（系统工程专业论文）路网连通可靠性评价方法的研究.pdf

中文摘要 摘要：交通路网作为社会经济运行的主要载体之一，其稳定性直接关系到国民经 济的正常发展。然而，现实生活中，交通路网的正常运行受许多因素影响，这样 就造成了交通路网的不确定性。因此，为了更好地解决我国交通问题，就需要对 路网的运行状态进行评价与分析。 由于道路交通系统是一个庞大的综合性动态系统，传统连通可靠性的分析， 只将路段划分为0 1 两种状态，即路段连通或者中断，显得过于严格。而现阶段的 对于连通性的分析，是以假设其服从某一概率分布为基础，未能完全体现路网的 动态性能。因此，有必要建立一种新的连通可靠性的评价方法，将路网任意两节 点的可靠度从0 和1 二值扩展到 o ，l 】区间，能更好的反映出真实的路网情况，同时得 到更加科学合理的路网评价结果。 基于以上分析，本文首先从分析国内外路网连通可靠性研究现状入手，在传 统方法的基础上，结合北京城市路网中快速路与主干道的实测数据，分析了基于 交通流状况分析的连通可靠性评价方法，并在这个基础上，进一步分析了该评价 方法中的路段交通状态划分，提出了连通度这一指标，用以评价城市道路单元的 连通性。从而分析各个路径和整个路网的连通性，同时，本文又结合该连通可靠 性的分析方法，采用了一种结合树栈结构思想，适应于交通路网的高效搜索算法， 并对算法的主要思想和实现流程进行了分析概述，以v i s u a lc + + 作为实现算法的语 言，丌发了一个具有计算节点对路径数功能和计算连通度功能的连通可靠性评价 实验系统。最后用特定路网进行了具体案例和算例分析。 关键词：交通状态；连通可靠性；评价；算法 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h et r a n s p o r tn e t w o r ki so n eo fm a i no b j e c tf o rs o c i o - e c o n o m i c ，i t s s t a b i l i t yi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ed e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m y h o w e v e r , t h e o o e r a “o no ft r a n s p o r tn e t w o r ki sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，s ot h a ti t i sc a u s e db yt h e u n c e r t a i n t y t h e r e f o r e ，i no r d e rt ob e t t e rs o l v et h et r a f f i cp r o b l e m s ，i tn e e d s t oc o r r e c t t h eo p e r a t i o n a ls t a t u so fn e t w o r ke v a l u a t i o na n da n a l y s i s a st h em a dt r a f f i cs y s t e mi sal a r g ed y n a m i cs y s t e m ，i ti sj u s td i v i d e di n t o0 1m o s t a t e sf 0 rt h es e c t i o n sb yt h et r a d i t i o n a lr e l i a b i l i t yo fc o n n e c t i v i t ya n a l y s i s ，s oi t l st o o s t r i c t a n di nr e c e n t l yt h ec o n n e c t i v i t ya n a l y s i sa r eb a s e do nt h ea s s u m p t i o nt h a ti t s p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n , b u ti t c a nn o tf u l l yr e f l e c tt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h e n e t w o r k t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s han e wr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o dt o 抽i t r a r vt w o n o