（交通运输规划与管理专业论文）动态用户最优配流问题的模型与算法研究.pdf

摘要 动态用户最优配流问题的模型与算法研究 摘要 智能交通系统( i t s ) 是最近十几年来提出的新概念，其涵义是通过对关键基础理论模 型的研究，从而将信息技术、通信技术、电子控制技术和系统集成技术等有效地应用于车辆、 交通网络以及运行计划中，以减轻交通拥挤、减少旅客出行时间、减少气体排放量和耗油量， 以及提高运输投资的生产率等等，从而建立一个智能化的、安全、便捷、高效、环保的综合 运输体系。它是目前世界上所有国家正在大力发展和应用的现代化交通运输运作和管理系 统。在二十一世纪，中国可望成为世界的强国之一，这在很大程度上取决于她的经济、政治 和文化的发展以及人民生活水平的提高，而这种改变的一个关键的因素就是交通运输的发达 和现代化交通管理的完善，拥有与经济发展、人口密度相适应的交通运输系统以及交通运输 管理系统。 城市动态交通配流理论是i t s 项目中最重要的关键技术基础之一，是先进的交通流诱导 系统( t f g s ) 、先进的交通控制系统( a t c s ) 及先进的交通信息系统( a t i s ) 与先进的交 通事故管理系统( t a m s ) 等的理论基础，因此在国际上受到了空前的重视。如今，硬件方 面的革新如通讯、自动化、内置图象处理技术等都已经应用于i t s 中：然而，软件方面比如 动态交通网络模型和交通事故探测软件等，相对来说却应用太少。软件方面的缺乏严重阻碍 了大型i t s 工作的开展；一些正在进行的大型示范系统的失利也说明软件部分的复杂性是不 容低估的。同时解决一个大型系统的方方面面是比较困难的，而如果用模块化的方法把它分 成若干小型子问题来分别研究则不失为一个好办法。 本论文主要阐述了用变分不等式( v i ) 这一新的数学工具来描述动态出行选择的各种城 市交通配流模型及其应用问题。这里的动态出行选择模型包含：基本的动态用户最优( d u o ) 模型、带有路段能力限制的d u o 模型、出发时间和路径选择相结合的模型，以及d u o 模 型在相关交通问题中的应用。 首先介绍了动态交通配流模型所要用到的基本概念，以及所要考虑的各种约束，比如非 负约束、流量守恒约束、先进先出( f i f o ) 约束、流量传播约束、能力约束等等。其中流 量传播约束是这一章的重点，详细分析了流量是如何沿路径随时间变化的在研究了它的各 种情况后，给出了一个统一的流量传播方程，它是后面建立各种d u o 路径选择模型的一个 关键点。 在此基础上，分别建立了基于瞬时路径阻抗和基于瞬时路段阻抗的最基本的d u o 配流 i 北京交通大学博士学位论史 的v i 模型。根据前面介绍的流量传播方程中路段流出率与流入率之间的关系以及状态方程， 把路段上的流量和路段流出率都表示成相关的流入率的函数这样在设汁算法时可以火大减 少变量数这是本论文中求解d u o 模型的个基本思路。在此思路下给出的算法都1 i 需要 将空间网络按时间离散展开( 展开后的网络比原始网络增大数倍) 而只要在原始网络中进 行就可以了因而可望用于多起点多讫点的大型网络。 然后又对基本动态交通配流模型进行了两种推广，一种是考虑了有路段能力限制的情 况在模型中直接增加了一个能力约束这样做的好处就是无须南接计算带有能力限制的 路段阻抗。直接增加能力约束后，在达到d u o 条件过程中，动态系统本身会通过路段能力 约束内生出满足d u o 条件的路段阻抗因此其可解释性较好，实际计算简单可靠。构造了 一个与d u o 配流问题等价的v l 模型，特别给出一种新的方法来证明所给的v i 模型与d u o 条件之间的等价性，这是与其它此类问题不同的地方。值得一提的是还对这种有路段能力 幔制的问题进行了进一步的细化考虑路口( 路段末尾) 有三种不同的转向：右转、直行、 左转，并且这三种转向有三种不同的能力限制的情形。另一种推广是同时考虑出发时间选择 和动态路径选择的组合模型，建立了与之等价的d u o 配流问题的双层v i 模型，上层的变 量是决策点的出行率，下层确定路段流入率、流出率和流量。该模型能够同时选择出发时间 和动态路径，使得乘客在任意决策节点都能够选择负效用最小的出发时刻和阻抗最小的路 径。 最后是城市动态配流模型在其它相关城市交通问题中的应用，也包括两部分内容。 个 是如何计算城市动态交通系统中a t i s 市场占有率的问题，考虑购买a t l s 的出行者和不购 买a t i s 的出行者对路径阻抗的理解不同从而有不同的动态路径选择行为，设计了一个双 层规划来计算a t i s 的市场占有率为多少刚才能使整个网络系统的总费用最小。另一个是城 市动态配流模型在公交网络设计中的应用，也构造了一个双层规划模型来描述公交系统的动 态网络设计问题：在考虑公交出行者的动态路径选择的同时来进行公交车发车时刻表的设 计，希望能够达到使网络的总费用最小的目的。在混沌优化分析方法的基础上设计了这两 个双层丧见划模型的启发式求解算法，这种方法的优点是简单易行。 论文中还给出了一些简单的数值实验，说明所给的模型和算法是行之有效的。 