發(fā)布時間：2014-12-25 21:03

 

【摘要】 隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長,機動車保有量急劇增加。許多城市因此面臨嚴重的交通擁堵。因為出行者的出行選擇行為決定了交通網(wǎng)絡中的流量分布,同時出行者具有自主性,交通管理措施只能對出行者的出行選擇進行誘導。只有充分理解和把握出行者的出行選擇行為,才能制定有效的交通管理措施。在不同交通網(wǎng)絡條件下,出行者的出行選擇行為具有不同特征。本論文主要研究四種交通網(wǎng)絡條件下出行者的出行選擇行為,建立相應的逐日動態(tài)配流模型,設計交通管理措施。這四種交通網(wǎng)絡條件分別為：有出行信息誘導的交通網(wǎng)絡、多模式交通網(wǎng)絡、城市軌道交通網(wǎng)絡和隨機交通網(wǎng)絡。本論文的主要研究內(nèi)容如下：(1)結合現(xiàn)有不動點分別與用戶均衡和隨機用戶均衡對應的兩個逐日動態(tài)配流模型,本論文分別給出了準確出行誘導信息條件下和非準確出行誘導信息條件下的逐日動態(tài)配流模型�；�于這兩個逐日動態(tài)配流模型,研究了準確出行誘導信息和非準確出行誘導信息條件下交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過研究發(fā)現(xiàn),無論出行誘導信息是否準確,先進出行者信息系統(tǒng)的市場占有率、交通需求量和出行者感知誤差對交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性都有很大的影響。(2)本論文將一個基于用戶約束下系統(tǒng)最優(yōu)的出行誘導信息與連續(xù)網(wǎng)絡設計相結合,并將該問題用一個雙層規(guī)劃模型進行描述,其下層問題的可行域隨著上層問題的決策變量的變化而變化。本論文對現(xiàn)有求解連續(xù)網(wǎng)絡設計問題的模擬退火算法進行改進,用于求解該雙層規(guī)劃問題,避免了因溫度過低而出現(xiàn)迭代步長不能計算的問題。并設計了基于路徑的交通配流算法,使其能夠求解帶有用戶約束的系統(tǒng)最優(yōu)問題。通過數(shù)值試驗發(fā)現(xiàn),與只實施連續(xù)網(wǎng)絡設計相比,本論文提出的出行信息誘導與連續(xù)網(wǎng)絡設計相結合的交通管理措施能夠更好地減少系統(tǒng)總出行時間,進而緩解交通擁堵。(3)本論文基于有限理性設計了城市軌道交通網(wǎng)絡的逐日動態(tài)配流模型。在本論文中,若出行者的期望感知出行費用與實際出行費用的差值在可接受的范圍內(nèi),則出行者保持當前的路徑選擇；否則,出行者按照隨機用戶最優(yōu)原則重新選擇路徑。為了較為真實地反映出行者乘坐城市軌道交通的出行費用,本論文將出行者在車廂內(nèi)受到的擁擠費用計算在出行者的出行成本內(nèi)。在建立基于有限理性的城市軌道交通逐日動態(tài)配流模型后,本論文給出了該模型不動點的充分必要條件。利用該城市軌道交通逐日動態(tài)配流模型,通過數(shù)值試驗發(fā)現(xiàn),出行者對期望感知出費用與實際出行費用間差距的容忍域值、交通需求和出行者感知誤差對軌道交通系統(tǒng)流量演化都有較大影響。(4)本論文分析了混合交通條件和設置有公交車專用道條件下,只有公交車和私家車兩種交通方式的雙模式交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時也考慮了出行者的換乘行為對該交通系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。為了反映公交車與私家車間不對稱的相互影響,本論文設計了混合交通條件下和設置有公交車專用道條件下出行者使用私家車、公交車及停車換乘的出行費用。將這些出行費用與一個現(xiàn)有的不動點與隨機用戶均衡相對應的逐日動態(tài)配流模型相結合,得到了一個針對公交車和私家車的雙模式交通網(wǎng)絡的逐日動態(tài)配流模型。通過研究發(fā)現(xiàn),無論是否考慮停車換乘,與混合交通條件相比,設置有公交車專用道的交通系統(tǒng)在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時還能加載更大的交通需求量。(5)現(xiàn)有隨機交通網(wǎng)絡條件下的逐日動態(tài)配流模型多假設交通需求是確定的,本論文假設交通需求由通勤出行者和非通勤出行者組成。通勤出行者具有確定的交通需求量,而非通勤出行者的交通需求量是一個有界的離散隨機變量。本論文首先說明了在這種隨機交通需求條件下,交通狀態(tài)的有限性,之后給出了交通狀態(tài)的演化過程滿足馬爾可夫鏈的一個充分條件,該充分條件同時保證了該馬爾可夫鏈平穩(wěn)分布的唯一性。在這個充分條件下和有關通勤出行者的學習機制、更新機制假設的基礎上,本論文建立了一個馬爾可夫配流模型,并給出實現(xiàn)該模型的算法。基于該算法,本論文通過數(shù)值試驗分析了通勤出行者學習機制中的記憶長度參數(shù)、交通需求、出行者的感知誤差對系統(tǒng)平穩(wěn)分布的影響。通過研究發(fā)現(xiàn),通勤出行者的記憶長度對系統(tǒng)平穩(wěn)分布的影響較小,而交通需求和出行者的感知誤差則對系統(tǒng)平穩(wěn)分布的影響較大。 