d en e t w o r kr e l i a b i l i t yf r o mt h e0a n d1b i n a r ye x t e n d e dt o o ，1 】i n t e r v a l s oi tw i l lb eb e t t e rr e f l e c tt h et r u et r a n s p o r tn e t w o r k ，a tt h es a m e t i m eb em o r es c i e n t i f i c a n dr e a s o n a b l ee v a l u a t i o no ft h er e s u l t so ft h er o a dn e t w o r k b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h es t a t u so fr e s e a r c ho nt h e p e r f - o 姐a n c er e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to fr o a dn e t w o r ks y s t e ma th o m e a n da b r o a d b a s e d o nt h ec o n l b i n e dd a t ao fn e t w o r ki nb e i j i n ga n dt h ea n a l y s i so ft r a f f i cf l o w , t h i sp a p e r p r o p o s eam e t h o do fc o n n e c t i v i t yr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ，f o l l o w e db yf u r t h e ra n a l y s i so f t h em e t 】di nas t a t eo fd i v i s i o no ft r a f f i c ，c o n n e c t i v i t yo ft h ep r o p o s e di n d i c a t o r sf o r t h ee v a l u a t i o no fu r b a nr o a dc o n n e c t i v i t yu n i t a n do nt h i sb a s i s ，a n a l y s i so ft h ew h o l e r o a dn e t w o r kc o n n e c t i v i t ya n da tt h es a m et i m e ，t h i sa r t i c l ei nc o n j u n c t i o nw i t ht h e c o n n e c t i v i t ya n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d s ，an e wa d a p t a t i o na l g o r i t h m f o rt r a f f i c n e t w o r k t h em a i ni d e ao ft h ea l g o r i t h ma n dt h er e a l i z a t i o n o ft h ep r o c e s sa n a l y s i s o u t l i n e d a n dv i s u a lc + + a st h el a n g u a g eo fa l g o r i t h m sd e v e l o p e de x p e r i m e n t a ls y s t e m f o rr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rs t u d i e st h e c a s eo fr o a dn e t w o r kw i t h s p e c i f i ce x a m p l e s k e y w o r d s ；t r a f f i cs t a t e ；c o n n e c tr e l i a b i l i t y ；e v a l u a t i o n ；a l g o r i t h m c l a s s n 0o 图目录 图3 - i 交通流三基本参数关系二维模型。1 0 图3 - 2 环形线圈检测原理图。