关键词：动态用户最优( d u o ) ，变分不等式( v i ) 流量传播约束，a t i s 市场占有牢，动 态公交网络设汁，双层规划求解算法 摘要 r e s e a r c ho nm o d e la n ds o l u t i o na l g o r i t h mf o rd y n a m i cu s e r o p t i m a la s s i g n m e n tp r o b l e m a b s t r a c t 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 s ( i t s ) a r en e wc o n c e p t sp r o p o s e di nr e c e n tt e ny e a r st h e y s e e kt oa p p l ya d v a n c e dc o m p u t e lt e l e c o m m u n i c a t i o n , a n di n f o m m t i o nt e c h n o l o g i e st ov e h i c l e s t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k sa n do p e r a t i o n a lp l a n s ，a n dt or e l i e v et r a f f i cc o n g e s t i o n ，r e d u e et r a v e l e r s j o u r n e yl i m e s ，i m p r o v es a f e t 3 jr e d u c ea t m o s p h e r i ce m i s s i o n sa n de n e r g yc o n s u m p t i o na n d i n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t yo f t r a n s p o r t a t i o ni n v e s t m e n tt h e s em o d e mt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e u l s a r eb e i n gd e e p l yd e v e l o p e da n da p p l i e di ne v e r yc o u n t r yi nt h ew o r l d c h i n e s ew a n t st ob eo n co f t h ed e v e l o p e dc o n t r a r i e si nt h e2 1 “c e u t l r y ，w h i c hd e p e n d so nt h ed e v e l o p m e n to fh e re c o n o m i c p o l i t i c a la n dc u l t u r e ，a n dt h ei m p r o v e m e n to ft h el i v i n gs t a n d a r do fh e rp e o p l e t h ec r u c i a lf a c t o r i s t h ed e v e l o p m e n to f t h e t r a i t 6 c a n d t h e p e r f e c to f t h e t r a f f i c m a n a g e m e n t d y n a m i ct r a f f i ca s s i g n m e n tt h e o r yi so n eo ft h em o s tc r u c i a lt e c h n o l o g i e si ni t s ；i ti st h e t h e o r e t i c a lb a s i co ft r a m cf l o wg u i d a n c es y s t e m ( t f g s ) ，a d v a n c e dt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ( a t c s ) ，a d v a n c e dt r 插ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( a t i s ) ，t r a f f i ca c c i d e n tm a u a g e m e n ts y s t e m ( t a m s ) ，m a ds oo n ，s oi to b t a i n sr e c o r d - b r e a k i n ga t t e n t i o ni nt h ew o r l dn o w a d a y s ，t h er e n o v a t i o n i nh a r d w a r e ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n , a u t o m a t i z a t i o n ，e m b e d e di m a g e p r o c e s st e c h n o l o g ye ta