第04章_交通流导系统

第四章 交通流诱导系统4.1 概述交通流诱导系统，也有人称之为交通路线引导系统（TRGS, Traffic Route Guidance System）或车辆导航系统（VNS, Vehicle Navigation System）。它利用全球定位系统（GPS, Global Positioning System）、电子交通图（Electronic Map of Traffic Network）、计算机和先进的通信技术，使得车载计算机能够自动显示车辆位置、交通网络图和道路交通状况，为驾驶员找到从当前位置到目的地的最优行驶路线，并协助出行者方便地进入原先没有去过的地方。使用这种系统，能够有效地防止交通阻塞的发生，减少车辆在道路上的逗留时间，并最终实现交通流量在网络中各路段上的最优分配。交通流诱导系统经历了从静态系统到动态系统的发展过程。静态诱导系统研究始于20世纪70年代，使用记录交通状况的历史数据或者地理信息系统进行路线引导。为了能够将实时的交通状况反映到诱导系统中，于是基于现代通信技术的动态路径诱导系统应运而生。静态诱导就是经过电子地图提供距离（静态出行费用）最短路，动态诱导就是经过电子地图提供时间（动态出行费用）最短路，因为交通拥挤状况发生变化，所以各条路径的行程时间是动态变化的。 根据诱导信息作用的范围，交通诱导系统可以分为车内诱导系统和车外诱导系统两大类。在车内诱导系统中，实时交通信息传输于个别车辆和信息中心之间，车辆上安装有定位装置、信息接收装置和路径优化装置。由于诱导对象是单个车辆，因而也称为个别车辆诱导系统。这类系统的诱导机理比较明确，容易达到诱导目的。目前各发达国家研究的大部分是这种系统。但其对车内设施和信息传输技术要求较高，造价相对昂贵。相比之下，车外诱导系统的交通信息是在车流检测器、信息中心和可变标牌之间传输，诱导对象是车流群，因而也称为群体车辆诱导系统。这种系统一般适用于高速公路或路段较长的城市交通流的诱导。根据由谁来规划最优路径，提供最优路径，诱导系统分为中心式诱导和分布式诱导。中心式动态路径诱导系统（CDRGS，Centrally Dynamic Route Guidance Systems），是基于红外信标等双向数据通信，在中心控制主机基于实时交通信息进行路径规划，为每一个可能的OD对计算最优或准最优路线，然后通过通信网络提供给用户。分布式动态诱导系统依靠车载模块以通信网络接收到的实时交通信息完成路径引导。换句话说，路径引导由各车辆单独负责。中心式车辆动态路径诱导系统相对于分布式诱导系统的特点：（1）CDRGS从系统角度出发计算最短路，可以更简单的避免Braess矛盾效应，提高系统效率，使路网能被更充分利用；所谓Braess矛盾效应是指如果被诱导的车辆都接收到相同的交通信息，它们会被派遣到相同的、以前不拥挤的道路。这条道路可能很快变的拥挤，交通甚至更糟。这种现象称为Braess矛盾效应。（2）CDRGS有简单的车载单元，而且能被控制中心有效控制；（3）CDRGS由稳定且功能强大的主机进行基于系统最优及某种最短路准则的路径规划，所以有时不满足个别用户的需要。而且在系统所属车辆较多时会带来繁重的通信负担；（4）CDRGS使得车内装置花费最小。但是在初建时由于基础设施投资较大，而带来巨大的经济负担。4.2 交通流诱导系统结构框架无论是静态诱导系统还是动态诱导系统，无论是中心式诱导系统还是分布式诱导系统，交通流诱导系统包括以下几个子系统：交通流信息采集与处理子系统；车辆定位子系统；交通信息服务子系统；行车路线优化子系统。图4-1 城市交通诱导系统结构交通流信息采集与处理子系统交通流量、行程时间是交通流诱导系统的重要参数。交通流信息的采集主要是通过交通控制系统实现的。所以，城市安装交通流量检测系统是实现交通流诱导的前提条件。这个子系统涉及4个方面内容：A、 交通信息检测：可以利用交通信号控制系统的交通流量检测信息；B、 交通流信息的转换与传送：把从交通控制系统获得的网络交通流信息进行处理并传送到交通流诱导主机；C、 滚动式预测网络中各路段的交通流量和运行时间；D、 建立能够综合反映多种因素的路阻函数，确定各路段的出行费用，为诱导提供依据。车辆定位子系统车辆定位子系统的功能是确定车辆在路网中的确切位置，其主要研究内容有：A、 建立差分的理论模型和应用技术，即讨论如何根据基准台所测出的测差来修正车载机的误差，从而达到提高定位精度的目的。