《城市道路交通网络设计模型解读》由会员分享，可在线阅读，更多相关《城市道路交通网络设计模型解读（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、城市道路交通网络设计模型摘要：随着城市人口的迅速增加，交通运输供给能力呈现出不足，如何从总体交 通出发，提出科学的、系统的、最佳的交通网络方案，满足人们的交通需求已成 为了很多城市交通建设的一个重点。在分析和总结现有城市道路交通网络设计研 究成果的基础上，本文首先根据机动车在路段上的行驶状况，引入两个与出行时 间关联的尾气排放因子，即路段正常行驶时的尾气排放因子和交叉口排队等待时 的尾气排放因子，进而给出适用于城市交通网络设冲问题的尾气总排放量计算公 式；然后用双层规划方法综合优化信号灯配时和道路能力改善方案，建立模型， 以达到最大程度地降低交通尾气总排放量。并通过增广拉格朗日乘子算法求解模
2、型。研究环境因素影响下的城市道路交通网络，对城市环境优化，道路通行能力 以及最大限度的满足人们日常生活的需要有着很重要的意义。关键词：道路网络设计；双层规划；平衡配流；增广拉格朗日松弛算法The design model of Urban road traffic networkAbstract ： With the urban population rapid increasly,the supply of transport capacities become lacking, how to meet the transport needs of people has become a m
3、ajor focus of many urban transportation. In analysis and summary existing city road traffic network design research,this papers first according to the vehicle traveling condition, and a formula for total-emission calculation, applicable to transportation network design, is proposed. Signal timing an
4、d road network design problems are simultaneously optimized to minimize the total emissions by using the bi-level programming approach. The bi一level programming model can determine the optimal road capacity enhancement,and the optimal signal circle and signal split with the objective being total emi
5、ssion minimization. Based on the Augment Lagrange algorithm, a simple global solution algorithm is designed for the bi一level programming mode.Study urban road network, urban environment, road capacity and the maximum to meet the needs of daily life on environmental factors of has a very important si
6、gnificance.Key words： Urban network design;Bi-level programming;Traffic equilibrium assignment; Augment Lagrange algorithm1研究背景、目的及意义1.1研究城市道路交通网络设计问题的意义近年来,随着经济的发展和城市化进程的加快,城市机动车拥有量急剧增加， 交通拥挤越来越严重，环境污染问题越来越突出。以乌鲁木齐为例，截至2010 年6月20日，乌鲁木齐机动车保有量已达302866辆，而私家车保有量达163645 辆，占据了 “半壁江山”。目前，车辆仍在以年均17. 4%的速度增
7、长，而主要干 道通车里程的增长速度每年不及4%o如果按照这样的增长速度，预计到2012年, 机动车保有量将达42万辆左右，道路里程约2700余公里。目前.，乌鲁木齐驾驶 人员已达到347738人，车辆引发的各种交通问题也越来越多。因此，合理规划 城市道路交通网络非常重要，它是缓解城市道路交通阻塞，设置合理运行方式的 重要手段。综上所述，研究城市道路交通网络设计相关问题的重要性有以下3点：(1)从解决目前我国大中心城市普遍存在的交通拥挤状况，交通带来的环境 污染问题及合理使用土地的问题中，城市道路交通网络设计是最重要的也是最有 效的对策。(2)从城市道路交通规划的角度，由城市道路交通网络设计问题
8、中得到的最 优建设投资方案，可以供规划部门进行有效的决策和实施。(3)从我国经济基础薄弱而导致的城市交通投资有限性来说，城市道路交通 网络设计问题可以让政府有限的资金取得最佳的经济和社会效益。1.2 环境因素影响下的城市道路交通网络随着城市经济的发展，城市道路交通网络发挥着越来越重要的作用，由于城 市人口，出行时间以及出行活动的增加，产生了更多的人、车交通量。而城市有 限的空间乂不可能无限的满足交通需求。由此导致了大多数城市的交通环境污染 越来越严重，所有这一切都促使人们不停地关注交通网络问题，不停地提出规划 与设计方案，以缓解交通拥堵及其带来的一系列问题。一般来说，在城市道路交 通网络中存在
