基于出行者择路策略的城市路网结构优化策略研究

摘要

近年来，随着我国经济的飞速发展和城市化建设速度的加快，交通需求量和强度的增长促使城市路网的规模不断扩大，交通拥堵程度也逐渐加剧，这种情况下，如何保证车辆的正常和高效运输就成为了越来越紧迫的问题。我们知道，城市交通系统是个典型的复杂系统，因此，要解决城市交通拥堵问题，就要采用系统科学理论的方法对整个路网中出行者的择路行为和网络结构的优化策略进行研究。鉴于此，本文首先对城市路网的结构特性及可靠性进行了分析，随后基于路径选择策略分析了出行者的平均出行效率，并在择路行为分析的基础上分别确定了采用对偶法和采用主方法建模的城市路网的节点重要度，最后分别提出了针对采用对偶法建模的城市路网的基于节点重要度的节点扩容策略和针对采用主方法建模的基于节点重要度的加边策略。具体研究内容如下:
　　(1)城市路网结构特性及可靠性分析。以德阳市路网为例，在分别运用采用主方法和对偶法对城市路网建模的基础上，通过计算网络的特征值指标对德阳市路网的结构特性进行了实证研究。随后，采用子图数、最大连通子图规模以及网络效率作为衡量网络脆弱性的指标。最后，在路网节点随机攻击和蓄意攻击两种情境下，对德阳市路网的脆弱性进行了研究。
　　(2)基于路径选择策略对出行者的平均出行效率进行研究。在提出符合城市道路交通网络特性的出行者路径选择策略的基础上，对网络中任意OD对中出行者的平均出行效率进行了研究。考虑到出行效率受所选出行路径和节点流量波动的影响，通过定义节点流量，以采用对偶法建模的德阳市路网为例进行了模拟仿真，通过分析平均出行效率最小值变化曲线的变化趋势，对择路行为权重参数与流量波动范围参数和出行者的平均出行效率间的关系进行了研究。
　　(3)针对采用对偶法建模的城市路网，提出了基于节点重要度的节点扩容模型，并对其改善效果进行了研究。针对采用对偶法建模的城市路网，在对出行者择路行为分析的基础上，提出了有效频次的这一动态指标，并通过选择多属性指标，采用基于信息熵的多属性节点重要度综合评估方法，计算了城市路网中节点的重要度。在分析节点重要度的基础上，提出了改善节点容量的模型，同时提出了三种其它改善策略用于和本文所提策略进行比较，最后以采用对偶法建模的德阳市路网为例，进行了模拟仿真，通过分析不同改善策略下出行者平均出行效率的变化、各种策略的收益比以及级联失效下各种策略性能变化，对所提策略的有效性和正确性进行了验证。
　　(4)针对采用主方法建模的城市路网，提出了基于节点重要度的节点加边策略，并对其改善效果进行了研究。针对以主方法建模的城市路网，通过采用基于信息熵的多属性节点重要度综合评价对路网中各节点重要度进行分析，将节点按照节点重要度排序。在此基础上，提出基于节点重要度的加边策略。为了验证所提策略的有效性和正确性，同时提出了随机加边策略作为对比策略，并以采用对偶法建模的德阳市路网为例进行了模拟仿真。通过与未加边之前出行者平均出行效率最小值变化曲线随流量波动范围参数变化的情况相比，分析了增加边数的数量与出行者平均出行效率间的关系，以及增加不同边数下网络结构特征值的变化情况，对基于节点重要度的加边策略的正确性和有效性进行了验证。
　　综上所述，本文以城市路网结构特性和可靠性为基础，通过对城市路网中出行者择路行为的分析，并结合网络的结构特性指标，采用基于信息熵的多属性节点重要度评估方法，分别确定了分别采用对偶法和主方法建模的城市路网中节点的重要度，并在此基础上提出了采用对偶法建模的城市路网基于节点重要度的节点扩容策略，以及采用主方法建模的城市路网基于节点重要度的节点加边策略。最后以德阳市路网为例，分别进行模拟仿真，对网络结构优化后的出行者的平均出行效率进行了分析，其分析结果可以为城市路网拓扑的规划和建设提供科学的理论方法和依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 城市路网结构特性研究

1．2．2 城市路网路径选择策略研究

1．2．3 城市路网结构优化策略研究

1．3 研究内容、方法及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

1．3．3 技术路线

1．4 本章小节

第2章 城市路网结构特性及抗毁性分析

2．1 引言

2．2 理论基础

2．3 城市路网建模

2．3．1 城市路网建模方法

2．3．2 德阳市路网建模

2．4 德阳市道路网络结构特征值计算与分析

2．5 不同攻击模式下德阳市道路网络抗毁性分析

2．5．1 抗毁性测度

2．5．2 不同攻击节点数对网络抗毁性的影响

2．5．3 不同攻击对象对网络抗毁性的影响

2．6 本章小结

第3章 基于出行者路径选择策略的出行效率研究

3．1 引言

3．2 节点流量的确定

3．3 路径选择策略

3．4 平均出行效率指标

3．5 仿真分析

3．5．1 择路行为权重与流量波动范围以及平均出行效率间的关系

3．5．2 容差参数与平均出行效率间的关系

3．6 本章小节

第4章 城市路网对偶法建模下基于节点重要度的节点容量改善策略

4．1 引言

4．2 城市路网对偶法建模下节点重要度识别

4．2．1 重要度指标的选取

4．2．2 基于信息熵的多属性节点重要度综合评价方法

4．3 基于节点重要度的节点容量改善模型

4．4 算例仿真与分析

4．4．1 城市路网对偶法建模网络中节点重要度评估分析

4．4．2 四种节点容量改善策略下的平均出行效率对比分析

4．4．3 四种节点容量改善策略的收益比分析

4．4．4 级联失效下四种节点容量改善策略性能对比分析

4．5 本章小结

第5章 城市路网主方法建模下基于节点重要度的加边策略

5．1 引言

5．2 城市路网主方法建模下基于节点重要度的加边策略

5．3 交通环境描述

5．4 算例仿真与分析

5．4．1 城市路网主方法建模下网络节点的重要度分析

5．4．2 加边策略下平均出行效率与流量波动范围参数间的关系

5．4．3 基于节点重要度的加边策略下网络结构特征值分析

5．5 本章小节

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果