交通系统工程课件

1 交通工程概论1.1 交通工程的一些重要概念TrafficEngineering道路交通工程(日本)交通工程?道路工程汽车工程道路环保工程TransportationEngineering1.1.1 有关交通的若干根本概念Transportation(交通运输)铁.公水.空.管大交通与小交通(通俗)小(研究区域内)相对概念 大(研究区域与外部)公共交通与个体交通

PublicTransport(MassTransit)Individual(TripTravel)PrivateCarUse1.1 交通工程的一些重要概念交通系统(交通运输系统)

TransportationSystems Transportation~Communication注意:中英文内涵之间差别与”人.物在空间上移动”有关的工具、设施、方式、系统1.1.2

交通工程学的一些重要概念1)交通量

TrafficVolume[Q]时、天、(控制周期)、月、年、周、高峰时段在考察处的车流量。车：各种交通工具，可能分别统计，常常折合成小汽车流量最大小时交通量(Maximumhourlytrafficvolume)平均日交通量(averagedailytrafficvolume)交通量的时间分布与交通量的空间分布交通密度

trafficdensity[K](考察一段空间分布)交通流

trafficflow1.1.2 交通工程学的一些重要概念2)车速

speed[v]

地点车速(观察点、瞬时)spotspeed

规划用: 行驶车速(runningspeed)(不包括停车时间)

区间车速(overallspeed)(包括停车时间)

群体、综合性统计数据

运行车速(operatingspeed)实际情况下的个体行为结果管理用控制

临界车速(optimumspeed,criticalspeed)

设计车速(designspeed) 修路用3)车头时距T

安全值T≥2秒车头间距

LL=1000V/Nv：速度；N：通行能力

L1.1.2

交通工程学的一些重要概念

或 T=3600/N(通行能力)4)通行能力(道路)(capacity)[C]车辆数╱小时

基础通行能力（basiccapacity）

即基本通力，假定只由相同性能、相同技术数据的小汽车组成理想交通流行驶在该道路上,保持安全车头时距,算出的通行能力。

(理想.理论)可能通行能力(possiblecapacity)(可实现的)考虑道路”服务水平”的最大通行能力有的把它称为capacity实际通行能力

(realcapacity)

考虑到具体交通环境,各种干扰后的通行能力设计通行能力(designcapacity)

按照小于可能通行能力(最大通行能力)的某一标准值来设计,考虑服务等级.

BcPcRcDc1.1.2

交通工程学的一些重要概念影响通行能力的因素:道路因素: 车道宽; 路肩宽; 侧向余宽; 路面状况; 坡度、 线形; 沿途条件; 车道分布。。。。交通因素:车辆构成:大型车、自行车……交通量及其时间空间分布天气因素影响实际通行能力天气因素影响实际通行能力控制、管理因素1.1.2

交通工程学的一些重要概念5)服务等级“服务等级”与下列因素有关:行车速度、通行时间;行动的能力;交通中断与受阻;安全性;行车舒适性、通畅性;经济性.道路标准分成A.B.C.D.E.F6个等级1.0交通量/通行能力FVABCED1.1.3 交通参数的基本关系1.1.3 交通参数的基本关系 Q,V,K

V=a-bK Q=ak-bk2 Q=V(Vmax-V)/b

或Qmax-Q=(V0-V)2/bVmax拥塞时KmaxVKVQ(Qmax,V0)mpnlKQk0om~n:正常状态n~l:不稳定l~p：自由流QQmKfVfQkmKf辆/千米辆/小时千米/小时QKVV=Q/K基础、宏观研究1.1.4交通流数据采集技术1.1.4交通流数据采集技术一、 交通流量采集技术1） 非自动采集人工采集法试验车移动调查法摄影法2） 自动采集环形线圈检测器超声波检测器磁性检测器红外线检测器微波检测器视频（图象处理）检测器1.1.4交通流数据采集技术二、行程时间采集技术1）测试车法2）牌照法3）GPS(全球定位系统)定位法 车载GPS设备以每2秒的采样间隔记录日期、时间、车辆位置和速度，将数据传到计算机，与地理信息系统匹配，分析计算出行程时间。4）beacon（信标）定位法 每个一定距离（50-200米）道路边上设置beacon（信标），beacon（信标）具有信息存储、信息发射和接收功能，与车辆上的车载设备通讯，同时与交通信息中心的计算机外设无线通讯。每个信标的位置一定，可以及时得到车辆的位置信息。5）车辆自动识别法 车窗上贴有电子标签，标签上有微型无线电发射器，发出车辆自身的特征信息码路侧的天线和识别器把车辆的特征信息发送到中心处理分析得到行程时间。2 交通流理论2.1 概述1）经典交通流理论：把交通流作为流体（物理流）的类似，用相似论的方法套用流体力学模型大致分为三种方法：概率论方法流体力学方法动力学方法2）交通流模型相应的经典模型有：概率统计模型（ProbabilityStatisticModel)， 排队论模(QueuingTheoryModel)型，跟驰模型(CarFollowingModel)， 流体模拟模型(FluidSimulationModel)。新型模型有元胞自动机模型(CellularAutomataModel)，时变理论模型等。3）交通流理论研究的问题交通流特性(trafficStreamCharacteristics)交通流中人的因素(HumanFactors)车辆跟驰模型连续流模型(ContinuousFlowModels)

2 交通流理论宏观交通流模型(MacroscopicFlowModels)交通影响模型(TrafficImpactModels)无信号交叉口交通流理论(UnsignalizedIntersectionTheory)信号交叉口交通流理论(TheTheoryofTrafficFlowatSignalizedIntersection)交通仿真(TrafficSimulation)交通分配(TrafficAssignment)2.2

