考慮出行分布耦合及出行時(shí)間可靠性的路網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì).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?yàn)楝F(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?yàn)槌鞘薪Y(jié)構(gòu)還在發(fā)展構(gòu)架中，所以交通需求仍會(huì)在很長一段時(shí)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(yùn)營情況變化頻繁，波動(dòng)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(dòng)。出行時(shí)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(jì)可以提供多種出行方式并存的運(yùn)輸服務(wù)，并且可以應(yīng)付日常的出行需求波動(dòng)，甚至可以引導(dǎo)出行需求的波動(dòng)減小。居民不僅可以由設(shè)計(jì)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(yùn)營狀況改善的出行選擇。所以能夠保障出行時(shí)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(yùn)營的基礎(chǔ)。
　　 本文依托國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)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(shí)間可靠性的路網(wǎng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)”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(shí)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(jì)微觀模型，由此提出保障網(wǎng)絡(luò)出行時(shí)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(xiǎn)環(huán)境下，考慮出行時(shí)間可靠性的出行選擇行

4、為。確定模型的風(fēng)險(xiǎn)選擇環(huán)境后，選擇出行時(shí)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(xiàng)的先后選擇順序，提出路徑選擇是基于出發(fā)時(shí)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(shí)間波動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)，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(diǎn)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(gè)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(jì)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(dòng)，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(shí)間可靠性的車道優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 通過研究更接近于實(shí)際情況的隨機(jī)路網(wǎng)，求出路網(wǎng)考慮出行時(shí)間可靠性的長期平衡。對比確定路網(wǎng)和隨機(jī)路網(wǎng)的長期平衡出發(fā)形式和出行費(fèi)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(shí)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(fèi)用的狀態(tài)為長期平衡。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，考慮隨機(jī)通行能力、隨機(jī)出行需求和出行時(shí)間可靠性的出行時(shí)間選擇與確定情況的出行時(shí)間選擇相比有顯著的不同，主要是隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的出發(fā)時(shí)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(diǎn)分析了隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)離散時(shí)間的長期動(dòng)態(tài)用戶平衡。給出模擬求解關(guān)于出發(fā)時(shí)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(shí)間/路徑選擇模型、動(dòng)態(tài)加載模型（包括縱向排隊(duì)和橫向排隊(duì)）、路段通行能力之間相互影響的隨機(jī)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(duì)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(duì)的模擬方法，可用于下文評價(jià)考慮出行時(shí)間可靠性的網(wǎng)絡(luò)關(guān)于出發(fā)時(shí)間/路徑的運(yùn)營情況，反映道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果。
　　 最后提出并建立了考慮出行時(shí)間可靠性的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)。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(yùn)營效率和可靠性，或最小化網(wǎng)絡(luò)出行總費(fèi)用。設(shè)計(jì)變量采用離散變量，即設(shè)計(jì)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(shí)間可靠性的關(guān)于出發(fā)時(shí)間和路徑選擇的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)長期動(dòng)態(tài)用戶平衡。出行可靠性包含在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)層面和個(gè)體出行選擇層面。同時(shí)對應(yīng)建立網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)設(shè)計(jì)模型。該模型與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)模型的差異在于雖然網(wǎng)絡(luò)層面和個(gè)體層面都考慮了可靠性，但是不考慮動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的

10、流量相互影響和出發(fā)時(shí)間選擇。然后給出求解網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)問題的方法和算法。
　　 在求解過程中，為了簡化計(jì)算過程，給出網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(jì)的總集和主集。建立主集可以通過去除不可實(shí)行、不連通和不符合邏輯的設(shè)計(jì)來減小解的搜索空間并節(jié)約計(jì)算時(shí)間。組合算法首先計(jì)算主集中所有設(shè)計(jì)方案關(guān)于隨機(jī)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(dòng)態(tài)分配計(jì)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)解更好。遺傳算法和集合選擇法的組合算法從計(jì)算時(shí)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(jì)算。
　　 在不同通行能力波動(dòng)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(shí)間和網(wǎng)絡(luò)

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