（交通信息工程及控制专业论文）城市交通诱导策略优化研究.pdf

摘要 随着我国城市化进程的加快和城市交通拥堵问题的日益严峻，如何对车辆进行诱 导，从而合理地分配交通需求已经成为现今交通研究的主要内容。而如何对交通诱导策 略进行优化改进，使它可以更高效的对车辆进行诱导，减少交通拥堵，是诱导系统研究 中的重要问题。因此对诱导策略进行优化研究具有重要的理论意义和现实价值。 本文在分析城市交通现状的基础上，对交通流分配理论及模型进行了研究，综合考 虑各种交通阻抗因素，确定了以动态行程时间作为路阻函数来研究车辆在路段上的交通 延误，建立了路段行程时间函数计算模型，分析比较了多种经典路径诱导算法，并对选 用的d i j k s t r a 算法进行了改进。最后用v i s s i m 软件进行了仿真验证。论文主要完成了 以下工作： l 、基于集散波理论分析了道路车流状况，建立了排队长度模型，并用v i s s i m 仿 真软件对排队长度模型进行了验证。以排队长度为依据，计算了车流在路段上游自由行 驶状态时的行程时间。 2 、针对有信号灯控制的交叉口和没有信号灯控制的交叉口，分别通过分析建立了 交叉口延误模型。尤其在有信号灯控制的交叉口处，针对选取时间间隔与红灯相位的不 同搭接关系，详细地确立了交叉口延误模型，并用v i s s i m 软件进行了仿真说明。 3 、研究了经典路径诱导算法，并选取计算最为简单方便的d i j k s t r a 算法作为最短路 径搜索的算法，同时针对其部分缺点进行了改进。最后给出了以动态行程时间作为路阻 函数的最短路径搜索过程，并用v i s s i m 进行了仿真搜索。 关键词：交通流诱导，行程时间，交通流分配，路阻函数 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o np r o c e s sa n dt h em o r es e r i o u sp r o b l e m so f u r b a nt r a f f i c ，h o wt og u i d et h ec a r s ，a n dr a t i o n a l l yd i s t r i b u t et h et r a f f i cd e m a n di st h em a i n c o n t e n tt ot o d a yt r a f f i cs t u d y h o wt oo p t i m i z et h es t r a t e g yo ft r a f f i cg u i d a n c e ，d i s t r i b u t et h e d e m a n do f t h et r a f f i ci nr e a s o n , r e d u c et h et r a f f i cj a m ，a r et h el e a d i n gp r o b l e m si nt h er e s e a r c h o ft h et r a f f i cg u i d a n c es y s t e m s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt oa n a l y z ea n do p t i m i z et h es t r a t e g yo f t h eg u i d a n c e o nt h eb a s i so ft h ea c t u a l i t yo ft h ec i t yt r a f f i c ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h et h e o r ya n dm o d e l o ft h et r a f f i cf l o wa s s i g n m e n t ，c o n s t r u e sv a r i o u sf a c t o r so ft h et r a f f i cc o s t ，c o n f i r m st h a tt h e d y n a m i ct r a v e lt i m ew h i c hu s e dt or e s e a r c ht h ed e l a yo nt h er o a di st h ei m p e d a n c ef u n c t i o n , a n de s t a b l i s h e st h ec a l c u l a t i v em o d e lo ft h et r a v e lt i m e i ti sa l s oa n a l y z e sa n dc o m p a r e s m u l t i c l a s s i c a lr o a dg u i d a n c ea l g o r i t h m ，a n dt h e nu s e st h ed i j k s t r a , a tt h es a m et i m ei m p r o v e s o