（交通运输规划与管理专业论文）城市动态交通流优化理论及模拟模型的研究.pdf

摘要 本论文旨在建立微观动态交通流模拟模型，对动态交通流理论和涉及微观 动态交通流模拟的诸多问题进行了深入的研究，主要包括如下几个方面内容： 动态交通分配中路段阻抗函数的确定方法：微观动态交通模拟模型中车辆旅行 时间的确定方法：线控系统优化技术：有通行方式限制的交通网络解算方法： 非时齐p o i s s o n 过程的动态交通流o d 矩阵的确定等。 ，为了对微观动态交通流进行模拟，本论文对车辆在动态情况下的个体 行为规律、对交通信号控制的机理、对交通网络的特性、对动态交通流理论以 及动态条件下交通网络的解算等问题进行了深入的探讨。在动态条件下路段阻 抗函数确定方法部分，指出了不能采用静态条件下交通流量而要采用交通荷载 作为动态交通分配的状态变量，给出了确定性条件下和随机性条件下路段阻抗 函数的计算方法。在微观动态条件下车辆旅行时间确定方法部分，对车辆在交 叉口的行为特征进行了详细分析，指出了某一车流与对向冲突车流交换通行权 所应遵循的规律。在计算车辆通过交叉口的行驶时间时，考虑了影响车辆通过 时间的各种因素，使计算公式能符合实际情况。在线控系统优化技术部分，以 使沿干线双向行驶的车辆延误最小为目标，建立了减少干线车辆延误和停车率 的相位差优化调节模型。在交通网络解算方法部分，提出一种新的求解有通行 方式限制的交通网络解算方法，作者称为“边标号法”，是交通网络优化求解 算法上的一次突破。在确定动态交通流o d 矩阵部分，采用曲线平滑处理技术， 给出了一个能反映一天中实际交通流变化情况x ( t ) 变化曲线，进而给出非时 齐p o i s s o n 过程的动态交通流o d 矩阵的确定方法。 在解决了微观动态交通流模拟所面临的诸多问题之后，开发出了具有诱导 功能的微观动态交通流模拟软件，可适用于多相位、多车道、混合交通流、带 立交、有通行方式限制的复杂交通网络。该软件集成了交通网络解算技术、交 通工程控制技术、动态交通流理论、最优化控制理论以及计算机技术，是整个 博士期间研究成果的结晶。该软件与其它已存在的交通流模拟软件相比的个 最突出的特点就是其具有适用于动态交通流情况下的交通诱导功自匕而不仅仅 具有交通流优化控制功能，在未来的i t s 领域有着广泛的应用前景。 关铡i 词：城市交通网络、动态用扇最优交通分配i 自卜动态系统层铰丧强k 一 分配( d s o ) 、交通荷载、相位差、绿波带、对偶图法、边标号法、先进先出规 则 a b s t r a c t t h i sp a p e rm o d e l sad 2 _ r n a m i c t r a f f i cm i c r o s i m u l a t i o nt o a n a l y s i sd y n a m i c t r a f f i cf l o w i tm a i n l yi n c l u d e ss e v e r a lp a r t sa sf o l l o w s ：t h ed e c i s i o no ft i m e f u n c t i o n st h a td e s c r i b eac a rt h r o u g hal i n kf o rd y n a m i ct r a f f i ca s s i g n m e n t 、a n a p p r o a c ho fd e t e r m i n i n gt h et i m eo f ac a rt h r o u g har o u t ef o rm i c r o s i m u l a t i o ni n u r b a nt r a f f i c s y s t e m 、a no p t i m a l o f f s e tm o d e lf o rt r a f f i c s i g n a l l i n ec o n t r o l s y s t e m 、a r e s e a r c ho f r e p r e s e n t i n gt r a n s p o r tn e t w o r k sa n dt h ed e c i s i o no f o d m a t r i c e sf o rd y n a m i ct r a f f i cf l o wa c c o r d i n gt ot i m e v a r i a b l ep o i s s o np r o c e s s i nt h ep a r to f p r o v i d i n gc a rt r a v e lt i m ef u n c t i o ni nal i n k ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fl i n kf l o wa n dp r e s e n t sf o r m u l a et oe s t i m a t el i n kt r a v e lt i m e sf o r d y n a m i c t r a f f i c a s s i g n m e