B、 设计系统的通信网络，其中包括信号的编码、发射和接收以及信号的调制和调解等问题。C、 研究系统的电子地图制作方法以及实现技术。D、 建立一套故障自诊断系统，以保证在系统发生故障或信号在传输中出现较大误差时，也能准确地确定车辆的位置。交通信息服务子系统交通信息服务子系统是交通流诱导系统的主要组成部分，它可以把主机运算出来的动态交通信息通过各种传播媒介及时地传送给公众。这些媒介包括有线电视、联网的计算机、收音机、电话亭、路边的可变标牌和车载的接收装置等，使出行者在家中、在路上都可以得到交通诱导信息。行车路线优化子系统行车路线优化子系统是交通流诱导系统的重要组成部分。它的作用是依据车辆定位子系统所确定的车辆在网络中的位置和出行者输入的目的地，结合交通信息采集与处理子系统传输的路网交通信息，为出行者提供能够避免拥挤、减少延误、快速到达终点的行车路线，在车载计算机的屏幕上显示出车辆行驶前方的交通状况，并以箭头线标示所建议的最佳行驶路线。4.3 国内外交通流诱导系统的发展情况动态交通诱导系统的研究最早开始于20世纪70年代中期的日本，首先进行了基于FR射频通信的车载动态诱导系统的开发试验，并得到了可以减少13行程时间的结论，但是由于受当时技术、经济等因素的限制该研究项目没有继续下去。在20世纪80年代又相继进行了道路车辆通信系统(RACS)和高级车辆交通信息与通信系统(AMTIC)的研究，20世纪1990年开始的VICS（Vehicle Information and Communication System）项目则是世界上第一个全国统一的车辆信息与通信系统。欧洲的德国和英国分别在20世纪80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，即LISB系统和AUTOGUIDE系统，二者都是利用历史数据进行诱导的。进入20世纪90年代，德国西门子公司基于LISB开发的ALI-SCOUT系统（在欧洲称为EURO-SCOUT）具有一定的国际影响，它是基于红外信标通信方式的中心决定式的路径诱导系统。基于ALERT-C协议的交通数据频道广播已经或即将在英国、德国、意大利等11个欧洲国家开通，它能够向用户提供交通事故、拥挤、道路施工等信息，其商用路径诱导系统CARMINAT、DYNAGUIDE等不但可以显示（提示）交通信息，亦可以实现分布式的动态路径诱导。Pathfinder是美国第一个IVHS研究项目，它提供的信息为道路拥挤程度信息，以文字形式显示于电子地图上或以语音方式提示驾驶员。1991年7月到1996年12月间，美国在Illinois的Chicago进行了ADVANCE（Advanced Driver and Vehicle Advisory Navigation Concept）项目的研究，这也是一种分布式的路径诱导系统。目前美国投入使用的MAYDAY系统可以向自动用户报告车辆位置，用户在必要时可以获得紧急帮助。该系统的扩充功能包括：出行者信息、路径帮助和诱导等服务。在世界范围内，路径诱导系统已经获得了用户的极大欢迎。在日本，1995年销售的车辆诱导系统达到53万个，比1994年增加了73.2%。到1998年5月，VICS设备在日本已经销售了44万台，比预计增加了1倍。从1996年开始至2002年1月末，上市的车载导航系统装置约为870万台。在美国，调查发现人们对所说的MAYDAY系统具有极大的兴趣，并被视为将来添加车辆附属设备的第一选择。经过多家大公司的合作研究，车载PC机已经面世，为车载诱导设备成为小汽车的附件创造了条件，并将具有极大的市场潜力。目前还没有商业化的提供最优路径的动态诱导系统，都是在试验阶段。日本的系统VICS是以文本、图形和电子地图提供动态交通信息，分别用红黄绿表示拥堵、拥挤和畅通。文本显示的是到达目的地的时间（针对干道或者高速路），图形除了用颜色表示道路情况还标注时间。日本：提供信息，驾驶员自己选择路径。美国：提供一条动态的最优路径。我国的一些大城市，包括北京、上海、南京、沈阳、长春等大城市都建立了交通诱导广播系统。道路上的交通信息由车辆检测设备和摄像机镜头自动采集并持续不断地送到交通指挥中心，经计算机处理后的结果自动传送到交通广播电台的监视终端和打印机上，再由播音员每隔一定时间或随时予以播出。这是动态交通诱导的初级形式，其诱导效果是很有限的，而车载分布式诱导系统或单车自主式诱导系统还未见报导。