恶劣环境下区域公路网运行可靠性评价方法研究

摘要

随着社会经济水平的飞速发展和交通系统的日益发达，出行者所关注的焦点已经不再是能否完成出行，而是能否安全、顺利、便捷、舒适地到达目的地。作为承担区域客货运输的重要载体之一，公路网络系统的运作状况直接影响到区域运输系统的良性循环和进一步发展。但由于公路网本身存在许多不确定因素，同时又极易受到外部恶劣环境的影响，运行状态可能发生频繁波动，恶劣环境下公路网的运行可靠性已成为路网供需双方重点考虑的问题之一。目前，有关公路网可靠性的研究大多集中在对震后路网连通性的评价上，对恶劣环境下路网运行可靠性的研究不够充分，尤其缺乏对恶劣环境下路网可靠性的预先评估。因此，研究恶劣环境影响下区域公路网的运行可靠性具有深远的理论意义和广泛的应用价值。本文从公路网络供需双方的角度，通过分析各种恶劣环境因素的特征，深入揭示其影响路网运行可靠性的相关机理，并据此对恶劣环境下区域公路网运行可靠性的评价方法进行了探索性研究。
　　 论文首先阐释了区域公路网络系统的含义，分析了其结构类型、系统功能特征以及供需水平等基本情况，并简单介绍和评析了目前有关公路网系统的评价指标。然后，对网络系统可靠性的内涵进行了界定，提出了路网系统的功能函数，并结合系统工程中串并联系统的特征，建立了网络系统可靠性的一般计算方法。在剖析各类路网可靠性评价指标的基础上，指出了各种路网可靠性指标之间的关联性，建立了指标间两两相互转换的映射函数关系。
　　 其次，根据对公路网络影响形式的差异，对恶劣环境因素进行分类，筛选出具有代表性的恶劣环境因素作为研究对象。设定路网能见度（V）、降水强度（PI）和摩擦系数（f）三个参数作为恶劣环境因素对公路网络的影响因子集，并基于对恶劣环境因素空间分布特征的分析，建立了不同环境因素影响下公路网供需水平以及路段自由流车速的动态修正模型。
　　 接着，对公路交通的运行状态进行了划分，制定了恶劣环境下公路网可靠性的评价标准，搭建了路网可靠性评价的基本框架。考虑到恶劣环境因素对公路网络特征参数的影响，提出了恶劣环境影响下公路路段的广义行程时间函数（GBPR）。在此基础上，通过分析公路网络供需水平的随机波动性，给出了恶劣环境下路网供需水平的概率分布。继而基于系统用户平衡模型（SUE）和串并联原理（SPT）建立恶劣环境下公路路段单元的可靠性评价模型，并利用Matlab工具箱将不同的恶劣环境因素随机加载到区域公路网络上，结合MC方法对路网可靠性模型进行求解，以评价不同环境影响下区域公路网的运行可靠性。
　　 再次，基于消费者行为理论，研究了恶劣环境下出行者的决策行为，提出恶劣环境下基于出行可靠性的路径选择的多项Logit模型，并对模型参数的标定技术进行了论述。引入网络最小路集的不交型DeMorgan定理，给出了针对路网系统运行可靠性的评价方法。同时，针对公路网络的特点，对网络系统可靠性的求解算法进行了改进，大大降低了算法的时间复杂度和空间复杂度，使得该方法应用于大规模实际网络的可靠性评价成为可能。
　　 最后，对公路网络中路段单元的运行可靠性进行了敏感性分析，并以此为依据寻找网络中敏感性较大的路段单元。引入公路网络可靠性瓶颈的概念，提出了公路网络可靠性瓶颈的识别方法。以路网时间可靠性和容量可靠性的最大化作为目标函数，以总投资成本作为约束条件，建立了公路网络优化的多目标双层规划模型，同时给出了模型求解的改进Pareto遗传算法（PGA）。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 立题背景及意义

