基于道路限行与限速的合乘交通路网优化方案研究

摘要

现代社会的快速发展带来了更加庞大的机动车保有量以及出行需求，导致城市交通拥堵成为了一个不可忽视且日益严重的问题，在某些拥堵严重的城市甚至造成了难以估量的时间与经济损失。为了缓解拥堵，应该鼓励出行者采用更有效的方式出行。其中，合乘作为一种良好的交通出行方式，可以减少道路上的车流量而不抑制交通需求，应当得到大力提倡。但目前合乘并没有完全发挥作用。其中非常重要的原因是因为相当一部分出行者出于对费用、隐私等因素的考虑，不愿意主动选择合乘，或因合乘的配套政策设施等不完善，导致很多出行者放弃合乘。因此有必要探索合适的方案，促进合乘，优化交通系统。目前虽有一些相关措施如 HOT车道、道路收费、提供合乘网络平台等鼓励合乘或优化交通系统，但效果一直存在争议，且有的会在实施方面由于公众反对而遇到阻碍，如HOT车道，道路收费等等。随着交通管理政策的发展，全世界各地都应用了不同的交通管理措施，以缓解拥堵，使交通系统具有更高的效率。受已有的交通管理措施启发，本文针对路网中设置了 HOV 车道和未设置 HOV 车道的情况，基于道路限行和限速政策，提出鼓励合乘的方案，优化具有合乘方式的交通路网，以缓解拥堵，提高社会福利。 本文主要的研究内容包括如下几个部分： 1. 介绍了研究背景并说明了本论文的研究意义。针对论文的研究内容，对交通出行方式划分与交通流分配、合乘、道路限行、道路限速几个部分分别作了文献综述，总结了研究现状，提出本文的研究内容并阐明了技术路线。 2. 介绍了交通需求管理的定义、各种措施以及作用机理。介绍了合乘、道路限行、道路限速条件下出行者的出行费用函数，进一步介绍了相关的交通均衡状态，从供给与需求的角度出发，从数学形式的角度出发介绍了描述了各种均衡状态的最优化模型，并对其机理作了阐述，为后面的研究内容提供了必要的基础。 3. 介绍了在没有设置HOV的交通系统中，准许未被限行的单独驾驶出行者与合乘出行者进入限行区域的方案。通过一个变分不等式描述了出行者组合出行的出行产生、出行方式选择和路径选择，证明了此变分不等式与Logit方式划分以及UE用户均衡等价且可以采用常规方法求解。在一个简单的算例中检查了具有不同限行区域与不同限行比例的几种方案的效果，结果表明由于路网结构或需求的不同，更高的合乘 分担率不一定会导致更高的社会福利。建立了一个双层规划模型设计了最佳限行方案，通过遗传算法求解，可以同时得到最佳限行连通区域与最佳限行比例。同时根据现实情况，制定了符合限行区域和限行比例的要求的限行方案。最后结果表明，限行比例越高并不一定导致合乘需求越高，而合乘需求越高也不一定导致社会福利越高，需要具体问题具体分析。 4. 介绍了在设置HOV车道的情况下，准许一定比例的单独驾驶出行者进入HOV车道的方案。由于情景设定为高峰期，考虑需求为固定需求的情况。首先研究了单一路段的交通系统，建立了相应的系统最优模型，并推导了一阶最优条件，阐述了单独驾驶出行者与合乘出行者的边际效用。然后将此方案扩展到一个路网中，建立变分不等式描述了符合Logit出行方式划分与UE均衡的变分不等式模型，并以一个已设置了HOV车道的路网为例，检查了此方案的效果。结果表明此方案具有优化交通系统，减少系统总费用的作用，同时验证了HOV车道的平滑效果。通过一个最优化模型，以总费用最小化为目标，设计了最佳方案，包括HOV车道位置与开放的比例的确定。采用遗传+代理辅助算法求解该模型，并将其应用到Sioux Falls网络中，验证了模型与算法的有效性，并表明了在现实中运用的可能性。 5. 介绍了在设置HOV车道的情形下，在非HOV车道（LOV车道）上限速，以促进合乘并优化系统的方案。由于情景设定为平峰期，需求波动较大，因此考虑在弹性需求下研究此方案。首先考虑单一路段的情况，建立了系统最优模型，推导了一阶最优条件，并阐述了求解限速值范围的方法。然后建立了一个变分不等式模型描述出行者的组合出行模式，并证明了此模型符合Logit方式划分与UE均衡的交通方式。通过一个简单路网的算例检查了此方案的效果，说明了最优方案的设计必须同时考虑社会福利与系统事故量。建立了一个数学规划模型设计最优方案，并通过NSGA II算法求解此模型。通过一个简单路网的算例求得非支配最优解集并描绘了非支配解边界，结果显示有的非支配解不能同时优化社会福利与系统事故量，因此在制定方案时需要决定侧重点。以Sioux Falls网络作为算例说明了此方案在现实中的可行性。 6. 总结了全文的研究内容与研究结论，并阐明了论文主要的创新点。同时针对文章中的不足，提出未来可行的研究方向。

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