交通流特性(trafficflowcharacteristics)2.2.1 交通设施种类1）断续流设施：城市道路2）连续流设施：高速公路，一般认为3.2KM是产生连续流的前提条件。2.2.2 连续流特征 （前面第一章）2.2.3 断续流的特征（在交通控制这介绍）

2 交通流理论2.3 交通流的概率论研究假定:道路上行驶的车辆相互独立，车辆分布是随机的，车辆行驶看成一种 概率过程。2.3.1泊松分布（possion′distribution）

m－单位时间间隔的平均到达率（辆/s,人/s)k~正整数0,1,2……Pk-在t时间内到达k辆车或者k个人的概率。适用条件：车流密度不大，外接干扰因素少。(2.1)

2 交通流理论2.3.2 二项式分布：拥挤交通时,车辆到达的分布

x=0,1,2……n p 1辆车到达的概率Cxn n个中一次取x的组合数 2.3.3车辆到达间隔分布(负指数分布):类似于排队论中顾客到达与到达间隔,服务时间分布.

或P(k<t)=1-e-t/T，

T=3600/Q小时交通量改进的车头时距分布：位移指数分布（车头时距太小的车很少或者没有）ttP(h<t)P(h<t)(2.2)(2.3)(2.4)

2 交通流理论2.3.4复合车头时距分布多车道：一条畅行，另一条受限制 受限制流量占总流量的比例

T1—畅行平均车头时距—受限制车俩的曲线位移(即最小车头时距)T2—受限制平均车头时距实际调查数据→找出统计规律→绘制诺模图2.3.5车速的分布模型正态分布对数正态分布我国不符合,无统计规律

1秒16秒2秒4秒8秒Q辆/时0.20.40.6P(2.5)

2 交通流理论2.3.6选择分布建议n车停车所需时间T时间内行驶的距离

2 交通流理论2.4车辆跟驰模型的研究(交通动力学理论)2.4.1简单的跟弛模型与前不同之处：考虑司机的操作反应.对前车运行状态的反应,研究单个车道交通流特性.

1) 原理

t时刻产生了“刺激”,延迟了T时间产生“反应”—反应时间T.假设：反应与＂刺激＂的大小成比例地加速或减速，（跟驰）． 反应（t+T）＝灵敏度＊刺激（t）2)模型

s(t)=xn(t)-xn+1(t) d1=T*Vn+1(t)

d2=[Vn+1(t+T)]²/2an+1(t+T)

d3=[Vn(t)]2/2an(t)

an,an+1加（减）速度d3nn+1n+1Ld2d1n+1车停车所需时间n车停车所需距离Xn(t)n车开始停车后的位置Xn+1(t)S(t)n+1nn车开始减速t时刻相对位置

2 交通流理论

要求紧急刹车而不发生碰撞：

s(t)=d1+d2+L-d3∵V(t)=x，(t)a(t)=x，，(t)∴s(t)=Txn+1，(t)+[x，²n+1(t+T)]/[2xn+1，，(t+T)]+L -[x，，²(t)]/[2x，，n(t)]若假定d2=d3,即:两个车停下来所行驶的距离和速度相等（同种性能的车）则：s(t)=xn(t)-xn+1(t+T)=Txn+1，(t+T)+L对t微分: x，n(t)-x，n+1(t)=Tx，，n+1(t+T)即:

x，，(t+T)=[x，n(t)-x，n+1(t)]/T

刺激灵敏度1/T(t+T)反应(2.6)(2.7)(2.8)(2.9)

2 交通流理论2.4.2 非线性跟弛模型认为灵敏度车头间距成反比． ：单位：距离/时间，（15~30英里/小时），从试验求出。不同的道路，不同的值。

T:(1.0~2.2秒）2.4.3 一般形式常数l,m根据研究道路实测数据拟合得到.(2.10)(2.11)2 交通流理论2.2.4 扩展 不同点：不仅是两两跟驰，扩展到三车，第二辆车 影响其后的第三辆。

第三辆车对第二辆车速度差的灵敏度第三辆车对第一辆车灵敏度在计算机仿真时用：灵敏度系数 w1+w2=1(影响的加权分配系数）此外还有其他的进一步研究结果。研究得很多（模型本身及其应用）研究:稳定性，稳定条件……(2.12)(2.13)2 交通流理论2.5 交通流的“流体力学”理论

交通流当作压缩流体处理，找出Q与K之间的经验公式，求解流体连续方程。(波动理论)2.5.1 基本原理A段: 交通密度k1

速度v1

交通量Q1S界面:界面移动速度CB段: 交通密度k2

速度v2

交通量Q2

穿过S的车辆数NN=(V1-C)K1t=(v2-c)k2t守恒定律即:(V1-C)K1=(V2-C)K2

根据定义Q=K1V1,Q=K2V2

车流传播小紊流的速度公式cASBK1,V1K2,V2冲击波速度(2.19)(2.20)

2 交通流理论

大紊流情况B.D.Greenshields建议:k—最大交通密度 ： 自由行车是平均车速η1=k1/k0η2=k2/k0 归一化交通流密度2.5.2交通密度大致相等的情况(忽略η0)

近似C=(1-2η) 冲击波传播公式.

