考虑出行分布耦合及出行时间可靠性的路网动态优化设计

摘要

交通系统一直承受着城市快速发展的巨大压力。随着居民收入水平的提高，出行者趋向于选择对于自身而言，出行效率高，出行过程简便，舒适的交通方式。虽然因为现今信息技术的发展，可以缓解一部分交通需求的压力，但因为城市结构还在发展构架中，所以交通需求仍会在很长一段时间内不断增长。城市交通资源紧张、拥堵严重、居民出行不便等使得城市交通系统运营情况变化频繁，波动很大。城市路网作为城市交通系统的基础，承载着出行者和出行工具的移动。出行时间可靠性作为城市道路网络的服务属性之一，反映了出行者对于路网的服务要求。合理的路网设计可以提供多种出行方式并存的运输服务，并且可以应付日常的出行需求波动，甚至可以引导出行需求的波动减小。居民不仅可以由设计合理的道路网获取满足自身出行需求的服务，更在无形中进行了有助于交通系统运营状况改善的出行选择。所以能够保障出行时间可靠性，并且使得城市交通系统良性发展的城市路网是城市交通系统良好运营的基础。
　　 本文依托国家自然科学基金重点项目“基于系统耦合的城市道路交通网络规划理论研究”(NO.50738001)开展“考虑出行分布耦合及出行时间可靠性的路网动态优化设计”研究。本文在居民出行分布合理、城市路网供给有效的耦合交通系统基础上，给出与居民出行分布相耦合的路网宏观结构，然后研究考虑出行时间可靠性的居民出行选择行为，建立城市道路网络路段车道数的优化设计微观模型，由此提出保障网络出行时间可靠性的道路网络规划方法。
　　 论文首先研究出行者风险环境下，考虑出行时间可靠性的出行选择行为。确定模型的风险选择环境后，选择出行时间可靠性作为出行选择行为的主要影响因素，分析出行选择项的先后选择顺序，提出路径选择是基于出发时间和出行方式的有条件选择。利用条件期望和条件方差的概念，描述出行时间波动对路径选择的影响。在现有的出行选择行为模型基础上，通过理论分析，证明时刻表模型和均值-方差模型的可改进性，从而建立能够反映出行方式、出发时间和路径选择的新模型，是下文优化城市路网研究的基础。
　　 同时，研究耦合交通系统中的城市道路资源配置，包括城市道路网络的布局规划和等级配置，建立宏观路网结构。首先明确耦合的定义，然后通过协同学理论建立城市交通需求与供给的总量耦合模型。在此基础上，应用矩阵相似论及特征值分析理论和方法，建立交通需求与供给的结构耦合模型。以交通小区为节点建立出行网络结构矩阵，作为结构耦合模型的出行分布矩阵。给出城市交通道路网络规划的基本原则，规划流程以及优化方法。将城市道路划分为主干路、次干路和支路三个层次，并对各等级线路服务属性进行详细介绍，最后给出基于结构耦合模型的交通网络等级配置。耦合出行分布的路网布局是路网设计的宏观层面。所得的路网不仅能够满足居民出行的需要，还能顺应交通系统的发展趋势。为了在耦合过程中提高路网服务水平，减小路网在交通系统发展过程中服务水平的波动，在已经确立的路网结构基础上，进行考虑出行时间可靠性的车道优化设计。