9、的主要问题有：(1)道路负荷过重，道路拥挤严重。交通量过大，造成道路负荷过重，车速 随之下降，山道路上车速与密度之间的关系可知，随着道路上车流密度的增加， 车速呈下降趋势，直至为零，从而造成交通阻塞。产生交通阻塞的根本原因在于 道路上实际的交通流量大于道路能够提供的通行能力。(2)交通安全。现代化的交通运输是城市生产和生活的重要支柱，但随之而发生的交通事故给人民的财产带来了巨大的损失。(3)交通造成的城市污染。城市中大量机动车辆会带来非常严重的空气污染 和噪音污染，其中汽车废气中包含有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、硫的 氧化和物、铅的氧化合物及烟尘等。不同车辆和不同的燃油类型所排放的废气成
10、 分和数量有所不同，但无论什么车辆、无论何种燃油类型，当交通拥挤时，车辆 运行速度放慢，排放出的废气总量就更大。同样，道路上的交通量越大，距离道 路越近，感受到的噪声级就越高。交通环境对于城市道路的通行能力及居住人群的出行意愿都有着很大的影 响。因此，研究考虑环境因素下的城市道路交通网络设计问题，是十分必要的。1.3 论文结构安排第一章：概述城市道路交通网络研究的背景、目的及意义，并对本文主要的 关于环境因素影响下的城市道路交通网络作初步介绍。笫二章：对研究城市道路交通网络的发展现状及考虑环境因素下的城市道路 交通网络发展现状做初步介绍。第三章：介绍双层规划模型及城市交通网络平衡配流模型，及双
11、层规划问题 的算法，并就本文中所涉及的增广拉格朗日乘子法做相应的说明。笫四章：建模：构造考虑环境因素的双层规划模型的优化模型，确定上层目 标函数及下层约束条件。第五章：求解：运用增广拉格朗日乘子法求解双层规划模型，将双层规划模 型转化为单层模型，并运用算例对模型及算法的有效性进行验证。第六章：对本论文的有关内容进行全面的总结。2研究城市道路交通网络设计发展的现状2.1国内外发展现状近几年来，国内外很多学者将NDP与交通信号优化设置、交通污染控制、 拥挤道路收费和合理利用土地等问题结合起来，研究出了具有实际应用价值的综 合交通网络设计问题，并取得了一定进展。Shan和Gao (1999). Li
12、n和Feng (2003) 以及赵彤和高自友(2003)等研究了土地利用与交通网络设计的组合问题。刘灿齐 (2003)考虑到交通枢纽对交通网络的反作用，提出了交通枢纽选址与网络设计同 时优化的双层决策模型。Li等(2004)提出了一个道路网络交叉口信号配时模型, 其运用综合优化手段，最大限度地降低单个交叉口延误时间、尾气排放量和能源 消耗等。张贝等(2005)应用双层规划模型研究了环境污染限制下的物流网络设冲 问题。赵彤和高自友(2006)研究了环境污染限制及最优信号控制条件下的离散网 络设计问题，并给出了相关双层规划模型及求解算法。高自友等(2000)出版了 国内第一部NDP方面的学术专著，
13、较全面地总结研究了城市道路交通连续平衡 网络设计及相关问题(如,与信号控制、土地使用等同时优化)的理论与方法。刘 伟铭(2004)在关于道路收费系统研究的学术专著中，引入双层规划描述高速公路 网络管理者、收费道路经营者和道路使用者在网络设计问题上所处的地位、目标 和决策作用，综合优化高速公路收费路段的位置与容量、投资规模和收费道路的 费率，较全面地研究了高速公路平衡网路设计问题。2 . 2考虑环境因素下的城市道路交通网络发展现状交通环境对于城市的规划与发展，有着很重要的作用。为了减少环境因素对 于城市道路交通的影响，Ferrari (1995)提出，可以对交通网络中的某些道路采 取收费的办法限
14、制路段上的流量，进而将交通需求量限制在给定的环境要求之 内。通过限制道路上的交通流，使整个交通需求量得到控制，从而找到满足环境 能力限制的最优解。Yang (1997)等讨论了路段环境能力限制情况下的交通需求 平衡问题，并拓展Ferrari (1995)的研究成果，采用数学规划方法描述了排队等 待情况下的需求变动交通连续网络平衡问题。但在Yang (1997)等的讨论中没 有考虑城市交通信号对路段通过能力及对路口环境污染的影响以及如何通过提 高整个网络的交通需求量来满足日益增长的交通需求问题。Gao (2002)等考虑 了交通信号控制条件下如何提高网络交通需求量的问题。Rilett和Bened
15、ekC 1994) 研究了基于CO排放量的用户平衡配流问题和系统最优配流问题。杨文国(2003) 等讨论了广义用户最优平衡配流问题(GUE)以及广义系统最优平衡配流问题 (GSO)o但是上述文献都是以确定用户平衡配流模型为基础，且Yang (1997)和 Gao (2002)等考虑的是连续平衡网络设计问题，当在网络中修建新的路段时， 该模型就无法进行描述了。本文以考虑环境因素下的城市道路交通网络设计问题为研究方向，首先根据 机动车在路段上的行驶状况，引入两个与出行时间关联的尾气排放因子，即路段 正常行驶时的尾气排放因子和交叉口排队等待时的尾气排放因子，进而给出适用 于城市交通网络设计问题的尾气
16、总排放量计算公式；然后用双层规划方法综合优 化信号灯配时和道路能力改善方案，建立模型。以达到最大程度地降低交通尾气 总排放量的目的。3 .双层规划模型3.1 双层规划模型简介由于实际的规划、决策问题都是庞大且复杂的系统，涉及到各种各样的影响 因素，关系着各个部门、单位和个人的具体利益，一般情况下，规划采用的决策 方法往往是多层次的系统决策方法，而不是单一层次的决策方法。多层规划问题的一个重要特点就是可以应用在多层决策问题中，在各个层次 的决策者都有其各自的目标函数，在某种程度上，本层的决策空间是有其他层次 决定的。此外，某一层次的决策者通过特定的方法和手段以影响其他各层的决策 制定，从而达到优化其自身目标函数的目的。另一个重要特点是：决策变量的控 制权分别属于各层的决策者，而在传统的单层规划中，决策者同时控制所有的决 策变量。双层规划问题是多层次规划问题的一种特例，其中只有两个层次，两种决策 者。由于交通投资决策过程涉及到政府部门和公众的相
