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原文传递基于Dial算法的多阶段动态交通分配研究

论文题名：	基于Dial算法的多阶段动态交通分配研究
关键词：	交通拥堵;多阶段动态交通分配;Dial算法;启发式步骤;智能交通系统
摘要：	城市在人类居住、社交活动、商业运作、物资集送和休闲娱乐等方面具有着非常重要的作用，交通则是城市运作的基础。作为社会发展的必要条件之一，城市道路交通关系到了生活的各方面。　　联合国人口基金会(UNPF)于2007年发布的世界人口状况报告指出，全球正经历着空前的城市化，发展中国家与地区更是如此。预计21世纪初的前30年内，整个亚洲地区的城市人口会增长一倍之多；非洲地区则为一点五倍左右。曾有报道显示全世界的人口总数在08年超过了农村总数，也就是说将有超过一半生活在城市里。　　中国正在快速地进行着城镇化，年均月1800万农村人口进入城市。尽管当前城市化率仅仅为4成，但是按照目前的速度来看,未来城市化的比例将会超过5.5成，到2050年将占7.5成。每年将有几千万的农村人口进入城市。中国的660多个城市，未来中国超过半数人都是城市居民，将会有83个人口在750万以上的城市。　　人们的日常生活离不开出行。一般来讲，随着人口的增加，交通出行也会伴随着上升，尤其是城市地区。随着社会的不断发展和人们生活水平的日益提高，拥有自己的汽车已经成为了很普通的事情，汽车零售业也随之有了很快的发展，由此使得私家车辆越来越多。但与此同时，即使是道路扩建，道路的通行能力增加却还是没有跟上交通需求增长的速度，从而产生了交通供给之间的冲突，产生了诸如交通事故、交通延误和环境污染等社会问题。不光是在发展中国家，被称为诸多问题之源的交通拥堵已经成为了包括发达国家在内的一个让人头痛的事情。日益严重的城市交通拥挤、阻塞等似的交通秩序恶化，已经影响了现代化城市建设，制约了经济的发展。　　对于一些地区由于人们的生活区和工作区域距离较远，因此出行者普遍使用私家车作为交通工具，然而由此产生的道路交通量不断增加使得交通拥挤加剧，交通事故也在增加。在日本东京，道路拥挤度在1.0以上的道路长度占总道路长度的一半以上，1.5以上的路段则超过了16％。交通拥挤对经济、社会与环境等诸多方面造成了严重的影响，包括延误、低速导致时间损失和燃料费用增加，以及阻塞造成的频繁启动、停止、加速，增加了排污量从而恶化了环境。此外出行者烦躁不安，容易诱发事故并严重影响人们的生活质量，从某种程度上还会导致了经济萧条。据美国德克萨斯交通运输研究所估计，在2000年，全美75个大城市共有交通延时总计约为36亿车时，致使约57亿加仑的燃料损失和675亿美元的经济损失，折合全美国内生产总值的0.7%。研究还估计每年大城市和小规模城市中的出行者因拥堵要损失分别约1000和200美元。主要城市中的交通拥堵不断上升并有向小城市和郊区蔓延的趋势。　　由于交通拥挤，人均上下班通勤时间增加了1.5个小时，并导致商业车辆在交通运输中的延误，增加了运输成本，所造成的经济损失逐年大幅增长。整个欧洲地区的经济损失中单就交通拥堵问题所造成的就有将近超过五千亿欧元。北京每年投资100多个亿进行路网扩建，依然无法应对大幅增长的交通量。　　美国在20世纪尾期平均每年车时快速增加，而与之形成鲜明对比的是道路建设没有一点增加，这导致高峰时期城市某些路段中有超过一半的车辆处于拥堵状态。2010年八月河北省110国道发生了一次被认为是全球有史以来最严重的大拥堵，其长度竟达100公里，时间从14日一直持续到26日。拥堵原因由路面施工与来自内蒙古煤矿的成千上万的运煤车所导致。《纽约时报》评论将此次拥堵调侃为“2010年中国拥堵之最”北京市内的拥堵路段已由60多处，增加到目前的80多处。2010年末，北京采取了严厉的措施来应对市内的交通拥堵，这其中包括把每月上新车牌照的数目控制为2万个，并限制非北京牌照的外地车辆在高峰时期不得驶入北京五环以内区域。　　目前国内外不同国家虽然通过各种方法来发展城市交通，以便提高交通运输的效率，但是交通拥堵依然被当成一个难以解决的问题。交通拥堵研究因此也越来越受到各国政府的重视与关心。城市交通对经济发展和居民生活水平意义重大，是整个城市得以运作的渠道。正因如此，对交通拥堵问题的解决探讨吸引了很多研究学者的目光。