1引言

 

1.1論文的研究背景及意義

城市交通系統(tǒng)是人民生活、社會經(jīng)濟和諧快速發(fā)展的主要支撐和基礎。但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，機動車保有量急劇增加。如2012年北京市的機動車保有量已突破520萬輛，并且私家車所占比例持續(xù)增加，截至2011年底己超過七成。許多城市因此面臨嚴重的交通擁堵。交通擁堵不僅會延長出行時間、增加出行成本，給人們的日常生活和工作帶來種種不便，同時也會影響城市的經(jīng)濟發(fā)展及運行效率。世界上的許多國家每年都會因交通擁堵蒙受的巨大的經(jīng)濟損失。根據(jù)計算指出，中國有15座城市的居民每天上班單行比歐洲多消耗288億分鐘，筆耕文化傳播，折合4.8億小時，15個城市每天損失近10億元人民幣。美國年損失680億美元，英國年損失約43億英鎊，荷蘭6年前年損失已經(jīng)達30億歐元。交通擁堵還會產(chǎn)生環(huán)境污染和交通安全等問題。交通擁堵對環(huán)境的影響包括溫室氣體的排放、大氣污染和交通噪聲PM2.5等，以及當前倍受關注的等。評估結果顯示，北京由于擁堵每日多排放二氧化碳1.67萬噸，氮氧化物、顆粒物和二氧化硫9.5噸。北京每年由于交通擁堵造成的額外生態(tài)環(huán)境污染損失為45.2億元。這還不包括目前很多尚不能量化的損失，如加劇熱島效應、廢棄物污染和對沿線自然生態(tài)的影響等。

制定交通管理措施和評估其有效性，需要充分理解各種交通網(wǎng)絡條件下出行者的出行選擇行為。這是因為出行者的出行選擇行為決定了交通網(wǎng)絡中的流量分布，同時出行者具有自主性，交通管理措施只能對出行者的出行選擇進行誘導。只有充分理解和把握出行者的出行選擇行為，才能制定有效的交通管理措施，誘導出行者的出行選擇，調(diào)整交通網(wǎng)絡的流量分布，進而緩解交通擁堵。描述出行者出行選擇行為的模型常被稱為交通配流模型。交通配流模型常被分為靜態(tài)均衡模型和動態(tài)配流模型。動態(tài)配流模型是將隨時間變化的交通需求按照出行者在時變交通條件下的路徑選擇準則分配到交通網(wǎng)絡上。有關動態(tài)交通配流模型及求解算法的研究可參考高自友和任華玲的著作。靜態(tài)均衡模型研究的是較長時期中每天的某一時間段內(nèi)（如早、晚高峰期），出行者的路徑選擇行為，且在該時間段內(nèi)交通需求和交通條件不發(fā)生變化。靜態(tài)均衡模型關注的是出行者出行選擇行為產(chǎn)生的交通均衡狀態(tài)，如基于第一原則的用戶均衡和隨機用戶均衡。其并不關心出行者如何利用出行經(jīng)驗進行學習及更新感知出行費用的動態(tài)過程，同時也不關心出行者如何利用感知出行費用調(diào)整出行選擇或者交通網(wǎng)絡狀態(tài)的動態(tài)變化過程。所有的靜態(tài)均衡模型皆隱含有一個假設：若交通均衡狀態(tài)存在，則交通系統(tǒng)一定能夠到達該均衡狀態(tài)。這個假設是非常理想化的，實際情況可能與之相反。Horowitz基于一個動態(tài)路徑調(diào)整過程發(fā)現(xiàn)：一個已知存在交通均衡的交通系統(tǒng)并不一定能夠收斂到該均衡狀態(tài)。因此在研究交通網(wǎng)絡的均衡時，不應只考慮交通均衡的存在性，也要研究交通均衡能否達到以及如何達到。

