动态交通流分配浅析

动态交通流分配浅析摘要：实现交通分配理论的交通分配模型可分为两大类：静态交通分配模型和动态交通分配模型，它们都有各自的优缺点。静态交通分配模型假设交通需求和路段行程时间为常数或仅依赖于本路段上的交通流量，这对于交通量比较平稳、路段行驶时间受交通负荷影响较小的城市间长距离非拥挤的城市交通特性分析和路网规划是比较可行的。而对于存在拥挤现象的城市交通网络,交通需求在一天之中变化甚大。使得网络交通流的时空分布规律具有时变特性，从而导致路段行驶时间大大依赖于交通负荷的变化。因此，在城市交通控制与管理中更需要考察路网中，交通流状态随空间与时间的演化过程，针对可能出现的拥挤和阻塞及时采取有效措施．确保城市交通系统平稳、高效地运行。动态交通分配考虑了交通需求随时间变化和出行费用随交通负荷变化的特性，能够给出瞬间的交通流分布状态。关键词：动态交通流分配定义现状意义存在问题TheshallowanalysisofDynamicTrafficAssignmentAbstract:thetrafficassignmentmodelofTrafficassignmenttheorycanbedividedintotwocategories:staticanddynamictrafficassignmentmodelfortrafficassignmentmodels,bothofwhichhavetheirownadvantagesanddisadvantages.Statictrafficassignmentmodelsassumingthattrafficdemandandlinktraveltimeisconstantoronlydependentonthetrafficflowonthisroad,whichisrelativelystableforthetraffic,roadsandthetrafficloadlessaffectedbythetimetheinter-citylongdistancenon-urbantrafficcongestioncharacterizationandnetworkplanningismorefeasible.However,forthereiscongestionintheurbantransportnetwork.,changesintrafficdemandinthedayaregreat,whichmakesthenetworktrafficflowvarieswithtime-varyingspatialandtemporaldistributionofproperties,resultinginroadsandthetimereliedheavilyonthetrafficloadchanges.Thus,inurbantrafficcontrolandmanagementofroad,itismoresignificanttoexaminehowtrafficflowvarieswithspaceandtempowhilestudyingtheroadnetwork,andthustimelyandeffectivemeasurescanbetakingforthecongestionandobstruction.,andthatensurethaturbantransportsystemoperatesmoothlyandeffectively.Dynamictrafficassignmentincludedtrafficdemandchangesovertimeandtravelcostswiththechangingnatureoftrafficload,moreover,itcangiveaninstantflowoftrafficdistribution.Keywords:dynamictrafficassignment,definition,statusquo,meaning,problems·0引言动态交通分配的这种功能使其在城市交通流诱导系统及智能运输系统的研究中具有举足轻重的作用。因而，研究动态交通分配理论．并将其应用于交通控制与管理是十分必要的。同时，动态交通分配为交通流管理与控制动态路径诱导等提供了依据，也是智能交通系统的重要理论基础。·1定义·1.1交通分配交通分配是交通规划中的一个重要步骤，它是将调查得到的起讫点之间的出行分布数据(OD矩阵),按照一定的规则分配到路网中的各条道路上，从而推测各条道路上的交通量，并以此作为路网规划及设计的依据。