然而到目前为止，解决城市的交通拥堵的办法依然存在很大问题，近几十年以来，各种交通堵塞、道路拥挤的频繁出现困扰着国内外的各大城市，解决交通拥堵迫在眉睫。　　国内的交通问题研究相比国外来说起步比较低，基础交通设施也比较落后。如此一来，交通问题就会随着经济的快速增长而显现出来，城市的发展与出行量的增长给公共交通供给提出了非常严峻的挑战。城市化的大趋势与经济进步使得城市交通需求量大大增加，在大中城市里更是如此，这致使交通拥堵在我国各大城市里处处可见，并衍生出交通低安全性、城市污染加剧等种种问题。面临道路的供不应求，我国对城市道路交通建设进行了大力投资，二十一世纪初，国内高速公路总里程达到6.5万公里，平均每年新增0.5万公里，然而部分路段的堵车情况仍然存在，而且愈发严重。国内当前的城市道路总长为267000万公里，城市道路面积为4.82万平方公里，但是人均所拥有的道路面积仅为12.83平方米，同比上一年增加2.8%、6.54%和0.62%，城市道路建设改造的步伐远跟不上汽车出行量增长脚步。许多大中城市里的拥堵问题也就因此愈来愈严重。　　随着居民生活质量的不断上升，城市交通的出行者不再只是满足于到达目的地这么简单，而是对这样一个过程中出行的安全性与舒适度有了较高的要求。快速舒适的交通出行已成为交通中比不可少的一个方面。也就是说，人们已经不单纯从交通硬件设施来考量服务标准，更从高质量的体验（能否舒适安全到达目的地）来考虑。也正因如此，交通拥堵则更不能为人们所容忍。　　由于我国的交通道路设施相比国外要落后很多，随着近年来人民生活水平提高，私家车保有量持续增长，而道路设施建设虽然有所增加，但是速度有所放缓。这似乎让人觉得是因为基础设施与需求不匹配导致交通拥堵，进而降低了出行质量。然而事实是，即使让国内的道路设施达到发达国家水平，仅仅盲目的投入基础建设投资效果会和美国等发达国家一样吸引更多的交通需求，不能解决城市道路供给能力不足问题，反而会使问题恶化。此外，城市道路拥堵还因为交通流组织等其他方面的原因的影响而恶化，这也直接造成了交通事故的频频出现。　　发生交通拥堵的原因一部分源于交通设施，例如城市的规划布局与道路网络结构不合理、设施配置不当或者数量不够，或交通需求出现一边倒情形，使得部分区域的交通供给能力处于超负荷状态；对于交通管理的措施没有符合交通控制的要求，从而导致交通构成不合理；交通需求分布不均匀也可导致交通资源浪费，部分高成本铺设的路段可能因为需求分布不均匀而从未被充分利用过。有种普遍的想法认为提高城市道路网通行能力与使用效率就能解决交通拥堵问题。然而不管是哪一个大城市，对路网的扩充与建设能力都不是没有限制的，一方面是资金问题，其次是客观的地形要素使得要在城市中设置新的交通设施变得非常困难。其次，对城市路网的规划是一种长期性的行为，它是为了适应远期交通需求的一种战略性的措施，无法立刻缓解暂时比较严重的拥堵问题。与之相比较，通过对交通流的全面管理和有效控制可以起到比较好的效果，而且可以根据交通时实动态的变化做出及时的调整。不管是通过对路网需求管理还是分析，都可以明显地优化交通流，从而实现对交通的有效管理。　　为了能够提高整个公路网络的交通容量，可以通过一些诸如对新道路进行扩建，设置立交桥，架设高架道路网和原路改造的方法来实现。但是要让道路的交通资源得到百分百的利用，还是要通过与交通流相关的理论知识来进行引导。与交通管制有关的技术应用方面，经过了多年的努力研究，最终有了一定的效果。但随着国内近几年的车辆使用数目巨增，国内城市的拥堵局面依然非常严峻，总体呈现为高频率发生，并持续很长时间，而且有蔓延的趋势的过饱和交通流拥堵。然而以往对此类情形的研究存在一定的缺陷，从而使得对交通流分配与规划方面的研究显得格外重要。　　中国的修建的公路总长在二十一世纪初已经位于世界第二，但是从全国来看，交通拥堵问题现象依然很普遍。对交通拥堵最普通直观的反应就是通过拓宽旧路或建立更多的新路来应对。但与此同时，这样也会导致更多的交通需求量增大或者引起其他路段的拥堵问题。此外，Braess悖论表明即使交通需求量不增加的前提下增加现有道路容量也可能导致交通拥堵恶化。为此人们采用了一些量化方法来应对交通问题。而Wardrop原则与四阶段法是交通研究的基础，其中后者由于其扮演着重要的角色而在交通评价中被广泛地使用，交通分配可以说是该四阶段法中作用比较突出的一个了，交通分配将四阶段发之前得到的数据进行分配，从而推测各条道路上的交通量，其分配结果成为交通决策者的主要决策参考，从而影响着决策的好坏。　　