 

1.2研究現(xiàn)狀

1.2.1ATIS的研究現(xiàn)狀

由于ATUIS在緩解交通擁堵、提高交通網(wǎng)絡運行效率等方面具有很大應用前景，目前ATIS已得到廣泛的研究。這些研究包括ATIS設計、ATIS的效用評估、出行誘導信息的種類和準確性、出行者對誘導信息的遵循程度等方面。上世紀八十年代以來，隨著計算機、信息通訊及相關技術的快速發(fā)展，美國、日本和歐洲等發(fā)達國家及地區(qū)在ATIS系統(tǒng)的研發(fā)方面取得一系統(tǒng)的進展，并進行了相關產(chǎn)業(yè)化和規(guī)�；瘧�用。美國在1967年開始對電子路徑誘導系統(tǒng)進行了相關研究，并在20世紀90年代初設計了智能車輛道路系統(tǒng)。日本1993年在東京都市圈開始試運行車輛信息通訊系統(tǒng)（到年提供的信息已經(jīng)覆蓋日本全國。歐洲于上世紀70年代開研究ATIS，在1985年開始實施尤里卡計劃。進入21世紀后，歐盟會先后通過了歐洲智能交通系統(tǒng)發(fā)展行動計劃、城市機動化行動計劃等一系列政策性文件，進而推動了歐洲ATIS系統(tǒng)的研究進程。

雖然我國ATIS的研究起步較晚，但是經(jīng)過十幾年的努力，已經(jīng)取得了一些成果。在“九五”期間，交通部在其中長期規(guī)劃中給出了ITS建設項目相關計劃：結合國內(nèi)實際情況，分階段進行包括交通控制系統(tǒng)、駕駛員信息服務、車輛調(diào)度、車輛安全以及經(jīng)營管理系統(tǒng)這五個領域的研究。1999年11月國家ITS工程技術研究中心成立，并設計了我國ATIS系統(tǒng)標準，該體系框架包括出行前信息服務、行駛途中的信息服務以及公共交通信息服務等五個方面內(nèi)容。該研究中心自主研發(fā)的動態(tài)交通信息處理系統(tǒng)，在2008年北京奧運會期間全天候不間斷地提供了北京市五環(huán)路以內(nèi)的三萬個路段的實時路況信息，。深圳市于2006年率先在國內(nèi)發(fā)布實時動態(tài)的城市路況信息，通過采集的安裝GPS的出租車數(shù)據(jù)，將實時路況信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)、手機終端、車載導航終端、移動電視終端等，前期的信息路網(wǎng)各區(qū)域覆蓋率達到80%，數(shù)據(jù)精確度在78%以上。

 

2信息誘導條件下交通網(wǎng)絡的穩(wěn)定性分析

 

在交通系統(tǒng)中，路段或路徑間的相互影響、交通方式間的相互影響及出行者獲取的出行信息通常并不對稱。這些因素間復雜的相互影響往往導致交通系統(tǒng)的均衡狀態(tài)的不唯一性。在這些復雜的相互作用下，交通系統(tǒng)由某一可行狀態(tài)出發(fā)，其演化過程可能是不收斂的；或其收斂的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，在受到干擾后，不能恢復到原狀態(tài)。在此種情形下需要判斷交通均衡狀態(tài)的穩(wěn)定性和交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免交通管理措施誘使系統(tǒng)朝向不穩(wěn)定性的交通狀態(tài)演化。本章將主要研究ATIS信息誘導下的交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

