公交运营软件 系统、综合乘客信息系统、自动电子收费系统、高占有率车辆 ( h o v ) 自动监控系统等。为乘客提供的信息渠道是多元化的， 车站、车辆运行中、步行中甚至在家中、办公室里通过多种媒介 ( 国际互联网、热线电话、查询亭) 都可以得到实时动态的公交 各方面信息，同时，在不同营业时间、不同公交公司之间以及其 它交通部门之间、公共汽车沿线设施之间可以进行横向信息的提 供。 庐式汐一吣 仨 图1 2 公交i t s 系统概念图 目前，日本东京公交系统通过应用车辆实时定位跟踪、计算 机辅助制定运营计划、实时调度指挥、站台旅客信息服务等i t s 技术，使运营的车辆数减少了约1 5 ，精简了司乘人员，并且 由于乘客信息服务系统的完善，已经阻止了公交客流的下降趋 势。 我国的杭州市已在1 6 路公交线上开发了公交信息智能系 统，通过卫星定位系统，可以跟踪车辆，获得到站时间，同时， 驾驶员可以通过发报设备将车辆拥挤状况、车内争吵情况、交通 事故状况、交叉口阻塞情况告知调度、控制中心。可以说，实施 这一系统后，反映很好。 具体而言，智能公交系统主要包括三个部分： 1 ) 交通监控系统：在公交线路上使用g p s 全球定位系统卫星 调度，保证运行中的公交车辆经i t s 系统的检测器反映到控 制中心，控制中心有效控制交叉路口的交通信号，使得公交 车辆在市区交叉路口的停留时间最少。或在道路上设置牌照 自动检验设备，信号机很快显示通过信号，使公交车辆优先 6 北方交通大学硕士学位论文 第一章绪论 通过。驾驶员也可以通过车内的系统将车辆运行情况报告给 控制中心，并获得前方路段的路况，降低事故发生率，提高 准点率。 2 ) 公交信息服务：在公交车站或交通枢纽地带设置可变信息显 示牌，实时动态地提供最新的交通状况和服务信息，提供各 条线路的站名时间和票价，为乘客提供方便。公交车内实时 显示到站时间及相关的旅行信息。 3 ) 电子收费系统：乘客用磁卡在自动售票机上刷卡付费。目前 有一种新型的无接触式的智能卡，只需要靠近收费口，依靠 红外检测手段就可以自动计费。可制作月票、季票和年票， 供乘客长期使用。比传统的计费售票方式，减少了成本，能 有效杜绝逃票，也方便了乘客。 1 4 2 建立综合集成的公共交通体系 建立立体的、多方式的综合公共交通体系，是解决城市 交通问题的根本出路。国外许多大城市的实践表明，要实现 城市交通的可持续发展，必须制定与现有的城市土地利用方 式、城市规划、环境容量相适应的综合交通运输体系。而这 一系统的建立应实现3 个方面的最优化：最少的资源( 包括 土地) 和能源消耗：最低限度对环境和生态的影响；利用综 合交通效益最好的交通工具，实现交通系统的s c s ( s a f e 安 全、c o m f o r t 舒适、s p e e d 速度) 。 1 、优化的综合交通系统 当前，汽车化程度较高的发达国家已将注意力投向较高 的运量成本比、较低的占地和能耗以及相对较少的污染( 内 燃机车低污染排放，电能的隐性污染为产生地集中排放，易 处理) 。城市轨道交通和电气化公共交通正适应了这些优点。 它们的优势体现在大运量的、快捷的服务和低污染、低耗能 上( 见表1 2 ) 。 表1 2 各种交通方式能耗与环境污染比较( 以市郊铁路为基准) 从表1 2 可以看出，市郊高速铁路和城市轨道交通应当 北方交通大学硕士学位论文 第一章绪论 成为城市综合运输体系的中心，在此基础上，充分发挥其它 交通方式的辅助作用。服务区域广、运量大的公共汽车，灵 活、便捷、省能源、无污染的自行车，门到门服务、机动性 强的小汽车等在各自合适的范围内发挥作用，成为城市轨道 交通的必要的补充。 2 、公共交通枢纽的规划与建设 全面规划城市公共交通系统内各种具体方式相互之间的 配置和连接，与其它交通方式的衔接，发挥不同交通方式的 技术经济优势，最重要的是要搞好公共交通枢纽的建设。 