l , h a sb e e na p p l i e di ni t s ，w h e r e a s ，t h ea p p l i c a t i o no f s o f l w a r e ，s u c ha st h em o d e lo f d y n a m i ct r a f f i c n e t w o r ka n dt r a f f i ca c c i d e n t - d e t e c t i n gs y s t e mi sm u c hl a c k i n g n i ea b s e n c eo fs o f t w a r eh a s h a m p e r e ds e r i o u s l yt h ep r o g r e s so fl a r g ei t s ；t h ef a i l u r eo fs o m eo n g o i n gl a r g ed e m o n s t r a t i o n s y s t e m sa l s oi m p l i e st h a tt h ec o m p l e x i t yo f s o f t w a r ep a r tc a n n o tb eu n d e r e s t i m a t e d t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd i s c u s s e st h ed y n a m i ct r a f f i ca s s i g n m e n tp r o b l e m sa n dt h e i r a p p l i a n c ew i t ht h en e wm a t h e m a t i ct o o l - v a r i a t i o n a li n e q u a l i t y ( v i ) t h ed y n a m i ca s s i g n m e n t m o d e l si n c l u d e ：b a s i cd y n a m i cu s e ro p t i m a l ( d u o ) m o d e l ，d u om o d e lw i t hl i n k c a p a c i b , c o m b i n e dd e p a r t u r et i m ec h o i c ea n dd y n a m i cr o u t ec h o i c em o d e l ，a n dt h ea p p l i a n c e so fd u o m o d e l si nr e l e v a n tt r a f f i cp r o b l e m s t h cd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h eb a s i cn o t i o n sf b r 缸d y u a m i ct r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e l s a n dt h ec o n s t r a i n t sc o n c e r n e d ，s u c ha st h en o n - n e g a t i v e c o n s t r a i n t ，t h ef l o wc o n s e r v a t i o n 北京交通大学博士学位论文 c o n s t r a i n t ，t i l ef i r s t i n f i r s t - o u t ( f 1 f o ) c o n s t r a i n t ，t i l ef l o wp r o p a g a t i o nc o n s t r a i n t t i l ec a p a c i b c o n s t r a i n te ta ll l lt h e s ec o n s t r a i n t s t i l ee n l p h a s i si s t i l ef l o wp r o p a g a t i o nc o n s t r a i n ti td e s c r i b e s h o wt i l ef l o w sp r o p a g a t ea l o n gt i l er o u t e sw i t ht i n l eg o e sb y a f t e rd i s c u s s i n ga l lo fi t si n s t a n c e s w eg i v eam f i f o r mf l o wp r o p a g a t i o ne q u a t i o n ，w h i c hi sn k e ) f o rc o n s t r u c t i n gt h ed u or o u t e c h o i c em o d e la f t e n x a r d u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，ar o u t e - b