需求不確定環(huán)境下的道路網(wǎng)絡(luò)均衡建模與系統(tǒng)優(yōu)化.pdf

1、交通系統(tǒng)受到多重不確定性的影響，如需求波動、容量退化。這些不確定性集計導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)中旅行時間的可變性。實(shí)證研究表明，旅行時間可變性對出行者的路徑選擇行為有著顯著影響。鑒于需求不確定性的客觀存在及其所引發(fā)的周期性擁擠的嚴(yán)重影響，需要在交通規(guī)劃（尤其是規(guī)劃方案的評價與設(shè)計）中充分捕捉需求不確定性的影響。然而，現(xiàn)有交通規(guī)劃實(shí)踐通常忽略了不確定性的影響，無法確保對現(xiàn)狀和規(guī)劃方案評估結(jié)果的魯棒性、可靠性，網(wǎng)絡(luò)性能評價和規(guī)劃方案設(shè)計更可能存在著由理論

2、、方法的缺陷所引起的系統(tǒng)誤差。交通建設(shè)是長期的巨額投資，具有不可逆轉(zhuǎn)性。在路網(wǎng)評價和規(guī)劃中忽略不確定性的影響，可能會導(dǎo)致交通系統(tǒng)評價具有偏見、交通規(guī)劃方案不合理、交通建設(shè)投資低效。本文研究需求不確定環(huán)境下道路交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)均衡建模、系統(tǒng)性能評價、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)均衡模型為系統(tǒng)性能評價提供基準(zhǔn)的均衡流量模式，系統(tǒng)性能評價又為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)和參照。具體而言，本文的主要工作包括如下三個方面:
　　 (1)需求不確定環(huán)境下基于路

3、段的交通網(wǎng)絡(luò)均衡模型與算法
　　 論文第二章建立了需求不確定環(huán)境下基于路段的均值-超量交通均衡模型(L-METE)，用以描述面對旅行時間不確定性時出行者的個體風(fēng)險規(guī)避路徑選擇行為，以及在擁擠效應(yīng)影響下集計的均衡狀態(tài)。該模型集成了均值-超量旅行時間(METT)的次可加性特征、METT對旅行時間可變性的全面捕捉、傳統(tǒng)UE模型的可加性費(fèi)用結(jié)構(gòu)特征等三個方面的優(yōu)點(diǎn)，可以同時克服現(xiàn)有路徑型模型在建模靈活性和高效算法設(shè)計等方面的缺憾。在建模

4、靈活性方面，L-METE模型可以避免現(xiàn)有多數(shù)模型使用中心極限定理帶來的路段旅行時間相互獨(dú)立和路徑旅行時間近似正態(tài)分布這兩個苛刻假設(shè)。在高效算法設(shè)計方面，L-METE模型的可加性路徑費(fèi)用結(jié)構(gòu)特征，使得經(jīng)典UE問題的求解算法可以比較容易地被改編用于求解L-METE模型，也可以不用存儲路徑信息，這對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用非常有益。
　　 (2)需求不確定環(huán)境下交通網(wǎng)絡(luò)效率和可靠性的解析型評價方法
　　 論文第三章建立了需求不確定環(huán)境下

5、交通網(wǎng)絡(luò)效率性能概率分布及其風(fēng)險指標(biāo)的解析型評價方法。具體而言，1）建立了需求不確定環(huán)境下系統(tǒng)總旅行時間(TTT)和系統(tǒng)總旅行車公里數(shù)概率分布的估計方法，該方法基于更加符合實(shí)際的出行需求概率分布表征，且能夠更加全面地描述出行者的風(fēng)險規(guī)避路徑選擇行為;2）提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)效率風(fēng)險評價指標(biāo)——均值．超量系統(tǒng)總旅行時間(METTT)。該指標(biāo)能夠同時捕捉TTT的可接受風(fēng)險和不可接受風(fēng)險兩個層面，可以更加完整地刻畫不確定環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)效率的分布特征

6、;3）提出了METTT以及多個現(xiàn)有風(fēng)險指標(biāo)的解析型估計方法，避免了仿真方法的高計算成本以及擬合概率分布曲線的過程。
　　 系統(tǒng)總旅行時間受基礎(chǔ)流量模式的影響。均值是概率理論中描述隨機(jī)變量最為常用的統(tǒng)計指標(biāo)。論文第四章從理論上分析了用平均流量下的確定性系統(tǒng)總旅行時間替代系統(tǒng)總旅行時間真實(shí)均值所引起的系統(tǒng)誤差的存在性及誤差程度。推導(dǎo)了路段流量服從典型的正態(tài)和對數(shù)正態(tài)分布時系統(tǒng)誤差的解析表達(dá)式，分析了系統(tǒng)誤差的影響因素及其作用趨勢。<

7、br>　　 可靠性是評價不確定系統(tǒng)性能的重要維度。論文第五章建立了需求不確定下網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平可靠度的解析型評估方法。針對不同的數(shù)據(jù)條件，1）解析推導(dǎo)了路段流量多種典型分布下服務(wù)水平可靠度的精確表達(dá)式;2）在沒有路段流量完整分布信息的前提下，解析推導(dǎo)了服務(wù)水平可靠度的近似表達(dá)式。解析型評價方法，避免了MonteCarlo模擬方法的高計算成本。近似估計方法不需要各路段流量的完整分布信息，而只需要交通量觀測得到的幾個常用統(tǒng)計值。這種優(yōu)勢在網(wǎng)絡(luò)

8、中路段流量服從不同類型分布時尤為突出。將不同路段的流量擬合為不同概率分布類型時，其擬合工作量和復(fù)雜性會顯著增加。
　　 (3)需求不確定環(huán)境下效率和可靠性導(dǎo)向的交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法
　　 論文第六章建立了需求不確定下效率導(dǎo)向的交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型。以均值-超量系統(tǒng)總旅行時間(METTT)的最小化為目標(biāo)，優(yōu)化有限資源下的網(wǎng)絡(luò)增容方案。該模型對規(guī)劃者的網(wǎng)絡(luò)決策行為描述與對出行者的路徑選擇行為描述具有一致性，均采用均值-超量旅行時間的

9、概念，能夠同時捕捉路徑選擇決策和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計決策中的可接受風(fēng)險和不可接受風(fēng)險。算例分析表明，基于METTT最小化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，不需要規(guī)劃者非常精確地設(shè)定他們對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的可靠性要求。這種魯棒性降低了對輸入?yún)?shù)精度的要求，提升了該方法在實(shí)際應(yīng)用中的便利性。
　　 論文第七章建立了需求不確定下以提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平可靠性為導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型和網(wǎng)絡(luò)增容投資估算模型?？煽啃詫?dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型以網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平可靠度的最大化為目標(biāo)，在資源約束下優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)增

10、容方案。網(wǎng)絡(luò)投資估算問題是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題的反問題。可靠性導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)增容投資估算模型估算達(dá)到既定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平可靠度要求所需要的最低增容費(fèi)用。該兩個模型的特點(diǎn)在于:在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和投資決策建模中體現(xiàn)了規(guī)劃者所關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)整體服務(wù)水平可靠性要求，在路徑選擇行為建模中體現(xiàn)了出行者的風(fēng)險規(guī)避路徑選擇行為，可以同時捕捉供給方和需求方的可靠性要求。此外，還探討了效率導(dǎo)向和可靠性導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計之間的相互關(guān)系，并分析了規(guī)劃者的可靠性要求與網(wǎng)絡(luò)增容投資之間的非線性