ni t l a s t l y , s i m u l a t ea n dv a l i d a t et h e mw i t hv i s s i m t h ef o l l o w i n gw o r k sa r et h em a i n m i s s i o n ： f i r s t l y , o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo ft h eg a t h e r - d i s p e r s ew a v e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h e s t a t u so ft h ev e h i c l ef l o w , e s t a b l i s h e st h eq u e u el e n g t hm o d e l a n du s ev i s s i mt ov a l i d a t e t h i sm o d e l t h e nb a s e do nt h e s e ，c a l c u l a t e st h et i m ew h i c ht h ev e h i c l ec o s t 谢t l la 丘e es p e e d o nt h er o a du p s t r e a m s e c o n d l y , a i ma tt h ei n t e r s e c t i o n 、i t l lt h ec o n t r o l l i n go ft h es i g n a ll a m po rn o t , a n a l y z e s t h a td o u b l e s i t u a t i o n s ，a n dt h e ns e t su pt h a td o u b l e - m o d e l e s p e c i a l l yt h ei n t e r s e c t i o n 谢t l lt h e c o n t r o l l i n go ft h es i g n a ll a m p ，t h i sp a p e ri na l l u s i o nt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i g h tt i m e a n dt h ea r r a n g e m e n tt i m e ，e s t a b l i s h e st h ei n t e r s e c t i o nd e l a ym o d e l ，a n du s ev i s s i mt o e x p l a i nt h i sm o d e l t h i r d l y , r e s e a r c ht h ec l a s s i c a lp a t hg u i d a n c ea l g o r i t h m ，a n dt h e nm a k e st h ed i j k s t r aa s t h ea r i t h m e t i cw h i c hu s e dt os e a r c ht h es h o r t e s tp a t hi nt h et r a n s p o r t a t i o nn e t a to n et i m e ， a i ma tt h es h o r t c o m i n gt h ea r i t h m e t i c ，t h ep a p e ri m p r o v e di t a tt h el a s t , g i v e st h ep r o c e s so f s e a r c h i n gt h es h o r t e s tr o a d ，a n du s ev i s s i mt os i m u l a t et h es e a r c h i n g k e yw o r d s ：l l a 伍cf l o wg u i d a n c e ；i r a v e lt i m e ；t r a f f i cf l o wa s s i g n m e n t ；i m p e d a n c ef u n c t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：椭硝7 年 月n 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：薇拆汰稿 圳7 年 月2 z 日 导师签名：苗蔼札1 叼7 年! 月肿 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 据统计，截止到0 8 年9 月底，全国机动车保有量为1 6 8 0 3 万辆，与2 0 0 7 年底相比， 增加8 2 5 ：5 万辆，增长了5 1 7 。