n t i n t h e p a r t o fc a l c u l a t i n gt h et i m eo fac a rw h i c h p a s s i n ga nr o u t e ，i ta n a l y z e st h eb e h a v i o ro f as i n g l ev e h i c l ei na nu r b a nt r a n s p o r t n e t w o r ka n dp r e s e n t sm e t h o d so fd e c i d i n gt h et i m eo fac a rt a k e si nar o u t ew h i c h i n c l u d e st h r e ep a r t s ：t h et i m eo f p a s s i n gi nt h en o n - c r o w d i n g p a r to f ar o a d 、t h et i m e o fq u e u i n gb e f o r ea ni n t e r s e c t i o na n dt h et i m eo fp a s s i n ga ni n t e r s e c t i o n i ta l s o p r o v i d e s a w a y f o r c h o o s i n gt h es h o r t e s tr o u t ei nd y n a m i c t r a f f i cc o n d i t i o n i nt h ep a r t o ft r a f f i c s i g n a lo p t i m a lc o n t r o l ，i ta n a l y s e st h er u l e so fd u a l d i r e c t i o n st r a f f i cf l o w d e l a y a ti n t e r s e c t i o n sa n d p u tf o r w a r d a l lo f f s e ta d j u s t i n ga p p r o a c ht h a tm a k e ss u r et h e d e l a yo f t h et r a f f i cf l o wm i n i m a l l y i nt h ep a r to f r e p r e s e n t a t i o no f t r a n s p o r tn e t w o r k s ， an e wt e c h n i q u ed e v e l o p e db yt h ea u t h o rt or e p r e s e n tt r a n s p o r tn e t w o r kc a l l e d “l i n k m a r k e dm e t h o d ”i sp r e s e n t e d ，t h i sm e t h o d g r e a t l ys i m p l i f i e st h ec o d i n go fc o m p l e x t r a n s p o r tn e t w o r k s ，p a r t i c u l a r l yw h e nt h e r ea r et u r n i n gr e s t r i c t i o n s i nt h ep a r to ft h e d e c i s i o no f o dm a t r i c e sf o rd y n a m i ct r a f f i cf l o w , i tg i v e sac u r v eo f r e p r e s e n t i n g ( t ) w h i c hi s a c c o r d i n gt ot i m e v a r i a b l ep o i s s o np r o c e s sa n dt h em e t h o dh o w t od e c i d e o dm a t r i c e sf o rd y n a m i ct r a f f i cf l o w t h em o s ti m p o r t a n ta c h i e v e m e n ti st h es o f t w a r eo fd y n a m i ct r a f f i cm i c r o s i m u l a t i o n h a sb e e n d e v e l o p e d ，i ti n t e g r a t e s t h e t e c h n i q u eo fc a l c u l a t i n g t r a f f i c n e t w o r k ，t r a f f i cc o n t r o lt e c h n i q u e 、d y n a m i ct r a f f i cf l o wt h e o r ya n dc o m p u t e rs c i e