(2.21)(2.22)

2 交通流理论2.5.3停车产生的冲击波A段: V1=(1-η1)

t=0时,x=x0

突然停车 η2=1

经t时间后将在·t处受传播而停车ABηCSη+η0Sx0BAη1η2=1ηx0η21=1SC(2.23)

2 交通流理论2.5.4发车产生的冲击波

t=0时,一串车停在x=x0

红灯信号后方

t=0时,x=x0

处红→绿.首车以V2

起动,

发车冲击波将以的速度从X0向后方传播,首车启动速度低,V2小,可看成以向后传播冲击波。ηx0η21=1SC(2.24)2 交通流理论

2.6 交通排队模型把某道路路段、设施看成“服务机构”应用运筹学排队论原理研究交通。1)到达特性：①平均到达率。 ②到达间隔特性。

2)“服务台”特性： ①平均服务时间。 ②服务台数。 ③排队空间情况：有无限制。3)排队规则：

M—到达间隔或服务时间服从负指数分布

D—确定的到达时距或服务时间

G—一般服务时间分布（General）

GI—一般独立（GeneralIndependent）分布排队规则服务规则排队系统排队结构服务台顾客源2 交通流理论4）交通排队模型X/Y/Z/A/B/C

规定 FCFS先到先服务系统容量 顾客源 服务规则

LCFS后到先服务当∞/∞/FCFS时可省略，写X/Y/Z研究了： M/M/1；M/M/N；M/D/1； 无灯控制路口； 有灯控制路口； 道路瓶颈处排队特性； 道路上的延滞。

2 交通流理论2.7元胞自动机模型（CellularAutomataModel，CA)2.7.1 概述2.7.1.1概念时间和空间都离散，物理参数只是有限集的物理系统的理想化模型。广义性：20世纪50年代起形成的概念，首创者：JohnVonNeumann(串行计算机的设计者）。已经广泛地应用于许多领域的建模与仿真：简单的刚体运动，统计物理学中气体、液体分子运动，生物的进化，生态模型，聚核生长现象模型等等。两类问题：给定元胞自动机规则，预测它的性质；寻找具有某种性质的元胞自动机规则。两类元胞自动机（根据规则的性质不同）：确定性的元胞自动机；概率元胞自动机。2.7.1.2定义

2 交通流理论元胞自动机要求：1）规整的元胞网格覆盖d维空间的一部分。网格中每个格位r的一组布尔变量给出了每个元胞在时间t=0,1,2,…的局部状态。3）演化规则R={R1,R2,…Rm}按下列方式指定状态Φ(r,t)的时间演化过程：式中：r+δk

指定从属于元胞r的给定邻居元胞。（邻居的概念）VonNeumann邻居Moore邻居

2 交通流理论定义说明：演化规则对所有格位都是同一的，且同时应用于每个元胞；（同步演化）需要明确初始状态Φ1(r,t＝0)。2.7.1.3边界条件定义的演化规则不可能处理无限的网络，必须有限。网络边界上的格位不具有与网络内部格位一样的邻居。需要处理边界上的格位。方法1：对边界格位的信息进行编码，并且根据这些信息选择不同的演化规则，可以定义几种具有完全不同行为的边界。方法2：在边界格位扩展格位邻居，假想在边界上嵌入与内部相同发拓扑结构。2.7.1.4元胞自动机的发展概率型元胞自动机异步演化的元胞自动机2.7.2道路交通元胞自动机模型2.7.2.1动力系统的元胞自动机模型S.Wolfram1983年提出元胞自动机规则体系。每个元胞的状态Si=(0,1)。时间t+1的状态只取决于t时刻状态的三元组合（Si－1，Si，Si＋1): Si(t+1)=Φ{Si－1(t),Si(t),Si+1(t)}ak=(0,1)与每个格位的三元组联系起来，有：

111110101100001010001000 a7a6a5a4a3a2a1a0以a0，…，a7值表征的元胞自动机规则R有256种选择。每条规则可由计算指标NR来加以鉴别：

按照组合编号得出了256种规则。

2 交通流理论根据规则的行为特点，分为4类规则：1）类1：元胞自动机经过有限的时步后，几乎全部的初始状态都演化成单值均匀状态（所有的格位都有同一值），自动机的状态在相空间向简单的极限点演化。2）类2：几乎全部的初始状态都生成一个由间隔的、周期性的分区组成的图形，所生成的简单结构时稳定的或者是周期性的。起演化规律类似于连续动力学系统向极限环的演化。3）类3：几乎全部的初始状态都演化成混沌的、非周期性的图形。类似于连续动力学系统向奇异吸引子演化。4）类4：对于各类初始状态，能够生成持续不断的复杂结构。2.7.2.2道路交通元胞自动机模型原理 把汽车看作沿着一串格位行进的粒子，行进的微观动力学规则取自于Wolfram规则184。只要汽车的目标元胞是空的，汽车就可以行进。如果前面的格位被占据，则汽车必须暂时停止运动，等到前面的格位为“空”时，才能行进。

2 交通流理论1）示例

2 交通流理论abcdefg0011交叉口的信号灯交叉口附近的交通构形

2 交通流理论2）元胞自动机的运动规则：

ni(t+1)=niin(t)[1-ni(t)]+ni(t)niout(t) (2.25)ni(t):t时刻ni格位的状态；ni(t+1):t+1时刻ni格位的状态；niin(t):t时刻即将进入ni格位的那个元胞的状态；niout(t):t时刻ni格位的目标元胞的状态；（2.25）式描述了t+1时刻ni格位的状态为“0”或者为“1”。在迭代i和i+1之间行进的车辆数Nmvt(t): L元胞数目 目标元胞 的空位数

(2.26)

能够接纳新汽车 的空位元胞数(2.27)两种计算方法在i和i+1之间进入和驶出的汽车数平衡运动方程式：

Wolfram184＃规则。3）汽车行驶的规则（交通流运动规则）汽车的加速与减速规则，跟驰规则汽车的换道规则

Schreckenberg提出了描述高速公路交通流的一维随机元胞自动机模型（以下简称NS模型）[1]，O.Biham、A.A.Middleton、D.Levine三人提出了基于二维元胞自动机[2]的城市交通流模型。