综上所述，发达国家的交通诱导系统起到了方便陌生出行者出行、缓解交通拥挤的目的，受到了用户的欢迎。但也应该看到，一方面受经济水平、技术水平和交通特点的限制，其研究开发的成果不可能直接应用于我国的道路交通系统；另一方面，发达国家目前也仅实现了以历史数据为依据的诱导，而基于实时动态交通信息的、更为实用的诱导功能尚在研究开发之中；此外，由于我国的道路基础设施较差，而社会对交通的需求发展迅猛，因此为了缓解交通供应与交通需求的矛盾，研究开发符合国情的动态交通诱导系统，最大限度地提高运输网络的使用效率具有重大意义。因为交通流诱导系统是为出行者提供交通信息的系统，通常被包括在先进的出行者信息系统中。但是从它信息采集的手段和最终实现的目标来看，它与先进的交通管理系统有着密不可分的关系。交通控制和交通流诱导是解决城市道路拥挤的重要手段。交通控制是在时间上组织交通流，交通流诱导是在空间上组织交通流。交通流诱导系统理论与模型：交通分配理论模型，交通网络实时动态交通流量预测模型，交通网络实时动态行程时间预测模型，最优路径选择模型。4.4 交通分配模型交通分配就是将交通流分配到路网中，具体的说就是为车辆分配路径，确定各条路径的流量。分配原则根据Wardrop用户最优（平衡）原理或者Wardrop系统最优原理。Wardrop原理是由著名的交通专家Wardrop于1952年提出来的。用户最优（平衡）原理：对于同一个OD对间的可选路径，分配流量的路径都有相同的行程时间且小于等于没被分配流量的行程时间，也就是说驾驶员不能够单方面的改变其路径并降低其行程时间。（被分配的路径一定是行程时间最小的路径，且被分配的路径的行程时间相等，小于没被分配流量路径的行程时间，驾驶员就不会再找到一条路径能比被分配的路径的行程时间更小了。）假设驾驶员知道所有路网的交通状态，均服从交通分配。系统最优原则假设司机能够接受统一的调度，大家的共同目的是使系统（整个路网）的总阻抗（行程时间）最小。无论是系统最优还是用户最优，都包括静态和动态两种模型。所谓的静态就是交通需求固定而不是随着时间的变化而变化的。反之用户需求是时变函数，则为动态。下面我们来介绍静态的用户最优交通分配模型。1. 用户最优交通分配模型下图的路网有一个起点O与讫点D对，有两条弧（两条路径）连接着，设t1和t2分别表示路径1和路径2的行程时间，且开始时路径1的行程时间小于路径2的行程时间；x1和x2对应的交通流量，从起点到讫点的交通需求量是q，则有q=x1+ x2。车辆总是选择出行时间短的路径，那么车辆先选择路径1，当流量达到某一值时，路径1的行程时间大于路径2的时间，那么后续的车辆选择路径2，路径2大于路径1的行程时间时，后续的车辆选择路径1，如此交替进行，平衡点出现在路径1的行程时间和路径2的行程时间相等，得出方程组：求出x1和x2，从而给路径1和路径2配流。图4-2 用户平衡例子根据数学规划理论可以把上面的问题构造成等价的数学规划模型。目标函数是 4.1a目标函数表示所有路段行程时间积分的和 4.1b方程4.1b代表路径流量与O-D流量之间的守恒关系，即各条路径流量等于总的交通需求。其中：a各个路段k某一条路径frs1起终点之间1路径的流量rs起终点 4.1c式4.1c保证所有的路径流量一定是正值。 4.1d其中：xaa路段上的总流量式4.1d表示路段流量与路径流量之间的关系。a路段的流量等于经过这条路段的所有路径的流量的和。1a1b2a2b3a3ba方程4.1的解和用户均衡条件是等价的。下面用一个算例，更好的理解数学规划模型。考虑一个简单路网，如图4-1，两条路径连接一个起点和一个讫点。行程时间的函数是 4.2a 4.2bO-D流量是q=5单位/小时，即根据用户平衡条件，应有，由此可以解出，数学规划模型是：将代入目标函数中并积分，变成无约束的极小问题，即令，解得，则，这正好就是用户平衡解。随着交通运输领域工程师的不断研究，目前已经开发了多种动态交通分配模型，但是模型的应用及求解还在进一步的研究。我们再来回忆一下，交通分配就是为路径分配流量，原则就是用户最优原理；诱导实质上就是将车辆分配到路网中，使每个车辆的行程时间尽可能的短，也就是为车辆规划出一条最优路径，交通流诱导理论模型就是利用了交通分配模型，进行路径优化和选择。2. 系统最优交通分配模型系统最优原则假设司机能接受统一的调度，大家的共同目的是使系统的总的阻抗最小。