n c e i tc a nb eu s e di nt h ed o m a i no f i t s k e yw o r d s ：u r b a nt r a f f i cn e t w o r k 、d y n a m i cu s e r o p t i m a la s s i g n m e n t 、 d y n a m i cs y s t e m o p t i m a la s s i g n m e n t 、t r a f f i cl o a d 、s i g n a lo f f s e t 、g r e e nw a v e b a n d 、d u a lg r a p hm e t h o d 、l i n em a r k e dm e t h o d 、f i r s ti nf i r s to u tr u l e s 第一章绪论 无论在发达国家还是在发展中国家，世界所有大城市几乎都面l 临同样的问 题：就是交通拥挤、阻塞，所谓“f a s tw h e e l s ，s l o wt r a f f i e ”1 。在中心城 i 1 】的一些街道上经常出现车辆以步伐的速度在移动，可以与马车相提并论。同 小的尔京美国的纽约、洛杉机，英国的伦敦，印度的赢迈，埃及的丌罗，我 ，i l g , 、上海、广州、重庆等大城市都普遍存在着不同程度的交通拥挤现象f l l 。 交通拥挤不但降低了劳动生产率，浪费大量的能源，汽车废气造成城市大气严 晕污染，给人们的生活和工作带来不便，而且制约了经济的发展。解决城市交 通拥挤问题已经成为交通研究人员、交通工程师和交通管理人员所致力的目标。 虽然在囡内外学术界和实践工作者都认为优先发展公共交通是从根本上解决城 ，1 j 交通 ) 】堵状况的唯一出路，但随着工业和经济的发展，人们生活水平的提高， 尼j e 随着城市规模和城市人口的不断增加，人们的出行需求和货物的运输不断 护人，城市交通系统所能提供的能力还是难以满足交通量增长需求，而城市用 j ：修建道路的空问有限，压缩汽车拥有量也不是解决交通拥堵问题的根本办法。 化使1 1 f e 统方法无法解决问题的条件下，人们开始从系统工程的观点出发，想 到r 川现代各种高新技术，尤其是现代通讯技术和计算机技术，将人、车、路 和环境有机地结合在一起成为一个智能式系统，这也就是在世界上刚刚兴起的 v 能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y n e m s ) 1 2 1 | ”l 。希望能够利用智能交通技术 术建起高效、快捷、安全、方便的城市交通系统。 研究智能交通i t s 的主要动力有如下几点 1 “：拥挤和事故造成的经济损失 ”浮夫，解决这些问题迫在眉睫：通过减少交通拥挤和事故，提高生产率：节 竹能渊和保护环境；高技术的发展和使用，丌拓新的产业。更重要的是现代科 支的b 速发展，尤其是随着计算机、通讯及电子技术等的同益成熟并走向产业 化，多媒体在社会各个方面的应用，信息产业已成为社会经济发展的一个重要 乃i f i i ，存这样一个大背景下，美、f = i 、欧等发达国家为了解决共同面临的道路 交通h 益拥挤，路网通行能力不能满足交通量增长需要的问题，相继推出了适 f h 未来运输需求的智能交通系统i t s 发展规划乜儿”】。目前，各发达国家都以国 断f j 场为重点，以解决交通安全性、运输效率、能源和环境问题以及舒适性等 为哭键环节，以现代电子技术为依托，倾全力进行相关技术的研究和开发，并 已陆续取得了一些阶段性成果。 “智能交通系统】 1 z 】 6 町是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电 ，传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面 变通竹一理系统而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、 岛效的综合交通运输和管理系统。具体在公路交通领域，该系统将汽车、驾驶 、道路及其相关的服务部门相互连接起来，并使汽车与道路的运行功能智能 化，从而，使公众能够高效地使用公路交通设施和能源。具体地说，该系统将 采集到的各种道路交通及各种服务信息经交通管理中心集中处理后，传输到公 路变通系统的各个用户( 驾驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院、 救 ：i i t 排障等部门) ，出行者可进行实时交通方式和交通路线的选择；交通部门可 f l 动迸 j ：合理的交通疏导、控制和事故处理：交通运输部门可随时掌握车辆的 运行情况，进行合理调度，从而使路网上的交通量运行处于最佳状态，缓和交 通j j j 挤和阻塞，最大限度地提高路网的通行能力，提高整个公路交通运输系统 的机动性、安全性和生产效率。 m 钾能交通研究方面美国和日本处于领先地位“”。作为经济最发达、技术 最先进的超级大国美国，其智能交通系统研究曾一度落后，但凭借其先进的技 术优势，它后来居上，目前在试验研究和实践应用上都处于领先地位。