　　 通过研究更接近于实际情况的随机路网，求出路网考虑出行时间可靠性的长期平衡。对比确定路网和随机路网的长期平衡出发形式和出行费用，显示通行能力对于出发形式选择的影响。定义出行者长时间适应交通系统以后达到不能凭借自身改变而减小出行费用的状态为长期平衡。通过比较可以发现，考虑随机通行能力、随机出行需求和出行时间可靠性的出行时间选择与确定情况的出行时间选择相比有显著的不同，主要是随机网络的出发时间提前和早出发量变大。针对不同网络条件，建立四种典型的用户平衡模型。其中，重点分析了随机网络离散时间的长期动态用户平衡。给出模拟求解关于出发时间和路径的平衡问题的基本方法，包括具体的模拟过程中需要的模型:出发时间/路径选择模型、动态加载模型（包括纵向排队和横向排队）、路段通行能力之间相互影响的随机数组表达和收敛准则。比较模拟方法求得的单瓶颈网络纵向排队平衡结果与解析结果，发现模拟方法可以得出长期出行平衡的准确结果。针对横向排队的模拟方法，可用于下文评价考虑出行时间可靠性的网络关于出发时间/路径的运营情况，反映道路网络优化设计的结果。
　　 最后提出并建立了考虑出行时间可靠性的网络动态优化设计方法。对前文建立的宏观路网结构，进行具体到路段车道数的微观设计。建立双层规划模型，优化目标是最优化网络运营效率和可靠性，或最小化网络出行总费用。设计变量采用离散变量，即设计网络的车道数。约束条件是交通系统需要达到考虑出行时间可靠性的关于出发时间和路径选择的随机网络长期动态用户平衡。出行可靠性包含在网络设计层面和个体出行选择层面。同时对应建立网络静态设计模型。该模型与动态设计模型的差异在于虽然网络层面和个体层面都考虑了可靠性，但是不考虑动态网络中的流量相互影响和出发时间选择。然后给出求解网络动态设计问题的方法和算法。
　　 在求解过程中，为了简化计算过程，给出网络动态设计问题的遗传算法和集合选择法的组合算法，并且定义路网设计的总集和主集。建立主集可以通过去除不可实行、不连通和不符合逻辑的设计来减小解的搜索空间并节约计算时间。组合算法首先计算主集中所有设计方案关于随机通行能力网络考虑可靠性的静态分配结果。选择静态较优解，然后使用遗传算法进行考虑可靠性的动态分配计算，得到集合中的最优解。如果遗传算法求得的解能在网络静态分配得到的次优解集中找到，则认为集合选择法足以提供产生最优解的集合大小，组合算法求得的解比只使用遗传算法的网络动态设计解更好。遗传算法和集合选择法的组合算法从计算时间和解的质量方面来说，都很有效。算例分析中，使用遗传算法和集合选择法的组合算法进行计算。
　　 在不同通行能力波动水平和不同目标函数条件下，比较静态和网络动态设计方法所得结果。通过比较，发现静态分配低估了网络总出行时间和网络总出行时间的波动，也低估了投资的效益。并且通行能力波动对于网络设计的影响很大。动态设计方法对于网络流量的时空分布也有很大的影响力。说明需要考虑出行时间可靠性采用动态设计方法得到更符合实际情况的车道设计方案。最后进行实例分析，说明考虑出行分布耦合及出行时间可靠性的路网动态优化设计的过程，并证明此方法的实用性和可操作性。
　　 综上，城市道路网络设计需要在与居民出行分布耦合的路网上，考虑出行时间的可靠性，特别是需要考虑出发时间选择行为，并使用网络动态设计方法，来获得出行时间可靠，服务水平高并且符合城市交通系统发展趋势的路网。