可以表示成如下的数学规划问题： 4.2a目标函数表示路网中所有路段上车辆行驶时间最小。 4.2b方程4.2b代表路径流量与O-D流量之间的守恒关系，即各条路径流量等于总的交通需求。其中：a各个路段k某一条路径frs1起终点之间1路径的流量rs起终点 4.2c式4.2c保证所有的路径流量一定是正值。 4.2d其中：xaa路段上的总流量如果路段a在连接O-D对r-s的路径k上，其值为1；否则为零式4.2d表示路段流量与路径流量之间的关系。a路段的流量等于经过这条路段的所有路径的流量的和。通常情况下，系统最优的解不是用户最优的解。3. 用户最优和系统最优之间的比较当路网上略去拥挤效应时，用户最优和系统最优是相等的。设，是常数，则系统最优的目标函数变成： 4.3a而用户最优的目标函数是 4.3b这时系统最优等同于用户最优。以4.3为目标函数的配流问题是易于求解的，此时所有弧上的阻抗不随流量变化，司机选择O-D对之间的最小阻抗路径，O-D对之间的流量按最小阻抗路径分配到路网上，这就是“全有全无”（all-or-nothing）配流问题。所导致的流量分布结果既是用户最优点，又是系统最优点。系统最优和用户最优规划的结构十分类似，两者的差别只体现在路段阻抗函数的构造上。系统最优优化后的结果是一类路径上有流量，这些路径上的边际行程时间相等；没有分配流量的路径的边际行程时间大于分配路径上的边际行程时间。数学表达式如下：路段a对网路总阻抗的边际贡献，称为边际行程时间新增的一个出行单位驶经路段a时遇到的阻抗新增的一个出行单位使该路段现有流量xa承担的额外阻抗边际行程时间就是路径上增加一个流量单位时，使行程时间增加量再加上原有的行程时间。边际本身的含义就是增加一个单位的车辆，行程时间会变成多少。多生产一个产品，那么我的成本变成多少？用户平衡描述的是有流量的路径行程时间相等。例1 举一个例子比较用户最优和系统最优的区别。例子O-D对之间有路径1和路径2，总流量q1.5，即，。系统最优解应该解如下的方程组：系统最优的解为，相应的总阻抗为3.583。用户平衡应该解如下的方程组：用户平衡的解为，相应的总阻抗为3.75。可见系统最优解的路网总阻抗小于用户平衡解的总阻抗。对系统最优和用户平衡差别的研究能使我们加深理解一种诡异现象，最有名的诡异现象是增加路网的路段数量反而使总阻抗增加，而不是预料中的减少，这就是著名的Braess诡异。下面举例说明。例2 下图有一个O-D对，q=6，从O到D有两条路径，其流量分别定义为f1和f2。Braess诡异现象由路网的对称性知，用户平衡解显然是f1=f2=3，x1=x2=x3=x43，路段阻抗是t1=53，t2=53，t3=30，t4=30，路径阻抗是c1=83，c2=83，路网总阻抗为498（流量*时间）。现任当局为了减少交通拥挤，达到降低总阻抗的目的，决定增加一条路段，如上图b)，。显然，从O到D的路径也增加了一条，其流量为f5。这个新路网的用户平衡解是f1=f2= f3=2，x1=2，x2=2，x3=4，x44，x52，t1=52，t2=52，t3=40，t4=40，t5=12，路径的阻抗是c1=c2=c3=92而路网的总阻抗变为552（流量*时间）。552498，可见增加网络的固定设施通行能力之后，并未如预料的那样减少拥挤程度，反而增加了，路径阻抗从原来的83上升到92。对于这种诡异现象，还是易于理解的，即司机只从单方面着想，选择自己的最小阻抗，而没想到自己的决定将对网络的总阻抗有什么影响，导致达到平衡时网络总阻抗反而增加了。如果司机服从系统的集中统一调度，后果就不是这样，即系统解没有诡异现象。事实上，上图的系统最优解的总阻抗是498，增加一条路段后，从系统最优的角度分析，司机不应该走路段5，即x5=0，故总阻抗仍是498。因此，投资当局在决定增扩线路时，一定要谨慎，并非增加或扩建了线路就一定能改善交通状态。相反，有的约束交通规则，如限制车辆在某一时间段（高峰期）进入主干道，或者有意让司机走一些表面上不经济的路线，能使整个路网的交通拥挤程度减小，这就是考虑了系统最优原则。4.5 交通分配模型求解1. 容限配流法求解用户平衡配流问题的启发式方法。寻找最小阻抗路径是各种算法的核心。下面我们介绍启发式方法中的一种，容限配流方法。在介绍容限配流前先介绍一下全有全无法则。全有全无法：搜索到行程时间最小的路径，将所有流量分配到行程时间最小路径上。容限配流法即是迭代使用“全有全无”法则，在当前迭代中