在智能 交通系统发展规划中，它非常重视i t s 将形成的巨大市场，对i t s 的服务领域 进 j ：了广泛而又深远的研究。根据1 9 9 1 年综合地面运输效率法案( i s t e a ) ，1 9 9 5 印： 】美国交通j f 式出版了“国家智能交通系统项目规划”，明确规定了智能 交通系统的7 大领域( 即基本系统) 和2 9 个用户服务功能( 即子系统) 。其7 人领域包括：出行和交通管理系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、 商用车辆运营系统、电子收费系统、应急管理系统、和先进的车辆控制和安全 系统。除此以外，美国的智能交通系统正在开发新的领域，即先进的乡村交通 系统。该系统是把为城市地区开发的交通管理技术和系统功能推广应用到乡村 通路网络中去，主要是应用先进的电子通讯技术提高行车的安全性，方便外国 游客行，促进乡村地区的经济发展。系统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，以及有关服务 没施和旅游路线、景点等信息系统。 | l 本i t s 研究的一个显著特点就是政府有关部门共同参与、密切合作，以 保“n 0 支术发展过程中没有遗漏【l “。1 9 9 3 年7 月，日本“车辆、道路与交通智 能咖会”成立，从而与智能交通系统有关的5 个省建设省、通产省、邮政省、 运输省和警事厅之间建立了加强合作的机制。1 9 9 5 年8 月，在详细分析i t s 用 ，。服务范罔的基础上，上述5 个有关部门提出了日本公路交通车辆领域 f | j 信息化实施方针，其目的在于在i t s 的统一规划下推进其工作。根据此方针， i 】h ，1 l = 1 甘帆系统的高度化、自动收赞系统，安全驾驶援助系统等9 个丌发领 城刊l1 个推进措施构成。 t 本it s 刀：发的9 个领域包括：先进的导航系统、自 。州女赞系统、安全驾驶援助系统、先进的交通管理系统、高效的公路管理系统、 公共交通援助系统、业务用车管理系统、步行者援助系统和紧急车辆运行援助 系统。 从荚、日的i t s 开发领域可以看出，未来的智能交通系统将使目前道路交 通系统存在的种种问题得以解决或大大缓解。而且，i t s 的开发也将以诸多信 息通信、汽车方面的新技术开发为支柱，创造出众多的新兴产业，进而形成巨 大的市场。根据日本道路交通车辆智能化推进协议会的试算，仅就导航系统的 开发，到目前就已创造出2 0 亿美元规模的市场。随着今后i t s 的推进，以车载 装置为主，在信息收集机器、信息发送机器等电子、通信、汽车等领域，今后 2 0 年预计i t s 整体将创造出5 0 0 0 亿美元的巨大市场。因此，对企业来说，这 也是很有希望的事业领域。目前，成为推进i t s 支柱的主要项目包括自动公路 系统a h s ，不停车自动收费系统e t c ，公路交通信息通信系统v i c s 等。 对公路交通而言，i t s 将产生的效果主要包括以下几个方面： 提高公路交通的安全性。据专家估计，采用i t s ，在今后2 0 年内可降 低8 的交通灾难，每年交通事故的死亡人数可减少3 0 一7 0 ：可减少交通拥挤和 阻塞，从而提高公路交通的机动性。据预测，到2 0 1 2 年，i t s 技术可使交通堵 塞减少2 0 。 降低能源消耗，减少汽车运输对环境的影响。 提高公路网络的通行能力。据估计，i t s 可使现有高速公路的通行能 力至少增长一倍。 提高汽车运输生产率和经济效益，并对社会经济发展的各方面都将产 生积极的影响。 通过系统的研究、开发和普及，创造出新的市场。 正因为智能交通系统能使目前的交通系统所存在的种种问题得以解决或大 大缓解，而且存在巨大的市场潜力，所以吸引了众多行业的积极参与。智能交 通系统的主要部分是先进的交通信息系统( a t i s ) 和先进的交通管理系统 ( a t m s ) ，而这两部分的理论基础是动态交通流理论m 】( 1 7 】 2 。因此，动态交通 流理论足智能交通系统的核心技术。在过去的二十多年里，尤其是进入九十年 代以来，在世界范围内了掀起研究动态交通流理论的热潮，吸引了交通工程研 究人员、数学家、运筹学家的广泛参与，提出了许多解决动态交通流的途径和 方法，但由于动态交通流理论相当复杂，所以至今仍处于研究探索阶段，离应 j _ j 于实际i t s 领域还有一段距离。所以本论文重点放在动态交通流理论及其膜 拟模型的研究方面。 1 1 动态交通流理论的回顾 以往的静态交通流分配理论是假定在研究的时间内，交通需求是常数，这 通川于以满足最大交通需求为目的的交通规划问题，但在研究城市交通网络的 猁挤特性，加强城市交通管理，疏导交通以及为出行者提供最优路径选择方案 j 卸无能为力，而这些正是智能交通系统i t s 要实现的目标，静态交通流理论 满足不了这种要求，只能利用动态交通流理论才能达到目的1 5 ”。 动念交通流的一个重要特征就是时变性或者说动态性，即交通网络中的交 通需求o d 矩阵是随时间变化的，反映为路段上的交通量是时变的，而路段的 交通m 抗又是随交通量变化，即路段交通阻抗也是时变的，实际的城市交通状 况恐个动态的过程，不同时间路网中的交通量不同，交通拥挤在不同时间发 乍相；1 ：川的地点，同一地点交通拥挤程度在不同时间也不相同，这样就要求必 须i j 动态交通流理论来解释并以动态交通流理论为基础来加强对城市交通进行 协，凋符理，以减少阻塞，降低拥挤程度，保证城市交通系统处于一种良好的运 行状态。 