表1 3“枢纽”的系统内部结构 联合交通方式硬件设施配套软件 公共电、汽车与公公共电、汽车终点 共电、汽车站与换乘枢纽的建 公共交通相互之间 设 友行电子通票 铁路与公共电、汽站前广场换索枢纽 统一票价 铁路与铁路( 无抉相互直通运行 乘) 铁路与铁路( 换共用站台 乘) 与小汽车站舸停车场建设 公共交通与其它交 与自行车站前自行车停车场 通方式之间 建设 与步行公交线冈优化设 计终点设施建设 表1 3 所示的是以轨道交通及地面公共交通为核心的城市交 通一体化的系统，显然集成的公共交通枢纽可以缩短人们 出行的时间，方便人们的出行，提高整个城市的运转的效能。 i 5 研究城市公共交通网络配流的意义 本章前三节从多个角度，从理论和构想方面，论证和分 析了上述途径和有关的具体措施，是解决目前存在的且日益 突出的城市交通问题的根本的、有效的出路。 而在实际中，大城市交通拥挤的原因是多方面的，从道 路系统和流量系统、管理系统三个方面来看，道路系统的能 北方交通大学硕i 学位论文 第一帝绪论 力虽然每年都在增加但是仍然满足不了日益增长的需求， 管理水平远远达不到科学化和法制化的要求。就我国目静城 市发展的情形看，立足优先发展交通，搞好城市综合交通规 划，在可能的资金、资源条件下，做好城市交通系统的建设、 布局和运营。尤其是解决长期以来，公共交通不能充分发挥 其自身优势的问题，从整体上作出最佳的安排，还要依靠于 系统工程和计算机来完成复杂的城市道路规划和公交线路的 设计、优化。 城市公共交通线路上流量的合理分布，可以有效g l 导合 理出行需求，并减少跨区性交通生成量，缩短出行距离，使 交通均衡分布；另一方面，能充分利用公交运输能力，节约 整个社会的公共交通出行成本。 面对网络设施落后和资金短缺的现实，研究公交网络流 量分配模型和算法的意义在于通过优化计算，根据一定的网 络最优性指标，寻找拥挤条件下城市公共交通网络上的流量 合理分布和平衡流量模式，为交通决策和规划部门以及公共 交通运营组织部门提供科学数据和和制定有效的线路分流方 案，使有限的资金发挥最大的效益。 综上所述，研究拥挤城市公共交通网络平衡配流问题的 意义有以下几点： ( 1 ) 从解决目前我国特大城市、大城市普遍存在的公交 乘车拥挤状况的角度来说，从系统工程的观点出发，研究拥 挤城市公共交通网络平衡配流问题，寻求缓解整个或局部公 交网络拥挤局面的对策和方法，是十分迫切的，也是行之有 效的。 ( 2 ) 从城市交通规划的角度来说，研究拥挤城市公共交 通网络平衡配流问题可以得出最优的网络流量分布，和线路 建设投资方案，供交通部门和决策、研究人员比较、参考。 而这一步是决定整个城市公共交通网络优化是否成功的 关键一步。 ( 3 ) 从我国的经济基础薄弱而导致整个城市交通投资的 有限性来说，研究拥挤城市公共交通网络平衡配流问题可以 使国家有限的资金投入取得最佳的投资效益。 北方交通火学碗j - 学位论文 第二章城市公共交通恻络淹量平衡舒析 第二章城市公共交通网络流量平衡分析 2 1 城市交通系统的系统分析方法 许多工程中常用的传统分析方法是把系统的某部分与系统 分离，单独进行分析。这种方法用于分析交通系统发生微小变化 所产生的影响时是可行的。例如，路口的单点定周期交通信号的 配时问题仅仅考虑了该路口的交通情况，而通常不考虑相邻路口 交通变化的影响。同样在分析停车规则、交叉口设计以及运输系 统中的其它变化时，也仅仅考虑了最直接的环境。 而在实际的交通系统中，各单元之间总是相互作用的，当所 分析部分的变化较大时，那么这种变化不仅会影响到正在变化的 部分而且还会波及到系统的其它部分。例如，为了改善一条十 分拥挤的街道上的交通阻塞状况，建设部门考虑拓宽该路并且根 据从前的交通量与拓宽后拥挤程度减小的交通流量，计算出了车 辆节约行驶时间的经济效益。可是按这一方式计算的工程效益就 可能导致错误，原因是没有考虑这一道路的拓宽对整个交通网络 流量分布的影响。 