2 交通流理论可以接纳新汽车的元胞空位数（驶出元胞）进入目标元胞空位的汽车数

改进的一维元胞自动机交通流模型

第i辆车下一时刻的速度由第i辆车相对于第i-l辆车的相对运动的位置来确定。

其中di(t)为两车在t时刻间隔的距离: di(t)=xi-1(t)-xi(t)-1△xi-1(t)为相对位置: △xi-1(t)=xi-1(t+1)-xi-1(t)=vi-1(t+1)△t可以理解为t+1时刻前车将要驶出的距离。因此考虑相对运动之后，第i辆

2 交通流理论i-1ii+1

减速规则如果：Vi(t)△t≽di(t)+△xi-1(t),则：

加速规则：如果：

Vi(t)<Vmax,则：

2 交通流理论以概率p减速以概率1－p减速以概率p加速以概率1－p加速自由运动规则：当t时刻第i辆车的速度在数值上小于相对运动距离并且第i辆车速度等于最大速度时，t+1时刻第i辆车或者以概率减速，或者以概率1保持最大速度，其中服从爱尔朗分布。

如果：Vi(t)＝Vmax&Vi(t)△t<di(t)+△xi-1(t)，则： 换道规则类似：满足换道条件时，以一定概率换道（为什么？）说明：概率分布可以根据情况假设，要求尽量符合实际情况。在一定程度上有智能模型的影子。

2 交通流理论以概率p减速以概率1－p保持最大速度2 交通流理论

2.8 其他改进模型：（现代交通流理论）

Papageorgiou模型：考虑匝道进出流的影响。Michalopoulous模型：考虑道路系统的拓扑特性，考虑匝道对主车道的影响。

时变理论模型等。2.9 讨论结论：①确定性理论与不确定性问题。②片面性：分别适用与不同情况，缺乏综合整体性。③静态—动态。④未充分应用系统理论、知识工程、人工智能方面的新成果。3交通系统分析3.1宏观交通系统的系统分析3.1.1 基本因素分析：人、车（交通工具）、路（交通设施）、物、信息（确定性、不确定性）3.1.2 系统目标分析：技术性指标运能指标运输速度指标服务水平指标安全性指标可靠性指标舒适性可达性门~门方便性（票-换乘，）正点率灵活性耗费类指标投资运输成本能耗土地利用指标体系效益类指标劳动生产率企业经济效益社会经济效益环境生态效益3.1.3 系统环境分析：3.1.4 特点分析：1）交通需求是派生需求，社会经济活动对交通的影响很大,作用很强。2）交通系统是社会经济活动系统的“血液循环系统”，反作用（影响）很大。3）交通“供给”不可存储，不利用则“浪费”。4）网络性特点：局部与整体问题。5）“流”动性特点，畅与不畅问题。交通系统生态环境系统社会经济活动系统3交通系统分析3.1.5 结构分析：串并联结构（客货运营）公路铁路水路航空管道子系统并联结构客货运输任务公路铁路公路水路航空管道公路公路完成运输任务串并联结构3交通系统分析3.1.6 交通系统调控的层次性各层分别调控什么各层间相互关系，层间的相互作用意义（弄清层次性）作用的长效性不可逆性调控作用的滞后外部环境社会经济系统（政策与规划）交通政策与规划交通需求交通供给开源节流交通市场交通系统结构交通方式的比例公共交通线路交通流组织与管理交通控制01234567交通网络结构3交通系统分析3.2城市交通系统城市交通矛盾更突出，问题更集中，解决难度更大。复杂巨系统.3.2.1 城市交通系统评价指标体系经济性指标企业收入指标运营费用指标年均收入运营支出票价、货物运价个人费用指标能源消耗指标按标准煤计算的消耗量投资费用指标基建投资经济效益指标资金利税率交通管理先进性指标安全性指标正点率指标公交车正点率、主要路口延误时间交通事故死亡率合理性指标道路合理性指标交通适应性指标可达性指标路网密度、路网负荷度、人车均道路面积、人均停车面积客运交通结构比、货运交通结构比、万人拥有公交车辆数、亿元产值车辆数公交直达率、公交平均换乘次数有效性指标快速性指标方便性指标货物运输速度平均出行时间道路覆盖率,公交站点密度,运力合理分布交通系统角度3交通系统分析3.2.1 城市交通系统评价指标体系3。2。2 城市交通系统的总体结构城市建设指标交通设施占地生态效益指标环境保护指标环境污染指标汽车噪音和污染量绿化面积整体角度舒适性指标乘客密度服务质量指标服务水平、货损率、货差率顾客角度交通运输工具客运私人集团公交电车轻轨地铁出租自行车摩托车小汽车三轮车客车小汽车货运货运大小货车拖拉机兽力车三轮车特种货车特种消防车工程车运输建筑物道路高速公路快速干道主干道专用车道电车道地铁服务设施停车场车库维修站加油站车站人管理控制设施调度设施交通标志信号灯车辆检测器驾驶员乘务员维修人员管理人员乘客行人城市交通系统3交通系统分析ProblemObjectivesTravellerIndependenceConvenienceSpeedCitySocialfunctionEnvironmentResourcesPublictransitcompanyOperationalcostsSafety&reliabilityIntegrabilityDevelopmentstrategiesAlternativesConstraintsOptionsPrivatecaruseSafetyCongestionenvironmentresourcesAttractivenessEfficiencyLabourshortagePublictransportImprovementofexistingsystemsTechnologicalinnovationsTotalsysteminnovationNocontributionEconomicScientificTechnologicalChangingoftrafficSupplyOperationCapacityStructureDemandVolumeSpatialTimedistributionSocialPoliticalInstitutionalContributionofControlSystems3.2.3城市交通控制系统发展战略分析3交通系统分析特点：分布（时间、空间）不均衡（除具有一般交通系统特点之外）3.3研究方法论宏观与微观相对概念集聚与非集聚自组织与组织交通规划与交通控制长期、中期、与短期局部与整体交通数据问题：抽取什么数据、如何处理才正确、数学建模问题3交通系统分析4交通规划概论4.1