同时私人机动车保有量为1 2 7 6 8 万辆，占机动车总量 的7 5 9 9 ，与2 0 0 7 年底相比，增加了6 1 1 2 5 万辆。基于道路的有限性，车辆的快速增 长，必然会加剧我国城市道路的交通拥堵问题。同时汽车尾气的排放，汽油和柴油在发 动机燃烧时产生的有害物质，都严重影响着人类的生存环境。城市交通问题作为全球必 须共同面对的问题，对其的改善已迫在眉睫。 一般通过两个方面来改善城市交通，第一是拓宽现有的道路和修建高等级公路或者 多修路，第二就是充分利用我们现有的交通资源，通过现代高科技手段使其在一定道路 的基础上发挥出更高的运转效率。无疑对现有的交通状况来说，拓宽道路是不理想的， 因此只能通过开发利用改善道路通行性能的产品，才能有助于解决交通拥堵日益严重这 个问题。 然而交通拥堵是一个随机性的事件。根据调查，美国城市道路大约有6 0 的交通拥 挤问题是由于诸如事故、车辆抛锚等随机事件导致的。即使是与某一时间段的交通量及 其道路实际通行能力相关的常发性拥挤也同样包含着来自道路网络的交通需求等随机 性因素。由于交通状况的随机性，单纯地依靠出行者的经验来进行路径决策是不合理的， 甚至过分地依赖出行者的经验有时不但会给出行者带来损失而且会恶化整个交通环境。 解决这个问题的有效方法是建立完善的交通路径诱导系统，可以向出行者提供实时的交 通道路网络信息，为其在出行前或者出行途中作出正确的道路决策提供支持。 城市交通流诱导系统( u r b a nt r a f f i cf l o wg u i d a n c es y s t e m ，u t f g s ) 是智能交通 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 ) 的重要组成部分。目前在研究 交通诱导系统的时候，对实时行程时间的计算和预测以及对路径诱导算法的优化等方面 仍然存在问题。因此，本论文对路径诱导策略优化的问题进行研究，具有较强的学术价 值和现实意义。 1 2 城市交通流诱导系统概述 交通拥堵问题是交通流在交通道路网上分配不合理而引起的最明显的现象。诱导系 统就是通过各种手段和技术来引导路网中的交通流在不拥挤的路段和交叉路口中运行， 从而对交通流进行合理的分配。交通流诱导系统是解决我国目前交通拥堵问题的最佳方 第一章绪论 法。城市交通流诱导系统是以全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 、g p s ) 、电子交 通图( d i g i t a lm a p ) 、计算机以及先进的通信技术为基础来进行路径诱导的。驾驶员可 以在车载的计算机上可以得到当前车辆所处的位置、以及道路交通状况和网络图。这样 不仅使驾驶员可以找到从当前位置到目的地的最优行驶路线，而且可以使他们方便地进 出原先没有去过的地方，并有效防止交通阻塞的发生，减少车辆在道路上的停留时间， 最终实现交通流量在道路网络中的各路段上的最优分配。 根据诱导作用的对象不同，城市交通流诱导系统分为车内诱导系统和车外诱导系统 两大类。车内诱导系统是针对单个车辆进行实时诱导，它需要在车辆上安装定位装置、 信息接收装置和路线优化装置；车外诱导系统主要是通过路边可变动态交通显示板对整 体车流进行诱导。在交通实践中，两系统均得到了广泛的应用。根据选择诱导的决定方 式的不同，诱导系统可以分为中心式诱导和分布式诱导两个方面。中心式诱导是由诱导 中心根据车辆的请求来确定车辆的行驶路线，然后下传到单个车辆。分布式诱导是车载 机通过诱导中心下传的实时交通信息数据，选择诱导行驶路线【1 】【2 】。 根据我国的实际状况，交通流诱导系统的基本结构一般分为【3 】： 一、交通流信息采集与处理子系统 首先需要在城市中安装自适应式的交通信号系统。那么通过交通控制中心就可以采 集交通流信息。该子系统的主要涉及的是接口技术的研究。 完成的主要任务是将从交通控制中心获得的网络交通流信息传送到交通流诱导主 机，同时建立路阻函数，确定各路段的路段阻抗，滚动式预测网络中各路段的交通流量 和车辆在这些路段上的运行时间，为诱导提供依据。 二、车辆定位子系统 车辆定位子系统是确定车辆在路网中的确切位置，主要研究内容有： 讨论如何依据设备所测出的结果，对车载机的误差进行修正，从而提高定位精度， 即建立一套差分理论模型： 设计系统的通信网络，其中包含信号的编码、发射、接收、调制和调解等问题； 研究系统的电子地图制作方法和实现技术，并建立系统的自学习过程，从而不断 地修正电子地图： 建立一套故障自诊断系统，使得当系统发生故障或信号在传输中出现较大误差 时，保证系统准确定位车辆。 三、交通信息服务子系统 2 长安大学硕士学位论文 交通信息服务子系统是将主机计算出来的交通信息( 预测的交通信息和实时交 通信息) ，通过各种传媒( 有线电视、联网计算机、收音机、路边的可变标牌和车载接 收装置等) 传送给公众，使出行者能够得到交通诱导信息。 四、行车路线优化子系统 依据车辆定位系统所确定的车辆位置以及出行者输入的目的地，结合交通信息采集 与处理系统传输的路网交通信息，为出行者提供合适的行车路线，这就是行车路线优化 子系统的任务。从而避免交通拥挤，达到减少延误的目的。