1.1.1 立题背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 国外研究概况

1.2.2 国内研究概况

1.2.3 研究现状小结

1.3 研究目标及主要内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 主要研究内容

1.4 研究思路与技术路线

1.4.1 研究思路

1.4.2 技术路线

1.5 本章小结

第2章 区域公路网络系统综述

2.1 相关概念的界定

2.1.1 区域概念的界定

2.1.2 公路网的含义

2.2 我国公路网系统的发展现状

2.2.1 我国公路网的发展现状

2.2.2 我国公路客货运输的发展趋势

2.3 区域公路网络结构类型分析

2.4 区域公路网络系统组成及功能分析

2.4.1 公路网络系统的组成

2.4.2 区域公路网络系统的功能

2.5 区域公路网络供需水平分析

2.5.1 公路网络供给水平特征

2.5.2 公路网络需求水平特征

2.5.3 路网供需匹配度

2.6 区域公路网络系统特征分析

2.6.1 区域公路网的交通特征

2.6.2 区域公路网的道路特征

2.6.3 区域公路网的服务水平

2.6.4 区域公路网的通达深度

2.7 本章小结

第3章 路网可靠性指标及其关联性研究

3.1 系统可靠性的相关概念

3.1.1 系统及单元可靠度概念

3.1.2 串联与并联系统可靠性

3.1.3 路网系统可靠性内涵及功能函数

3.2 路网可靠性指标综述

3.2.1 连通可靠度指标

3.2.2 时间可靠度指标

3.2.3 容量可靠度指标

3.2.4 其他可靠度指标

3.3 可靠度指标关联性研究

3.3.1 连通可靠度与容量可靠度的关联性

3.3.2 连通可靠度与时间可靠度的关联性

3.3.3 时间可靠度与容量可靠度的关联性

3.3.4 可靠度指标关联性总结

3.4 本章小结

第4章 恶劣环境下公路网供需水平研究

4.1 恶劣环境因素的相关概念

4.1.1 影响路网可靠性的环境因素

4.1.2 恶劣环境因素内涵及范围界定

4.1.3 恶劣环境因素的特性分析

4.2 恶劣环境下公路网供需水平随机性分析

4.2.1 恶劣环境下路网供给水平随机性分析

4.2.2 恶劣环境下路网需求水平随机性分析

4.2.3 构造恶劣环境下路网供需水平的功能函数

4.3 雾天影响下公路网供需水平研究

4.3.1 雾的空间扩散模式研究

4.3.2 雾天条件下路段能见度特征分析

4.3.3 雾天条件下路段自由流车速模型研究

4.3.4 雾天条件下路段通行能力分析

4.3.5 雾天条件下公路网需求水平分析

4.4 降雨影响下公路网供需水平研究

4.4.1 降雨的空间分布模式研究

4.4.2 降雨条件下路面水膜厚度分析

4.4.3 降雨条件下路面摩擦系数变化分析

4.4.4 降雨条件下路段自由流车速模型研究

4.4.5 降雨条件下路段通行能力分析

4.4.6 降雨条件下公路网需求水平分析

4.5 冰雪影响下公路网供需水平研究

4.5.1 冰雪的空间分布模式研究

4.5.2 冰雪条件下路段自由流车速模型研究

4.5.3 冰雪条件下路段通行能力分析

4.5.4 冰雪条件下公路网需求水平分析

4.6 本章小结

第5章 恶劣环境下公路路段单元可靠性评价模型

5.1 概述

5.1.1 图论概述

5.1.2 公路交通网络的描述

5.1.3 路段阻抗函数综述

5.2 路网可靠度评价标准

5.2.1 公路单元可靠性的评价框架

5.2.2 公路交通运行状态的划分

5.2.3 公路可靠度评价标准的制订

5.3 基于供需随机性的公路路段单元可靠性评价模型

5.3.1 研究思路

5.3.2 相关假设条件

5.3.3 路段单元的容量可靠性模型

5.3.4 路段单元的时间可靠性模型

5.3.5 基于时间-容量的路段单元可靠性的综合评价模型

5.4 恶劣环境下公路路段单元可靠性评价模型研究

5.4.1 问题描述及研究框架

5.4.2 相关假设条件

5.4.3 恶劣环境下路段的广义行程时间模型

5.4.4 恶劣环境下供需水平的概率分布研究

5.4.5 恶劣环境下公路路段单元的可靠性评价模型

5.5 模型求解算法研究

5.5.1 Monte Carlo方法简介

5.5.2 算法设计

5.6 算例分析

5.6.1 日常条件下公路网单元可靠性分析

5.6.2 雾天条件下公路网单元可靠性分析

5.6.3 降雨条件下公路网单元可靠性分析

5.6.4 冰雪条件下公路网单元可靠性分析

5.7 本章小结

第6章 恶劣环境下公路网络系统可靠性评价方法

6.1 恶劣环境下公路网路径运行可靠性分析

6.1.1 公路网路径行程时间可靠度

6.1.2 基于串并联理论的路径运行可靠度

6.2 恶劣环境下基于运行可靠性的路径决策行为

6.2.1 路径选择的效用函数

6.2.2 路径选择的属性向量

6.2.3 路径选择模型参数的标定

6.3 恶劣环境下公路网OD对运行可靠度研究

6.3.1 相关概念

6.3.2 公路网OD对运行可靠度分析

6.3.3 基于路集不交化的路网OD可靠度算法研究

6.4 恶劣环境下公路网络系统运行可靠度研究

6.5 公路网络系统可靠性算法设计

6.5.1 算法思想

6.5.2 算法流程

6.6 实例分析:河南省高速公路网运行可靠性评价

6.7 本章小结

第7章 基于可靠性分析的公路网络优化方法

7.1 公路网络系统可靠度的敏感性分析

7.1.1 公路网络系统可靠度敏感性模型

7.1.2 网络系统敏感性问题的算法设计

7.2 公路网络系统可靠性瓶颈识别技术

7.2.1 公路网络可靠性瓶颈的引出

7.2.2 网络可靠性瓶颈算法设计

7.3 基于可靠性分析的公路网优化的双层规划模型

7.3.1 双层规划模型的引出

7.3.2 双层规划模型的一般形式

7.3.3 构建公路交通网络优化的双层规划模型

7.4 双层优化模型的算法研究

7.4.1 算法引出

7.4.2 遗传算法简介

7.4.3 算法设计

7.5 算例分析

7.6 本章小结

第8章 结论与展望

8.1 论文主要研究内容及结论

8.2 主要创新点

8.3 需要进一步研究的方向

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文及参与科研情况