1 2 图3 3 微波工作原理图1 2 图3 - 4 路径连通时的串联系统1 6 图3 - 5 路径断开时的串联系统1 6 图3 - 6 并联系统1 7 图3 - 7 迷宫原理图1 8 图3 - 8 清河队路网1 9 图3 - 9 连通可靠度趋势图2 l 图4 - ig r e e n s h i e l d s 速度一密度关系曲线2 4 图4 - 2p i p e s - h i u n j a l 模型v - k 关系曲线族2 5 图4 - 3 路段连通状况的描述。2 6 图4 - 4 速度一流最散点图2 8 图4 - 5 流量一占有率散点图2 9 图4 - 6 速度一占有率散点图3 0 图4 - 7 阻塞密度的确定3 l 图4 - 8 连通度趋势图3 2 图4 - 9 基于视频分析的交通流信息获取方法3 4 图4 - i 0 路网抽象示意图3 6 图4 - ii 算法流程图3 8 图4 - 1 2 系统的初始界面图3 9 图4 - 1 3 运行结果显示图4 0 图5 - i 三个检测器同步检测同一路段的三个车道的流量图4 1 图5 - 2 三车道的综合流量图。4 2 图5 4 三个检测器同步检测同一路段的三个车道的速度图4 3 图5 - 5 三车道的综合速度图4 3 图5 - 6 平均速度的频率分布曲线4 4 图5 7 三个检测器同步检测同一路段的三个车道的占有率图4 4 图5 - 8 二车道的综合占有率图4 5 图5 - 9 占有率的频率分布曲线4 5 图5 - 1 0 交通数据故障识别与修复过程图4 8 图5 - i1 流量原始数据图4 9 图5 - 1 2 流最补充数据图5 0 图5 - 1 3 速度原始数据图5 l 图5 - 1 4 速度补充数据图5 l 图5 - 1 4 占有率原始数据图5 2 图5 - 15 占有率补充数据图5 3 图5 - 1 7 北京市区域路网图5 4 图5 1 8 北京市区域路网选取图5 4 图5 - 1 9 路嘲简化图5 5 图5 2 0 实例分析路网简化图5 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 致 签字日期：2 0 0 7 年7 月2 日 翩獬：谚仫 签字日期：) 口7 年7 月f 2 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 7 1 致谢 首先我要感谢我的导师贾利民教授，贾利民教授深厚的学术造诣及其博雅率 直的人格魅力，严谨的治学态度和科学的工作方法，在学术界和师生中都享有极 高的赞誉。他对我的教诲，深深的影响着我的人生观，鞭策着我勇攀科学技术的 高峰，提醒着我勿忘师恩，告诉我人生的路只有踏踏实实的走，勤勤奋奋的学， 才能有所收获。直到论文付梓，我还能回想起，贾利民教授对问题透彻和清晰的 分析，所说的那一句句高屋建瓴的话语，都将让学生永远铭记于心。 其次我要感谢，秦勇教授、蔡国强副教授、王艳辉副教授和董宏辉老师，他 们给予我太多太多的教育和帮助，让我在交通安全团队这个大家庭里，得到快速 的成长，并给我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，当然还有很多言之 不尽的地方，总之，在此表示衷心的感谢，并送上我诚挚的祝福。 另外，宋庆河博士及实验室的李晨曦、李春会、李海舰、徐东伟和张新嫒都 给予了我极大的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 回顾走过的路，我还要感谢那些帮助过我的朋友、同学和舍友，没有你们的 照顾，没有你们的帮助，这段路必将坎坷和曲折。 最后，我要深深的感谢我的父母，感谢你们的理解和支持，我得以全身心投 入学业，而不必面对生存的压力而放弃梦想和追求，此时此n j i 子无以回报， 未来的路只有倍加努力，方能回报父母的养育之恩。 i 绪论 1 i 研究背景 本论文来源于北京市科技计划项目“道路交通流仿真和预测预报系统”之子 课题七北京市区域交通状态和服务水平评价指标体系和评价方法，课题 编号：d 0 7 0 2 0 6 0 1 4 0 0 7 0 7 。 交通的目的在于对人和物进行高效、快速、简便的移动，那么对任意两节点 之间的连通程度的评价，就显得尤为重要。而最初始、最根本的可靠性评价指标， 用于判断路网中任意两个节点之间至少存在一条路径连通的概率。连通可靠性指 标和评价方法由日本的m i n e ：币l l k a w a i 与1 9 8 2 年率先提出【l 】【2 】，传统的评价方法主要 是0 - i 型判断，即只考虑连通和中断两种状态，具有计算简单，计算量小等特点， 适用于高速公路、简单路网的网络结构分析，适用于指导路网规划和建设。但这 种传统的连通可靠性评价方法只适用于特殊情况下( 例如，地震等自然灾害发生时) 的路网状态评价，对于常规交通状态下的拥堵评价不适用【3 1 。而在交通系统中，城 市路网遭受大型灾害而彻底断丌属于偶发事件，更多情况是由于拥堵、事故、施 工等原因导致路段通行能力降低。因此，需要结合实际交通系统的特征，建立新 的连通可靠性的分析方法，为工程师和交通管理部门提供了决策和相关措施是否 有效的理论依据。 