其一，过去不走这条街道的司机，现在由于情况变好了，会 选择它，从而拓宽后的新道路上的拥挤程度也许不会象预料的那 样得到大幅度缓和，或许反而会提高：其二，这条道路的条件改 善会使得与它前后相邻的街道变得更拥挤；其三，与这条道路平 行的道路上的流量会减小，这是流量平移的结果：其四，在整 个路网上其它部分行驶的司机由于意识到交通流量的这种变化而 相应地调整其行驶路线，路线的变化导致全部网络路段的流量变 化又促使司机进一步改变路线。这种连锁反应的强度是逐渐变 小的，经过一段时间后，系统稳定在一个新的平衡状态，但这种 状态同以前相比或许并没有什么明显的改善。 上面的例子说明了道路网的改变会导致交通流量分布的变 化。 根据耗散结构理论，交通系统是一个非平衡系统，它并不存 在一个初始态。许许多多的使用单位分散进行的交通选择行为( 路 线、交通工具、目的地选择等) ，造成系统状态的演变。当系统 存在随机干扰的情况下，只要按照出行费用最小的原则选择路线 的使用者占有一定比例，且具有一定交通情报条件，不论初期处 于什么状态，系统演变的结果都将以较大概率形成一种稳定态。 j 0 ! ! 查奎堡查! 兰堡士学焦论文第二章城市公共交通网络流量平衡分析 外界条件改变时，旧的稳定被打破，系统将进行新的自组织运动。 交通平衡模型所描述的正是这种相对稳定念可以称为“局域平 衡”( 文献【3 2 ) 。 2 2 城市公共交通网络流量的平衡分析 城市公共交通系统作为城市交通系统的一个子系统，既有城 市交通大系统的一般特点，又有其特殊性。 城市公共交通系统是由公交线路系统、流量系统和管理系统 组成的一个综合体。公交线路系统包括各种等级的公交电汽车、 地铁、城市铁路等和调度指挥设施：流量系统包含行驶在线路上 的各种车辆和乘客；管理系统则是指管理交通网络和流量的各种 规章制度。构成城市公交系统的三个子系统之间是相互作用的。 以线路系统和流量系统为例，良好的线路系统会使车辆和乘客流 动迅速，促进经济和文化发展，产生更多的出行需求，从而使原 来的线路系统能力不足，迫使规划和建设部门投资改扩建系统。 落后的线路如果不及时扩建，就会影响流量系统的运转，造成严 重的拥挤现象。 城市公交网络上的流量分布可看作是两种竞争机制作用的结 果。一方面，系统的用户一乘客努力使自己的出行费用最小，另 一方面，出行费用并不是固定不变的，而是在一定程度上依赖于 系统被使用的情况( 拥挤程度) 。连接某一o d 对的某条路径上 的出行时间( 或出行费用) 往往是由于拥挤产生的整体流量分布 模式的函数。换句话说，系统的用户作为需求方，试图通过选择 最佳路径来使其出行费用最小，而提供服务的公交系统作为供给 方，提供的服务水平与网络被使用的情况密切相关，流量越大， 乘客要实现其出行费用最小的目标遇到的阻力就越大。在自由竞 争机制下，路网费用分布的不断变化会促使乘客不断改变所走路 径，从而改变路网状态；而路网的状态的变化会使得路网费用分 布发生变化。以上变化将交替进行，直至路网达到一个特殊的状 态即平衡流状态。需求与供给双方总是处在相互影响和相互吸引 的对立和统一矛盾之中，这是系统状态的变化的根本动力所在。 系统地分析供给与需求之间的相互作用，寻找它们之间的平衡点 是十分重要的。 寻找不同环境下供给需求两个函数的平衡点，实际上就是 寻找流量在路网上的合理分布，在平衡点，系统达到一个稳态， 北屯交通大学硕士学位论文 第一哥城市公共交通列络流量乎衔分析 公交乘客不能单方丽改变其路径来降低其出行费用，也就是公交 u e 状态。 上面所说的公交u e ，假定系统中所有的乘客都试图选择费 用最小的路径，且能随时掌握整个路网的情况，在这种假定的条 件上的配流问题称为确定性配流。