1-交通系统分析-绪论

1、 了解描述交通供需关系、土地利用、出行行为、需求预测、交通流、网络分析等的系统分析模型及应用 了解用于交通系统分析的系统工程方法、统计方法、仿真工具，为交通规划、设计、政策制定工作提供定性及定量的研究工具 具体交通系统分析：公交、物流、ITS等 . Ortuzar, J. de Dios and L. G. Willumsen (2001). Modelling Transport, Third Edition, Wiley (OW). 2. Goulias K.G. (2003) Transportation Systems Planning, CRC Press (KG) 3. HCM手册

2、 4.Other research articles on as needed basis 第一讲 绪论 第二讲 交通与土地利用关系 第三讲 出行者行为分析及需求模型 第四讲 交通流分析 第五讲 网络分析技术（路径优选技术及网络流量平衡分析） 第六讲 交通系统评价方法（拥挤评价、可达性评价、经济评价、仿真评价、综合评价） 第七讲 城市交通需求管理 第八讲 交通安全分析 第九至十一讲 讨论 第十而周 考试 交通系统概念 交通系统面临问题 交通供需分析 交通系统几点认识 交通系统分析的流程 软、硬系统工程方法论交通系统 人车路 交通法规 环境交通系统的作用 把人(货)在预期的时间运送到预期的目的地

3、完成某项活动 效率：机动性、可达性、可靠性 安全： 可持续：资源、环境； 人性化 不仅发达国家，还是发展中国家都面临越来越严重的交通问题。交通拥挤、延误、事故及环境问题是当前各国家所面的问题，而未来还将面临能源短缺的问题。经济的快速的增长时的机动车大量增加，远远超过了交通基础设施的供给能力。长期的对交通设施建设投资不过，造成交通基础设施短缺。供需的矛盾使得交通系统十分脆弱。 这些问题短期内不可能消除。如何解决以上问题并实现交通系统功能?硬币的两面交通规划与交通工程基础：系统分析 因为资源的有限，有必要进行审慎的交通系统分析及规划设计，使得投资及负面影响最小。 由于电子计算机及计算技术的发展，交

4、通问题分析及规划技术自上世纪80年代以来，经历了大的变革。21世纪我们不仅依然面临拥挤、污染、事故等问题，而且由于道路资源的有限，人的出行行为日趋多样化，交通问题更为复杂。而中国作为发展中国家，还面临基本道路设施缺乏、路网结构不合理、资金缺乏、快速的城市化、高公交需求、低收入人口较多，缺乏可靠的数据资源及数量的交通工程及规划人员等问题。 构建什么样的城市道路网络，如何引导城市用地开发 发展什么样的交通方式，满足交通需求的增长，促进社会经济的发展 如何合理的交通设计、管理与控制，使交通系统更加高效、安全、人性化 交通问题大多是因供需矛盾引起的 供需平衡影响因素及调节手段交通需求随时段、工作日与否

5、、出行目的、货运种类等的不同而不同。交通服务必须针对不同的需求而提供。交通服务具有可量化及差异性的特点。交通需求的这些特性造成预测的困难。交通需求是一种派生需求。人们出行是为了到目的地满足一种需要或实现一个活动（工作、休闲及医疗等）。货物运输更是如此。一个好的交通系统为完成这些需要提供了更广泛的机会。而严重拥挤或连通差的系统限制了选择的机会，进而限制了经济及社会的发展。 交通需求的发生是跨越空间的。正是这些活动地点的空间分布产生了交通需求。即使用很集聚的分析，交通问题也很少不考虑空间分布。大多数情况下，直接的空间处理不可避免的。常用的办法是将研究区域进行小区划分并标号。然后借助计算机进行分析。

6、不同区域的出行分析及OD对分布的分析是交通系统分析的一项基本内容。 需求的这种特性会产生不协调的问题，进而严重影响供需的平衡。比如在城市的某些地区出租很难打到，而其他地方出租车则会争夺客源。另一方面，人口及经济在某交通走廊上的集聚会导致高质量的大容量快速公交的修建，人口分布较散的地区则很难做到。 交通需求具有很强的动态特性。大量的交通需求集中在一天中的若干时段，特别是城市的拥挤区域拥挤往往在高峰时间发生。这种交通需求的时变特性使得它很难被分析及预测。交通系统可能能应对一个地区的平均交通需求，但在高峰时间可能会瘫痪。 许多技术试图对需求消峰填谷，减小峰值，如采用可变工作时间，高峰收费等措施，然而