一系列的OD矩阵推算模型均建立在一个共同的假设之上，即网络交通满足平衡条件，及交通流在网络上的分配服从Wardrop第一、第二原理。其推算模型是以分配的OD量总出行时间与观测的总出行时间最接近为目标函数然后进行求解·1.2动态交通分配动态交通分配问题是在交通供给状况以及交通需求状况已知的条件下分析其最优的交通流量分布模式。它应既考虑到交通的时变性又应考虑到交通设施服务水平的时变特性。将时变的交通出行合理分配到具有不同服务水平的路径上以降低个人出行费用或系统总费用。交通流的时变性包括以下几方面：(1)出行发生时间的变性。出行者在分析了道路的拥挤状况后会调整出发的时间以避开高峰期，来减少路上的消耗时间。(2)到达目的地时间的变性。提前或延后到达要视在路上消耗的时间而定。(3)高峰期交通流的不均匀性。消除了因静态模型将交通流视为均匀分布而低估的出行时间和拥挤程度。(4)OD对之间的最短路径的时变性。(5)拥挤点的时空变化特性。拥挤是一个运动的“瓶颈”，不是固定的，而是时空变化·2动态交通流分配理论发展现状动态交通流分配理论从提出至今经过了20多年的发展，在理论研究和方法应用上都有了一定的进步，国内外在动态交通流分配领域的研究都在积极地进行当中。国外在理论、方法和应用上的研究较之国内要超前，同时，无论国外还是国内在理论方面的研究成分居多，而在实际应用上还有待进一步发展。总体来说，自动态分配概念提出至今，其研究仍然处于发展阶段。主要原因是考虑了时间变动因素后，建立合适的数学模型和设计合适的算法变得十分困难。纵观国内外对动态交通分配理论和方法的研究，从研究方法角度而言，可以分为数学规划建模方法、最优控制理论建模方法、变分不等式理论建模方法和计算机模拟方法等四种途径。人们对于数学分析方法的探讨比较热烈和深入，而对于计算机模拟方法则很少问津。(1)数学规划方法Merchant和Nemhauser于1978年第一个以数学规划方法对动态交通分配问题进行了开创性的研究，他们提出了用离散时间、非凸的非线性规划来表达的系统最优分配模型。Ho在1980年为这个M—N模型提出了分段线性化算法，而后又提出了应用嵌套式分解算法在超立方并行计算机上求解的方法。为了进行有效的最优性分析，1987年，Carey在M—N模型的基础上进行了改进，构造了一个非线性的凸规划模型。上述各个阶段的模型为动态交通分配理论的发展带来了巨大的推动力，但是各模型的最大缺点是局限于多个起点和单个终点的简单网络，用于理论分析可以，但要应用到现实中多个起点和多个终点的城市交通网络，还需大量的研究和努力。(2)最优控制理论1980年，Luque和Friesz提出了应用最优控制理论解决动态系统最优模型的新思想，他们将M—N模型改进成为一个连续时间的最优控制问题。到1989年，Luque和Friesz等人研究了单个起点和单个终点的简单网络的最优控制理论模型。随后，Wie，Friesz和Tobin在1990年，Ran和Boyce等人在1993年发表的文章中，建立的模型均采用了最优控制理论方法建模。最优控制理论方法建立的模型具有易于分析的优点，但是对于Friesz和Wie等人提出的模型，目前仍然没有有效、成熟的求解算法。(3)变分不等式(VI)Janson在1990年和1991年发表文章，提出了动态交通分配的多目标规划模型，之后Jayakfishnan和Tski等人于1995年对该模型进行了改进，使其更加完善。Friesz和Bemstein在1993年提出了动态系统最优的变分不等式模型。这些模型极大地丰富了动态交通分配的研究方法，从不同角度为解决动态分配问题做出了有益的尝试。(4)计算机模拟方法另外，Mahmasani和Peeta在1993年提出了一个计算机模拟的动态交通分配模型，考虑了随时间变化的交通需求以及交通拥挤条件下排队的形成等影响因素，但是该模型没有考虑小区OD数据到路段OD数据的转换，在路网阻抗的计算上采取了简化的方法。·3动态交通流分配研究的意义纵观交通流分配理论研究的发展轨迹，从对路网描述的粗细、交通需求的反映、路径选择机制的刻画、路网阻抗模型的建立等等角度，一直都是处在不断克服发现的缺陷、弥补自身不足、自我完善发展的进程中。在这一进程中，人们越来越强烈意识到进行动态交通流分配理论和方法研究的意义和迫切性。·3.1动态分配是交通流理论自身发展，不断完善的需要（理论发展的趋势）交通流分配理论发展的过程中，人们往往把更多的注意力都投放在对“静态交通分配”理论与方法的研究攻关上。静态交通分配家丁了在建模时间段内的交通需求是常数值，也就是家丁交通流分布形态是固定不变的。