考慮出行分布耦合及出行時間可靠性的路網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、交通系統(tǒng)一直承受著城市快速發(fā)展的巨大壓力。隨著居民收入水平的提高，出行者趨向于選擇對于自身而言，出行效率高，出行過程簡便，舒適的交通方式。雖然因為現(xiàn)今信息技術(shù)的發(fā)展，可以緩解一部分交通需求的壓力，但因為城市結(jié)構(gòu)還在發(fā)展構(gòu)架中，所以交通需求仍會在很長一段時間內(nèi)不斷增長。城市交通資源緊張、擁堵嚴(yán)重、居民出行不便等使得城市交通系統(tǒng)運營情況變化頻繁，波動很大。城市路網(wǎng)作為城市交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)，承載著出行者和出行工具的移動。出行時間可靠性作為城市道

2、路網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)屬性之一，反映了出行者對于路網(wǎng)的服務(wù)要求。合理的路網(wǎng)設(shè)計可以提供多種出行方式并存的運輸服務(wù)，并且可以應(yīng)付日常的出行需求波動，甚至可以引導(dǎo)出行需求的波動減小。居民不僅可以由設(shè)計合理的道路網(wǎng)獲取滿足自身出行需求的服務(wù)，更在無形中進(jìn)行了有助于交通系統(tǒng)運營狀況改善的出行選擇。所以能夠保障出行時間可靠性，并且使得城市交通系統(tǒng)良性發(fā)展的城市路網(wǎng)是城市交通系統(tǒng)良好運營的基礎(chǔ)。
　　 本文依托國家自然科學(xué)基金重點項目“基于系統(tǒng)耦合的

3、城市道路交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃理論研究”(NO.50738001)開展“考慮出行分布耦合及出行時間可靠性的路網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計”研究。本文在居民出行分布合理、城市路網(wǎng)供給有效的耦合交通系統(tǒng)基礎(chǔ)上，給出與居民出行分布相耦合的路網(wǎng)宏觀結(jié)構(gòu)，然后研究考慮出行時間可靠性的居民出行選擇行為，建立城市道路網(wǎng)絡(luò)路段車道數(shù)的優(yōu)化設(shè)計微觀模型，由此提出保障網(wǎng)絡(luò)出行時間可靠性的道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法。
　　 論文首先研究出行者風(fēng)險環(huán)境下，考慮出行時間可靠性的出行選擇行

4、為。確定模型的風(fēng)險選擇環(huán)境后，選擇出行時間可靠性作為出行選擇行為的主要影響因素，分析出行選擇項的先后選擇順序，提出路徑選擇是基于出發(fā)時間和出行方式的有條件選擇。利用條件期望和條件方差的概念，描述出行時間波動對路徑選擇的影響。在現(xiàn)有的出行選擇行為模型基礎(chǔ)上，通過理論分析，證明時刻表模型和均值-方差模型的可改進(jìn)性，從而建立能夠反映出行方式、出發(fā)時間和路徑選擇的新模型，是下文優(yōu)化城市路網(wǎng)研究的基礎(chǔ)。
　　 同時，研究耦合交通系統(tǒng)中的城

5、市道路資源配置，包括城市道路網(wǎng)絡(luò)的布局規(guī)劃和等級配置，建立宏觀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)。首先明確耦合的定義，然后通過協(xié)同學(xué)理論建立城市交通需求與供給的總量耦合模型。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用矩陣相似論及特征值分析理論和方法，建立交通需求與供給的結(jié)構(gòu)耦合模型。以交通小區(qū)為節(jié)點建立出行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)矩陣，作為結(jié)構(gòu)耦合模型的出行分布矩陣。給出城市交通道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的基本原則，規(guī)劃流程以及優(yōu)化方法。將城市道路劃分為主干路、次干路和支路三個層次，并對各等級線路服務(wù)屬性進(jìn)行詳細(xì)介紹

6、，最后給出基于結(jié)構(gòu)耦合模型的交通網(wǎng)絡(luò)等級配置。耦合出行分布的路網(wǎng)布局是路網(wǎng)設(shè)計的宏觀層面。所得的路網(wǎng)不僅能夠滿足居民出行的需要，還能順應(yīng)交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為了在耦合過程中提高路網(wǎng)服務(wù)水平，減小路網(wǎng)在交通系統(tǒng)發(fā)展過程中服務(wù)水平的波動，在已經(jīng)確立的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)行考慮出行時間可靠性的車道優(yōu)化設(shè)計。
　　 通過研究更接近于實際情況的隨機路網(wǎng)，求出路網(wǎng)考慮出行時間可靠性的長期平衡。對比確定路網(wǎng)和隨機路網(wǎng)的長期平衡出發(fā)形式和出行費用

