突发公共卫生事件下城市安全屏障的优化设计软件制造技术

本发明专利技术涉及一种突发公共卫生事件下城市安全屏障的优化设计软件，属于交通工程技术领域。防疫封锁线是阻断病毒传播的有效手段，在抗击新冠病毒的斗争中得到了广泛使用，是城市的安全屏障。然而，如何配置有限的检查资源，以使所有入城通道的总排队时间最小成为一个亟待解决的技术问题。本发明专利技术提出了一个双层规划模型，其上层模型为防疫封锁线的优化设计，下层模型为交通系统平衡，其中排队等待时间由排队论计算得出。设计了一种启发式算法求解该双层规划模型，其下层为连续平均算法，而上层为带精英策略的遗传算法。采用免费开源的R语言开发了计算软件。具体的实施表明本发明专利技术能够充分利用有限的防疫资源，最大程度降低防疫封锁线上的总排队成本。线上的总排队成本。线上的总排队成本。

【技术实现步骤摘要】
突发公共卫生事件下城市安全屏障的优化设计软件

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[0001]本专利技术提出了一种突发公共卫生事件下城市安全屏障的优化设计软件，属于交通工程


技术介绍
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[0002]为了遏制COVID
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19的迅速蔓延，政府部门普遍采取了多种防疫措施，如实施旅行限制，封锁城市，对工作场所实施风险控制，关闭公共设施，提高病毒检测能力，追踪感染者等。其中，防疫封锁线是对进出指定地理区域(例如社区，城市或地区)的人员的限制，只有经过体温检测合格的人员才能通过封锁线，是城市的安全屏障。事实证明，这是防止传染性病毒扩散到其他城市的有效方法。然而，据报道，封锁线上安全检查站处排队队列太长，等待成本太高。为了提高检测的服务水平，有必要对排队系统进行优化。本专利技术旨在提出一种防疫封锁线优化设计软件，以最小化系统排队等待时间。
[0003]目前虽然还没有针对防疫封锁线的最优部署(如检查站的位置和数量)做出的技术，但有很多方法可以度量封锁线上排队系统的性能，其中最重要的是排队延迟成本，即车辆等待时间，它也是交通网络分析中的重要指标。一般来说，有两种方法可以确定交通网络中的排队延迟成本。Yang和Yagar(1994)提出了一种隐式确定排队时间的方法。他们建立了一个针对进口匝道交通控制问题的双层规划模型，其中上层是要确定最小化系统总行驶时间的进口匝道流量，而下层是描述匝道处排队等待现象的交通均衡模型。可以证明，路段排队时间恰好与路段通行能力约束相关联的拉格朗日乘子对应。Yang和Yagar(1995)进一步扩展了该双层模型，以优化拥挤路网中的信号配时，该技术充分考虑了饱和路段上的排队和拥挤。除了交通信号控制之外，Yang和Lam(1996)又拓展了确定隧道、桥梁等瓶颈路段收费模式的双层模型。其下层问题是一个带排队的网络均衡模型，该模型描述了用户的路线选择行为。上层问题是为运营者确定道路定价，使运营者在充分考虑用户的路线选择行为后，优化系统的性能。先前的技术都是在固定的出发地到目的地的出行需求下进行的，而Yang和Bell(1997)将其进一步扩展到具有弹性需求的带排队的网络均衡模型。在这种情况下，排队延迟时间被隐式确定为与下层问题中的路段通行能力约束相关联的拉格朗日乘子。只有达到这个道路通行能力，队列才会形成，否则路段行驶时间将仅取决于流量。
[0004]确定排队延迟的另一种方法是Vickrey的瓶颈模型(Vickrey，1969)，它使用确定的排队理论明确推导出排队延迟时间，旨在解决早高峰时段受瓶颈约束的公路上通勤者的出发时间选择问题。它能够以一种直接和易于处理的方式对瓶颈处上游路段排队的形成和消散进行建模，因此可作为高峰时段交通拥堵动态表示的基准模型。经典瓶颈模型指出，每条路段上的行驶时间是自由流时间与瓶颈之前的排队延迟时间之和。近50年来，瓶颈模型的技术取得了重大进展。通过瓶颈模型，学者们对高峰期交通排队特征有了越来越多的了解。Li等人(2020)最近针对瓶颈模型做了很好的总结并对其未来的技术方向进行了展望，感兴趣的读者在其中可以了解更多细节。
[0005]尽管封锁线处的排队延迟类似于匝道控制器、信号交叉口和瓶颈处的排队延迟，
但它具有不同的特征，这为进一步技术发展提供了潜在机会。首先，每辆车的检测时间是随机的，因为这个时间取决于车上不确定的乘客人数。因此，传统的确定性排队模型可能导致结果与实际值的较大偏差，从而限制了模型的实际应用。因而本技术特别采用了一种随机排队模型，可以对每个检查站不确定的检测时间进行建模。其次，现有的技术主要集中在出行行为分析和需求侧策略(尤其是拥堵定价)上，对供给侧的策略(主要是能力设计)只有少量的关注(Li等，2020)。而本专利技术旨在为每个进口路段上防疫封锁线周围检查站的部署提供科学的软件。