在车载显示屏上给出车辆行 驶前方的交通网络状况，同时用箭线标示所建议的最佳行驶路线。 1 3 国内外城市交通流诱导系统现状 1 3 1 发达国家城市交通流诱导系统研究现状 交通流诱导系统一直就受到了人们的普遍关注。许多发达国家如：美国、德国、日 本等均将其列入国家研究计划，进行深入研究并得以广泛应用。目前研究开发比较成功 的有美国的t r a v t e k 系统、德国的a l i s c o u t 系统和日本的导航系统等【l 】，现分别介绍。 1 、t r a v t e k 系统 t r a v t e k 系统可以向用户提供车辆当前位置、实时交通信息和优化的出行路径等丰 富的交通信息服务，帮助驾驶员安全、快速地行驶于路网之上。该系统是1 9 9 1 年在奥 兰多市首先开始试运行的，它由美国联邦公路委员会、佛罗里达交通部及奥兰多市等政 府部门和通用汽车公司、摩托罗拉公司以及美国汽车协会等联合开发。 如图1 1 所示t r a v t e k 系统分为三大部分：o t r a v t e k 信息和服务中心，由美国汽 车委员会负责建立和管理；交通管理中心，由政府负责建立和管理；装备有计算机 和通信设施的车辆，也称为t r a v t e k 车辆，包括车内所有硬件和软件以及所需要的通信 设备，这些均由通用汽车提供。 第一章绪论 交通信息 车辆位置 信息请求 服务请求 图1 1t r a v t e k 系统结构图 话通信 t r a v t e k 系统使用两台独立的计算机，这样可以满足不同软件对运行环境的不同要 求。t r a v t e k 系统可以同时执行定位和路径选择任务，确保了车辆位置跟踪显示和路径 选择的实时性。同时t r a v t e k 系统具有一个显著优点，即将车辆定位和路径优化的软硬 件都安装在车辆的内部，当通信设施局部受到损害和发生故障时，用户仍然可以从系统 的历史数据中获得帮助。 2 、a 1 i - s c o u t 系统 a 1 i - s c o u t 系统是欧洲最具代表性的交通路径诱导系统，它是由西门子公司和 b o s c h b l a u p u n k t 公司联合开发的。a l i s c o u t 系统组成及运行原理图如图1 2 所示， 分为车内设备和车外设备两部分。车内装有定位设备( p ) 、导航设备( n ) 、磁场传感器 ( m s ) 、车轮转数计( w p ) 、带有磁盘盒方向指示器的操作板( o ) 、行程时间测量仪( m t ) 、 红外发射器( i t ) 、红外接收器( i r ) 和目标存储器( d s ) 等。车外装有信标红外发射器( b t ) 、 信标红外接收器( b r ) 、信标控制器( b e ) 和交通路径诱导计算机( t g c ) 。 4 长安大学硕士学位论文 图1 2a 1 1 s c o u t 系统的组成及运行原理图 依据图1 2 所示，a l i - s c o u t 系统的车内设备工作流程如下：在n 开始工作时，驾 驶员输入目的地，输入的地址编号存储在d s 中，用m s 确定车辆的行驶方向，w p 来测量 行驶的距离，方向和距离都被送到p 中，以确定车辆所在的位置。 车外通信是通过安装在路口两旁( 交通信号灯上) 的信标与外界以双向红外通信方 式来交换信息的。一般每个信标由很多信标头组成，信标头连接着一个b e ，b e 与：t g c 相连。t g c 负责最优路径的计算、路段阻抗的预测以及数据库管理等任务。车外工作流 程如下：当车辆通过信标时，信标通过b t 将本地地图及计算出来的最优路径等数据发 送给车辆，车辆是通过b r 接收，并将行程时间等信息反馈给信标。n 利用所获得的信息 引导驾驶员按照一定的路径快速、准确地到达目的地。 3 、日本的导航系统 日本于1 9 9 5 年成立了道路交通信息通信系统( v i e s ，v e h i c l ei n f o r m a t i o n & c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 中心。1 9 9 6 年启动v i c s 项目并首先在东京进行实施，并于1 9 9 8 年开始向全国推行。v i c s 是日本导航系统的核心。工作过程为：道路上的交通流检测器 和车辆上的发射天线将动态交通信息传输给信息中心，信息中心经过规范化处理后利用 f m 多重放送等手段将多种诱导信息再发送给车辆，结合车载g p s 接收机的定位功能，从 而实现引导车辆更好地完成出行这一目的。v i e s 的信息传输流程如图1 3 所示。 第一章绪论 蓁殛府竽路蛊案 上 施工信息芝；岁 专首甬黎奎票堡少。荒蠹蠢? 鬻萎嚣 道路交通信i 弋一 ( 刀口佃珀、停牛物寺j 蓁蕈 薹 多重 ) 供 t 汪田干坊，i 、适用千特大 - 7 v j 的范围空间 的范围空间 t 1r 止占 盖印印 臂 印固 印 图1 3 c s 的信息传输流程图 1 3 2 国内城市交通流诱导系统研究现状 我国对交通流诱导系统的研究起步较晚，目前处于对定位系统、电子地图、双向通 信等问题的深入研究阶段。诱导系统的通信方式一般采用的是无线电广播传播方式，基 于g p s 、集群通信、可变标牌的诱导系统尚在发展应用初驯。 