a s e da n dal i n k b a s e dv im o d e l sf o rd u o a s s i g n n l e n ta r e g i v e nf r o mt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i l eo u t f i o u r a t ea n dt h ei n f l o wr a t ei l lt h ef l o wp r o p a g a t i o n e q u a t i o na n dt h es t a t ee q u a t i o n ：t h ef o w sa n dt h eo u t f l o wr a t e so nt i l el i n k sc a l la l lb ee x p r e s e e d b 3 t i l er e l e x m l ti l f f l o x l r a t e st h e nt i l e 、m a b l e sn e e d e di nt h es o l u t i o na l g o r i t h n la r eg r e a t l 3 d e c r e a s e d ，w h i c hi s t i l eb a s i ci d e ao ft i l es o l u t i o na l g o r i t h m si l lt h i sd i s s e r t a t i o nu l l d e rt h i si d e a t h es o l u t i o na l g o n t h m sn e e dn o te x t e n dt h eu r ba i ln e t w o r kt ot i m e s p a c en e t w o r k ( r a n b o ) ，c e 1 9 9 6 ；c h e l b1 9 9 9 ) ，a n dc a ub ec a r r i e do nt h eo r i g i n a ln e t w o r k s ot i l ec o m p u t e rc o m p l e x i t 3 ri s g r e a t l ) d e c r e a s e d ，a n dt h es o l u t i o na l g o r i t l n n sa r ee x p e c t e dt oa p p l y i n gi nl a 毽eu r b a nn e t w o r k t h e r ea r et w og e n e r a l i z a t i o n so ft i l eb a s i cd u o a s s i g n m e n tm o d e l so n ei st h ed u om o d e l w i t hl i n kc a p a c i t y t h el i n kc a p a c i t yi sa d d e dd i r e c t l y t h ea d v a n t a g ei st h a tw en e e dn o tc o m p u t e t h el i n kc o s tw i t hl i n kc a p a c i 皂，s p e c i a l l y ；t i l ed y n a m i cs y s t e mi t s e l fc a l lc a l c u l a t et i l el i n kc o s t s a t i s f 、i n gt h ed u oc o n d i t i o ni nt h ep r o c e s so fa c h i e v i n g 龇d u oc o n d i t i o n t h i sm e t h o di sw e l l i n t e r p r e t e da n ds i m p l yc o m p u t e da f t e rt h ed e f i n i t i o no fd u ow i t hl i n kc a p a c i t y , t b ee q u i v a l e n t v im o d e lo ft h i sd u op r o b l e mi sg i v e n e s p e c i a l l y , an e wm e t h o di su s e dt op r o v et h e e q u i v a l e n c eb e t w e e nt h ev im o d e la n dt h ed u op r o b l e m ，w h i c hi st h ed i f f e r e n c eo fi tw i t ho t l l e r s i n f i l a rp r o b l e m si ti sw o r t hn o t i n gd i a tt h ed u om o d e lw i t hl i m kc a p a c i t yi sf u r t h e rd i s c u s s e d