交通规划过程核心问题:交通需求分析 交通供给分析运行监测项目的开发与实施编制计划与预算评价分析识别可行的政策、方案问题诊断城市活动信息交通系统信息政策、机构、财政、环境信息问题的识别和定义讨论和形成政策实施评价与反馈决策步骤规划步骤问题诊断和数据处理分析与评价编制计划和预算监测4.2交通规划类别及其关系4交通规划概论交通规划交通设施建设规划交通管理规划道路交通规划区域交通规划城市交通规划国家交通规划交通规划轨道交通规划航空交通规划水运交通规划管道运输规划长期规划：20～50年中期规划：5～20年中长期规划短期规划:3~5年综合交通规划4.3交通规划的总体设计4.3.1需要考虑的外部因素 城市总体规划：城市功能定位，发展目标，政策环境，社会经济发展，投资规模其它制约因素：能源、地理条件等。（调研）城市规划与城市交通规划的关系4.3.2城市道路交通规划的主要内容规划过程的设计现状道路交通的调研与分析城市交通需求发展预测城市道路交通网络方案设计城市道路网方案评价城市道路网方案调整与优化城市道路网规划方案实施计划4.3.3城市道路网规划总体流程4交通规划概论流程图4交通规划概论制定目标推荐方案确定方案综合评价制定方案发展预测调研分析完善方案实施方案优化道路网和公交线网方案交通网络规划方案综合评价交通结构交通枢纽场站对外交通路网自行车交通交通发展战略公交交通治理人口预测就业预测社会经济预测土地利用预测道路车辆客运货运交通发展预测政策城市现状交通现状环境交通规划发展目标具体要求4.3.4 交通规划综合评价1）评价原则科学性原则可比性原则综合性原则可行性原则。规划的必要性，方法的科学性，结论的正确性，依据的可靠性，实施的可行性，交通需求分担的合理性。2）经济效益评价成本分析：直接费用：初期建设费用，交通设施和服务的运营与维修费用；间接费用：政府机构管理费用，环境污染和拥挤加剧等的社会成本，交通事故的经济损失，能源消耗和交通工具折旧等。效益：直接效益：出行时间的节省，运输成本的降低，交通事故的减少等；间接效益：改善大气质量、减少噪声污染，改善投资环境，提高生活质量等。4交通规划概论5交通需求分析 5.1 概述：分析：给定环境下，预测什么类型人员、多少人数、为什么目的而使用给定的交通设施。5.1.1交通需求的派生性： 出行效益：是否出行，出行代价5.1.2个人出行属性： ①出行目的②出行日期 ③出行地点④出行目的地 ⑤出行方式（公交车、自行车、出租 车…） ⑥出行路线⑦出行频率交通服务于社会经济活动,明确社会经济活动5.1.3 分析目的:不是个人，而是群体行为，所以需要“集聚”。 空间集聚：分子区，以子区为单位，形成相应数据。 时间集聚：时段、小时、周工作日社会经济集聚：将人群分成为具有“同质”的一类。 家庭收入水平，家庭人口数，交通工具拥有状况….5.1.4分析方法（工具）(1)简化法(2)个人选择模型(3)城市交通模型系统（UTMS）(4)专家系统5交通需求分析5.2 简化需求估计技术粗略、总体总量、宏观5.2.1趋势分析（时间序列分析）5.2.2弹性需求模型

1)前提：需求函数中关键性变量是什么(如票价)？这些变量对需求的影响是正还是负？这些变量的变化对需求的灵敏度？2)定义：需求弹性定义

x—变量x0

—系统变量当前值

D—需求D0—当前需求值代表了当系统条件变化时对需求灵敏度的度量。3)需求反弹性：当D为x的线性函数时，变化的百分比(5.1)(5.2)(5.3)5交通需求分析否则:若 >1则D称为对x是弹性的。若 =1则D称为对x是单位弹性的。若 <1则D称为对x是非弹性的。4)示例：e0=[(950-1000)/(30-25)].[25/1000] =-0.25 e1=[(1000-950)/(25-30)].[30/950] =-0.3155)计算方法：a.半经验法b.回归法c.典型需求模型法6)用途：短期预测，简化分析系统变化，[数据有限（缺乏）]

票价X0X1X22530351000950900D0D1D2需求（乘客数）0125交通需求分析5.3 城市交通模型系统（UTMS）5.3.1概述美国1975年，天津1985年（天津大课题）1993年 四阶段法。方式和分布可相互交换5.3.1.1分区：集聚单元的划分。（地域、空间集聚）[zone]分子区有一些原则，考虑的因素：地理条件（如河道两边、铁道两边…）集聚程度（范围大小）面向规则子区的特征（工业区、居民区、文化区）道路网（已有或未来）的布局数据采集方面计算难易…活动系统预测出行生成出行分布方式划分出行分配一定出行方式的线路交通流交通系统网络及性能特征5交通需求分析5.3.1.2OD调查

Origin—Destination调查内容：家庭特点（住址、人口数、月支出、收入、交通工具 情况）

个人特点（年龄、职业、工作地点、规模、设施、驾 照……）

出行特点（O，D，上车下车地点，D点设施，出发时 间，到达时间，出行目的,交通方式，换乘，旅行时 间，合乘车，停车情况……）补充调查：流动人口部分，旅馆登记、铁路、空港、旅客数据， 边界点交通统计量数据，货运汽车调查……

工作量很大的麻烦事（每五年一次），作为依据，要求高质量的可信数据。5交通需求分析OD矩阵

OD i j k L … O共计 I tii tij tik til ti J tjj tjk tjl tj K tkk tkl tk L tll tl D共计 ti tj tk tl ...5.3.1.3出行生成（tripproduction）—与人、车相联系的概念。以车和各个人为基础求出行总数.出行发生（tripgeneration）与地区（子区）有关的概念。 以子区为单位，求出行总出行吸引（tripattraction) 数和到达总数.出行生成模型 5交通需求分析5.3.2出行生成模型5.3.2.1回归模型