刘动态交通流分配问题的研究和探讨m ，根据单个路径决策行为特征，整 体i ：分为两类：( 1 ) 动态用户最优交通流分配( d u 0 ) ，动态用户最优交通流分 配( d u o ) 是从单个用户出发，考虑的是网络中单个用户出行旅行时间最少或费 用最低m 】；( 2 ) 动态系统最优交通流分配( d s o ) ，动态系统最优交通流分配( d s o ) 则足从系统出发，寻求整个系统总的旅行时间最少或费用最低【8 0 儿8 1 i 。而研究的 ，j 法般有三种：数学规划方法、最优化控制理论方法以及计算机模拟技术l 。 n h i 对它们分别进行阐述。 1 1 1 解决动态交通流分配问题的数学规划方法 最甲用数学规划方法来解决动态系统最优交通流分配问题的是m e r c h a n t ( 】9 7 4 ) 以及m e r c h a n t 和n e m h a u s e r ( 1 9 7 8 a ，1 9 7 8 b ) 7 6 1 。m e r c h a n t 和n e m h a u s e r f 1 9 7 8 ) 给出的m - n 模型用数学规划方法建立起来的动态系统最优交通分配模 ，弘，j 形式为： r = 0 ，7 1 一l ， v a a x “+ i2x 。一g 。( x 。，) + 甜。， 、， 口x ( d办 ，h nm i i ， e u 。= s 。+ g 。( x 。，) 目月f 、口日( 女) x 。o = r 。0 “。，x 0 j i | 1 ，x 。为t 时段路段a 上流向终点的交通负荷，h a 。( x 。) 为路段a 在时段t 上交 通鲰荷x 。所引起的总出行费用；u 。为t 时段路段a 上的流入流量；g a ( x 。) 为t 时段路段a 上x 。= r 。0 的流出流量函数：s t 。为t 时段节点k 产生的出行量， a ( k ) 为有向路段终点是k 的路段集合。 m n 模型考虑了多源点单目的地单用户类型的情况，模型被表达为离散时 1 , 3 j 、 f ：线性、非凸的数学规划问题。k u h n t u c k e r 优化条件表明该模型是w a r d r o p 第原理的动态推。，它要求所有一在被使用路径的边际费用相等，在稳态条 什j 别m n 动态模型的特性进行检验证明m n 模型是传统静态系统优化交通 分呲叫题的推广i ”1 1 ”】。随后，很多人对m n 模型进行了大量工作，h o ( 1 9 8 0 ) 提 九幺模型的分段线性形式，同时作了附加假设，使这一问题能够用连续线性 优化力法或用分层分解算法求解州1 。c a r e y ( 1 9 8 7 ) 把m e r c h a n t 和n e m h a u s e r 模型 咀新表达为一凸的非线性数学规划问题“，与原来的m n 模型相比，此新形 j i = f f l l l l lm 线性数学规划具有可分析计算优点。其他如p a p a g e o r g i o u ( 1 9 9 0 ) 给出了 叫变需求多目的地动态交通分配问题的宏观模型框架，并探讨了解决动态分配 f 坩* 轻诱导问题的两种途径p 7 l ；j a n s o n ( 1 9 9 1 ) 给出了一个关于多源点多目的地动 态川户、f 衡分配问题( d u e ) 的非线性规划模型【7 ”，该动态用户平衡分配模型( d u e ) 是静态用户平衡分配问题( s u e ) 附加约束条件以保证路径交通流时间连续，整个 分配叫问区间被离散化为1 0 1 5 分钟时间间隔，利用启发式算法来产生近似解， je 解近似满足用户平衡条件。 c a r e y ( 1 9 9 2 ) 提出了动态交通流发展中遇到的个难题”：那就是从平均意 义 ：讲，在时期t 进入一条道路设施的车辆要比在其后进入该道路设施的车辆 先离丌此道路设施，即动态交通分配中的先进先出( f i f 0 ) 规则i6 0 】。f i f o 规则对 静态交通分配来说并不是问题，但在动态分配中，尤其对于多目的地多用户类 型的动态网络来说，却是一个非凸的约束集。f i f o 规则非凸性约束使得动态交 通分配的数学规划法求解遇到了极大的困难。j a y a k r i s h n a n 、t s a i 和c h e n f l 9 9 5 ) 给了基于两层次优化框架的动态交通分配模型| 8 2 1 ，此模型利用了改进的 g r e e n s h i e l d s 速度一密度关系，建立了关于密度的单调非减的凸的边费用函数， f 焚砷j 使用车辆在每一时间步长中移动的距离作为约束以保证f i f o 规则得到满 1 1 2 解决动态交通流分配问题的最优控制理论方法 与数学舰划方法相比，l u q u e 和f r i e s z ( 1 9 8 0 ) 应用最优化控制理论给出了解 决动态系统优化交通分配问题的连续时间优化控制模型( 8 “，该模型是第一个对 探索动态用户优化交通分配问题提供结构框架的控制理论模型，模型的离散时 间形式与m n 模型形式相一致。