i 2 研究意义 交通系统是社会活动的载体，是城市的动脉，是城市与城市之间、城市各个 功能区之间联系的纽带，是日常生活及货物运输的通道，是社会大系统中不可或 缺的一部分。 随着城市现代化程度的快速提高、城市规模的扩大，城市对道路网的依赖越 来越强，同时也在质和量上提出了更高的要求。随着经济的发展，道路交通也处 于飞速发展时期，经济的发展刺激了城市交通的发展，同时也给城市交通带来了 巨大的压力，交通拥挤日益严重，道路供需矛盾日益突出。在日常的交通状态下， 由于交通拥挤和堵塞的发生，使得人们的出行具有随机性和不确定性，从而使得 评价道路连通性能的方法，具有一些很重要的社会及经济目标，主要包括【4 】：缓解 交通拥挤的作用、经济效率、收入分配影响以及实现紧急出行的灵活性。 目前，对于道路连通性的评价各国尚无统一标准，另一方面传统的连通可靠 性评价方法只适用于特殊情况下( 例如，地震等自然灾害发生时) 的路网状态评价， 对于常规交通状态下的拥堵评价不适用。而在交通系统中，城市路网遭受大型灾 害而彻底断开属于偶发事件，更多情况是由于拥堵、事故、施工等原因导致路段 连通能力的降低，因此，我们需要结合实际交通系统的特征，通过量化来反映出 道路的连通性，建立一种新的道路连通性评价方法。通过对道路连通性的分析， 从而为交通管理部门的决策提供依据，进而采用一定的措施，有效的解决城市拥 堵等问题，同时，也能够为城市交通系统的长期规划及管理、提高人们的出行质 量等提供重要的参考依据。 1 3 本文研究的主要内容 本文根据采集的交通流特性数据对交通流状况进行分析，从路网连通性的定 义出发，分析了一种基于交通流状况分析的连通可靠性评价方法，然后根据这种 评价分析方法，提出了连通度这一指标，用以评价城市道路单元的连通性。连通 度根据交通流的两个变量来共同确定路段的连通程度( 交通流的两个变量，可以 推导出第三个变量) ，然后在这个基础上，分析整个路网的连通性。并针对交通领 域中路网具有规模大等特点，提出了一种新的适应交通路网的算法一非递归树栈搜 索算法，并以v i s u a lc + + 作为实现算法的语言，开发了一个具有计算节点对路径数 功能和计算连通度功能的连通可靠性评价实验系统。最后通过实例，验证了分析 方法的实用性和算法的有效性。 2 2 路网连通可靠性综述 可靠性是指在规定的条件下完成规定功能、任务的概率。路网的可靠性是城 市发展的基础，如果路网的可靠性很差，不仅会增加路网系统本身的维修费用， 也会间接影响到整个城市经济生活的正常运行，从而产生巨大的外部成本。因此， 深入研究路网可靠性对于交通管理和保证社会正常生活是十分重要的。 2 1 路网可靠性的评价指标 国内外学者从不同侧重点出发，提出了一系列路网可靠性评价指标以及用于 计算这些指标的相关评价方法。评价指标包括：连通性，行程时间可靠性，路网 容量可靠性，遭遇可靠性，出行费用可靠性，交通流衰退可靠性，交通需求满意 度可靠性，使用者满意度可靠性，对弱点，风险等。评价方法主要有：终端可靠 性评估方法，博弈论技术，蒙特卡罗方法，吸收马尔科夫链方法和围观交通仿真 技术。纵观整个研究历程，研究重点主要围绕连通性可靠性，行程时间可靠性和 路网容量可靠性三大评价指标展开【3 】【4 1 。 ( 1 ) 路网连通可靠性 描述了路网节点之间保持连通的概率，它可以定义为路网中任意两个节点之 间至少存在一条路径连通的概率，它是最简单、最基础的路网可靠性评价指标。 连通可靠性对路段进行分析时，只考虑两种状态，即路段连通或者中断，不考虑 路段通行能力的限制。 连通可靠性有很多不同测度，包括确定型，概率型和任务型等几种形式。其 中，概率型应用较为广泛，其基本思路是，将一条路径看作是路段串联而成，而 路网中每对节点之间都可能存在若干条路径，故每一对节点之间的连通可靠性都 可按照混联系统可靠性的计算公式而得到，则路网的连通可靠性可由这些节点对 连通可靠性的期望值得出，由此也就确定了路网的连通可靠性。 对于路网中的节点对连通可靠性的研究，有两节点连通可靠性( t w ot e r m i n a l s r e l i a b i l i t y ) k 节点连通可靠性( k - t e r m i n a l sr e l i a b i l i t y ) 和全节点连通可靠性( g l o b a l t e r m i n a l sr e l i a b i l i t y ) ，尤其以k 节点可靠性应用较广，因为构成一个k 节点图作 为研究对象就可完全反映整个路网可靠性的特征了。计算方法包括：状态列举法 ( s t a t ee n u m e r a t i o n ) 、分解技术( d e c o m p o s i t i o n ) 、因式分解法( p i v o t a ld e c o m p o s i t i o n m e t h o d o l o g y ) 和不相容项乘积之和法( s u mo f d i s j o i n tp r o d u c t s ) 【5 1 。 ( 2 ) 行程时间可靠性 3 描述了交通出行能够在某一时间范围内完成的概率。关于行程时间可靠性的 定义有两种，如下所述【6 】【7 j ： 1 ) 行程时间可靠性是指在一定交通需求条件下，o d 对之间的行程时间小于等 于某一指定阈值的概率。该定义是针对o d 对给出的，它通过计算o d 对之间所有 路径的行程时间的加权平均值小于等于某一指定阈值的概率得到，其中，各条路 径的权重是该路径所分担的交通流量与o d 对之间所有交通量的比值。具体计算公 式如下： 豫= p r q ，玉 tq = f f q 。nu q ， l = i ( 2 1 ) 式中：t r 珈d 对之间的行程时间可靠性； i 一0 d 对之间的第i 条路径； n o d 对之间的所有路径数目； 厶一o d 对之间的第i 条路径的行程时间，它等于该路径上所有路的行程 时间之和； 丁一指定的0 d 对之间行程时间的阈值； 玑一0 d 对之间第i 条路径上的交通流量； 吼一0 d 对之间通常的交通需求，可以为某一指定的参考值； g q = 6 q 。，o d 对之间的实际交通需求，行为调整量。 2 ) 考虑路网容量的影响，将行程时间可靠性定义为在一定交通需求条件下， 任意o d 对之间在路网容量衰退状态下的行程时间与正常的( 路网容量没发生衰退) 状态下的行程时间的比值小于等于某一指定阈值的概率。当这个比值接近1 时， 路网基本上在理想状态下运行，当这个比值接近于无穷时，说明终点是不可达的， 即可能在某一路段上发生了严重的阻塞，导致容量急剧退化，这种极端情况同连 通可靠性一致。根据这个定义，行程时间可靠性的计算公式如下： t r 。( 牙，历) = n 掣掣牙，v ，形l g = 幻。 ( 2 - 2 ) l u w ( c 0 ，q o )。j 式中：t r 。( 牙，历) 一路网的行程时间可靠性； 牙一参数，人为定义的阈值； 一路网中所有o d 对的集合； g o 一( 吼，g 。) 为路网中所有0 d 对之间通常的交通需求的向量： g 一幻。路网中所有o d 对之间的实际交通需求的向量，为调整参数； 蜘( c 。，q 。) 一正常状态下的0 d 对之间的行程时间( 交通需求为q 。) ； 4 u 。( c ，q ) 一道路容量衰退状况下o d 对之间的行程时间( 交通需求为q ) ； 行程时间可靠性可以计算出任意路径和o d 对之间行程时间可靠性，对市民出 行、政府和交通管理部门进行路网的规划、建设和管理具有重要的指导意义。 ( 3 ) 路网容量可靠性 容量可靠性可以用来评价在交通条件恶化情况下，路网容量能够满足一定需 求水平的概率。可用于说明现在的路网对于期望的需求是否足够。路网容量可靠 度反映整个路网适应负荷的能力，即与交通需求适应情况。此处定义为路网设计 容量与公路实际交通量之比，设计容量为一定值，此函数随实际交通量增加而减 小，为一减函数。其计算公式为【8 】1 9 】： r ：旦：歪竺 q 窆g 山 ( 2 3 ) 式中：c 为一定服务水平下，整个路网标准容量，v e h d ； q 整个路网的实际交通量，v e h d ； q i 为第i 个路段实际交通量，v e h d ； c f 为一定服务水平下，第i 个路段设计标准交通量，v e h d ； l f 为第i 个路段里程，k m ； 容量可靠性的计算比较复杂，体现不出道路单元的运行状态，只是从路网角 度进行了宏观评价。其次路网容量存储系数依赖于路段的通行能力，而实际通行 能力由于众多影响因素的存在又是不断变化的，因此需要大量的实测数据来估计 其分布曲线，而实际通行能力的实测数据很难得到。 2 2 国内外研究现状分析 国内外学者从不同的侧重点出发，提出了一系列关于路网连通性的评价指标， 以及用于计算这些指标的相关评价方法。1 9 8 2 年日本学者m i n e 和k a w a i 最早提出连 通性的概念，最初是针对路网中任意两个节点之间的卜1 型判断，后被i i d a 【l 】等 人扩展到网络评价。在此基础上的传统连通可靠性算法，都只考虑路段仅为0 1 两种状态，即路段连通或者中断。同时认为，路径是多个路段的串联，任意一对 o d 之间多个路径是并联关系，当路网中任意一对o d 均有连通路径时，路网为连通； 反之，则不连通。具体算法如下【l o 】： ( 1 ) 首先识别任意路段的状态，给其赋值0 或1 。 5 五= 氍篙磊 ( 2 4 ) ( 2 ) 分析给定o d 对之间任意一个路径的连通度，认为路径是相关路段的串 联组合，计算路徜的连通度l j ，即 1 j = 兀x ， i ( 2 - 5 ) ( 3 )认为o d 对间的连通是多个路径的并联，计算o d 对的连通度，即： r 。= 1 一兀( 1 一，) 刀 ( 2 6 ) ( 4 )当路网中任意一个o d 对之间不存在连通路径时，路网为不连通，即： =n r 。 ( 2 7 ) 最终计算得出路网的状态函数： 。i1 ，连遍 ( 2 8 ) 炉1 0 ，断开 传统算法的优点在于计算简单，数据量少，可以通过便捷的数学运算对整个 路网进行计算。但它也存在着本质上的不足：它不考虑路网容量的限制，假设任 意一个路径均能满足所对应o d 的交通需求，而且，只允许两种极端状态存在：要么 连通要么中断，对于路段上处于连通或中断这两种极端情况之间的状态无法描述， 往往导致计算结果与真实情况不符，它的本质缺陷是只允许路段有两个状态：要 么最大能力的运转，要么瘫痪，因此，国夕 w a k a b a y a s h i 等利用布尔代数，通过 e s a r y - p r o s c h a n 上下边界法来计算连通可靠性【l l 】【1 2 】。 国内对路网可靠度的研究起步比较晚，但随着人们对城市交通问题认识的加 深，系统可靠性分析在交通中的应用也逐渐受到重视。 东南大学交通学院朱顺应等为保证常发或偶发性交通拥挤和阻塞的路段上车 辆能在一定的交通管理措施下被疏导，提出了交通网络的可靠度【l3 】来评价交通路 网。交通网络的可靠度是对交通网络应变能力大小的一种度量，它是从网络一节 点到另一节点在一定服务水平以上的通达概率。他们采用了饱和度( v c ) 确定法来 确定路段的可靠度。然后按照串并联系统可靠度理论，计算出交通网络的可靠度。 上海交通大学管理学院的侯立文在分析路网可靠性与服务水平的关系的基础 上城市道路网进行了可靠性【1 4 】的研究。道路网可靠性是指在外界因素的干扰下， 道路网在规定时间和条件下( 规定的条件包括o d 对间的可达性和最低可接受服务 水平) ，所能提供的满足交通需求的能力。同时提出了路径可靠度、路段可靠性、 节点( 交叉口) 可靠性及路网可靠性的计算公式。 6 北京工业大学陈艳艳【1 5 】借鉴可靠度理论，结合交通流特性，从交通供需随机 性出发，以达到预期服务水平即畅通状态作为道路单元( 路段或交叉口) 及系统运 行可靠的标准，建立道路单元畅通服务水平的概率测度指标畅通可靠度，在 此基础上给出了单元畅通可靠度和路网系统畅通可靠度的计算方法。对于道路单 元提出了基于供需随机性分析的方法、基于统计数据的方法及基于模糊估计的3 种 可靠度评价方法。 2 3小结 从国内外研究现状来看，可靠性分析应用于交通运输领域的时间还不久，有 许多需要解决的问题。目前的评价方法面对庞大的路网。一方面很难将其分解成串、 并联系统，而且随着路网规模的扩大，计算量也呈指数级增长，另一方面在对连通 度进行分析的时候，采用路段的数据，得到概率分布函数，以此进行分析，然而 无论是环境条件，还是出行者的行为都具有随机性，采用固定的概率分布，不能 完全适合实际的路网情况。因此，它不适合大规模路网的计算和实时分析。同时， 目前路网可靠性的算法只在小型的网络上测试，并不能完全适应实际的道路交通。 随着城市路网规模的扩大，很多算法因计算量的指数增长而失去效用，所以一方 面需要可靠性的简便评价方法，另一方面也要对实现其评价方法的算法，从结构 和计算开销进行合理分析，提出适应实际大规模路网的有效算法。 7 3 基于交通流状况分析的连通可靠性评价 3 1 交通流理论回顾 3 1 1 交通流参数定义 在道路上行驶的车辆群称为交通流，常规意义上，交通流一般主要指车流。 车辆运行状态往往和车辆的技术状况、驾驶员特点和交通环境( 道路条件、气象、 车辆相互影响和交通管理等) 而变化。交通流状态变化无法准确预测，但是具有 一定的特征性倾向。同时，描述这种变化特征的物理量服从一定条件下的统计规 律，可用统计方法研究其分布特性。在对交通流进行描述时常用各种物理量描述， 并称它们为交通特性变量或简称为交通流参数。交通流状态可分为稳态和动态两 类。前者指不考虑各参数随时间的变化，只沿道路长度方向有不同分布；后者则 即随空间也随时间变化。交通参数分为宏观参数和微观参数。其中宏观参数用于 描述交通流作为一个整体表现出来的运行状态特性，主要包括交通量、速度、交 通密度、占有率、排队长度；微观参数用于描述交通流中彼此相关的车辆之间的 运行状态特征，包括车头时距和车头间距【l6 1 。下面就其中对交通流特性影响较大 的几个参数进行介绍和分析。 ( 1 ) 交通流量 交通量是指单位时问内通过道路某一地点或某一截面的实际车辆数，又称交 通流量。交通量不是一个静止不变的量，具有随时间和空间变化而变化的特征， 所以通常在表达方式上取某一段时间内的平均值作为该时段的代表交通量。单独 对城市交通流量的研究是观察道路系统内一系列的位置上交通量在时间和空间上 的变化规律，并绘出交通流等值图。但问题是同一流量水平可以对应两种截然不 同的交通状态，因此在对交通流状态进行度量时，应该把流量与其他参数结合起 来，而不是单独使用。 ( 2 ) 速度 速度的基本含义是单位时间内车辆通过的距离。由于道路交通流是由多种车 辆组成的复杂系统，因此存在多种速度概念。