h e r e ：t h r e et u r n i n g sa tt i l ee n do ff i l el i n ka r ac o n s i d e r e d ，l e f t - g o i n g r i g h t g o i u g ，s t r a i g h t g o i n g a n de a c ht u n f i n gh a sad i f f e r e n te a p a c i t 3 c o n s t r a i n tt h eo t h e rg e n e r a l i z a t i o n i sc o m b i n e d d e p a r t u r et i m ea n dd y n a m i cr o u t ec h o i c em o d e lw ec o n s t r u c ta ne q u i _ 、，a l e n tb i 1 e 、，e lv im o d e l ：t h e 、a r i a b l e so fu p p e rp r o g r a ma r et h ef l o wr a t e so ft h ed e c i s i v en o d e s a n dt h ev a r i a b l e so fl o w e r p r o g r a ma r et h ei n f l o wr a t e s ，t h eo u t f l o wr a t e sa n dt h ef l o wo fe v e r l i n kt h i sm o d 。ic a l ld e c i d e t i l ed e p a r t u r et i m ea n dt i l ed y n m n i ct o n i ca tt h es a m et i m e f i n a li st h ea p p l i a n c e so ft h ed ”m m i ca s s i g n m e n tm o d e l si no t h e rt r a f f i cp r o b i e m s w h i c l l i n c l u d e sa l s od a op a r t so n ei sh o wt oc a l c u l a t ef i l em a r k e tp e n e t r a t i o no fa t i si nu r b a nd y n m n l c t r a f f i cs y s t e m ，f o rt h et r a v e l e r sw i t ha t i sa n dt h et r a v e l e r sw i t h o u ta t i sh a 、，cd i f 赫c n t 口e r c e i v 。d i v 描婴 r o u t ec o s t s ，t h e yw i l lp e r f o r md i f f e r e n td y n a m i cr o u t ec h o i c eb e h a v i o r sab i l e v e lp r o g r a m c a l c u l a t i n gt h em a r k e tp e n e t r a t i o no fa t i si sd e s i g n e dt om i n i m i z et h eg e n e r a lc o s to ft h eu , h o l e n e t 、 _ o r ks 3 s t e m t h eo t h e ra p p l i a n c ei st h ea p p l i a n c eo ft h ed y n a m i ca s s i g n m e n tm o d e li n d y l m m i ct r a n s i tn e t w o r kd e s i g np r o b l e mab i l e v e lp r o g r a mi sa l s oc o n s t r u c t e di td e s i g n st 1 1 c t r a n s i ts c h e d u l ec o n s i d e r i n gt h et r a n s i tt r a v e l e r s d y n a m i cr o u t ec h o i c eb e h a v i o r st h ec h a o t i c a p p r o a c hi su s e di nt h eh e u r i s t i cs o l u t i o na l g o r i t h m so fs o l v i n gt h et w ob i - l e v e lp r o g r a m st i f f s m e t h o di so b v i o u s l ys i m p l e rt h a nt h es e n s i t i v i t y - b a s e dm e t h o dw h e ns o l v i n gb i - l e v