其优化条件是用p o n t r y a g i n 最小值原理导出的， 槿，型给出了最优化条件的经济学解释，并与m n 模型的经济学解释作了比较。 对于单目的地情况，f r i e s z 、l u q u e 、t o b i n 和w i e f1 9 8 9 ) 应用最优化控制理论 提出了动态交通分配问题的两个连续时间表达形式田】，第一个表达形式等价于 传统静态系统优化模型的动态推广，第二个是动态用户优化( 或用户平衡) 模 型。w i e 、f r i e s z 和t o b i n ( 1 9 9 0 ) 建立了一个等价的连续时间优化控制模型i ， 用来预测多o d 对拥挤网络的交通流状况随时间的变化情况。该模型比较典型， 是动态用户最优交通分配模型，相应于w a r d r o p 用户平衡问题的动态推广，其 形式为： i ，= m i n rr 善。c 。( w ) d w d t x n ( t ) = u z ( 0 一孝。x z ( t ) v a a v ”v ， o ，丁 & ( f ) + 色z ( f ) 一琵( f ) = o v 七，”v f o ，明七”( 1 2 ) 口e 占f a e a ( k ) x ：( o ) = x ：。0 v a 4v “：( f ) 0 v a av n n v t o ，r 】 其中，x ：( r ) 为t 时刻路段a 上的流向终点n 的交通负荷；“：( f ) 为t 时刻路段 a 上的流入率；c a ( x 。( f ) ) 为t 时刻路段a 上的单位弧长出行费用函数；孝。为 系数；如( f ) 是时刻t 在k 点产生的到达n 点交通流率；彳( 七) 是箭尾节点为k 的弧的集合；b ( k ) 是箭头节点为k 的弧的集合。 1 1 3 用模拟技术解决动态交通流问置 动态交通流理论发展已有二十多年的历史，在此期间有许多研究人员提出 了各种解决办法，建立了很多模型，取得了一定的成果。但至今为止，已存在 的摸型要么汉适用于多源点单目的地的情况，要么只能求解简单网络，对于复 6 杂川络就遇到了维数灾难，或者要么求解过于复杂，在实际交通网络中难以应 川，篮么所提出的模型违反了f i f o 规则等等，因此该领域仍处于研究探索阶 段，理论仍然不成熟、不完备，对多源点多目的地多用户类型还没有解决，在 求解的算法上还应进行更深入的探讨，而这些问题要在短期内取得突破性进展 比较困难。 基于用数学规划法和最优控制理论目前还无法解决动态交通流问题，因此 本人选择使用模拟技术来进行动态交通流的研究。最早的计算机模拟模型是由 y a g a r ( 1 9 7 0 ，1 9 7 1 ，1 9 7 4 ) 给出的“，该模拟模型按照w a r d r o p 用户平衡原理进 行交通流分配，同时考虑了时变需求和排队过程。另一个用计算机模拟的方法 来解决动态用户优化交通流分配问题的是b r a s t o w ( 1 9 7 3 ) ，在他的模型中，把o d 对之间的交通需求视为时间分段常数，把流量密度关系转换为距离分段常 数，并保持了车辆守恒规则。y a g a r 和b r a s t o w 的模型都处于运用模拟技术研 究交通流理论的初级阶段【7 7 1 ，其功能有限，没有得到推广运用。m a h m a s s a n i ， j a y a k r i s h a n 等( 1 9 9 0 ) 利用大型机对大规模城市交通网络进行了模拟试验，其模 型属于微观模拟模型p 目。y a n g 和k o u t s o p o u l o s ( 1 9 9 6 ) 给出的计算机模拟模型可 用于先进的交通控制和系统检测等方面。虽然交通模拟技术已得到实际应用， 但其功能并不完善，从已查到的资料来看，多数只是从其模拟系统所实现的功 能方面来阐述，而一旦涉及到车辆行为规律和交通控制技术在模拟模型中的描 述等核心内容就略而不提。因此本人在进行模拟系统的研究中，以动态交通流 理论和交通控制技术为基础，以实现模拟系统对交通系统优化控制调节的各方 面功能为目标，把交通流理论、交通控制技术、最优化理论、计算机技术以及 模拟技术理论融合在一起，从而建立起一个功能较为完备、性能优良、具有实 际使用价值的开放性系统。 1 2 选题的意义及论文结构组成 本人希望所建立的模拟系统具有如下功能：通过模拟系统的运行能统计出 各种车辆类型在不同时间段上在各个路段的交通量、车辆运行速度、交叉口信 号配时及相应的车辆排队延误时间等数据。统计出模拟时间内的每一较小时间 段的数据，这包括每一较小时间段内通过每一条边的车辆密度、车辆类型、每 一类型的车辆数、总的车辆数、交叉口前车辆的排队长度、左右转弯的车辆数、 车辆在此较小时间段内总的延误时间等指标。在模拟程序运行结束时给出所模 拟的交通系统在模拟时间段内总的统计数据，这包括车辆的特定信息如车辆的 出发时间、出发地点、到达时间、到达地点、总出行时间、旅行的距离、平均 旅仃速度、总延误时间等，从而对所模拟的交通系统性能有一个全面的把握。 