例：T=a+bVT—每户每日个人出行数

Tw=cP+dU-eYV—每户车辆数

A=f+gXTw—每一子区劳动出行发生量a,b,c,d,e,f,g系数 P—子区人口

U—子区居民区个数

Y—子区内汽车数

X—子区内就业总数

A—子区高峰小时劳动出行吸引量5.3.2.2交错分类模型 把家庭按照社会经济特征（自备汽车、收入、人口等）组合，产生相对均匀的分组，然后计算每组的平均出行产生率，最后再计算出总的吸引发生量。5交通需求分析5.3.3出行分布（tripdistribution）：求未来（规划年）的OD

现在OD 未来OD 增长率法 未来的交通发生与吸引 将来OD重力模型法 熵极大模型法5.3.3.1增长率法

a)均衡增长率法： 增长率F,X—

将来的总出行数Xi

—i区将来发生量XijT—

现在的总出行数Ti

—i区现在发生量,Tij认为F为常数，所有子区都相同(？),则：

F=X/T,Xij=tijF

b)平均增长率法：

Fi=Xi/Ti

发生量增长率（各子区不要求一致）

Gj=Yj/Uj

吸引量增长率5交通需求分析5交通需求分析 Uj—j区现在的吸引量

Yj—j区将来的吸引量

认为: F=(Fi+Fj)/2第一近似值

X’ij=tij(Fi+Gj)/2 ——交通发生量

——给定的未来交通吸引量

F’i=xi/x’IG’j=Yj/Y’j第二近似值

X’ij=x’ij(F’i+G’j)/2反复计算直至Fi,Gj等于1。5交通需求分析c)弗雷特法：考虑O、D之间的连结程度 增长率结合强度

—i区发生量增长

所有区j对i区的平均吸引力的倒 数吸引力增长率结合强度

j区吸引量增长Lj (所有区i对j区的发生量的倒数)进一步假定：x’ij（i,j之间交通量）是i区发生量增长率与j区吸引量增长的平均值。Li(3.4)5交通需求分析也要反复计算Fi,Gj直至等于1。优点：①简明，不考虑区间“费用”。 ②适于预测每时每日的交通量。缺点：①必须有现在O、D。 ②规划区有大变化时不能用。③交通量太小时误差大。 ④仅以增长率描述变化。(5.5)5交通需求分析5.3.3.2重力模型法a)原重力模型K, —常数，通常取: ==0.5，1 xi—i区未来发生量yj—j区未来吸引量b)修正后的重力模型（乌尔希斯模型）fij—“阻力系数”，与“出行费用”cij有关。几种形式： 或者用cij的图解值。(5.6)(5.7)5交通需求分析C)评述：优点： a.考虑了土地利用对交通吸引发生的影响；

b.灵敏地反映了“出行费用”；

c.结构简单易懂；

d.没有完整的O、D表也可用。缺点： a.缺乏理论基础，简单的类比物理现象；

b.把距离或费用处理成常数，子区范围越大越不准；

c.距离越近，交通量越大，距离为0，交通量无限大， 与事实不符；

d.费用函数不易求得。5交通需求分析5.3.3.3 熵最大法：概率模型发生区:k个，吸引区:r个。

1 2 . . r 共计

1 X11 X12 . . X1r U1 2 X21 X22 X2r U2 . . K Xk1 Xk2 xkr Uk

共计 V1 V2 Vr T

设：ui=Ui/T--相对发生率 ,vj=Vj/T--相对吸引率求出Pij就可以计算出Xij: Xij=TuiPij, DO1区总发生量1区总吸引量总交通量(5.8)(5.9)5交通需求分析满足（B）的的组合有无数个，应选择发生概率最大的那一组。某个O、D矩阵发生的概率：（每个元素同时发生）

qij某辆车从ij的先验概率。若承认重力模型（与i,j发生量成正比，与所需行驶距离（费用）成反比），有以下计算的模型： 常数，tij

是ij所 需时间.或(5.10)(5.12)(5.11)5交通需求分析进一步推导，利用近似公式：lgx!=xlgx-x考虑到(5.8)

式，已知先验概率qij

求使(5.10)

式P为最大(lgP最大)可得到等价的使R为最大。 entropy熵（平均信息量）

(5.13) lgtij的期望或 (5.14)按式（5.13）或（5.14）求maxRPijxij对先验概率qij不同的假设构造不同的模型，有不同的熵最大模型。(5.8)5交通需求分析5.3.4 出行方式划分（选择交通方式，Modalsplit）5.3.4.1概述通常划分

出行目的旅途时间交通费用换乘次数等车时间终点到达安全性舒适性

出行特征家庭特征：家庭开支、交通工具拥有情况、人口数、住房形式地区特征：居民密度、交通利用因素、市中心区、停车状况（费用、容量）时间特征：上下班高峰、出行集中时段、（体育场、影院、节假日……）

可自由选择者只能选公交者无法用公交者人的特征：职业、性别、年龄、收入、交通弱者影响因素私人交通公交公交电汽车地铁出租车自行车汽车步行5交通需求分析是最难处理的一部分，模型精度很低，只能粗略地处理。5.3.4.2出行端方式划分模型假设：公交乘客数是出行者社会经济变量的函数，所有乘客看成除了乘公交车外，别无选择。这在公交服务水平低的地方有一定的代表性，比较符合实际。做出给定子区的曲线.若调查结果20℅家庭0辆车，