 

2.1信息誘導條件下逐日動態(tài)配流模型

本章假設ATIS只提供交通網(wǎng)絡中路段或路徑的走行時間。下面將分別給出提供準確出行信息的ATIS下逐日動態(tài)配流模型和提供不準確出行信息的ATIS下逐動態(tài)配流模型。

2.1.1準確誘導信息條件下的逐日動態(tài)配流模型

若ATIS提供的出行信息與實際交通網(wǎng)絡的路況信息一致，裝備有ATIS的出行者可以依據(jù)所獲得的出行信息選擇出行費用最小的路徑出行。因此假設在ATIS發(fā)布的準確誘導信息條件下，裝備有ATIS的出行者遵從用戶最優(yōu)原則進行出行選擇。而未裝備有ATIS的出行者，由于自身感知能力的局限性，使其不能完全感知整個交通網(wǎng)絡的狀態(tài)。在此，假設未裝備有ATIS的出行者按照隨機用戶最優(yōu)原則選擇路徑。下面將給出這種情形的逐日動態(tài)配流模型。

 

2.2交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性

在交通網(wǎng)絡中，不僅存在穩(wěn)定的交通均衡狀態(tài)，也可能存在不穩(wěn)定的交通均衡和周期性吸引子。從交通系統(tǒng)的角度來看，非穩(wěn)定狀態(tài)吸引域的大小決定了系統(tǒng)中均衡狀態(tài)的吸引域，進而影響所有均衡狀態(tài)的穩(wěn)定性。從概率論角度看，非穩(wěn)定狀態(tài)的吸引域的大小決定了從任一可行狀態(tài)出發(fā)交通系統(tǒng)收斂到穩(wěn)定狀態(tài)的概率。

2.2.1改進交通系統(tǒng)穩(wěn)定性的管理措施

從2.3節(jié)的數(shù)值試驗可以看出，無論在準確的ATIS誘導信息或非準確誘導信息條件下，在一定ATIS的市場占有率及交通需求情況下，交通系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的演化，最終會在一些周期性吸引子間振蕩，不能達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。因為交通管理措施皆是希望交通系統(tǒng)達到一個期望的穩(wěn)定狀態(tài)。若在實施交通管理措施后，系統(tǒng)不能達到所期望的穩(wěn)定狀態(tài)，則該管理措施是無效的。因此有必要提出一種管理措施，驅(qū)使交通系統(tǒng)能夠收斂到穩(wěn)定的交通狀態(tài)。本節(jié)將針對AIS信息誘導條件下，交通系統(tǒng)的周期性吸引子和漸近性吸引子均存在的情況，就如何設置這種管理措施進行討論。本章將周期性吸引子和漸近穩(wěn)定點都存在的情況劃分為兩類，一類是各吸引子及其吸引域的范圍已知；另一類是已知漸近性吸引子，但各吸引子吸引域的范圍未知。

 

3結合出行信息誘導的連續(xù)網(wǎng)絡設計問題........33

3.1結合出行信息誘導的連續(xù)網(wǎng)絡設計模型........34

4基于有限理性的城市軌道交通逐日動態(tài)配流模型.......53

4.1模型.........53

4.1.1網(wǎng)絡表示......53

4.1.2有限理性條件下的逐日動態(tài)配流模型.......54

5雙模式交通網(wǎng)絡的穩(wěn)定性分析........69

5.1雙模式交通網(wǎng)絡中的逐日動態(tài)配流模型.......69

 

6隨機交通需求條件下的馬爾可夫配流模型

 

在現(xiàn)有關于隨機交通網(wǎng)絡條件下逐日動態(tài)配流模型的研究中，交通需求多是確定的。雖然Hazelton&Watling稱只要在交通網(wǎng)絡中的每一對起訖點間引入一條匿名路徑，他們的模型也可以模擬交通需求的隨機波動。但是他們的方法主要存在以下兩個問題：

