城市交通网络优化的双层规划建模及应用——以道路等级配置为例

摘要

城市交通网络布局的合理性直接影响到城市交通系统的运行效率，而道路等级配置又是城市交通网络布局中的一个重要方面。因此，如何优化城市交通网络特别是优化城市道路的等级配置是一个理论和实用价值并重的研究课题。本文将对城市交通网络的优化特别是道路等级配置的优化进行深入探讨。
　　 城市交通网络优化涉及交通管理者与出行者之间的利益博弈，本文利用双层规划思想，从交通网络的全局出发，建立了考虑出行者路径选择机制的城市交通网络优化的统一化模型框架，将有关城市交通网络的优化问题统一到该模型框架中来。框架中以交通管理和规划者为上层决策者，以道路的新建改建、信号配时优化、分车种交通管制等手段作为决策变量，并列举了系统总阻抗、用户盈余、总的建设费用、总的车辆行驶里程、网络总拥挤程度等方面的内容作为备选的目标函数；下层模型针对的是交通行为的参与者，在上层决策者己定决策的前提下以一定的路径选择行为出行，并将其描述为带转向延误的非对称多模式用户均衡模型。该模型框架的建立提高了城市交通网络优化问题研究的一致性。
　　 在上述统一化模型框架的基础上，以道路等级配置为决策变量建立了道路等级配置的微观优化模型。针对城市路网的实际情况，提出了“大路段”的概念，即根据城市布局与地理条件将某些路段结合起来参与道路等级配置的优化，既考虑了路网的实际情况又简化了模型的求解计算。同时，本文提出了功能匹配度的概念，即道路的实际使用功能与规划设计功能之间的吻合程度，利用层次分析法和模糊综合评判的方法给出了功能匹配度和交通拥堵度的函数形式，并将这两类函数作为上层模型的目标函数，下层模型则仍为带转向延误的非对称多模式用户均衡模型。
　　 论文进一步设计了针对道路等级配置微观优化模型这一NP-hard和非凸问题的启发式算法。采用遗传算法求解上层问题，并采用精简对角化的思想，对一般UE问题的Frank-Wolf求解算法进行改进，设计出了针对下层问题的求解算法。
　　 最后，利用Sioux Falls网络对本文所提出的等级配置微观优化模犁和算法进行了测试，测试中以功能匹配度作为目标函数，并将功能匹配度分成四个等级，得出了功能匹配度等级最高且对应隶属度最大的等级配置方案，从而对本文所提出的模犁和算法进行了检验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1立题的背景及意义

1.2国内外研究和应用概况

1.2.1城市交通网络设计的研究

1.2.2城市道路等级配置的研究

1.3小结

1.4论文主要研究内容

1.4.1城市交通网络优化的统一模型框架

1.4.2城市道路等级配置微观优化模型

1.4.3交通网络优化模型的求解算法

1.4.4基于实际网络的案例分析

第二章 城市交通网络优化的统一化模型框架

2.1概述

2.1.1平衡交通分配模型的基本概念

2.1.2双层规划问题的基本概念

2.1.3城市交通网络优化的基本概念

2.1.4交通网络优化问题的双层结构

2.2交通网络优化统一化模型框架的构建

2.2.1目标函数的分类

2.2.2决策变量及其约束条件

2.2.3下层问题的描述

2.2.4统一化模型框架的描述

2.3本章小结

第三章 城市道路等级配置的微观优化模型

3.1道路等级配置的双层规划模型

3.2目标函数数学基础

3.2.1层次分析法

3.2.2模糊综合评判

3.3功能匹配度函数

3.4交通拥堵度函数

3.5本章小结

第四章 等级配置微观优化模型算法设计

4.1交通系统BLP模型算法概述

4.2遗传算法的基本内容

4.3等级配置微观优化模型求解算法

4.4本章小结

第五章 案例分析

5.1算例描述

5.2模型的选定

5.3算法的简化

5.4优化结果分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1主要研究成果

6.2主要创新点

6.3研究展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及参与科研情况