7、高峰及非高峰的需求差异仍然是交通系统分析及规划中的一个中心问题。交通供给的第一个最显著的特性是它不能被储存。比如说，不能将需求在低峰时的供给存起来在高峰时使用。因此交通供给是一个服务而非一种产品。一个交通服务必须在建成时就必须使用，否则效益将会丧失。因此应尽量准确的预测需求以使得交通供给尽可能地发挥作用。许多交通系统的特性来自于他的服务本质。交通系统很多都包括固定资产-交通基础设施及流动的车辆。他们与各种交通规则一起构成了交通系统，共同完成了人与物的移动。 除大多数铁路系统外，交通基础设施及车辆并非由一家公司或某一个人所拥有。交通基础设施的建设者及最终服务的提供者的分离导致了各政府机构（中央及

8、地方），建筑商、投资商、运营者、出行者、货运者及一般公众之间存在着错综复杂的关系。后者在交通系统供应方面扮演着多重角色：通常是新交通项目影响的居民。也可能是想畅通无阻的驾车出行者。或寻求改进可达性以提高就业机会的的失业者。 从供给的角度出发，交通基础设施的提供十分重要。为满足逐步增加的交通需求，交通基础设施的供给应随需求而不断调整，但不一定同步。一般来讲，交通基础设施建设投资大，建设周期长，相比需求可适当超前。但应避免在投资早期进行造价高昂的设施。 设施的建设者及最终服务的提供者的分离也造成了系统经济分析的复杂性。开始的时候，并非所有的出行者或货运者总能认识到给他们提供的交通服务的总费用。比如

9、说，道路使用收费，很少能直接执行，即使执行，收取的费用往往也并不包括拥挤费用及其他外部影响费用，如高速公路收费仅仅为收回建设成本及运营成本。燃油税及车船税仅仅是对交通基础设施的近似收费。最接近实际费用的是拥挤收费措施。 交通系统是国家福利很重要的部分。如果利用交通基础设施的人们不能感受到他们的出行选择所耗资源或真实成本，可能会产生低效的供需平衡。免费的稀有资源会被浪费，而其他富足但收费的资源却不被使用。事实上，若道路占用所征收的钱低于实际价值，难以保障资源的合理分配。仅对小汽车每年征收税收会影响其买小汽车的决策，但不会影响其使用。 价格扭曲的另一个反映是提供某项交通服务时会产生副作用，如事故、

10、污染、环境恶化等，但这些影响很少被交通服务享受者所感受，因而也很少为此买单。对这些费用的正确认识有助于更好的决策并促进交通需求在不同交通方式间的合理分配。 交通供应的另一个问题是拥挤，这个词很难定义，往往在小城市认为是拥堵的状态在北京上海等大城市却被视为基本畅通。拥挤发生在需求超过交通设施的通行能力时，在这种情况下增加一辆车会增加其他车辆的延误。这种延误随着拥挤程度的增加而越加严重。 这是拥挤的外部费用，可有被人感受到，但造成延误加剧的司机本身却感受不到。这就是道路拥挤收费试图体现的，目的是帮助个人更理性地决策。 普遍意义：人们为了某种服务而付出的代价（意愿）。 影响出行选择的一切因素: 价格

11、、时间（考虑时间价值）、 舒适程度、便利程度等方面； 以上因素最终可以用货币价值来衡量；并表现为一种“普遍意义上的成本” ； 大部分重要的因素是与时间、价格相关的。 提供服务相应付出的成本(价值)? 以上二者达到的均衡状态 无论信息情况如何，假设出行者能做出合理的行为； 合理行为网络均衡？ 完全的均衡不可能实现，现实中只能通过外部因素的调整不断接近均衡状态。 影响交通系统供需平衡的系统因素： 交通基础设施（路网等） 交通管理系统（如管理规则、控制策略等） 各种交通模式及其运营者 考虑到在交通管理系统M下，网络流量V，及其上个各种交通流的速度S，交通容量Q。通常速度可用下式表达： S=fQ,V,