50℅家庭1辆车，

30℅家庭2辆车，则直接可估计出该子区乘公交车的百分率的估计值。优点：可用于出行分布之前，可直接用交通生成的有关数据；简便，需要数据较少。 缺点：太粗，误差大。0辆车1辆车2辆车人口密度（每平方千米的人数）2040608020406080出行乘公交车的百分比5交通需求分析5.3.4.3出行交替模型：比上述模型考虑细。社会经济特性（收入、交通工具拥有）服务特性（出行时间、费用）通过调查做出各种分类特征对乘坐公交车的比例的曲线。5.3.4.4非集聚的个体选择模型：考虑出行者出行效用最大化。（在后面专门讲，因属于非集聚类）5.3.5 交通分配（trafficassignment）5.3.5.1概述：研究最多最深入的一部分。原因，应用数学，数学理论。分类：

数十种方法交通分配问题的实质：①动态②非线性③时变④不确定性的影响⑤信息不完全关键：如何把问题弄明确，“有的放矢“地解决问题，弄清一些根本性的问题。原理分均衡非均衡问题分确定性随机5交通需求分析5.3.5.2wordrop均衡原理

1952年总结提出

第一原理(用户最有原理):

在所有实际使用的路径上,行驶时间相等并小于任何未使用路线上的行驶时间,即出行者可以自由运用交通网络时,出行者作的决策总是使自己花费最少,这时交通网络将形成一种用户最优的交通流格局(trafficpattern),即行成一种“均衡”格局,许多人认为:适用于城市交通分配问题.

第二原理（系统最优原理）：

整个道路网络上车辆平均行驶时间最少，形成系统最优的交通流格局，有人认为适用于研究交通控制策略，研究制强制性交通流网（如军需供应交通网）.讨论：wordrop原理的合理性、科学性?适用范围(条件)是什么?5.3.5.3非均衡分配方法(早期)a)“全有或全无”(allornothing)法费用最小的路径承担了全部交通量,非最省路径一点也不承担交通量。分配结果，最短路径分配到的交通量会大于实际的负荷（小城市交通不拥挤尚可用）.5交通需求分析b）转移曲线法 出行者是否使用一条新的交通线路（交通方式、工具设施）是以“有”和“无”这种新线路两种情况下的时间（费用）比或差为依据.对“有”和“无”二种情况分别用“allornothing”分配，根据出行时间比（差）值求出现有道路网络转移到具有新线路的百分率，有各式各样的转移曲线，如：可用于估计新线路吸引的交通量.c)时间比例分配法类似于并联电路分流原理,关键确定路径分配率(也有多种方法).

把Xij分配到m条路经上,其中第k条路径分配到 :dt--转移百分比--走新线路节省的距离--走新线路节省的时间xkij(5.15)5交通需求分析分配效率取费用Ekij

是行驶时间Tkij,舒适性Kkij,通行费用Fkij等的函数.某路径上某观测点交通量ql1mkijkij-(A)连续方程式=å=XX(C)分配率(D)附值方程(5.16)(5.17)(5.18)(5.19)5交通需求分析行驶时间函数

Ll--区间距离,l是i,j之间组成第k条路径的所有路段。联立求解A,B,C,D,求出xijk,ql, ,Ekij.d)最大熵法:

认为各路径交通分配量分配比率是相互独立的随机事件的出现概率 设起终点间隔路径交通量分配比为P1,P2,…Pr,行驶时间分别为T1,T2,…Tr,构造熵:(见下页）

λ—拉格朗日乘子,--平均行驶时间(5.20)5交通需求分析求解出P1,P2,…Pre）其它方法：马尔科夫链法：把交叉口车流当作吸收马尔科夫链，从转移矩阵求解路口交通流。(5.21)(5.22)(5.23)5交通需求分析4)均衡分配法:依据Wardrop原理.a)联立方程模型:严格按均衡原理求解,费用看成是确定性的.

符号:Xa

弧a上的流量.A弧集(路径集)N节点集WOD对集有向图G(N,A)di:OD对i出行需求量;N(i):OD对i的替代出行路径集合. Yij:OD对i的替代出行路径j上的流量.弧流与路径流平衡条件:

当OD对I的替代出行路径j包含弧段a时 否则可行条件：非负条件需求平衡(5.24)(5.26)(5.25)5交通需求分析按第一原理用户最优原则,分配结果形成用户最优局面,这时任何用户对其出行路径的改变,都不能使路径出行费用更小(如果其他用户不改变出行路径).这时分配结果叫均衡流.在均衡流下yij>0,等价地有：存在使下式成立：OD对i的替代出行路径j的出行费用弧段a上费用函数联立求解（5.24）~（5.30）(5.27)(5.28)(5.29)(5.30)5交通需求分析b)Beckmann模型 上面联立方程组成式(5.24)~(5.30),正好是一个以可行条件（5.25）（5.26）为约束条件的凸规划模型，kuhn-tucker条件是此规划模型最优解的充分必要条件.

与上面联立方程组唯一不同处在于（5.31）中路径费用的描述。对此有许多算法：凸单纯形法，均衡算子法，Frank-Wolfe法。。。S.t.(5.32)(5.31)(5.33)(5.34)5交通需求分析c)变分不等式模型

1978年Asmusth指出式(5.24)~(5.30)本身是非线性互补模型,可改写:以路径流y为变量,利用路径流(弧段流)平衡条件把路径费用写成路径流的函数,以弧段流为变量的变分不等式模型:

,均衡条件可行条件(5.35)(5.36)(5.37)(5.38)(5.39)5交通需求分析 均衡流,由可行条件(13)(14)围成的可行域.求解算法:Dafermas(1980)投影法