l 、多段接力式动态标志路线引导系统 多段接力式动态标志路线引导系统属于车外诱导型系统，通过可变标牌和交通广播 电台实现对交通流的诱导。该系统是针对行驶路径较为复杂的城市路网而设计的。像接 力棒那样在相邻的交叉口前连续设置显示路段交通信息的可变标牌，通过使驾驶员了解 各个交叉口上的路段动态交通信息，来将车辆逐段诱导到不拥挤的路段上，直到目的地。 该方法可以避免车辆驶向拥堵路段，可以很好地缓解交通堵塞。多段接力式动态标志路 线引导系统由交通信息采集系统；交通信息评价处理单元；数据传输系统；中央计算机 处理系统；可变标牌、交通信息广播台及其控制单元组成。如图1 4 所示。 6 长安大学硕士学位论文 图1 4 多段接力式动态标志路线引导系统结构图 2 、g p s 和集群通信组成的动态指挥调度系统 根据使用单位的数量该系统可以分为一个单位独享的动态调度系统和多个单位共 享的动态调度系统。在系统中，某些具有组呼等调度功能的用户，可以指挥其所在单位 的其他用户。调度过程为：有组呼权的指挥用户发出呼叫，向通信中心申请查询本组定 位车辆的位置，然后通信中心向该组用户发出定位命令，并将车载6 p s 接收机收到的位 置数据用分配的专用信道回送，最后通信中心再把车辆的位置数据转发给指挥用户。该 系统适合于公安、消防、电力和特殊交通集团作分组调度使用。 总体来看，我国对交通流诱导系统的研究和应用大部分是以无线电广播为基础的， 基于6 p s 、集群通信的交通诱导系统的应用不够深入，同时缺少对交通流诱导系统的全 面性研究。 1 4 研究的目的和意义 随着城市化进程的加快和交通拥堵问题的日益严峻，要求着我们要迅速地发展我国 的交通事业。在城市中新建的道路和各种交通设施越来越多，这些举措一方面为出行者 提供了更大的出行选择机会，一定程度上有助于缓解路网的压力。但同时也增加了其出 行的复杂性。同时在我国，存在着人口密度大、路网相对不完善、车辆以及自行车的出 行量大等问题，造成路网的交通容量始终无法满足日益增长的交通需求。而针对现有的 交通资源，不可能无限的拓宽道路，因此迫切需要一个有效的路径诱导系统使车辆能够 避免拥挤，可以安全、便利、快捷地到达目的地。同时对于交通管理者来说，交通流尽 7 第一章绪论 量合理地分配在整个路网上也是交通管理的目的。 在路径诱导系统中，路径的诱导策略是必不可少的一个内容。准确的计算及预测交 通阻抗，应用正确的路径诱导算法可以有效地分配交通流，提高车辆的通达速度，同时 根据出行者的不同需求( 如出行时间最短、出行距离最短、出行费用最省等) ，为其提 供最优的出行路线及诱导信息。在同等的交通道路条件下避免道路阻塞、减少环境污染 和事故率，同时减轻驾驶员的负担，提高了他们行驶的舒适度及安全性。 综上所述，具备良好的路径诱导策略是减少交通拥挤的一个高效而可行的方法，不 仅可以带来巨大的经济效益，同时还可以减少交通拥堵对环境的污染，改善我们的交通 系统服务水平，并加快我国发展步伐，提高人民生活质量。因此在我国进行城市交通诱 导策略优化研究具有重要的意义。 1 5 论文的主要研究内容 本文针对我国城市道路的现状和问题，借鉴国外城市诱导系统的研究成果，对诱导 策略中的行程时间和诱导路径算法进行了分析研究。主要研究内容如下： 1 、对交通流分配问题进行了概述，认识了解交通网络配流的准则和模型，分析了 交通流分配中的路阻函数，为分析动态路段行程时间奠定了基础。 2 、基于集散波理论建立了车辆在路段下游的排队模型，并用v i s s i m 软件进行了仿 真验证。以排队长度为依据，建立车辆在路段上的总行程时间模型。 3 、针对有信号灯控制和无信号灯控制两种情况下的交叉口，分别分析并建立了交 叉口延误模型。尤其在有信号灯控制的交叉口处，针对系统工作时间间隔与红灯相位的 不同搭接关系，详细确立了交叉口延误模型。用v i s s i m 软件进行了仿真说明。 3 、研究分析了路网模型及其权重的标定，将动态行程时间作为路阻函数。在简单 介绍几种路径诱导算法之后，着重介绍了d i j k s t r a 路径诱导算法，并针对其存储容量 过大、效率不高的缺点进行了优化。最后分析研究了基于动态行程时间函数的路径诱导 过程，并用v i s s i m 软件进行了仿真搜索。 8 长安大学硕士学位论文 第二章交通流分配问题 交通流分配是交通网络分析、交通需求分析的一个重要组成部分，也是先进的交通 流诱导系统、先进的交通系统和先进的交通信息系统的理论基础和核心问题。所谓交通 流分配就是将各种出行方式的o d ( o r i g i n d e s t i n a t i o n ，起讫点) 量按照一定的规则符 合实际地分配到交通网络中的各条道路上，求出各路段上的流量及相关的交通指标，从 而为交通网络的设计、评价等提供依据。 2 1 交通流分配的意义 交通流分配模型分为两种，静态交通流分配模型和动态交通流分配模型。静态交通 流分配模型是以假定o d 间的交通需求量是不变的这一情况为前提，进行交通分配。这 种分配针对的是交通流分布形式固定，即长期稳态的交通系统。而实际交通网络中的交 通需求恰恰具有随时间变化的性质，这使得交通网络上的交通流具有动态特性。