城市路網(wǎng)動(dòng)態(tài)OD矩陣估計(jì)仿真方法研究.pdf

1、先進(jìn)的動(dòng)態(tài)交通管理系統(tǒng)(ATMS)是智能運(yùn)輸系統(tǒng)(ITS)的重要研究?jī)?nèi)容,其核心是根據(jù)動(dòng)態(tài)交通分配系統(tǒng)(DTAS)所預(yù)測(cè)的路網(wǎng)交通流狀態(tài),由交通管理中心(TMC)發(fā)布出行前的路網(wǎng)交通狀態(tài)信息和在出行途中發(fā)布車輛路徑誘導(dǎo)信息,并產(chǎn)生時(shí)變的交通優(yōu)化控制方案,以達(dá)到誘導(dǎo)出行,改善交通流的空間布局,緩解交通擁擠的目的。而動(dòng)態(tài)交通分配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)則需要以時(shí)變的OD矩陣作為基礎(chǔ)性輸入。因此對(duì)時(shí)變OD矩陣的估計(jì)和預(yù)測(cè)問(wèn)題成為首先需要完成的基礎(chǔ)性工作。動(dòng)

2、態(tài)OD矩陣通常被描述為連續(xù)較短時(shí)間間隔內(nèi)(通常為15-20分鐘)所研究路網(wǎng)的分布交通量。直接通過(guò)交通調(diào)查獲得這些輸入數(shù)據(jù)極為困難且代價(jià)昂貴,通常根據(jù)路網(wǎng)中部分路段的觀測(cè)交通量來(lái)進(jìn)行間接估計(jì)。路段檢測(cè)流量數(shù)據(jù)可以通過(guò)車輛檢測(cè)器方便的獲取,且具有實(shí)時(shí)性,這為估計(jì)和預(yù)測(cè)提供了可能。
　　 時(shí)變OD矩陣估計(jì)問(wèn)題總體上分為離線估計(jì)(Off-line)和實(shí)時(shí)估計(jì)(Real-time)兩種,前者在已知各時(shí)段路段檢測(cè)流量的情況下,估計(jì)出相應(yīng)于各

3、時(shí)段的OD分布交通量,主要用于分析交通分布情況。后者指對(duì)當(dāng)前時(shí)段的OD進(jìn)行估計(jì)并預(yù)測(cè)下一時(shí)段的分布交通量,并迭代循環(huán),旨在為交通管理和控制系統(tǒng)服務(wù)。近幾十年來(lái),各國(guó)研究者們從各自的角度對(duì)動(dòng)態(tài)OD矩陣的估計(jì)和預(yù)測(cè)方法做出了較為深入的分析,建立了很多基于不同理論體系的估計(jì)框架和數(shù)學(xué)模型,從而形成了一定的研究層次。論文首先回顧了動(dòng)態(tài)OD矩陣估計(jì)的發(fā)展歷程,研究了各類模型的特點(diǎn)及不足,明確了該領(lǐng)域研究中的關(guān)鍵問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上研究了動(dòng)態(tài)交通分配矩

4、陣的有效估計(jì)問(wèn)題、多路徑出行選擇模型問(wèn)題、分配矩陣的估計(jì)誤差對(duì)動(dòng)態(tài)OD矩陣估計(jì)影響的問(wèn)題以及卡爾曼濾波預(yù)測(cè)模型等,為動(dòng)態(tài)OD推算理論的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ),全文的主要工作如下:
　　 1.對(duì)OD矩陣估計(jì)和預(yù)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了綜述研究。按照從靜態(tài)估計(jì)到動(dòng)態(tài)估計(jì)預(yù)測(cè)的研究歷程,分類描述了各種方法的建模思路和模型的優(yōu)缺點(diǎn)。并就動(dòng)態(tài)估計(jì)和靜態(tài)估計(jì)方法的差異性進(jìn)行了比較。
　　 2.針對(duì)動(dòng)態(tài)OD矩陣估計(jì)問(wèn)題中缺少對(duì)分配矩陣的有效估計(jì)方法,

5、提出了一種基于計(jì)算機(jī)仿真的動(dòng)態(tài)分配矩陣估計(jì)方法,并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的表處理程序進(jìn)行計(jì)算。動(dòng)態(tài)分配矩陣刻畫了當(dāng)前時(shí)段路段檢測(cè)流量與以前時(shí)段OD量之間的分配比例,是離線估計(jì)和實(shí)時(shí)估計(jì)模型的關(guān)鍵參數(shù)之一。仿真方法能夠更細(xì)致的模擬交通需求與交通供給之間的動(dòng)態(tài)交互關(guān)系,且對(duì)于分配矩陣的計(jì)算不需要滿足嚴(yán)格的FIFO(First-in-first-out)條件。方法在有效路徑的確定過(guò)程中采用了“有限制的路網(wǎng)遍歷算法”作為篩選原則,而在路徑選擇概率中則引入P

6、ath-size Logit模型以考慮重疊路徑對(duì)路徑選擇概率的影響,避免MNL模型存在的IIA(Independent of irrelevant alternatives,)問(wèn)題。研究表明,新方法能夠避免解析式中關(guān)于路徑行駛車輛始終保持等間距車輛出行的理想假設(shè),且表處理程序能夠產(chǎn)生較理想的分配矩陣結(jié)果。
　　 3.鑒于已有離線動(dòng)態(tài)OD矩陣估計(jì)模型未能考慮分配矩陣的估計(jì)誤差對(duì)估計(jì)結(jié)果的影響,提出了考慮分配矩陣隨機(jī)誤差的離線動(dòng)態(tài)O

7、D矩陣估計(jì)改進(jìn)模型。首先對(duì)分配矩陣估計(jì)過(guò)程中可能存在的各種誤差進(jìn)行逐一分析,并對(duì)誤差所引起的內(nèi)生性問(wèn)題進(jìn)行了證明,從而得到考慮隨機(jī)誤差的離線狀態(tài)下的兩種改進(jìn)模型——瞬時(shí)改進(jìn)估計(jì)模型和序列改進(jìn)估計(jì)模型。前者通過(guò)一個(gè)優(yōu)化函數(shù)一次性估計(jì)出所有時(shí)段OD矩陣和所有分配矩陣的真值,而后者則按時(shí)間段依次估計(jì)每個(gè)時(shí)段的OD矩陣及其分配矩陣。此外,由于改進(jìn)模型決策變量的急劇增加以及函數(shù)形式的轉(zhuǎn)變,在模型求解上引入了遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化,該算法具有全局牲收

8、斂的特點(diǎn)。算例和實(shí)證研究表明,考慮誤差的估計(jì)模型能夠比原模型大幅度提高OD矩陣的估計(jì)精度。
　　 4.建立了考慮交叉口檢測(cè)流量的動(dòng)態(tài)OD矩陣狀態(tài)空間模型,并提出相應(yīng)的一步預(yù)測(cè)卡爾曼濾波算法。交叉口進(jìn)口道檢測(cè)流量信息能夠反映受信號(hào)控制以及非機(jī)動(dòng)因素(行人和自行車)等影響下車輛的行駛狀態(tài),其間斷流特性可以作為路段檢測(cè)連續(xù)流量的一種補(bǔ)充。首先對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行了確定,而后借鑒狀態(tài)空間的基本理論思想,建立了考慮交叉口檢測(cè)流量的動(dòng)態(tài)OD矩陣估