Nguyen&Dupuis(1984)割平面法

Lawphongpanich&Hearn(1984)简明分解法

Pang&Yu(1984)线性化简明分解法d)讨论:均衡解未必符合实际分配结果费用不应假定为确定一致(对不同出行者而言)

i)人的偏好因人而异ii)费用是综合性指标(行驶时间.安全.可靠.舒适）iii)信息掌握不同iv)实用费用函数不可能全面反映所有因素5交通需求分析

第一类宽松均衡条件:或者，第二类宽松均衡条件:

相应地有第一类:

第二类:或(3.41),(3.42),(3.46);(3.41),(3.42),(3.47)近似均衡模型.需构造,,(5.44)(5.45)(5.47)(5.46)5交通需求分析可取:f(.)是非负函数.可以证明下列形式可行近似均衡模型是联立求解（5.41）（5.42）（5.46）或（5.41）（5.42）（5.47）或（5.41）（5.42）（5.51）非线性方程组。(5.48)(5.49)(5.51)(5.50)5交通需求分析f)随机均衡模型:出行费用是随机的.tij(OD对i的出行替代路径j的费用)是随机变量。相应地随机向量：前提：已知以弧段流为分布参数的费用分布族记:pij(x)—均衡时,随机事件“在第i个OD对所有替代出行路径中,第j条出行路径费用最小”的概率.依据Borel大数定律,当di很大时,可以认为第j条路经上的出行频率即是pij(x)T={,表示集合X种元素的个数的联合分布即是费用分布.(5.52)5交通需求分析依弧段流与路径流的关系有:注意到弧段流的变量数比路径流的变量数少很多,可使模型简化.弧段流随机均衡模型：

关键问题：p(x)的具体算法—从费用分布来求.

路径流随机均衡模型(5.53)(5.54)(5.55)5交通需求分析

假设:费用分布服从正态分布,费用分布族是{N(u(x),R(x))∣xΩ},Ω—参数空间,

求出行概率问题在数学上是:U=[U1,U2,…Un],n≧2

式中I(·)表示以为标准正态分布函数

f(·)表示以为标准正态概率密度X为均衡流g)需(可)研究问题·模型原理·分配理论·新的数学工具不动点理论·模型形式·模型算法·算法收敛性·数学证明·解存在唯一性·交通分配系统的稳定性分析·交通分配系统的渐近分析,过渡过程分析,……经过一些变换，考虑到正态分布的表达式，可以给出数学上证明了的下列求Pk

的表达式(5.56)5交通需求分析5.3.4个体选择模型5.3.4.1个体选择模型(非集聚模型)概述1)基本想法:交通需求是研究区域内部全部个人出行者决策的总和(集聚),从研究个人出行者决策过程来建立模型,作为基础,然后在集聚成相应的需求数据.定量选择模型的出发点—效用最优化,从若干个出行比较方案中选取”效用”最大的.效用假定由两部分组成,一部分是系统的可观测到的效用,另一部分是出行者个人感受的偏好的效用。2)原理:个人t对方案i的随机效用系统性的(可观察到的)效用随机部分效用其中一般认为是比较方案的属性和个人t的属性的特征函数不可测VitXi(5.57)5交通需求分析5.3.4.2MNL模型(themultinorninalLogitmodel)1)假定:ε(i=1,2,…,m,t=1,…k)相互独立,服从同一方差的Gumbel分布(为分析方便而假定)一组比较方案,个人从中选择方案i概率记为要计算必须已知或假定的概率分布.不同的假定构成了不同的模型.b—参数向量(列向量)Ct(5.58)(5.59)(5.60)(5.61)5交通需求分析Gumbel分布的累积分布函数是用MNL计算2)用法:假定分析某工作人员上班,可选择三种方案:个人汽车，公交车，自行车。此例来自美国资料,有特殊性.—分别是三种方式的出行时间(分钟)T汽,T公,T自C汽,C公,C自—三种方式的出行费用(元)(5.62)(5.63)5交通需求分析假定此人出行面临的将是:汽车—5分钟,公交—15分钟,自行车—20分钟

(费用)0.6元0.5元0元可计算出对此人的效用值:V汽

=0.47,V公

=-1.525,V自

=-2.5代入(37)式

3)效用函数的确定:对个人分成相对均匀”同质”的组,对每组分别求测效用函数加入社会经济特性推导出一般效用函数.例如:T汽外汽车外所需时间AF家庭拥有汽车水平IF家庭收入T公外公交车外所需时间5交通需求分析4)集聚:交通规划关心的是群体行为和数据.如何集聚:自然集聚:对每个子区计算出”平均”概率.—误差大,尽可能不用.自然集聚分类:先分类(公交、自备汽车)然后求平均概率.抽样统计:最好.5.3.4.3MNP模型(TheMultinominalProbitModel)假定:服从正态分布,相互独立.服从m维联合正态分布且均值为0.协方差矩阵Cov取决于变量X(方案)假设条件较符合实际,通用性优于MNL,计算联合正态分布复杂,参数估计也复杂.(5.64)(5.65)5交通需求分析(e)GEV模型(generalizedvaluedmodel)

假定皆服从Gumbel分布,但不要求相互独立,此时累计联合分布函数为:当取 时Dogit模型G(.)是满足某种条件的非负的齐次函数.Gi(.)是G(.)对应于i选择的函数.(5.66)(5.67)(5.68)(5.69)5交通需求分析

美国推崇个人选择模型,特别是在交通方式选择上应用.此外在其它规划上也有应用.如:居住地点的选择,汽车拥有量选择,零售地点选择,非劳动出行选择等.5.3.5逆法求OD5.3.1原理:记:(i,j)─路段起(i)终(j)(r,s)─OD对起点(r)终(s)点

M─交通网络段集，个数为m,N─OD对起点终点集nxn个理论上V(i,j)─路段(i,j)上的交通量,T(r,s)─OD对(r,s)的出行量

V(i,j)=f[T(r,s)]?1假定V-T间存在线性关系

V(i,j)= OD