所j i ：发的交通模拟软件其功能体现在三个方面：( 1 ) 在交通控制与管理方面， 利j f j 这些数据可以确定各个路段在不同时间段内的交通阻抗，以便确定车辆行 驶的最短路径，从而对车辆在交通网络中的运行起到诱导作用，实现智能交通 系统所要达到的目的；利用这些数据还可以知道所模拟的交通系统整体的交通 情况，以便采取有效措施来控制交通流，实现整个系统的性能优化，以达到减 少系统中车辆总旅行时间、节约能源和减少污染的目的；( 2 ) 在城市交通规划 方面，利用这些数据可以对未建成的城市交通系统进行预评估，以便改善和优 选城市交通规划的建设方案：( 3 ) 在城市交通系统的改造方面，利用这些数据 可以指导对城市交通系统的改造，对改造方案进行模拟，以评估和优化改造方 案。 基于该模拟系统有以上诸多功能，因此该系统在实际交通领域中有广阔的 应用前景。 图1 1 论文的组成结构图 沦文的结构主要包括三个部分，即绪论部分、模拟模型建立部分及结论部 分。在绪论部分中阐述了论文的组成结构( 如图1 1 所示) 和所建立的模拟系 统备个功能模块的逻辑关系( 如图1 2 所示) 。在模拟模型的建立部分，基本上 含盖了交通模拟所涉及的所有方面，这包括交通模拟的基本理论、路段阻抗函 数的给定、车辆行为规律的描述：交通信号控制、交通网络的解算方法、车辆 f j io d 矩阵的确定和交通规则的引入等内容。 凳甓蠢i i ；籍鬈i ji 丐翼纛；5 嚣鬟7 f陋通事故的拙为规律的描述ll 为规律的描述l 一 辆行为特征的 描述 驾器延k 降控系统的开误的确定卜l “” 号控制的描 交通网络的 模拟解算 o d 矩阵的给定l陵通规则的描 段阻抗函数的 给定 通网络结构 描述 图1 2 模拟系统功能模块的构成 在结论部分中给出模拟模型所能解决的问题，在理论和方法上所作的创新 以及模拟程序运行的性能、优点等。 1 3 本章小结 本章主要总结了交通流理论的最新研究成果和i t s 目前的研究发展状况。 n 川数学规划法和最优化控制理论来解决动态交通流问题短时期内难以取得突 破f f 进展的情况下，选择用模拟技术来解决动态交通流理论问题作为研究方向， 以实现i t s 技术的功能，解决城市交通的拥挤问题。最后阐述了该论文的选题 肯月 年1 1 意义。 第二章动态交通流分配中 路段阻抗函数确定方法的研究 要进行城市交通系统的模拟就必须确定车辆在各个路段上的行驶阻抗，以 便确定车辆所选择的路径。因此首先从动态交通流分配中路段阻抗函数确定方 法入手，对动态交通流模拟所涉及的众多问题逐一进行研究。 在静态交通分配中最简单也最常用的阻抗函数公式是幽美国公路局提供的 ( us b u r e a uo fp u b l i cr o a d s - b p r ) 4 5 1 1 6 0 1 即： 口 f 。：f 【l + a ( x a ) 】 ( 2 1 ) c d ，叫，：t 。和x 。分别是路段( 也称为边) a 上的阻抗和交通流量；是零流阻抗 办即路段上流量为零时车辆自由行驶所需的时f m j 已是路段a 上的实际通过能 j 即容限；a 、d 是模型参数，一般取c 1 = 0 1 5 ，1 3 = 4 0 ，在具体问题中可作相应调 枢。需要注意的是c 。不是路段最大通过能力，c 。是一个预定的流量数值，当 流量x 。达到g 时，对应的阻抗值应比厶。高1 5 。 b p r 路段阻抗函数或者称为旅行时问函数虽然广泛的用于静态交通分配 t i - ，并 1 取得了令人满意的效果，但却不再适用于时变的动态交通网络1 6 9 i 。在 动念交通分配中使用的状态变量则是交通荷载，因为在动态条件下，b p r 路段 | ：f i 抗函数巾使用的交通量已无法描述路段的动态交通特征。其原因在于交通荷 载和交通量两个概念所描述的内容不同，为此应明确交通量和交通荷载这两个 概念。 交通量是单位时问通过某一地点的车辆数，单位为( 辆小时) 。通常其值 7 。1 z 1 ”2 某点测到的，例如一条边的上游点、中问点或下游点，而且这些点的交 通量读数可能差别很大。 交通荷载是在某一时刻一条边上存在的车辆数，其单位为车辆数。从交通 l i 我的定义可以看出交通荷载反映了一条边上交通状况随时问的变化特征。一 条边的状态方程为： o d x ，o u ) ：砒( ，) 一v 。( f ) ( 2 2 ) 这艰x 。( ，) 是t 时刻边上的交通荷载( 车辆数) ；阮( f ) 是单位时间通过一条边的 ：游点的车辆数( 辆，j 、时) ；v 。( r ) 是单位时间通过一条边下游点的车辆数。 n l 以上两个定义和边的状态方程，我们先来考虑静态分配。在静态条件下， 生萼掣：o ，这意味着流入率砒( r ) 等于流出率v 。( r ) ，即兄( ，) 是常数，这与静 态分配相一致，在静态交通分配条件下交通流存在于一条路径的所有边上。对 1 动态分配情况! 萼盟o ，一条边上交通荷载的变化明显地说明流入率玩( ，) 小等j ：流出率1 ，。( ，) ，因此在动态分配中把交通荷载作为状态变量有其自身的优 点。注意在动态情况下，对一条边来说“荷载”是特征变量，而“流量”则依 赖一条边上的测量点。其最基本的差别是流量是时间的度量，其对静态情况是 州j 的，而荷载则是空间的度量，其应用于动态情况，在交通状态随时问变化 罔2i ( a ) 流最速度关系( b ) 流最旅行时问关系图22 ( a ) 密度速度关系( b ) 南度旅行时闸关系 的网络中，在一特定时问步跃中组成一条边荷载的车辆在不同的时问步长可以 存在于不同的边上。 