地点车速：车辆通过某一地点时的 瞬时速度，因此观测时试验距离尽量可能短，通常取2 5 m 左右为宜，主要用作工 程设计和交通管制规划资料；行驶车速：从行驶( 不停车) 某一区间所需时间及 区间距离求得的车速，用于评价该路段的线形顺适性和通行能力分析，也可用于 计算道路使用者的成本效益分析；运行车速：指中等技术水平的司机在良好的气 候条件、实际道路状况和交通条件下所能保持的安全车速，用于评价道路通行能 力和车辆运行状况；形成车速：又被称为区间车速，是车辆行驶路程与通过该路 程所需的全部时间( 包括停车时间) 的比值。形成车速是一项综合性指标【l7 1 ，用 以评价道路通畅程度，估计行车延误情况：临界车速：指道路理论通行能力打到 最大时的车速，对于选择道路等级具有重要作用；设计车速：设计车速是指在道 路交通与气候条件良好的情况下仅受物理条件限制时所能保持的最大安全车速， 用作道路线形几何设计的标准。 ，= ( 3 - 1 ) 式中：卜观测路段长度( k m ) ； t _ 一观测时间段的长度( s ) 。 ( 3 ) 交通密度 交通密度是指在某一瞬间内，单位道路长度上存在的车辆数，即 。， n 五= 一 ( 3 2 ) 式中：k 一交通密度( 辆k m 车道) ； n 一车辆数( 辆) ； 卜观测路段长度( 1 a n ) 。 在通常情况下，交通流量大，交通密度也大。但当道路交通十分拥挤、车流 处于停滞状态时，交通流量近似等于零，而此时的交通密度却接近最大值。因此， 单纯使用交通流量指标难以表示交通流的实际状态，而采用交通密度指标能够做 出较好的评价。尽管交通密度能够直观的表明交通状态的性质，但由于数据的采 集难度大，这个参数的实际应用是很有限的。 一般采用占有率反映密度，占有率包括空间占有率和时间占有率两个概念。 空间占有率是指在某个时间段内，观测路段上车辆长度的总和与路段总长度的比 值【l 引。空间占有率直接反应了交通密度的高低，但更能表明道路被实际占用的情 况。与交通密度相似，由于这个交通参数数据的直接获取存在较大的难度，因此 实际上一般不被采用，本文采用时间占有率。时间占有率是指在一定的观测时间t 内，交通检测器被车辆占用的时间总和与观测时间长度的比值，计算公式为： 占友 o c c u p y2 乙彳 ( 3 - 3 ) 式中：o c c u p 广时间占有率； 友一第i 辆车占用监测器的时间( s ) ； t 一观测时间段的长度( s ) 。 9 3 1 2 交通流三参数的基本关系 交通量、行车速度、车流密度是表征交通流特性的三个基本参数。流体模型 研究车流的整体运动，把流量、速度及密度等聚集变量视为时间和空间的连续函 数【2 0 】 2 q 。此三参数之间的基本关系为： 图3 - 1 交通流三基本参数关系二维模型 f i g 3 - 1t w o - d i m e n s i o n a lm o d e lo f r e l a t i o no f t r a f f i cf l o w st h r e eb a s i cp a r a m e t e r s 由上图反映的交通流特征的一些特征值： 1 )最大流量，是v _ - q 图上的峰值。临界速度v m ，是流量达到最大值 ( q = q 。) 时的速度。 2 )畅行速度h ，在h ( 图上，随密度减小，速度增大。当密度趋于零时， 速度达到最大值，车辆可畅行行驶，此时的速度称畅行速度。 3 ) 阻塞密度，在v - 一k 图上，当密度达到最大值时，车辆严重阻塞，对v = 0 ， 此时的密度白称为阻塞密度。 4 )最佳密度k ，在q 咄图上，密度过小，速度虽大；但流量仍达不到最大 值；密度过大，速度会降低，流量也不能达到最大值。只有当密度合适 时，通过的流量才最大，对应流量为最大值的密度称最佳密度，用表 示。 3 2 交通运行特性数据的采集 本文的研究主要以分析北京快速路和主干道车流运行状况为目标，因此需要对 实际的交通运行特性进行分析，这就需要对数据进行采集。因为实测数据相对于 其他渠道得到的数据更具有可靠性，并且更加翔实，所以本论文所有分析数据， 均为交管局实地采集数据。 l o 3 2 1 数据采集的目的 快速路和主干路基本路段的交通流的连续观测，获得交通流的相关参数，可 以实现以下目的： 1 )用于快速路和主干路基本路段交通特性的分析，通过科学的选取方法， 揭示车流运行的内在规律； 2 )通过采用有效和正确的数据，能更好的分析出路网的实际交通状态和路 段的服务水平，并有利于深入的分析连通可靠性评价方法； 3 )为后续建立连通评价指标提供输入性参数特征值和科学的依据。 3 2 2 数据采集设备 车辆检测器是道路交通管理与控制的主要组成部分之，是交通流信息的采 集设备。它通过数据采集和设备监控等方式，在道路上实时地检测交通量、车辆 密度、车流密度和时空占有率等各种交通参数，这些智能交通系统中最基础的参 数，是道路状况实时监控、出行者动态信息系统不可缺少的基础数据。