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原文传递需求不确定环境下的道路网络均衡建模与系统优化

论文题名：	需求不确定环境下的道路网络均衡建模与系统优化
关键词：	需求不确定性;交通均衡;均值-超量旅行时间;可靠度;网络设计
摘要：	交通系统受到多重不确定性的影响，如需求波动、容量退化。这些不确定性集计导致了网络中旅行时间的可变性。实证研究表明，旅行时间可变性对出行者的路径选择行为有着显著影响。鉴于需求不确定性的客观存在及其所引发的周期性拥挤的严重影响，需要在交通规划（尤其是规划方案的评价与设计）中充分捕捉需求不确定性的影响。然而，现有交通规划实践通常忽略了不确定性的影响，无法确保对现状和规划方案评估结果的鲁棒性、可靠性，网络性能评价和规划方案设计更可能存在着由理论、方法的缺陷所引起的系统误差。交通建设是长期的巨额投资，具有不可逆转性。在路网评价和规划中忽略不确定性的影响，可能会导致交通系统评价具有偏见、交通规划方案不合理、交通建设投资低效。本文研究需求不确定环境下道路交通系统的网络均衡建模、系统性能评价、网络优化设计。网络均衡模型为系统性能评价提供基准的均衡流量模式，系统性能评价又为网络优化设计提供依据和参照。具体而言，本文的主要工作包括如下三个方面: 　　 (1)需求不确定环境下基于路段的交通网络均衡模型与算法　　论文第二章建立了需求不确定环境下基于路段的均值-超量交通均衡模型(L-METE)，用以描述面对旅行时间不确定性时出行者的个体风险规避路径选择行为，以及在拥挤效应影响下集计的均衡状态。该模型集成了均值-超量旅行时间(METT)的次可加性特征、METT对旅行时间可变性的全面捕捉、传统UE模型的可加性费用结构特征等三个方面的优点，可以同时克服现有路径型模型在建模灵活性和高效算法设计等方面的缺憾。在建模灵活性方面，L-METE模型可以避免现有多数模型使用中心极限定理带来的路段旅行时间相互独立和路径旅行时间近似正态分布这两个苛刻假设。在高效算法设计方面，L-METE模型的可加性路径费用结构特征，使得经典UE问题的求解算法可以比较容易地被改编用于求解L-METE模型，也可以不用存储路径信息，这对大规模网络应用非常有益。　　 (2)需求不确定环境下交通网络效率和可靠性的解析型评价方法　　论文第三章建立了需求不确定环境下交通网络效率性能概率分布及其风险指标的解析型评价方法。具体而言，1）建立了需求不确定环境下系统总旅行时间(TTT)和系统总旅行车公里数概率分布的估计方法，该方法基于更加符合实际的出行需求概率分布表征，且能够更加全面地描述出行者的风险规避路径选择行为;2）提出了一种新的网络效率风险评价指标——均值．超量系统总旅行时间(METTT)。该指标能够同时捕捉TTT的可接受风险和不可接受风险两个层面，可以更加完整地刻画不确定环境下网络效率的分布特征;3）提出了METTT以及多个现有风险指标的解析型估计方法，避免了仿真方法的高计算成本以及拟合概率分布曲线的过程。　　系统总旅行时间受基础流量模式的影响。均值是概率理论中描述随机变量最为常用的统计指标。论文第四章从理论上分析了用平均流量下的确定性系统总旅行时间替代系统总旅行时间真实均值所引起的系统误差的存在性及误差程度。推导了路段流量服从典型的正态和对数正态分布时系统误差的解析表达式，分析了系统误差的影响因素及其作用趋势。　　可靠性是评价不确定系统性能的重要维度。论文第五章建立了需求不确定下网络服务水平可靠度的解析型评估方法。针对不同的数据条件，1）解析推导了路段流量多种典型分布下服务水平可靠度的精确表达式;2）在没有路段流量完整分布信息的前提下，解析推导了服务水平可靠度的近似表达式。解析型评价方法，避免了MonteCarlo模拟方法的高计算成本。近似估计方法不需要各路段流量的完整分布信息，而只需要交通量观测得到的几个常用统计值。这种优势在网络中路段流量服从不同类型分布时尤为突出。将不同路段的流量拟合为不同概率分布类型时，其拟合工作量和复杂性会显著增加。　　 (3)需求不确定环境下效率和可靠性导向的交通网络设计方法　　论文第六章建立了需求不确定下效率导向的交通网络设计模型。以均值-超量系统总旅行时间(METTT)的最小化为目标，优化有限资源下的网络增容方案。该模型对规划者的网络决策行为描述与对出行者的路径选择行为描述具有一致性，均采用均值-超量旅行时间的概念，能够同时捕捉路径选择决策和网络设计决策中的可接受风险和不可接受风险。算例分析表明，基于METTT最小化的网络设计，不需要规划者非常精确地设定他们对网络设计的可靠性要求。这种鲁棒性降低了对输入参数精度的要求，提升了该方法在实际应用中的便利性。　　论文第七章建立了需求不确定下以提升网络服务水平可靠性为导向的网络设计模型和网络增容投资估算模型。可靠性导向的网络设计模型以网络服务水平可靠度的最大化为目标，在资源约束下优化网络增容方案。网络投资估算问题是网络设计问题的反问题。可靠性导向的网络增容投资估算模型估算达到既定网络服务水平可靠度要求所需要的最低增容费用。该两个模型的特点在于:在网络设计和投资决策建模中体现了规划者所关心的网络整体服务水平可靠性要求，在路径选择行为建模中体现了出行者的风险规避路径选择行为，可以同时捕捉供给方和需求方的可靠性要求。此外，还探讨了效率导向和可靠性导向的网络设计之间的相互关系，并分析了规划者的可靠性要求与网络增容投资之间的非线性关系。
作者：	许项东
专业：	交通运输工程
导师：	程琳
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文