现实的城市公交网络中，普遍 没有完善的信息传导系统，甚至根本没有路网信息传导系统，因 此乘客在出行途中不可能及时了解到路网费用的变化情况，所 以，对路径的费用值只能是估计，在同一条路段上，不同的出行 单位对出行费用的估计值是不同的，将乘客对路段费用的估计值 与实际值之间的差别看作是随机变量，是合理的，在这种条件下 系统达到的平衡定义为随机用户平衡，即s t o c h a s t i cu s e r e q u i l i b r i u m 简称s u e 。s u e 是比u e 更一般的情况。如果把出 行需求看作是时时刻刻变动的函数，则研究的平衡配流问题就变 为动态用户平衡问题，即d u e ( d y n a m i cu s e re q u i l i b r i u m ) 。 2 3 城市公共交通网络描述 2 3 1 网络描述 网络是节点的集合和连接节点的弧的集合。它被广泛用于描 述各种有形的物理结构或无形的信息结构。 城市公共交通系统中的物理结构如公共汽车站、居民小区、 商业中心等均可用网络的一个基本元素一节点表示，而上述物理 结构之间的公交线路或公交路段( 在后面将给出具体定义) 就可 抽象为网络图上的弧( 有向弧) 。这样，实际的城市公交网络就 可以根据问题的需要描述出来。公交线路系统给乘客提供的服务 水平一般用阻抗来计量。它代表车辆在弧上的行驶距离、花费时 f 司、等车时间、票价、不舒适程度等。在整个阻抗中，拥挤延误 占有一定的比重，特别是当车站产生排队时，延误还会远远超过 车辆在路段上的行驶时间。因此，研究拥挤状况的公交配流问题 应在总阻抗中计入因拥挤产生的延误。 城市交通网络中的非定线交通流，在受到一定交通管制下 相对可选择行驶路线，而公共交通流按固定的路线行驶，使用的 路网是实际路网的一部分，还要涉及到乘客上网和下网的实际情 形。因而，应针对实际研究的问题描述路网。为方便问题，先提 出路网中的些基本要素的概念。 ( 1 ) 始点( o r i g i n ) ：具有出行要求和发生交通联系的地点； ( 2 ) 终迄点( d e s t i n a t i o n ) ：出行的终止点和交通目的地； 北方交通大学硕士学位论文 第二章城市公共交通网络流量平衡分析 ( 3 ) o d 对：起始点和终迄点的合称，表示一次出行过程的产 生和消失； ( 4 ) 路段( l i n k ) ：连接不同节点之间的弧； ( 5 ) 路径( r o u t e ) ：乘客为完成出行，在路网上连续移动所经 过的一系列路段( 弧) 的集合； ( 6 ) 阻抗( d i s u t i l i t y ) ：出行单位在弧上的行驶时间、行驶费 用、安全和舒适程度等，但主要是时间，时间往往被作为 唯一的计量依据。 s 图2 1 公交网络上( 下) 网结构圈 f 图2 1 是公交网络上( 下) 网的结构图。乘客的起点或 终点并不仅仅在抽象后的网络上，往往需要行驶或行走一段 时间后才能到达正规的街道和交叉口( 即上网过程) ，同样， 也要经同样的途径到达目的地( 即下网过程) 在利用城市公 交网络完成出行时，尤其如此，或许在某个节点( 车站) 换 乘另外的公交线路。所以，有必要单独对此进行说明。 图2 1 中，用a 、b 、c 和d 表示实际网络中的一个公 共汽车站，节点表示出行单位的产生及消失节点。从四个 方向来的乘客分别在a 、b 、c 和d 四个点下网或转乘另外 公交线。假设从醒面来的某位乘客在该站下车，即在占下车， 通过弧佃，e j 到达终点，佃，e j 称为下网弧，其阻抗 是行走这段距离的时间，若节点e 的出行者需要乘公交车， 他将通过弧佃，b j 或饵，c ) 进入网络，这两个弧称为 上网弧，其阻抗为行走这段距离的时间以及在车站上等待公 交车的时间之和。从西或南方来的出行者如果在此车站需要 北方交通犬学母i ：学位论文 第二帝城市公共交通埘络流量平衡分折 转乘公共汽车则分别使用弧佃，aj 和f c ，d ) ，此两条弧 称为转移弧，其阻抗是出行者从下车到等上另一辆公交车所