动态交 通流分配模型是建立在考虑时变的o d 需求、时变的交通条件下的交通行为基础上的， 所以正好可以表现这种较短时间内的非定常交通，能够更广泛、更确切地描述城市交通 网络上的各种交通现象，这对于i t s 中的动态路径诱导具有关键作用，因此动态交通配 流模型的研究具有非常重要的理论与实际意义【4 】。 2 2 交通流分配的目的与原理 2 2 1 交通流分配的目的 在城市道路网中的任何道路上任何时刻内，都有大量的个体出行者在准备出行。出 行者为了到达某一目的地而决定何时出行，采用何种交通工具出行，以及走哪些路线等 问题。而这些决策部分依赖于出行者的个人经验，部分便依赖于交通路网的拥挤程度以 及交通阻塞点出现的位置。然而，交通路网中任何一点的阻塞情况离不开通过该点的交 通量。而道路网上发生的交通量也就是这大量个体出行者最终决策的结果。所以正确的 交通分配方法能够较好地再现实际交通状态，达到交通特性与需求的平衡，即交通网络 的平衡。 交通分配即路径选择问题，目的就是通过了解各起讫点( o d ) 交通在道路网内的流 动情况，并预测各路段上的交通量，从而有助于道路交通网络合理规划。静态交通流分 配模型主要用于较长时间的交通计划，通常以日交通量为研究对象，推求一天的平均交 通量分布模式，从而进行道路网的规划和设计。而动态交通流分配模型考虑了交通需求 随时间变化的特性，在给定交通网络、路段特性函数以及随时间变化的o d 交通量基础 9 第二章交通流分配问题 上，获取路网随时间变化的交通流形态以及行驶时间、费用，更确切、更广泛地再现交 通拥挤在内的交通现象，为出行者提供最优的路径决策提供了基础保障【5 】。 2 2 2 交通流分配的原理 交通流分配其实就是对交通出行路径选择过程的一种实际模拟，进而对交通状况进 行分析、预测与管理。分配的结果依赖于出行原则，不同的路线选择原则对应着不同的 交通流分配模型。系统最优( s y s t e mo p t i m a l ，简称s o ) 原则与用户最优( u s e r e q u li b r i u m ，简称u e ) 原则是被广泛接受并与实际状况吻合较好的两种出行原则，前者 是系统规划者所期望得到的一种网络交通流的最优分布状态，对应着交通系统在统一调 度指挥控制下的理想模型，前提是要求出行者之间必须相互协作。后者更接近现实交通 的出行特点而且能够评价交通管理对策的效果。它是从用户自身的意愿出发，根据自身 的不同喜好或者要求，把交通需求分配到网络中。 交通需求在交通网络上的分配是交通分析和规划中的重要环节，即将已有的起讫点 的交通量( 从出发地到目的地之间的交通量) 按照一定的出行规则，合理地分配到道路 网中的各条道路上。在一般的道路网络中，起讫点之间存在很多条道路。那么交通分配 模型主要解决的任务便是如何将起讫点的交通量合理地分配到起讫点之间的各条道路 上。 合理进行交通量分配的前提为己知交通网络的有向图表示形式、网络图中各路段的 路段特性函数( 即路段阻抗函数) 和0 d 交通量( 求解网络中各路段的交通量及阻抗值) 。 其中，交通网络的有向图形式是交通网络的数学化描述，是进行交通分配等交通分析的 基础。路段的阻抗包含多项内容，如路段行程时间、安全性、距离、费用和舒适程度等， 但本文研究的是行程时间。各种方式的o d 矩阵一般是由交通分布预测过程获取，或者 从实际的o d 调查得到，甚至是从观测到的路段交通量反推得到。由于实际道路网中存 在很多组0 d ，同时这些o d 之间的各条路径又是由很多独立的路段组成，并且各组o d 之间的路径也可以互相重叠。基于以上这些原因，使得实际道路网的平衡变成了一个十 分复杂的问题【5 j 。 2 3 交通流分配准则与模型 2 3 1 静态交通流分配准则 静态交通流分配原则一般有三类：用户最优概率分配( u s e ro p t i m i z i n gs t o c h a s t i c a s s i g n m e n t ) 原则、用户最优分配( u s e ro p t i m i z i n ga s s i g n m e n t ) 原则和系统最优分 1 0 长安大学硕士学位论文 配原则( s y s t e mo p t i m i z i n ga s s i g n m e n t ) 。用户最优概率分配原则也称为时间比分配 ( t r a v e lt i m e sr a t i oa s s i g n m e n t ) 原则，其基本思想是行驶时间越短则选择率越高。 用户最优分配原则和系统最优分配原则是由j g w a r d r o p 于1 9 5 2 年提出的。用户最优 分配原则即w a r d r o p 第一原则，该原则假定：在起讫点之间所有可供选择的路线中，使 用者所利用的各条路径上的最小费用( 如行程时间) 是全部相等，而且其余未被利用的 路径上的费用( 如行程时间) 都大于或者等于此最小费用，因此也被称为等时间原则或 静态用户平衡原则。系统最优分配原则也就是w a r d r o p 第二原则，即全部出行的费用总 和( 如行驶时间总和) 为最小的分配原则，也就是系统总费用最小原则。