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一种基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法技术

技术编号:19240423 阅读:34 留言:0更新日期:2018-10-24 03:57
本发明专利技术提供了一种基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法。在城市交通网络规划时,要避免道路交通流量分配不均衡的问题,即部分路段过于拥挤而部分路段流量偏少,前者容易损坏道路而后者对道路资源没有充分使用。为了均衡利用道路资源,使各路段服务水平保持在一个相近的水平,本发明专利技术建立了一个基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法。主要步骤包括:(1)建立城市离散交通网络设计的双层规划模型,上层目标为道路负载均衡,约束条件为资金预算,决策变量为候选路段的建设方案,下层为用户均衡;(2)采用迭代优化算法对模型进行求解;(3)结合交通网络分析中常用的Nguyen‑Dupuis网络描述了具体实施方式和该方法的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法
:本专利技术涉及一种基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法,属于交通工程

技术介绍
:交通网络设计问题是一个考虑使用者路径选择行为,并且在给定约束条件下,选择改建或者新建的路段,从而使得某种网络性能最优化的问题。该研究问题是交通规划领域研究的重点和难点,极具挑战性,引起了许多学者的研究兴趣。交通网络设计问题属于典型的领导者-跟随者的双层规划问题,其上层问题为交通网络的某种性能最优化,下层问题通常为用户平衡问题。常见的网络性能包括系统阻抗、环境污染、备用能力、公平性、可达性、不确定性等。根据决策变量的不同,交通网络设计问题又分为离散交通网络设计、连续交通网络设计问题和混合交通网络设计问题。其中,离散交通网络设计是指在投入资金有限的情况下,采用定量方法研究在现有路网上选择新建某些路段的问题,属于交通规划的方案设计部分。为了均衡利用道路资源,为了给道路使用者提供相似的驾驶环境,为了提高交通网络的可持续性和安全性,本专利技术建立了以道路负载均衡为目标的城市离散交通网络设计方法,并给出了求解算法。
技术实现思路
:技术问题:实际交通网络中常常存在道路负载不均衡的问题,即部分路段交通流量很大,而部分路段交通流量很少。该问题导致交通网络的可持续性和安全性降低。首先,由于长期超负荷运行,拥挤道路的路基和路面都易受到损坏,降低该路段的通行能力,降低交通网络的可持续性。其次,由于各路段的驾驶环境不同,容易诱发交通事故,降低交通网络的安全性。因此,在交通网络规划阶段,应该建立以道路负载均衡为目标的交通网络设计方法。技术方案:本专利技术的基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法,主要包括以下步骤:步骤1:建立城市离散交通网络设计模型。本专利技术采用Wardrop用户均衡原理作为网络用户对不同政策的行为反应,建立了一个双层规划模型用于城市离散交通网络设计,其上层为道路负载均衡,下层为用户平衡模型。上层决策变量为ya,表示是否修建某条候选路段a,为0-1变量,a∈A,所有的候选路段构成0-1决策向量y。上层决定新建道路方案后,下层形成平衡状态网络流xa,也就是说路段流量xa是决策向量y的函数,表示为xa(y)。另外,道路网的规划受到资本的约束。假设单位长度的路段修建成本为ua,则长度为la的路段修建成本为uala。因此,双层规划问题表示为:其中A为候选建设的路段集合;B为新建道路的资金约束;xa为路段a上的交通流量;为自由流行驶时间,即路段a为空净状态时车辆自由行驶所需要的时间;ca为路段a的通行能力,即单位时间内路段可通过的车辆数;ta(xa,ca)为路段a以交通流量为自变量的阻抗函数,也称为行驶时间函数;为出发地为r目的地为s的OD间的第k条路径上的流量;为路段-路径相关变量,即0-1变量,如果路段a属于从出发地为r目的地为s的OD间的第k条路径,则否则qrs为出发地r和目的地s之间的OD交通需求量。步骤2:使用迭代优化算法进行求解。其上层采用枚举法,下层采用Frank-Wolfe算法。算法的基本思路是对上层满足约束的可行方案计算下层平衡网络流量和路段速度,再根据路段速度计算上层的目标函数,比较所有可行的方案,最后确定最优的目标函数方案。上述步骤2所述的迭代优化算法具体归纳如下:步骤1:生成一个建设方案,判断其是否满足上层约束,如果不满足再生成一个新的建设方案,直到得到一个可行的建设方案y,令m=1;步骤2:初始化:按照进行一次0-1交通流分配,得到各路段的流量令n=1;步骤3:更新各路段的阻抗:步骤4:寻找下一步的迭代方向:按照再进行一次0-1分配,得到一组附加交通量流量步骤5:确定迭代步长,求满足下式的λ:步骤6:确定新的迭代起点:步骤7:收敛性检验:如果满足规定的收敛准则,如其中ε是预先给定的误差限值,则即为要求的平衡解,停止计算,否则令n=n+1,返回步骤1;步骤8:计算道路负载均衡水平:根据公式(1)计算该方案下道路负载均衡水平Dm,转入步骤1,计算下一个可行方案,当所有可行方案计算完毕后,停止计算,从所有可行方案中寻找上层目标函数最优的建设方案。有益效果:本专利技术提供一种基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法,目的是为了均衡利用道路资源,为了给道路使用者提供相似的驾驶环境,为了提高交通网络的可持续性和安全性。本专利技术建立了以道路负载均衡为目标的城市离散交通网络设计方法,并给出了求解算法。最后,采用交通网络分析中常用的Nguyen-Dupuis网络验证了该方法的有效性。附图说明:图1是迭代优化算法的流程图。图2是Nguyen-Dupuis测试网络,其中虚线段为候选建设路段。图3是不同方案下道路负载均衡的水平。具体实施方式:下面结合说明书附图,对本专利技术作进一步说明:步骤1:城市离散交通网络设计模型通常使用道路实际流量与该路段通行能力的比值作为道路的负载水平。假设路段a的流量为xa,通行能力为ca,则该路段的负载水平表示为xa/ca。本专利技术提出交通网络设计应该以各路段负载水平保持均衡作为政策目标,即以各路段负载水平的方差最小为政策目标,表示为:其中n为交通网络中路段的数目。考虑到拥挤效应,路段行驶时间为交通流量的函数ta(xa),其中xa为路段交通流量。本专利技术采用Wardrop用户均衡原理作为网络用户对不同政策的行为反应,建立了一个双层规划模型用于城市离散交通网络设计,其上层为道路负载均衡,下层为用户平衡模型。上层决策变量为ya,表示是否修建某条候选路段a,为0-1变量,a∈A,所有的候选路段构成0-1决策向量y。上层决定新建道路方案后,下层形成平衡状态网络流xa,也就是说路段流量xa是决策向量y的函数,表示为xa(y)。另外,道路网的规划受到资本的约束。假设单位长度的路段修建成本为ua,则长度为la的路段修建成本为uala。因此,双层规划问题表示为:其中A为候选建设的路段集合;B为新建道路的资金约束;xa为路段a上的交通流量;为自由流行驶时间,即路段a为空净状态时车辆自由行驶所需要的时间;ca为路段a的通行能力,即单位时间内路段可通过的车辆数;ta(xa,ca)为路段a以交通流量为自变量的阻抗函数,也称为行驶时间函数;为出发地为r目的地为s的OD间的第k条路径上的流量;为路段-路径相关变量,即0-1变量,如果路段a属于从出发地为r目的地为s的OD间的第k条路径,则否则qrs为出发地r和目的地s之间的OD交通需求量。对于行驶时间函数ta(xa,ca)的研究,既有通过实测数据进行回归分析的,也有进行理论研究的。其中被广泛应用的是由美国公路局(BureauofPublicRoad,BPR)开发的函数,被称为BPR函数,形式为:其中α和β为阻滞系数,在美国公路局交通流分配程序中,取值分别为α=0.15和β=4,也可以由实际数据回归分析求得,ca为路段a的通行能力。步骤2:迭代优化算法城市交通网络设计的双层规划模型是一个NP-hard的问题,是一个具有十分挑战的问题。学者们提出了很多方法,主要有迭代优化算法(IOA)、基于(近似)梯度的算法、遗传算法、模拟退火法等。本专利技术采用迭代优化算法,其上层采用枚举法,下层采用Frank-Wolfe算法。算法的基本思路是对上层满足约本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法,其特征在于包括以下步骤:步骤1:建立城市离散交通网络设计模型,本专利技术采用Wardrop用户均衡原理作为网络用户对不同政策的行为反应,建立了一个双层规划模型用于城市离散交通网络设计,其上层为道路负载均衡,下层为用户平衡模型,上层决策变量为ya,表示是否修建某条候选路段a,为0‑1变量,a∈A,所有的候选路段构成0‑1决策向量y,上层决定新建道路方案后,下层形成平衡状态网络流xa,也就是说路段流量xa是决策向量y的函数,表示为xa(y),另外,道路网的规划受到资本的约束,假设单位长度的路段修建成本为ua,则长度为la的路段修建成本为uala,因此,双层规划问题表示为:

【技术特征摘要】
1.一种基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法,其特征在于包括以下步骤:步骤1:建立城市离散交通网络设计模型,本发明采用Wardrop用户均衡原理作为网络用户对不同政策的行为反应,建立了一个双层规划模型用于城市离散交通网络设计,其上层为道路负载均衡,下层为用户平衡模型,上层决策变量为ya,表示是否修建某条候选路段a,为0-1变量,a∈A,所有的候选路段构成0-1决策向量y,上层决定新建道路方案后,下层形成平衡状态网络流xa,也就是说路段流量xa是决策向量y的函数,表示为xa(y),另外,道路网的规划受到资本的约束,假设单位长度的路段修建成本为ua,则长度为la的路段修建成本为uala,因此,双层规划问题表示为:其中A为候选建设的路段集合;B为新建道路的资金约束;xa为路段a上的交通流量;为自由流行驶时间,即路段a为空净状态时车辆自由行驶所需要的时间;ca为路段a的通行能力,即单位时间内路段可通过的车辆数;ta(xa,ca)为路段a以交通流量为自变量的阻抗函数,也称为行驶时间函数;为出发地为r目的地为s的OD间的第k条路径上的流量;为路段-路径相关变量,即0-1变量,如果路段a属于从出发地为r目的地为s的OD间的第k条路...

【专利技术属性】
技术研发人员:林宏志褚晨予
申请(专利权)人:东南大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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