单纯靠传统的方法解决交通拥堵问题是很难取得理想效果的。从关联的角度来考虑的话，它们之间是有一定关系的，从本质上讲这其实是从宏观上出行者对交通提供高服务的企盼与现实状况较差所形成严重分歧的间接表现。如果仅仅从某一个角度片面的解决，则会引起其它问题的加剧甚至恶化。由于城市的网络系统规模很大并且非常繁杂，因此要解决其中的问题就属于解决一项系统化的问题，这需要从整体的角度出发。要解决城市网络中的交通拥堵问题，必须要弄清其中的一些规律，这就要使用一些诸如交叉类的理论知识和方法，特别是在最近几年的信息智能化过程中，要掌握各种最新的与交通运输规划相关的知识与技能，只有这样才能较好地解决问题。美国于上个世纪末提出的智能交通系统(ITS)，则是在信息智能化这样一个背景下具有多方面解决交通问题的代表。　　智能交通运输系统（ITS）由于其属于智能化的先进运输系统，正在被全球世界各国加以开发、推广，以结合自身情形应用到交通运输网络中去。而作为智能交通系统理论核心部分的道路交通流分配也在交通诱导控制系统方面起到了关键的作用。这无疑为智能交通在不同技术结合方面提供了更坚实的基础。　　由于城市道路交通网络规模与复杂程度都比较大，因此在研究与其有关的问题过程中，很有必要采用一些与系统工程有关的知识。交通运输规划与管理者在着手相关的管理规划措施的过程中，要以系统化的思维来做出决策，需要把公共交通中与出行者、车辆、道路等因素考虑在内，并采取相关技术将这些因素结合起来，从而形成一个高整合的城市道路网络系统。智能交通系统就是在这样的背景下应运而生的。这其中包括的子系统主要有高级交通管理系统、高级出行信息系统、高级车辆控制系统、高级公交系统等。　　智能交通系统现在在包括通讯、自动控制、内置图像处理技术在内等硬件方面的快速发展；由于在计算机程序领域中对动态交通有关的各种网络模型和求解算法较为稀少，这导致了对较大规模的网络进行智能管理遇到阻碍。问题的原因是人们对于复杂的动态交通网络的各种行为和特性在理论上的分析和研究不够深入和细致所导致，于是最为重要的关键核心技术基础之一的城市道路网络交通配流问题必然得到各国学者的广泛研究。当前一些针对较大城市交通网络交通分配的模型算法由于其自身还存在一些缺陷，因此在描述和求解过程中与现实情况还有出入。在研究城市动态交通网络过程中，已经有了很多对不同交通状况下针对出行路径决策的研究。然而对有关基础的交通出行模型和其能否反应实际交通状况的相关讨论不足，其中包括出行道路的交通阻抗是否能较好地反映真实交通状况，这将会直接影响交通分配的结果，对决策者的规划有着非常重要的参考作用，并且限制了动态交通分配理论与应用研究的进展。　　在智能交通系统里，实时信号控制与车辆诱导系统共同承担着交通系统的在线管理。由于他们在操作上有着一定的区别，期初在设计阶段二者是分别进行的。事实上，将实时信号控制与车辆诱导系统进行有效整合利用会对城市交通拥堵的疏解起到很好的效果。宏观上讲，他们在理论和实践上都是密不可分的，所以应予以结合应用。这就使得实时信号控制与车辆诱导系统的整合研究成为了交通运输规划与管理的一个研究分支，也成为了广大研究者热衷于讨论的一个课题。然而，这也是基于动态交通流分配这一重大课题的。　　宏观交通流理论是交通流理论体系的重要组成部分，随着城市交通问题的日益突出，交通科学对宏观交通流理论的需求日益迫切。将道路交通流和网络交通流结合为一体的连续型动态交通分配（DTA）模型，现如今，智能交通系统在诱导技术领域里，其理论基础主要体现在能否较好分析、反映交大规模交通网络系统的宏观动态特性。　　由于静态交通分配方法不能较好的反映出真实情况的交通拥堵状况，而动态交通分配的模型目前的求解计算过于复杂，为了在反映拥堵特性与计算复杂性之间相平衡，文章结合静态交通分配和动态交通分配的特点，在基于Dial算法的基础上对交通路网进行多阶段动态交通分配。针对基于Dial算法的多阶段动态交通分配方法制定出相应的启发式计算方法，文章通过算例对线性路段行程函数、非线性路段行程函数和单起点单终点、单起点多终点的路网进行交通分配，并将用BPR函数进行交通分配路网的结果与其它同类函数分配的结果进行比较来证明基于Dial算法的多阶段动态交通分配的正确性与可行性。
作者：	匡荣杰
专业：	交通运输规划与管理
导师：	广晓平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文