城市离散交通网络主动安全设计的R语言实现方法技术

本发明专利技术针对基于主动安全的城市离散交通网络模型，提供了一种求解算法并使用R语言程序来实现。本发明专利技术采用速度协调性作为网络安全水平的替代指标，建立了城市离散交通网络设计的双层规划模型，将主动安全评价提前到了道路网络规划阶段。主要步骤包括：(1)确定基于速度协调性的主动安全评价方法；(2)建立城市离散交通网络设计的双层规划模型，其中上层规划以网络安全作为政策目标，下层规划以用户均衡作为政策的行为反应；(3)采用迭代优化算法进行模型求解；(4)设计R语言程序来实现求解方法；(5)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。使用R语言来实现模型的求解具有开源免费、可操作性强等技术优势。

R language implementation for active safety design of urban discrete traffic network

The invention provides an algorithm for solving the urban discrete traffic network model based on active safety and realizes it by using R language program. The invention adopts speed coordination as an alternative index of network security level, establishes a bi-level programming model of urban discrete traffic network design, and advances the active safety evaluation to the stage of road network planning. The main steps include: (1) determining the active safety evaluation method based on speed coordination; (2) establishing a bi-level programming model for urban discrete traffic network design, in which the upper level planning takes network security as the policy objective, and the lower level planning takes user equilibrium as the policy behavior response; (3) using iterative optimization algorithm to solve the model. Solution; (4) Design R language program to realize the solution method; (5) Describe the specific implementation method combined with Nguyen Dupuis network commonly used in traffic network analysis. Using R language to solve the model has the advantages of open source and free operation.

【技术实现步骤摘要】
城市离散交通网络主动安全设计的R语言实现方法
：本专利技术针对基于主动安全的城市离散交通网络模型，提供了一种求解算法并使用R语言程序来实现，属于交通工程