检测器检 测到的数据，通过通信系统传送到本地控制器或是直接上传至监控中心计算机， 作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。所以，交通流 检测器及检测技术水平的高低直接影响到道路交通信息系统、控制系统的工作效 率及整体运行和管理水平，交通控制系统的工作效率决定于检测器对车辆的坚持 能力【2 2 1 。目前检测器的基本功能分为两类：一类是检测车辆的存在( 即静态检测) 。 一类是检测车辆的通过( 即动态检测) 。 。 现行的检测器种类很多，一般可分为5 类，分别为：微波类、线圈类、超声 波类、视频类动态称重类【2 3 1 。根据安装的方式分为埋设式和悬挂式。不同种类的 检测设备具有各自的优缺点，需要根据道路路面条件安装境温度条件、光线条件 综合考虑，在不同检测点可以选用不同的交通数据检测设备。现对本文使用到的 检测器进行简单的说明。 1 ) 环形线圈 环形线圈车辆检测器是由埋在路面下的线圈和能够测量该线圈电感变化的电 子设备组成，基于电磁感应原理的车辆检测器，它的传感器是一个埋在路面下的 通有一定工作电流的环形线圈( 一般长2 米，宽1 5 ) ，当车辆通过环形地埋线圈 或停在环形地埋线圈上时，车辆自身铁质切割磁通线，引起线圈回路电感量的变 化，检测器通过检测该电感变量就可以检测出车辆的通过或存在。感应线圈检测 器可用来检测车辆计数、车辆出现、车速、占有率等检测信息。环形线圈检测器 的优点：设计灵活多变，可满足多种实施状况的需求，采用高频励磁的型号可提 共车辆分类数据，检测精确，设备稳定，应用普遍，不受环境影响，能适应恶劣 天气，价格低廉。考虑北京市交通网络自身特点、天气等原因，选择环形线圈提 共车辆分类数据，检测精确，设备稳定，应用普遍，不受环境影响，能适应恶劣 天气，价格低廉。考虑北京市交通网络自身特点、天气等原因，选择环形线圈检 测器作为主干路交通流参数检测设备【2 4 】。 调 一 i 电流源1 丽 出 l 谐 相脚u， 曲i 放 叶h 1 1 l 【：- l 自d r i 电 t 大 i 压 7r 日阻厄- i i a l 器 环形线圈 图3 - 2 环形线圈检测原理图 f i g 3 - 2t h em e a s u r e m e n tt h e o r yo fl o o pd e t e c t i o n 2 ) 微波雷达检测器 微波雷达检测器工作原理：当车辆从雷达波覆盖区域穿过时，雷达波束由车 辆反射回雷达天线，然后进入接收器，通过接收器完成车辆监测并计算出流量、 速度及车身长度等交通数据。微波雷达检测器优点：可以避免电磁场的干扰，安 装方式为悬挂式，安装时不需测得及时速度，价格低廉，能够同时检测多车道的 车流量、道路占有率、平均车速和长车流量【2 5 】。鉴于以上特点，本文将微波雷达 检测器作为快速路交通流参数检测的主要检测设备。图3 - 3 为微波工作原理图。 j 6 0 分为3 i l i l i l 臣丁 三 l j je 一l ! ： 乙彳 i i i i i j ：i 图3 - 3 微波工作原理图 f i g 。3 - 3t h em e a s u r e m e n tt h e o r yo fm i c r o w a v ed e t e c t i o n 1 2 3 3 评价方法分析 3 3 1 道路服务水平定义 道路服务水平( 1 e v e lo f s e r v i c e ，l o s ) 是指道路使用者在某种交通条件下的道 路中，得到的服务程度或服务质量，其质量范围可从自由流的最高水平到强制性 车流的最低水平，亦即道路向运行车辆中的驾驶员以及乘客提供运行服务的质量 水平2 6 1 。各国都先后根据自己的国情，提出了作为评价路段服务水平的指标体系。 国内外对道路服务水平常用的评价指标有以下几种：饱和度、平均车速、延 误、车道占用率等。 1 ) 饱和度 饱和度是常用的反映道路拥挤程度的综合指标，它是道路流量与实际通行能 力的比值。 2 ) 平均车速 路网平均车速是现有路网交通量下道路状况和车辆行驶状况的综合反映。该 指标反映了道路上车辆的实际运行情况，是道路交通中道路系统、车辆系统和管 理系统综合作用的结果，它综合反映了路网的系统性能与交通质量。 3 )延误 延误是由交通阻塞与交通管制引起的行驶时间损失 4 )车道占用率 通过车辆行驶时间占用方面来反映道路的拥挤情况。 3 3 2 道路服务水平分级标准 各国划分服务水平方法不一，一般均根据本国道路交通的具体条件划分为3 6 个服务等级。日本将服务水平分为3 个等级。美国道路通行能力手册( h c m 2 0 0 0 ) 将 服务水平分为a 至f 六级，各级服务水平的一般描述如下：美国道路通行能力手册 ( h c m 2 0 0 0 ) 将服务水平分为a 至f 六级，各级服务水平的一般描述如下【2 7 】 服务水平a ：交通量很小，交通为自由流，使用者不受或基本不受交通