此分配原则不 是针对每辆汽车的路径选择进行优化，而是宏观地对道路网内全体交通流进行优化，故 也称为系统平衡原则。上述这三个原则中，用户最优概率分配原则和用户最优分配原则 以假设出行人员依据其主观判断进行路径选择为前提的，而系统最优分配原则是以假设 选择路径由管理人员指定的方式为前提的【5 1 。 2 3 2 动态交通网络配流准则 动态交通网络配流准则也是在基于用户最优和系统最优前提下的。动态的系统最优 ( d y n a m i cs y s t e mo p t i m a l ，简称d s o ) 仍然具有静态系统最优的概念，因为都是从交 通管理者的期望出发，然而根据不同的交通控制目的，有了不同的优化含义。一般来说， 交通管理者的控制目的可能是让总的路段上的行驶时间最小，总的行驶费用最少或者总 延误时间最短以及所有路段上的平均拥挤度最低。所以动态系统最优的配流原则就是要蕾 求在所研究的路段内，按照交通管理者的期望将动态的交通需求分配到网络中。 动态用户最优( d y n a m i cu s e ro p t i m a l ，简称d u o ) 也是基于静态用户均衡( u s e r e q u i l i b r i u m ，简称u e ) 的概念，但是在动态网络中，想让系统或者用户达到均衡是不 实际的，所以我们在此采用最优的概念。动态用户最优是从用户自身的意愿出发，根据 自身的不同要求达到不同的最优目的，如在路段上旅行时间最短，旅行费用最少，负担 在自身的拥挤度最低，延误最小等等。动态用户最优要求在所研究的路段上，在每一个 决策的时刻，都是按照用户自身的要求和喜好将动态的交通需求分配到交通道路网络 上。 2 3 3 交通流分配模型 依据上述原则所建立的交通流分配算法或者交通流分配模型种类很多。根据对出行 者路段阻抗估计值与路段阻抗实际值之间差别的不同，可将分配模型分为确定型分配模 第二章交通流分配问题 型和随机型分配模型两类；根据w a r d r o p 第一、第二平衡原理作为划分依据，则又可将 交通分配方法分为平衡模型与非平衡模型两大类，满足该原理的为平衡模型，否则为非 平衡模型；根据依据w a r d r o p 原理不同，分为用户最优平衡模型和系统最优平衡模型： 根据交通需求的不同形态，分为需求固定平衡模型和需求变化平衡模型等。 交通流分配模型在总的方面来说，分为静态交通流分配模型和动态交通流分配模型 5 1 1 6 。主要分配模型如表2 1 所示。 表2 1 主要分配模型 序号静态交通流分配模型序号 动态交通流分配模型 1 固定需求的用户优化平衡模型 4 动态交通系统最优控制模型 2 需求变动的用户平衡模型 5 动态交通用户最优控制模型 3 随机平衡模型 6 随机动态交通用户最优控制模型 1 ) 固定需求的用户优化平衡模型法( u s e ro p t i m i z e de q u i l i b r i u m ) 其基本思想是：在平衡点处，连接每个o d 点对间的所有被使用的路径具有相同的 阻抗，且小于或者等于任何未被使用路径的阻抗。它是b e c k m a n 根据w a r d r o p 第一原理 于1 9 5 6 年提出的，模型如式( 2 1 ) ： m i z(x)=o)dxrain t a( x ) = io 口0 “= g 。 v 七 偿芝0m ，r s = 吩 ，s七 式中：z ( 工) o d 之间的总费用； ( 2 1 ) 一路段a 上的交通流量； 乙( 工) 一路段a 的广义费用，它取决于流量x ： 起点r 与讫点s 之间路径k 上的流量； 一起点r 与讫点s 之间的出行量； 。 f 1 一一路段a 位于连接r - s f l 僦k _ l = o a 厂l o 一一其他 该模型有两个基本假定：a 假设路段阻抗是该路段交通流量的函数，而与其它路段 上的交通流量没有关系，即垒些尘：o ，v 口6 ；b 路段阻抗是流量的严格增函数，即 1 2 长安大学硕士学位论文 垒蝉 o ，v 口。 c 9 2 ) 需求变动的用户平衡模型 需求变动的用户平衡模型也就是弹性需求的用户平衡模型，是基于实际出行o d 是 随时间变化这一现状而提出的。其数学表达式如式( 2 2 ) ： m i n z ( 砌) = f 。( w ) d 。一弦( w ) d 。 ( 2 2 ) 儿 = v ” k 露0 q 。0 v j i ，s v r ，j 式中：d 二l 一为交通需求函数的反函数。 ( 2 1 ) 和( 2 2 ) 这两种模型均为受制型的确定型模型，其平衡前提为以下三条假设：。 所有使用者都期望以最短时间或最小费用到达自己的目的地； 使用者都可以得到可供利用路线的当前交通状态的所有消息； 所有使用者都根据同一标准选择路线。 实际上，行驶费用一般是随交通量而不断变化的，所以出行者也不可能知道所有路 径的实际行驶费用，并且不同的出行者选择路径的标准也不会完全一致。一般来说，出 行者希望选择行驶费用较少的路径，但很多是通过日常行驶积累的经验凭借主观判断进 行选择，因此带有很大的随机性。 