e lp r o g r m n s o m en u m e r i c a le x a m p l e sa r eg i v e nt os h o wt h a tt h em o d e l sa n dt h es o l u t i o na l g o r i t h m si n t h i sd i s s e r l 曲e l la r ee f f e c t i v e k e y w o r d s ：d y n a m i cu s e ro p t i m a l ；v a r i a t i o n a li n e q u a l i t y ；f l o wp r o p a g a t i o nc o n s t r a i n t ；m a r k e t p e n e t r a t i o no f a t i s ；d y n a m i ct r a n s i tn e t w o r kd e s i g n ；b i - l e v e lp r o g r a m ；s o l u t i o na l g o r i t h m v 独创性声明 y 7 4 0 9 6 1 1 本人声明：呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除丁文中特g i j , d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包古其他人 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奉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。 签名：z 兰堡鲎! e l 期：妲垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：厶王堡叠乞导师签 地垒! ：! 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1城市动态交通系统的定义与研究背景 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 s ，以下简称i t s ) 是最近十几年来提出 的新概念，其涵义是通过对关键基础理论模型的研究，从而将信息技术、通信技术、电子控 制技术和系统集成技术等有效地应用于车辆、交通网络以及运行计划中，以减轻交通拥挤、 减少旅客出行时间、提高安全性、减少气体排放量和耗油量，以及提高运输投资的生产率等 等，从而建立一个智能化的、安全、便捷、高效、舒适、环保的综合运输体系。应用i t s 系统，车辆和基础设施( 控制中心) 之闯可以交换信息，及时给出警告，避免拥挤和事故， 给出各种车辆的有效发车时间等等。借助系统的智能，车辆可以在道路上安全、自由地行驶， 靠智能化手段将车辆运行状态调整到最佳，保障人、车、路的和谐统一，在极大地提高运输 效率的同时，充分保障交通安全、改善环境质量、提高能源利用率( 陆化普，2 0 0 2 ：杨兆升 2 0 0 3 ) 。 早在2 0 世纪6 0 年代，美国就开始进行i t s 的先驱性研究，即电子路径诱导系统( e l e c t r i c r o u t eg u i d a n c es y s t e m ，简称e r g s ) 研究，这可以说是i t s 的最早起源。在i t s 研究的早 期，美国主要开展了车路系统的智能化研究，并将其称之为智能车辆道路系统( h 1 t e | l i g e n t v e h i c l e - h i g h w a ys y s t e m s ，简称i v h s ) 。随着社会经济的发展，交通拥挤、交通事故、环境 污染、能源短缺等交通问题成为世界各国面临的共同问题，无论是发达国家，还是发展中国 家，都毫无例外地承受着不断加剧的交通问题的困扰。 在欧洲，交通环境也在不断恶化。英国实施了鼓励民间进行道路建设和经营的政策，伦 敦确立了红色路线( 通过禁止路边停车等交通规则来缓解交通拥挤) 等。此外，在法国则采 取了建设完善巴黎的环状线，改善公共交通等对策。德国也在采取强化高速道路网等措施。 在日本，交通拥挤日趋严重。仅东京圈严重拥挤地点就达2 1 9 处，在东京高速道路拥挤 严重的路段，其拥挤时间长达1 7 小时，拥挤长度达98 7 公里。东京每年因交通拥挤造成的 交通时间价值损失约为1 2 30 0 0 亿日元。日本东京都的专业运输成本1 9 8 5 年和1 9 8 0 年相比， 年度成本增加8 4 2 亿日元，这主要是由于交通阻塞的加剧、货车每日行驶距离缩短、成本上 升造成的( 陆化普，2 0 0 2 ) 。 随着国民经济的高速发展和城市化进程的加快，我国机动车拥有量及道路交通量急剧增 1 1 1 ：京交通大学博士学位论文 加，尤其是在大城市，交通拥挤阻塞以及由此导致的交通事故的增加、环境污染的加剧是 我国城市面临的极其严重的“城市病”之一，已成为国民经济进一步发展的瓶颈问题。 解决交通问题的传统办法是修建道路。但无论是哪个国家的大城市，可供修建道路的空 阀都越来越小。