12、M 速度可视为服务水平的更通常的指数。服务水平更全面的反映是用速度、运行时间、等待及步行时间及费用的组合。 管理系统通常包括针对各种交通方式的一系列的规则、控制策略等。通行能力与管理系统M及投资水平I有关，即 Q=fI,M （1） 管理系统也可在效率（公交）、环境及平等（对行人的考虑）的基础上用于交通设施容量的再分配，产生Q及对某类用户用户的优先权。 在货物及服务方面，人们认为需求水平依赖于交通系统的服务水平，也与活动A在空间的分布有关： D=fS,A （2） （1.2）(1.3)相结合，对一个固定的活动系统而言，人们会在供需之间需找到平衡点。但活动系统本身可能会随着服务水平的时空变化而变化。

13、因此，人们会有两个不同的平衡点：短期及长期的平衡点。交通规划的任务是预测并管理这些平衡点随时间的演变。使得社会效益最大化。这不是一个简单的任务，对这些平衡点建模有助于更好地理解这种演变，并有助于交通管理策略M及投资计划I的发展及实施。 交通系统是动态变化的 交通系统演化是可控的 1+12 各措施及部门需协同作用 这是一种思维方法，是“积少成多，滴水石穿”的意思。缓解城市交通拥堵要采取各种对策和各种措施，这些对策都会对缓解城市交通拥堵起作用，都会有贡献，可能单个对策或措施贡献不大，但是把它们相加起来就是一个大数，这就叫1+12。就是说，对于缓解交通拥堵，我们不能指望一两条对策就能达到目的。序号措

14、施名称近期效果远期效果备注序号措施名称近期效果远期效果备注1控制市中心高强度开发增大交通投入优最优13交通路权良最优25%2重视交通管理增大投入最优最优14交通道德良最优25%3优先发展公共交通最优最优510%15行人交通良优23%4控制出租车总量最优优58%16道路施工管理最优优23%5抑止车辆增长优优15%17交通教育良最优6因势利导良优15%18安全交通优最优23%7改善交叉路口最优优58%19交通事件管理优优24%8端点交通最优优38%20智能交通良最优15%9流量均分最优优38%21土地利用小最优10停车管理最优优58%22交通规划小最优11交通微循环最优优510%23交通理念小最优

15、12交通语言最优最优510%24轨道交通小最优（其中其中“良良”或或“小小”是指这种措施的效果是一个慢过程，将来很大）是指这种措施的效果是一个慢过程，将来很大） 因为城市交通问题是一个极其复杂的巨大的社会系统工程，缓解城市交通拥堵的对策和措施很多，不能单靠某个人、某个部门，要全社会上下动员起来才能解决，政府决策部门、规划设计部门、管理部门及其相关部门还有交通参与者各定其位、各负其责、各尽所能，其最终效果是各得其所。只有这样，城市交通拥堵的缓解一定会大有希望。 系统分析的基本概念系统分析的基本概念 所谓系统分析，是指从系统的角度出发，对需要改进的现有系统或准备建立的新系统进行定性和定量的理论分析

16、或实验研究，从而完成系统目的的重申、系统结构的分析、系统性能的估计、系统效益的评价、系统和环境相互影响的分析以及系统发展的预测，为系统综合、系统规划设计、系统协调、系统优化控制和系统管理提供理论和实验依据。 系统分析要素系统分析要素 问题问题 目的及目标目的及目标 方案方案 模型（结构、数学、仿真）模型（结构、数学、仿真） 评价评价 决策者决策者系统分析程序系统分析程序认识认识问题问题探寻探寻目标目标综合综合方案方案模型模型化化优化或优化或仿真仿真分析分析系统系统评价评价决策决策（分析（分析）NY初步初步SASA规范分析规范分析综合分析综合分析 SA程序图是程序图是SA的一般过程，也为全课程的