技术介绍
：传统的交通安全治理是在道路运营期间通过对大量事故统计分析，诊断识别危险路段和事故黑点，进而提出相应改善措施，这属于事后补救，这种做法一般归结为“被动交通安全”。通常其受改造成本巨大、事故资料收集困难以及资料的准确性等问题影响收效甚微，同时由于事后补救的措施多限于交通工程手段，对于许多由于道路规划和设计等因素造成的危险路段改善效果欠佳，不能从根本上解决交通事故频发的问题。随着对被动交通安全的研究，人们开始认识到如果将交通安全理念提前应用于事前，即在道路的规划和设计阶段，是一种有效的交通安全治理途径，可以起到防患于未然的作用，这种做法称为“主动交通安全”。随着交通运输业的不断发展，主动交通安全理念已经成为本领域的一个新的发展方向，但其主要应用于道路的详细设计阶段，而在道路网规划阶段则很少加以考虑。交通规划师和工程师一般认为满足强制性设计规范的要求即可保证道路的安全性，道路交通安全不是他们所考虑的主要问题。他们往往发现，即使考虑了道路交通安全因素，所能做的工作也仅能局限在与交通安全有关的具体设计细节，而许多引发交通安全问题的根源，如交通的产生和吸引、安全交通方式的选择，路网的安全性甚至道路开口的设置等都不是一条或几条道路的设计改善所能解决的。事实上，交通安全受交通系统规划、设计、建设、运营各个阶段的影响，考虑到交通规划对塑造交通系统的深刻影响，交通安全应该在网络规划阶段就得到足够的重视和充分的考虑。目前的交通安全规划大多集中在公路网的规划，缺乏对城市交通网络规划设计的安全评价方法。2004年9月，我国交通部颁布的《公路项目安全性评价指南》首次提出了对公路项目的全寿命周期进行安全评价的行业推荐方法，其评价方法主要针对高速公路和一级公路，并且不具有行业约束力。2015年12月，交通运输部完成了对该指南的全面修订，吸收了近年来国内外相关研究成果和实践经验，将其升级为强制性设计规范《公路项目安全性评价规范》，自2016年4月起开始实施，具有行业约束力，但其也是针对高速公路和一级公路的。虽然新兴的交通安全规划理念已取得快速发展，但目前仍处于襁褓阶段。本专利技术使用R语言实现模型求解，总体来说具有以下技术特点：1)开源免费：目前国外的交通规划类软件普遍价格高昂，而R语言是开源免费的；2)具有可操作性：R语言简单易用，适于一般的交通工程师和规划师学习采用；3)主动性：主动安全是交通安全规划的本质特征，本程序将交通安全评价提前到道路网络规划阶段；4)系统性：本程序考虑整个交通系统的安全性，而非单一路段或事故黑点。
技术实现思路
：技术问题：现阶段，交通规划软件基本都是国外产品，价格高昂并且操作复杂不易使用，特别是对安全性考虑不足，缺乏对交通安全水平进行有效预测和计量评价的核心技术。然而，对于影响道路安全水平的城市总体规划、土地利用规划、道路网络布局和出行行为特征等非道路微观设施层面的因素，必须在规划阶段加以考虑。到目前为止，关于主动交通安全规划的研究主要集中在系统研究的概念阶段，尚未见到对系统各组成部分进行单独的研究和深入的技术探索。鉴于反映路网规划、交通特征与交通安全之间关系的定量研究尚未展开，本专利技术基于Wardrop用户平衡原理对道路网络各路段的速度进行预测，根据速度的协调性评价道路网络的安全水平，以便在道路网络规划中考虑安全因素，建立城市离散交通网络模型并且设计求解模型的R语言方法。技术方案：本专利技术提供了一种基于主动安全的城市离散交通网络设计的R语言实现方法，主要包括以下步骤：步骤1：确定基于速度协调性的主动安全评价方法，主要把速度当作交通安全的替代指标，通过计算各路段运行速度的协调性进行交通安全评价；步骤2：建立基于主动安全的城市离散交通网络设计模型。本专利技术建立了以路段速度方差最小为目标的上层规划，以用户平衡为下层规划的双层规划模型。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，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ca，则长度为la的路段修建成本为cala。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)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3：采用迭代优化算法求解。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满足层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。步骤4：设计求解程序如下：步骤5：采用Nguyen-Dupuis网络对本专利技术的方法进行测试。有益效果：本软件采用开源免费的R语言，并且方便交通工程师使用，特别是本专利技术采用速度协调性作为网络安全水平的替代指标，建立了城市离散交通网络设计的双层规划模型，将主动安全评价提前到了道路网络规划阶段。并且针对该模型提供了一种求解算法并使用R语言程序来实现。最后，在广泛应用的Nguyen-Dupuis交通网络上进行了验证，测试结果显示该软件十分有效。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是不同方案下道路网络的速度方差。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：基于速度协调性的主动安全评价方法基于速度协调性的交通安全评价是以速度为媒介，认为速度是道路及路网等客观条件的表征，它主要把速度当作交通安全的替代指标，通过观测路段的运行速度进行交通安全评价。一般来说，运行速度协调性是评价线形设计一致性的指标，其有以下两个含义：①同一路段运行速度与设计速度相一致；②相邻路段运行速度相一致。其中，相邻路段车速差值是保证网络设计质量的关键参数，即保证同一道路网络内，驾驶员能够采用连贯的驾驶方式行车，避免或最大程度地减少操作错误，提高安全性。我国交通运输部2015年发布的《公路项目安全性评价规范》中参考了国际上的流行做法，采用了相邻路段的运行速度差Δv作为运行速度协调性的评价指标。本专利技术采用城市交通网络中各路段行驶速度的方差作为网络安全水平的替代指标，速度方差越小网络安全水平越高，此时驾驶员面临相似的道路行驶环境，有利于避免交通事故的发生。因此，交通网络规划的政策目标就是路段行驶速度方差的最小化，即其中P{v＝va}＝pa，a＝1，2，…，n是速度的分布律，n为交通网络路段的数目，一般可令pa＝1/n；va为路段a的行驶速度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术针对基于主动安全的城市离散交通网络设计模型，设计了一种R语言求解方法，涉及步骤如下：步骤1：确定基于速度协调性的主动安全评价方法，主要把速度当作交通安全的替代指标，通过计算各路段运行速度的协调性进行交通安全评价；步骤2：建立基于主动安全的城市离散交通网络设计模型，即以路段速度方差最小为目标的上层规划，以用户平衡为下层规划的双层规划模型，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，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，道路网络的设计受到资本的约束，假设单位长度的路段修建成本为ca，则长度为la的路段修建成本为cala，那么双层规划问题表示为：

【技术特征摘要】
1.本发明针对基于主动安全的城市离散交通网络设计模型，设计了一种R语言求解方法，涉及步骤如下：步骤1：确定基于速度协调性的主动安全评价方法，主要把速度当作交通安全的替代指标，通过计算各路段运行速度的协调性进行交通安全评价；步骤2：建立基于主动安全的城市离散交通网络设计模型，即以路段速度方差最小为目标的上层规划，以用户平衡为下层规划的双层规划模型，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，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，道路网络的设计受到资本的约束，假设单位长度的路段修建成本为ca，则长度为la的路段修建成本为cala，那么双层规划问题表示为：其中A为候选建设的路段集...

【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