除了修建必要的道路网以外，人们还尝试了很多新的方法来解决问题，例如， 改进道路信号控制，采用道路可变信号，在交通高峰期通过道路改线增加进出车道。而在大 城市则成立交通控制中心来监控与显示公路网络的全部交通情况。这在一定程度上缓解了交 通拥挤状况。可是在许多地方，这些方法实施的规划是针对预先建立的日常重复的交通模式 而制定的。这些方法并不能对交通阻塞做出动态反应，也不能根据具体情况迅速改变交通处 理准则。另外，交通系统是一个复杂的大系统，单独从车辆方面考虑或单独从道路方面考虑， 都很难完美解决交通问题。在此背景下把车辆和道路综合起来系统地解决交通问题的思想 就应运而生了，这就是i t s 。 i t s 是目前世界上所有国家正在大力发展和应用的现代化交通运输运作和管理系统在 中国的发展也经历了一个较长的理解和接受过程，并且现在已经进入了具体的实施阶段。在 二十一瞳纪，中国可望成为世界的强国之一，这在很大程度上取决于她的经济、政治和文化 的发展以及人民生活水平的提高，而这种改变的一个关键的因素就是交通运输的发达和现代 化交通管理的完善，拥有和世界上许多发达国家一样与经济发展、人口密度相适应的交通运 输系统以及交通运输管理系统。 在i t s 的框架中，先进的出行者信息系统( a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns ，r s t e m 简称 a t i s ) 提供了过去的、实时的以及预测的信息，让出行者做决策：出行者做出决策后又把 当时的信息反馈给系统，系统经过一定的处理后，再把各种信息提供给出行者。先进的动态 路径诱导系统( d y n a m i cr o u t eg u i d a n c es y s t e m ，简称d r g s ) 应该能改善整个高速路和交 通系统的综合能力，从而减少出行时间、拥挤和交通事故。d r g s 探测到发生拥挤或交通事 故时如果道路还有能力，就可以重新分配流量；如果已经达到道路的能力，就要改变出行 者的出行时间，以避免高峰期的拥挤。而且，d r g s 可以给出行者提供交通和道路网络方面 的精确的、实时的信息，让出行者自己比较出行费用、自己选择路径。同样，先进的交通管 理系统( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ls y s t e m 简称a t m s ) 是利用这些最新的信息来优化 信号系统、弯道控制及可变信息指示。 动态交通配流理论是i t s 项目中最重要的关键的核心技术基础之一，是先进的交通流诱 导系统、先进的交通控制系统、先进的交通信息预测系统与先进的交通事故管理系统等的理 论基础，因此在国内外上受到了空前广泛的重视。如今，硬件方面的革新如通讯、自动化、 2 第1 章绪论 内置图象处理技术等都已经应用于i t s 中：然而，软件方面比如动态交通网络的各种模型及 算法软件和交通事敌探测软件等，相对来说却应用太少。软件方面的缺乏严重阻碍了大型 i t s 工作的开展；一些正在进行的大型示范系统的失利也说明这软件部分的复杂性是不容低 估的。同时解决一个大型系统的方方面面是比较困难的，而如果用模块化的方法把它分成若 - t = d , 型子问题来分别研究则不失为一个好办法。当然，核心问题还是人们对于复杂的动态交 通网络的各种行为和特性，在理论上的研究不够深入和细致所至。 近年来，i t s 年会每年举办届，i t s 世界大会有力地推动了世界各国i t s 的发展。但 由于i t s 的研究、开发和应用的历史较短，目前的研究和开发活动仍重点集中在交通控制与 管理、车辆路径诱导、道路交通信息服务、公共交通的智能化、自动收费、车辆的自动驾驶、 道路交通管理的智能化以及车辆安全控制、定位等，同时完善道路交通基础设施，以形成科 学高效地协调由人、车、路组成的地面运输管理系统。目前i t s 的主要应用领域是城市道路 交通和城市间的公路运输，主要目标是通过i t s 的研究开发，用系统的观点对待运输系统， 使现在独自存在的车辆和道路设施及使用者能结合成一个整体协同作用，实现以道路交通为 主的各交通运输子系统的组织管理的智能化。在现阶段各国的i t s 研究与应用也基本上都是 在各种运输方式系统内部进行，但它终究要打破各种交通方式的界限，实现整个交遥运输系 统的智能化，并扩充到交通运输领域的规划、决策、建设、运营、管理和维护整个过程，即 为“广义的智能交通”，从而最终建立起一个智能型的综合交通运输体系。 伴随着计算机、通讯、自动控制等技术的迅速发展和人们对交通运输系统效率本质及其 影响因素认识的不断深入，i t s 的研究范围不断拓宽，由最初的道路交通管理系统，发展到 对整个运输系统的规划、设计和运营管理的智能化，使不同运输方式之间实现犀优化的“无 缝”衔接，我们可以称之为“广义的i t s ”。其目的是将先进的信息技术、数据通信技术、 电子控制技术以及计算机处理技术等有效地、综合运用于交通工具和整个运输管理体系，从 而建立起在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效、安全、环保的运输综合管理系 统。 1 2 城市动态交通配流模型的意义与特征 传统的静态交通配流模型都是假定在建模时间段内交通需求是常值，交通流分布形态是 固定的，路段上分配的交通量也是不变的，这种模型主要用于较长时间的交通计划。