17、一般过程，也为全课程提供了基本的逻辑框架，因而十分重要。在对其提供了基本的逻辑框架，因而十分重要。在对其理解和应用上应注意以下各点：理解和应用上应注意以下各点： 重视做好初步重视做好初步SA. SA. 5W1H(What/Why/Who/Where/When/How) 5W1H(What/Why/Who/Where/When/How)方法是方法是做好这段工作的基本线索。做好这段工作的基本线索。 在规范分析中一般需（或尽可应）建立结构模在规范分析中一般需（或尽可应）建立结构模型、数学模型或仿真模型。型、数学模型或仿真模型。 每段结束后系统方案的变化轨迹是：可行方案每段结束后系统方案的变化轨迹是：

18、可行方案非劣方案非劣方案经排序的非劣方案（或称选择性方经排序的非劣方案（或称选择性方案）。案）。 环境分析贯穿环境分析贯穿SASA全过程，在全过程，在SASA中是十分重要和中是十分重要和必不可少的。必不可少的。 在管理应用在管理应用SASA过程中，并不一定要（或能）遍过程中，并不一定要（或能）遍历并完成每一个具体过程。历并完成每一个具体过程。系统分析的特点系统分析的特点 （1）问题导向）问题导向 （2）以整体为目标）以整体为目标 （3）多方案模型分析和选优）多方案模型分析和选优 （4）定量分析与定性分析相结合）定量分析与定性分析相结合 （5）多次反复进行）多次反复进行 系统分析的原则系统分析的

19、原则 外部条件与内部条件相结合 当前利益与长远利益相结合 局部利益与整体利益相结合 定量分析与定性分析相结合 系统工程的方法系统工程的方法 硬系统方法论 软系统方法论 霍尔三维结构霍尔三维结构A.D.Hall1969系统工程活动矩阵：T-L知识维（K）运筹学控制论社会科学工程技术逻辑维（L）规划阶段设计阶段分析阶段运筹阶段实施阶段运行阶段更新阶段时间维(T) 摆 明 问 题 系 统 设 计方案综合模型 化实施计划 决 策最优化 切克兰德方法论切克兰德方法论问题及其环境的问题及其环境的识别与表达识别与表达建立概念模型建立概念模型(目标系统概念化目标系统概念化)根底定义根底定义比较比较寻求改善途径

20、寻求改善途径选择选择设计设计实施实施评估评估. 两种方法论的比较两种方法论的比较 (?) 相同点相同点：问题导向；注重程序及阶段；：问题导向；注重程序及阶段； 不同点不同点： (研究对象或应用领域、基本方法、研究对象或应用领域、基本方法、 核心内容或关键点、反馈机制、核心内容或关键点、反馈机制、) 所谓硬系统一般是偏工程、物理型的，它们的机理比较明显，因而比较容易用数学模型来表述，有较好的定量方法可以计算出系统的行为和最优解。所谓“软系统”一般是偏社会、经济型的，它们的机理往往并不清楚，较难完全用数学模型来表述，而常用定量与定性相结合的方法来处理问题。 在20世纪50年代到60年代末，由于定量

21、方法的发展和电子计算机的广泛应用，使不少社会经济问题和管理问题有了科学计算的具体方法，并可以具体求出它的最优解决方案，极大地推动了运筹学和系统工程的发展。但是到20世纪70年代中期，一些有远见的学者感觉到“过分定量化”、“过分数学化”会给运筹学、系统工程的应用带来副作用，有些人满足于数学公式的推导本身，而忽视了最有生命力的源泉实际问题本身。 基于过分定量化、过分数学化的模型难以解决一些社会实际问题，许多学者开始了反思。到20世纪80年代，在美、英出现了一批新的系统方法论，他们的共同特点是偏软，大多没有数学模型，而强调思考方法、工作过程和人的参与等。 Checkland在他的著作软系统方法论一书