（1）每對起訖點間，在第t天未出行的出行者選擇的是匿名路徑，并獲得出行經(jīng)驗，很明顯這與實際不符。

（2）無法描述己知交通需求的隨機分布的情況。因為在交通配流過程中，分配到實際路網(wǎng)中的交通量與匿名路徑的費用函數(shù)有關。而設計恰當?shù)哪涿�路徑的費用函數(shù)，使分配到實際路網(wǎng)中的交通量滿足給定的分布，是很困難的。

對于問題（1），可以通過增加一些假設來解決。如假設每個出行者在第天，無論是否出行，都可以通過一些方法獲得該天的出行信息。本章將設計一個隨機交通需求條件下的馬爾可夫配流模型，為解決問題（2）提供一種方案。

在本章，交通需求被分為兩部分：一部分由經(jīng)常出行的通勤出行者構成，另一部分是不常出行的非通勤出行者構成。本章假設通勤出行者的交通需求量是確定的。因為在一天中某些時間段內(nèi)，如早高峰或晚高峰期間，經(jīng)常往返于工作地與居住地的通勤出行者的人數(shù)是非常穩(wěn)定的，可以視為一個常量。然而非通勤出行者具有很強的隨機性，本章假設其交通需求量是一個有界的離散隨機變量。由于通勤出行者每日都會出行，他們對路網(wǎng)非常熟悉。因此假設他們有完整的出行信息，按照最小化感知出行費用的原則選擇路徑。非通勤出行者由于不經(jīng)常出行，因此沒有完整的出行信息。本章假設非通勤出行者選擇自由流時間最小的路徑出行。上述關于通勤與非通勤出行者的假設與相似�；�于上面的假設，本章將首先給出交通系統(tǒng)在該隨機交通需求條件下交通狀態(tài)演化的隨機過程是馬爾可夫鏈，且具有唯一平穩(wěn)分布的一個充分條件，并利用該充分條件給出一個具體的隨機交通需求條件下馬爾可夫配流模型。

 

7研究結論與工作展望

 

7.1研究總結

在制定交通管理措施并評價其有效性時，需要充分理解出行者的出行選擇行為。在不同交通網(wǎng)絡條件下，出行者的出行選擇具有不同特征。本論文主要研究有四種交通網(wǎng)絡條件下出行者的出行選擇行為。這四種交通網(wǎng)絡條件分別為：有出行信息誘導的交通網(wǎng)絡、城市軌道交通網(wǎng)絡、多模式交通網(wǎng)絡、隨機交通網(wǎng)絡。本論文針對這四種交通網(wǎng)絡條件下出行者的出行選擇行為特征，建立逐日動態(tài)配流模型，分析交通系統(tǒng)的演化過程和穩(wěn)定性。在分析有出行信息誘導的交通網(wǎng)絡中出行者的出行選擇行為特征的基礎上，本論文設計了一種將出行信息誘導與連續(xù)網(wǎng)絡設計相結合的交通管理措施。

本論文的主要工作和創(chuàng)新點如下：

（1）結合現(xiàn)有不動點分別與用戶均衡和隨機用戶均衡相對應的兩個逐日動態(tài)配流模型，本論文給出了準確出行誘導信息條件下的逐日動態(tài)配流模型和非準確出行誘導信息條件下的逐動態(tài)配流模型。基于這兩個逐動態(tài)配流模型，本文分別研究了準確出行誘導信息和非準確出行誘導信息條件下交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過研究發(fā)現(xiàn)，無論在準確出行誘導信息條件下或是在非準確出行誘導信息條件下，當給定交通需求且出行者感知誤差確定的條件下，交通系統(tǒng)在某些ATIS的市場占有率條件下不能收斂到穩(wěn)定的均衡狀態(tài)。在準確出行誘導信息條件下，未裝備有ATIS的出行者的感知誤差對交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性也有影響，增大未裝備有ATIS的出行者的感知誤差能夠增強交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而在出行誘導信息非準確的條件下，增加出行誘導信息的準確度則交通系統(tǒng)出現(xiàn)周期性吸引子的市場率的取值范圍增大。同時本論文還研究了在出行誘導信息條件下交通需求對交通系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)增大交通需求量會減弱交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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本文編號：10875