而实际 交通网络中的交通需求则具有随时问变化的性质，这使得交通网络上的交通流具有动态特 北京交通大学博士学位论文 性，那么，到现在为止以交通定常性为前提开发的静态交通量分配模型就无法解决这种情况 对于需要实时解决交通问题的路径诱导系统当然也不太适用了，更不用说为i t s 研究提供理 论依据了。 城市动态交通配流是指以时时刻刻变动的交通需求为对象的交通量分配，正好可以表现 这种比较短时间内的非定常交通所咀说从问题的性质上来看理所当然需要进行动态分析， 动态的交通需求分析模型能够更广泛、更确切地描述交通网络上的各种交通现象。动态交通 配流是动态交通网络分析、动态交通需求分析的一个重要组成部分。更迸一步，动态交通配 流理论又是i t s 项目中最重要的关键核心技术基础之一，是先进的交通流诱导系统、先进的 交通控制系统、先进的交通信息预测系统与先进的交通事故管理系统等的理论基础。 和静态交通配流相比，城市动态交通配流在构造上有如下特征( 陆化普，1 9 9 8 ) ： ( 1 ) 对动态交通配流来说首先有必要从时间、空间上对非定常交通流作出描述。因 此，有必要将道路网分成更小区间。另外，时间间隔要取得很短，时间和空间的划分方法取 决于所研究的问题精度的要求。但不管怎么说和静态交通配流相比计算容量和计算时间都 将变得非常大。 ( 2 ) 路径或路段上的交通状态量的时间变动将用交通量守恒准则或连续方程式这种表 现方式的交通流模型来记述。作为此交通流模型的状态变量，一般来说可用交通存在台数、 排队台数等来表示。因此相应于静态交通配流中的状态变量一交通量在动态交通配流中 则取交通存在台数、排队台数等等作为状态变量。 传统的静态交通配流问题基本上是处理自由流( 交通密度从0 到临界密度之间的交通 流) ，例如交通量分配用的路段走行时间函数的代表例子是b p r 函数，也没有考虑路段量超 过路段的交通容量的情况。静态交通配流模型都是假定在建模时间段内交通需求是常值。交 通流分布形态是固定的，路段上分配的交通量也是不变的。所以这种模型主要用于较长时间 的交通计划，通常以曰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。但是，对于特定时间段道路网上的交通流，特别是研究高峰期的交通网络 分配等，则静态交通量分配模型是无法解决的。与此相反，动态交通分配则考虑了交通需求 随时间变化的特性，将适用于自由流、拥挤流( 交通密度超过f 临界密度时的交通流) 这两个 方面，在给定交通网络、路段特性函数以及随时间变化的o d 交通率基础上，获取路网上随 时闻变化的交通流形态以及走行时间、费用，因而可以更广泛、更确切地再现包括交通拥挤 在内的广泛的交通现象。因此可以说，静态交通配流是以交通网规划为目标开发出来的需求 预测法，而动态交通量分配模型则是以道路网交通流为对象，以交通控铷管理为目标开发出 4 第1 章绪论 来的需求预测法。 如上所述，在城市动态交通配流问题中，因为取交通存在台数或排队台数作为状态变量， 所以能够表现包括拥挤场所和排队在内的非定常交通流。因而能从对间上、空间上很出色地 表现短时间中的交通流变动。但在用于大规模道路网的情况下，计算量将变得十分庞大如 何建立简单有效的动态交通配流模型和快速实用的求解算法成为迫切需要解决的问题。 3城市动态交通配流理论的发展现状与趋势 城市动态交通配流理论历经2 0 余年的发展，许多研究者进行了多方面的研究( 陆化普， 1 9 9 8 ，2 0 0 2 ) 。到目前为止的研究，从研究方法上看大致可以分( 1 ) 计算机模拟方法；( 2 ) 数学规划建模方法：( 3 ) 塌优控制理论建模方法；( 4 ) 变分不等式( v a r i a t i o n a l i n e q u a l i t y ， 以下简称v i ) 理论建模方法。从研究问题的角度可以分为3 类，( i ) 出行选择研究，即每 时段的出行率研究；( 2 ) 研究如何将随时间变化的交通需求分配到路网上去，这时出行率往 往是预先给定的随时问变化的o d 交通率：( 3 ) 同时决定交通流的瞬时分布形态以及出行率。 从对出行者路径选择行为的假定看，可分为两大类( 1 ) 动态用户最优( d y n a m i c u s e r o p t i m a l 以下简称d u o ) 模型和( 2 ) 动态系统最优( d y n a m i cs y s t e mo p t i m a l ，以下简称d s o ) 模 型。 h e n d r i e k s o n & p l a n k ( 1 9 8 4 ) 、b e n - a k i v a d ep a l m a ( 1 9 8 6 ) 、m a h a m a s s a n i c h a n g ( 1 9 8 6 ) 等研究了如何确定出行者的出行率分布形态的问题，这类问题虽然近年来也有人发 表研究成果，但这些模型大多数只限于简单网络，而且大多均假设路段行驶时间与交通量无 关，因此只具有启发性而实用性欠佳。 y a g a r ( 1 9 7 0 ，1 9 7 1 ，1 9 7 4 ) 提出了第一个基于计算机模拟的动态交通配流模型。该模 型满足w a r d r o p 用户最优原则，考虑了随时间变化的需求以及排