可以说，静态交通流分配已经有了较成熟的发展，但是它并不是完美无缺的，仍然存在着有待解决的问题，甚至是严峻的问题。这里所说的问题并不是求解方法存在的不足，而是问题就出在静态分配理论的前提条件的假设上。因为，现实交通网络上的交通流不是固定不变的，而是具有在时间、空间上变化的时变性，交通流每天都变化着，同一天的不同时间也变化着，因此实际的交通流是动态的。具体来说，主要表现为：(1)出行者出发、到达时间的时变性。出行者根据道路的拥挤时间和程度，会调整出发时间，或者提前或者延后，尽量避开高峰，从而减少路途上的时耗。(2)OD对之间的最短路径是时变的。同一OD时间的交通流可能会通过不同的路径到达目的地，即殊途同归，同一时间出发，有可能不同时间到达；而对于上班、上学等得出行，有可能出行虽然在不同时间出发，但是至少要求在同一时间到达的情况。(3)高峰时间的交通流不会是均匀不变的。如果像在静态交通模型中，将交通流均匀分布于研究时间段内，即某一时刻沿一条路径上的交通流是同时存在于该路径的所有路段上，那么就掩盖了真相，因为实际上交通量是沿着路径随着时间向前推进的。(4)拥挤如同给一个动态的“瓶颈”，不是固定的，而是时空变化的。这在静态分配中体现不出来。实际路网中，拥挤会发生在不同的时间和地点，例如在早晚高峰时间出现的拥挤，在平常期间就可能不会出现。正是由于交通流的这种时变特性，似的既有的以静态为前提条件的各种分配方法，在处理实际交通网络、进行交通管理和控制时，都显得不是十分完善和满意，1980年美国学者Newell在MIT出版的《FlowonTransportationNetworks》一书中郑重告诫交通规划人员，在使用静态模型时，容易导致错误决策。1986年BenAkiva也在其撰写的论文中之处，均匀高峰交通流是一个虚的概念，静态分配技术不适合于分析交通拥挤现象和用于交通控制和管理。而现实的交通网络中，拥挤已经是通病，进行交通流的优化控制和管理更是迫在眉睫。所以必须发展能反应时变交通分配理论，也只有动态交通分配才有希望解决实践中发展的问题，解释各种交通现象及其机理。·3.2动态分配是交通规划尤其是交通控制于管理应用技术发展的需要（实际应用之需）(1)随着经济的发展和科技的进步，社会经济的哥哥系统都在由加强建设逐步转向加强管理，这是技术进步的要求和表现。城市交通领域同样如此，也由过去的单纯注意“建路阶段”发展进步为现在的重视“管理阶段”。所以相机提出了交通需求管理（TDM）、交通系统管理（TSM），以及目前的智能交通系统（ITS）。可以预计，将来的交通分配技术不仅仅为制定交通规划设计服务，而且更要为制定交通管理控制方案服务。(2)智能交通系统（ITS）的反战需要动态分配技术的支持，ITS中的先进的出行者信息系统（ATIS）、车辆线路诱导系统（VRGS）等核心部分都需要动态分配作为理论基础。可以说，ITS的研究和实施，对动态交通分配理论提出了更迫切的要求，极大地推动了动态交通分配理论前进的步伐。·4动态交通流分配的现实作用动态交通流分配技术在描述城市交通网络的拥挤性、随机性、动态性、以及对城市交通管理控制的各种措施的你改价上有着一下静态分配技术不可比拟的作用。(1)可以对交通拥挤特性进行全面分析。静态分配时某一时刻沿一条路径上的交通量被认为是同时存在于该路径的所有路段上。而在动态分配时，由于考虑了时间因素，二维的静态交通分配变成了三维的动态交通分配，所以在刻画、描述拥挤的出现、成长、消失的机理上则更加真实。(2)可以对交通流进行最优控制。动态交通分配考虑了交通需求随时间变化的特性，能够给每时每刻的瞬态的交通流分布，一次，它不但可以分析阻塞发生在何处，也可以知道何时发生，从而为信号灯的配时提供准确的信息。(3)评价环节交通拥挤的各种对策的成效。由于考虑了交通流的时变性，所以对于诸如弹性工作日、错时上下班等各种对策实施的效果可以从缓解拥挤、节约时间价值角度进行分析和评价。(4)对交通事故等紧急情况发生后交通流状态的预测。交通事故的出现，必然会带来相应的拥挤或阻塞，根据事故的开始时间、结束时间、严重程度等，可以预测由于事故而产生的“淤积交通流”小于过程中对交通流分布形态的影响。(5)为智能交通系统（ITS）提供主要的技术基础。先进的交通管理系统（ATMS）、现金的出行者信息系统（ATIS）以及车辆路径诱导系统（BRGS）等，都离不开动态分配技术的准确描述、交通流分布形态的正确预测这一基础前提。·5需要重点研究的基础问题交通流分配基础理论和基本问题的研究往往比较枯燥和耗时，吸引力比较小。正是如此，更需要我们在学习和引进国外先进的智能交通系统技术的同时，要针对我国混合交通流的特点，根据我国的道路条件和交通条件，扎实地做好基