7、，顯示通行能力對于出發(fā)形式選擇的影響。定義出行者長時間適應(yīng)交通系統(tǒng)以后達(dá)到不能憑借自身改變而減小出行費用的狀態(tài)為長期平衡。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，考慮隨機通行能力、隨機出行需求和出行時間可靠性的出行時間選擇與確定情況的出行時間選擇相比有顯著的不同，主要是隨機網(wǎng)絡(luò)的出發(fā)時間提前和早出發(fā)量變大。針對不同網(wǎng)絡(luò)條件，建立四種典型的用戶平衡模型。其中，重點分析了隨機網(wǎng)絡(luò)離散時間的長期動態(tài)用戶平衡。給出模擬求解關(guān)于出發(fā)時間和路徑的平衡問題的基本方法，包括

8、具體的模擬過程中需要的模型:出發(fā)時間/路徑選擇模型、動態(tài)加載模型（包括縱向排隊和橫向排隊）、路段通行能力之間相互影響的隨機數(shù)組表達(dá)和收斂準(zhǔn)則。比較模擬方法求得的單瓶頸網(wǎng)絡(luò)縱向排隊平衡結(jié)果與解析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬方法可以得出長期出行平衡的準(zhǔn)確結(jié)果。針對橫向排隊的模擬方法，可用于下文評價考慮出行時間可靠性的網(wǎng)絡(luò)關(guān)于出發(fā)時間/路徑的運營情況，反映道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。
　　 最后提出并建立了考慮出行時間可靠性的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法。對前

9、文建立的宏觀路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行具體到路段車道數(shù)的微觀設(shè)計。建立雙層規(guī)劃模型，優(yōu)化目標(biāo)是最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運營效率和可靠性，或最小化網(wǎng)絡(luò)出行總費用。設(shè)計變量采用離散變量，即設(shè)計網(wǎng)絡(luò)的車道數(shù)。約束條件是交通系統(tǒng)需要達(dá)到考慮出行時間可靠性的關(guān)于出發(fā)時間和路徑選擇的隨機網(wǎng)絡(luò)長期動態(tài)用戶平衡。出行可靠性包含在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計層面和個體出行選擇層面。同時對應(yīng)建立網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)設(shè)計模型。該模型與動態(tài)設(shè)計模型的差異在于雖然網(wǎng)絡(luò)層面和個體層面都考慮了可靠性，但是不考慮動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的

10、流量相互影響和出發(fā)時間選擇。然后給出求解網(wǎng)絡(luò)動態(tài)設(shè)計問題的方法和算法。
　　 在求解過程中，為了簡化計算過程，給出網(wǎng)絡(luò)動態(tài)設(shè)計問題的遺傳算法和集合選擇法的組合算法，并且定義路網(wǎng)設(shè)計的總集和主集。建立主集可以通過去除不可實行、不連通和不符合邏輯的設(shè)計來減小解的搜索空間并節(jié)約計算時間。組合算法首先計算主集中所有設(shè)計方案關(guān)于隨機通行能力網(wǎng)絡(luò)考慮可靠性的靜態(tài)分配結(jié)果。選擇靜態(tài)較優(yōu)解，然后使用遺傳算法進(jìn)行考慮可靠性的動態(tài)分配計算，得到集合

11、中的最優(yōu)解。如果遺傳算法求得的解能在網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)分配得到的次優(yōu)解集中找到，則認(rèn)為集合選擇法足以提供產(chǎn)生最優(yōu)解的集合大小，組合算法求得的解比只使用遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)動態(tài)設(shè)計解更好。遺傳算法和集合選擇法的組合算法從計算時間和解的質(zhì)量方面來說，都很有效。算例分析中，使用遺傳算法和集合選擇法的組合算法進(jìn)行計算。
　　 在不同通行能力波動水平和不同目標(biāo)函數(shù)條件下，比較靜態(tài)和網(wǎng)絡(luò)動態(tài)設(shè)計方法所得結(jié)果。通過比較，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)分配低估了網(wǎng)絡(luò)總出行時間和網(wǎng)絡(luò)

12、總出行時間的波動，也低估了投資的效益。并且通行能力波動對于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的影響很大。動態(tài)設(shè)計方法對于網(wǎng)絡(luò)流量的時空分布也有很大的影響力。說明需要考慮出行時間可靠性采用動態(tài)設(shè)計方法得到更符合實際情況的車道設(shè)計方案。最后進(jìn)行實例分析，說明考慮出行分布耦合及出行時間可靠性的路網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的過程，并證明此方法的實用性和可操作性。
　　 綜上，城市道路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需要在與居民出行分布耦合的路網(wǎng)上，考慮出行時間的可靠性，特別是需要考慮出發(fā)時間選擇行