3 ) 随机平衡模型( s t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u m ，简称s u e 模型) u e 模型假设出行者拥有完备的交通信息，而且能够依据这些信息做出正确的决策。 而在现实中，出行者在不拥有完备的交通信息下对路段阻抗有着不同的估计，所以为描 述这种现象，提出随机用户平衡模型，即道路网络交通流分配模式中，没有一个出行者 可以通过单方面改变出行路径而减少它的估计阻抗。其数学表达式如( 2 3 ) ： r a i n z ( x ) = 一g 船e 。m 。k i n ( c e ( 工) 】+ t a ( 矗) 一f 。( c o ) d o ) ( 2 3 ) s 1 f ? = q 曙 七 0 v k ，r 。s 第二章交通流分配问题 q 月0 v r ，j 卵= 乙豫 v k , r , s 式中：c f 一为路径k 的估计阻抗的随机变量； 瓦一路段估计阻抗。 4 ) 动态交通系统最优控制模型( d y n a m i es y s t e mo p t i m a l ，简称d s 0 模型) 动态交通系统最优控制模型是建立在交通管理者希望系统在所研究的时段t 内所花 费的总费用最小，也就是在【o ，即时段中，出行者在任意的时刻通过选择瞬时出行路径时 依赖出行者之间的相互配合，使得系统的总行驶费用最小。数学模型如式( 2 4 ) - r m 蚶i n j = 卜。( f ) 4 ( 2 4 ) 口0 旺掣：甜m 一吃( f ) v 叩，f 出 一一7 虻( ，) + 酊( ，) = z u j ( t ) a e &a e b t 工：( r ) o ，“：( ，) 0 v a ，s ，t 工：( o ) = 0 v a ，s v s 。( t ，= 器怕 r 式中：卜在时间段【o ，r 】所花费的总费用； ( f ) 一t 时刻路段a 上的流量( l i n kf l o w ) ( 状态变量) ； 工：( f ) 一t 时刻进入路段a 的且要到终点s 去的流量( 状态变量) ； 材：( f ) 一t 时刻进入路段a 的且要到终点s 去的流入率( 决策变量) ； 吃( f ) 一t 时刻离开路段a 的要到终点s 去的累积流出率； g j o ) 一t 时刻在节点l 产生的且要到终点s 去的流量速率( r a t eo ff l o w ) ( 通 常为己知) ； c 口( f ) 一t 时刻路段a 上的瞬时阻抗( i n s t a n t a n e o u st r a v e lt i m e ) ，一般可以 写成c o x a ( t ) ，。( f ) 以( f ) 】； a i 一进入节点1 的路段的集合： 岛一离开节点1 的路段的集合。 1 4 长安大学硕士学位论文 5 ) 动态交通用户最优控制模型( d y n a m i cu s e ro p t i m a l ，简称d u o 模型) 动态用户最优配流模型是建立在对出行者路径选择行为的正确假定基础上的，再现 了交通流的瞬时分布形态。模型要求在任一时刻、任决策点上，如果所有被使用的路 径上的瞬时阻抗都相等且等于最小的瞬时阻抗，而所有没有被使用的路径上的瞬时阻抗 都大于或者等于这个最小阻抗。其数学模型如式( 2 5 ) ： r r o )v 口o )1 r a ”i ，n ，几0 压a 渺0 翩徊伽+ 0 b z 徊叶： ( 2 5 ) ii 北掣：一v a t ) v 口， 虻( ，) + g 恕) = 甜：( f ) v i s ；s ，f 口4口e 岛 f + f 。( f ) x m = n ( ) 豳 v 叩， x ：( f ) o ，“：( ，) o ，虻o ) o v a ，j ，t ( o ) = o ，v ：( o ) = 0 v a ，8 式中： g l a i x a ( f ) ，( ，) 】一路段a 上的行驶时间； 9 2 a k i t ) ，( f ) 】一路段a 上的等待延误时间； f 。( f ) 一t 时刻进入路段a 的车辆的实际阻抗( a c t u a lt r a v e lt i m e ) ； 1 ，。( f ) 一t 时刻离开路段a 的累积流出量( c u m u l a t i v eo u t f l o w ) 。 6 ) 随机动态交通用户最优控制模型 出行者对路网上的交通条件( 如阻抗) 的理解完全正确是不可能的，在实际中总是 存在误差的。因此引入瞬时随机动态用户最优( s t o c h a s t i cd y n a m i cu s e ro p t i m a l ， 简称s d u o 模型) 。该模型建立在假定每一位出行者当他处于起始点或者出行过程中的任 何一个决策点的时候，他会选择他所理解的从决策点到目的节点的最短路径。其数学模 型如式( 2 6 ) - 。m i n , ：t i ； 弘咖+ 弘叫 。 卜妇f ) ，咖+ 户z ( f ) 徊伽l + 吉 善莩莓甜： ，m “三c ，一z 圩z 。z 。4 v z c r ，- n 材二c ， ) 4 c 2 6 ， 第二章交通流分配问题 儿嵋( f ) = 甜7 ( 0 w ，j ；r , s , t o e a i o e 8 j 厂