22、中，基于系统的目标、结构、机理特征，将系统分为两种，即目标明确、结构清晰、机理清楚、可用数学模型表达的硬系统，和目标不明确、结构不良、机理不清楚、难以应用数学模型表达、偏社会、经济、文化、生物的软系统 RAND Corporation的系统分析方法被采用的条件 1）至少有一个要被达到的目标 2）实现目标有若干种方法或途径 3）每个系统都需耗费资源或成本 4）数学模型表明目标、可选的方法、环境及资源相互依赖 5）有一个与目标及成本或资源相关的参数可用于选择最佳的方案。“硬”系统“软”系统运筹学系统分析系统工程系统动力学(硬系统方法)社会系统设计战略假设表面化与检验社会系统科学软系统方法论(软系统

23、方法)表23 软系统与硬系统的对比 始于1950年芝加哥，底特律及其他城市 1950年到1960年计算机的发展有利于大型数据的处理推动了交通规划的发展 大型模型应用于Pittsburgh, San Francisco and the Penn-Jersey Corridor in the US (Klosterman 1994) and for London and the West Midlands in the UK (Atkins 1977). 私人咨询公司兴起 上世纪60年代后期，硬系统方法论较为普遍。 规划一般采取的框架： 对观察到的交通现象进行解析（如重力模型） 用硬系统方法论对交

24、通系统进行概念化 理性的规划方法 利用计算工具去实施这些规划 利用系统方法进行理性规划以弥补科学方法的缺点的原因在于： 尽管科学在物理化学方面取得了长足的发展，但在心理学方面却未取得重大进展。尤其在涉及人的学科如社会学及政治学上，采用一般的科学方法被证明难以奏效。 四阶段法出行者的选择过于理性，事实上，目前城市出行越来越复杂，多样化，因此有必要采取软规划方法 上世纪70年代后期，城市交通规划开始同时从技术及政治的角度系统看问题。并寻求满意解。 交通规划是城市交通问题的一部分，需要在各级政府层面考虑。 多模式的整合及无缝化连接是重要的 满足所有的交通需求是不可能的 交通不仅仅是简单的技术问题，它

25、还需要有对人的行为及出行动机的更深理解 不同的交通重要性不同。有些交通是必要的，需要赋予较高的优先级 规划师与模型师（依赖于计算机）的区别 预测及供给越来越受到批判。但目前没有成熟的可替代的规划方法 应有一个新的规划评价方法从系统思想发展到(一般)系统论、控制论、信息论等系统理论，是和近代、现代科学技术的兴起与发展紧密联系、到20世纪初中叶才实现的。老三论：形成于20世纪40年代 一般系统论、控制论和信息论 新三论：形成于20世纪70年代 耗散结构理论、协同论和突变论 系统论或狭义的一般系统论，是研究系统的模式、原则和规律，并对其功能进行数学描述的理论。其代表人物为奥地利理论生物学家贝塔朗菲。

26、 控制论是研究各类系统的控制和调节的一般规律的综合性理论，“信息”与“控制”等是其核心概念。它是继一般系统论之后，由数学家维纳在20世纪40年代创立的。 信息论是研究信息的提取、变换、存储和流通等特点和规律的理论。一般系统论的基本观点 系统的整体性 系统的开放性 系统的动态相关性 系统的层次等级性 控制论的产生与发展维纳于1948年出版了控制论一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学。”明确地指明这门新科学既突破了动物和机器地界限，又突破了控制工程与通信工程地学科界限。因而维纳的控制论阐述着两个根本观念： 一切有生命、无生命系统都是信息系统。控制的过程也可以说是信息运动的过

27、程。无论是机器还是生物，在构成控制系统的前提下，都存在着对信息进行接收、存取和加工的过程。 一切有生命、无生命系统都是控制系统。一个系统，一定有它的特定输出功能，而要具有这种输出功能，必须有相应的一套控制机制。控制必须要有目标，没有目标，则无所谓控制。通过一系列有目的的行为及反馈使系统受到控制。人们根据维纳的定义形成的比较公认的看法是：“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学。”钱学森认为其是二十世纪上半叶最伟大的三项理论（相对论、量子论、控制论）之一。 控制论的发展已大致经历了三个时期。从40年代末到50年代是第一个时期，即经典控制理论时期。在这一时期，主要的研究对象是单因