目录

声明

摘要

主要符号表

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 立题背景和意义

1．1．1 道路资源是城市交通系统的基础

1．1．2 保障交通系统的可靠性是提升系统运营状况的重点

1．2 国内外研究概况

1．2．1 出行时间可靠性

1．2．2 路网设计

1．2．3 交通系统中的耦合

1．3 研究内容和方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．4 各章节的安排与逻辑关系

1．5 本章小结

第二章 考虑出行时间可靠性的出行选择行为模型

2．1 出行选择的决策环境假设

2．2 出行选择流程

2．2．1 出行选择行为影响因素

2．2．2 出行选项选择顺序

2．3 交通系统可靠性

2．3．1 交通系统可靠性计算指标

2．3．2 出行时间可靠性

2．4 考虑出行时间可靠性的出行选择行为模型

2．4．1 出行选择行为模型

2．4．2 时刻表方法和均值-方差方法的等价性

2．4．3 改进的考虑出行时间可靠性的出行选择行为模型

2．4．4 模型特点

2．5 本章小结

第三章 与居民出行分布耦合的道路网络结构

3．1 耦合交通系统

3．1．1 耦合度

3．1．2 耦合与平衡的区别

3．1．3 交通系统

3．2 交通系统的供需总量耦合模型

3．2．1 协同学理论概述

3．2．2 产生自组织的途径

3．2．3 建立总量耦合模型

3．3 交通系统的供需结构耦合模型

3．3．1 建立结构耦合模型

3．3．2 修正结构耦合模型

3．3．3 居民出行分布OD矩阵

3．3．4 交通网络结构矩阵

3．4 基于结构耦合模型的交通网络布局优化

3．4．1 城市交通网络布局形态的适应性

3．4．2 城市交通网络布局优化

3．4．3 交通网络等级配置问题概述

3．4．4 实例分析

3．5 本章小结

第四章 考虑出行时间可靠性的网络建模理论分析和仿真求解

4．1 单瓶颈确定网络的动态用户平衡

4．2 随机瓶颈网络的动态用户平衡

4．2．1 选择行为假设

4．2．2 长期平衡的存在性

4．2．3 随机通行能力和随机出行需求的表达

4．2．4 动态用户平衡的解析法求解

4．2．5 达到长期平衡的出发形式分析

4．3 动态用户平衡模拟解法

4．3．1 纵向排队的随机网络动态用户平衡

4．3．2 横向排队的随机网络动态概率用户平衡

4．3．3 纵向排队的确定性网络动态用户确定性平衡

4．3．4 随机网络的静态用户平衡

4．4 收敛准则

4．4．1 间隙函数

4．4．2 路径动态流量之间的相应变化

4．4．3 对偶间隙

4．5 模拟算法

4．6 模型应用

4．6．1 确定通行能力单瓶颈网络的纵向排队

4．6．2 随机网络的纵向排队

4．7 本章小结

第五章 考虑出行时间可靠性的随机路网动态优化设计方法

5．1 考虑出行时间可靠性的网络动态设计方法

5．1．1 考虑出行时间可靠性的网络动态设计方法研究假设

5．1．2 优化目标

5．1．3 设计变量

5．1．4 考虑出行时间可靠性的网络动态设计方法

5．1．5 静态网络考虑出行时间可靠性的设计方法

5．2 网络动态设计问题的解法

5．2．1 路网设计问题的特性

5．2．2 车道设计方案主集的生成

5．2．3 路网导向的遗传算法

5．2．4 结合遗传算法和集合选择法的组合算法

5．3 网络的整体设计

5．3．1 路段的独立性

5．3．2 算例网络

5．3．3 路段通行能力协方差矩阵对设计方案的影响

5．3．4 随机网络用户概率平衡的静态优化设计方法

5．3．5 出行需求与通行能力差值波动小的横向排队随机网络概率用户平衡动态路网设计

5．3．6 出行需求与通行能力差值波动大的横向排队随机网络随机用户平衡动态路网设计

5．3．7 确定需求和随机需求对于网络整体设计的影响

5．4 实例分析

5．4．1 基本条件

5．4．2 计算结果

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要研究成果和结论

6．2 论文的主要创新点

6．3 论文的不足之处和未来的工作展望

致谢

参考文献

附录A 随机瓶颈模型的具体分析

附录B 随机瓶颈模型的定量解析结果

附录C Bliemer文中的节点模型

附录D 交通小区客运OD矩阵和道路网络结构矩阵

附录E 昆山市耦合交通系统骨架路网OD对出行需求表(×10 veh／h)

作者简介、攻读博士学位期间发表论文及参与科研情况

个人简介

发表的论文

参与的科研项目