使用交通流量作为变量所带来的一个重要问题是旅行时间不是关于交通流 最的一个凸函数。事实上，平均速度是关于平均流量的减函数，在超过最大流 叫，流尾减少而同时速度却变得很低( 如图2 i a ) ，导致旅行时间函数反折达到 很。矧的值( 如图2 1 b ) 。换句话说，在低流量时假设旅行时间也低是不正确的， 如一些最坏的情况是车辆走走停停，交通流量很低而旅行时间却很高。静态分配 多几j 丁交通规划，把握拥挤的动力学特性不是其重点，因此并不关心象b p r 阻 抗函数不能精确把握旅行时间费用的问题。与此相反，把握拥挤的动力学特性 足动态交通分配( d t a ) 的一个基本要求。使用任何一种基于优化的算法都要 求凸的费用函数，这就是采用交通荷载而不采用交通流量作为状态变量的原因， 交通荷载可直接转化为边的交通密度，图2 2 a 给出了速度与密度的关系曲线， 图2 2 b 给出了旅行时间与密度的关系曲线，从图中可以看出旅行时间实际上是 关r 交通密度的单凋增函数，是一种凸函数。 对于高速公路来说，在这里推荐使用修改的g r e e n s h i e l d 方程来推导动态条 什r 边费用函数m 1 ，车辆的行驶速度即修改的g r e e n s h i e l d 方程为： “= 甜。+ ( 甜。一甜。) ( 1 一) ( 2 3 ) ，co 这弘u 速度( m s e c ) ；u 。：拥挤密度下的最小速度( m s e c ) ；u ：自由流速 度( m s e c ) ：k ：车辆密度( 辆k m ) ：k j ：拥挤密度( 辆k m ) ：则时问步长为t 州边l l 的旅行时问即边费用函数厂，( 七：) 为边l 的氏度厶( m ) 与速度u 之比即 ，u ，所以有： 厂，( 胁云万瓦l i , k j 丽而 小红( z m 这1 理庀j ：在时问为t 时边j 上的车辆密度； 为了避免当密度达到拥挤时速度突然下降，在( 2 3 ) 式中对所有边引入最 小速度( 如3 6 m s e c 或1 3 k m h ) a 为了得到边旅行时问，我们简单地用边长l ， 除以速度t l ，速度u 出修改的g r e e n s h i e l d 速度一密度关系来确定。这样就推导f | 公式( 2 4 ) ，其成立的条件是后j 毡。公式( 2 4 ) 是基于密度的边费用函数，它 足关于二密度的单调非减的凸的二次可微函数，这一费用函数更适用于高速公路 交通而刁：是城市于道交通，原因在于在城市二r 道交通中边旅行时间很大一部分 花花交叉1 5 1 上。 2 1 边旅行时间的确定方法 对一个有信号控制的城市交通网络来说，一条边的旅行时间可以考虑主要 山两个部分组成【9 6 】，第一部分是在非拥挤段上的旅行时间，第二部分是在交叉 li 处的拥挤旅行时间或排队时间加上通过交叉e l 进入下游边的旅行时间。 口 z 2 2 z z 3 2 2 z 口 2 - 3 a 一一葫一一c 一。一万。b 图2 3 一条边a 上的交通状况 我们来讨论一条边a = ( a ，b ) 的情况，如图2 3 所示。把边a b 分成两部分： a 、= ( 人，c ) ，a 2 = ( c ，b ) ，点c 表示车辆排队的队尾，显然c 点是一个变化点。子 边f 1 是边a 的非拥挤部分长度，子边a ：是车辆排队的长度。如果边a 没有排队， 即c 点与b 点重合，则a i = a ，a 2 = 0 。对于a 。、a 2 来说，其状态方程为： 掣砚l ( f h 。r ) 掣砘：( f ) 飞：( f ) v a i a ；a ；( 2 5 ) v a 2 e a ：a ；( 2 6 ) 利j c 点来况要求满足交通流的平衡条件，即： 1 ，。l ( f ) = 阮2 ( ，) v a l 、a 2 e a ；a ；( 2 7 ) 定义l ( ，) 为时间t 进入边a 的车辆经过边a 的实际旅行时问，则( r ) 是 以卜两部分的和： ( 1 ) 通过边a 第一部分a t 与交通流有关的旅行时问珑。( ，) ( 2 ) 车辆在时问i t + d 。( ，) 】进入边a 第二部分a 2 的排队延误时间 d m i f + d “( ，) 卜 因此有： l ( f ) _ d 乱( f ) + 眈：i t + d d ( 例 ( 2 8 ) l 因为一条边一般较短，车辆通过第一部分a l 的时间也较短，可以近似认为 排队延误n c f n j d 。：( f ) 可以很好地表示d 。，【h d 。( f ) 】的值。所以在边较短的情况 j 、t 】以认为实际的旅行时阃函数为： 亿( 垆d 。( f ) + d 。，( f ) ( 2 9 ) 对上述过程用离散形式进行表述，用a k = k ，k + l 】来表示时问问隔长度，x 。( k ) 表示在时间阳j 隔k 开始时边a 上的车辆数，u 。( k ) 和v a ( k ) 表示在第k 个间隔时段 l f 】川驶入和驶出边a 的交通流率。则离散时问形式的状态方程表述为： x 。i ( 女+ i ) = x 。l ( ) + “。1 ( k