28、素控制系统，重点是反馈控制，借以实现的工具是各种各样的自动调节器、伺服机构及其有关的电子设备，着重解决单机自动化和局部自动化问题。如用自动调节器来控制锅炉水位，用伺服机构使雷达自动跟踪目标，控制火炮自动瞄准等。但是这些都是单变量自动控制，只解决单输入与单输出系统的控制问题，在应用上有一定局限性。控制论发展的第二个时期为60年代，即现代控制理论时期。随着导弹系统、人造卫星、航天系统等科学技术的迅速发展，提出了多输入、多输出、高精度和参数时变系统的分析和设计问题，以往经典控制论已不能满足需要了。因而这一时期，控制论的主要研究对象就成了多因素控制系统，研究重点是“最优控制”，研究借助的工具是电子计算

29、机。美国科学家卡尔曼（Kalman）等人将量子力学等内容引入到了控制论中，扩展了经典控制论的内容，将控制论从“经典控制论”推向“现代控制理论”，从单变量的自动调节发展到多变量的最优控制。 进入70年代以后，是大系统控制理论时期。在这一时期，主要研究对象是因素众多的大系统，重点是大系统多级递阶控制，借助的工具是电子计算机联机和智能机器，应用领域主要为社会系统、经济系统、生态系统、管理系统、环境系统等。这些大系统是大规模复杂系统，其规模庞大、结构复杂、环节数量大或层次较多，其间关系错综复杂，影响因素众多，并常带有随机性质的系统。研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建立模型的模型简化等问题成为大系

30、统理论。分解与协调的方法是大系统优化的基本方法。 控制论研究的重点是带有反馈回路的闭环控制系统，并不是任意的控制系统。控制论首要的观点是反馈，从反馈的观点看，反馈（负反馈）就是控制的调节行为，因而多把控制论系统局限于带反馈回路的闭环控制系统。控制论的另一个重要观点是信息。从信息的观点出发，可以认为控制论所说的反馈是指信息反馈。因而控制论系统是通过信息的传输、变换和反馈来实现自动调节的控制系统。 输入 偏差 控制 输出反馈施控器受控器检测器比较器环 境耗散结构理论简介1969年比利时物理学家普利高津（IP rigogine）对非平衡态不可逆过程的研究提出了一种学说：一个远离平衡态（平衡态时熵最大

31、）的开放系统（不管是力学、物理化学的，还是生命的），在外界条件发生变化达到一定阈值时，量变可以发生质变（由无序到有序的突变）。突变后形成的有序状态称耗散结构。如贝纳德流就是一种耗散结构。有序的耗散结构与平衡结构不同，平衡结构虽稳定有序，但是一种“死”结构，它不需要靠外界供应物质、能量来维持。而稳定有序的耗散结构是一种“活”结构，它要不断同外界交换物质、能量来维持其有序状态。正是因为它要通过这种有序状态去耗散物质和能量，所以被称为耗散结构。耗散结构定量研究描述了无序向有序的转化，统一了非生命与生命系统之间的联系。 协同学是七十年代后期由西德理论物理学家哈肯（Haken）创立的。早在60年代初激光

32、问世时，哈肯就积极从事激光理论研究，他发现激光呈现出丰富的合作现象，从而得出了协同作用的重要概念，但协同学正是形成框架是1977年。协同学是一种研究各种不同系统在一定外部条件下，系统内部各子系统之间通过非线性相互作用产生协同效应，使系统从混沌无序状态向有序状态，从低级有序向高级有序以及从有序又转化为混沌的机理和共同规律的理论。它以信息论、控制论、耗散结构理论、突变论等现代科学理论的新成果为基础，同时采用了统计学与动力学考查相结合的方法，通过类比，对各学科中的从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，从而可把在一门学科中所取得的成果、很快推广到其它学科类似现象上去。 哈肯认为系统由无序到有序的关键不在平衡、非平衡或者离平衡态有多远。关键在于组成系统的各子系统在一定条件下，它们之间的非线性作用、相互协同和合作，自发产生有序结构。因此强调了协同现象的普遍性和重要性。协同学着重研究系统中各元素间的合作，它不仅研究开放系统从无序到有序的演化规律，而且也研究其从有序到无序的演化规律，真正统一了有序与无序。因而协同学较耗散结构理论来说有更广的适