技术实现思路
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[0006]技术问题：本专利技术要解决的技术问题是在有限检查资源的条件下，如何在各个入城通道科学配置防疫检查站的数目，以使所有检查站的排队等待时间总和最小。
[0007]技术方案：本专利技术旨在提出一种设计防疫封锁线的软件，以利用现有可用资源在每个进口路段部署检查站，构筑城市的安全屏障。这是一个具有领导者
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跟随者决策结构的Stackelberg博弈，通常可用双层规划模型来表述，其概念框架如图1所示。上层运营者的目标是尽量减少封锁线的系统总等待时间，运营者可以预测但无法控制网络用户包括目的地选择和路线选择的出行行为，而所有用户均以用户最优的方式做出决策。下层用户的决策是在上层决策之后做出的，但是，运营者必须预期用户的行为反应来调整决策。另外，下层是出行分布和带排队的交通分配之间的反馈过程，通常称其为交通系统均衡。本专利技术包括以下步骤：
[0008](一)带排队的交通系统平衡模型
[0009]下层模型是将出行分布和交通分配模型相结合的交通系统均衡。长期以来，一直有批判说，行驶时间在传统的四阶段顺序模型中是不一致的，因为行驶时间实际上是内生确定的。一般而言，根据文献可以采用两种方法来解决这个不一致的问题，以实现交通系统的平衡。一种方法是将几个步骤组合成一个等价的数学规划，可以证明结果具有良好的收敛性和一致性(Oppenheim，1995；Sheffi，1985)。另一种是迭代地反馈顺序模型，直到行驶时间满足一致性标准(Boyce和Zhang，1997；Boyce等，1994)。尽管前者在文献中被普遍采用，但后者在每个步骤上都更加灵活(Lin and Wei，2019；Lin，2019)。因此，这里采用第二种方法，即带反馈的顺序模型。
[0010]注意，此处的交通分配不是传统的分配方式，因为此处的交通分配包含防疫封锁线上的排队延迟。排队延迟时间的确定是一个关键问题，而排队论通常是分析排队等待成本的绝佳工具。在大多数交通情形下，两次输入的时间间隔和服务时间由指数分布随机描述。基于此，本专利技术此处采用基于泊松分布假设的随机排队模型，即到达间隔和服务时间遵循指数分布。具体排队模型的推导是基于排队情况的稳定状态，是在系统运行足够长的时间后实现的。
[0011]根据传统的交通流理论(Gartner等，1999)，每个收费站的排队现象可以用M/M/c排队模型描述，其中M代表马尔可夫(或泊松)到达或离开的分布，或等价的指数到达或服务时间分布，c代表服务率相等的并行服务台的数量，每个进口路段上可能有一个或多个并行检查站(即服务台)。假定在一条防疫封锁线上有m个进口，车辆根据泊松过程以预测的流入量λ
i
到达每个进口i(i＝1，2，...，m)，并且每个进口i的c
i
个并行检查站具有相同的参数为μ
的指数分布服务时间，其中c
i
μ＞λ
i
。
[0012]类似于单一服务设施，在给定的进口i上，最常用的排队状况的度量是预期的排队车辆数量(l
i
)和预期的排队延迟时间(d
i
)。l
i
与d
i
之间的关系称为Li本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种突发公共卫生事件下城市安全屏障的优化设计方法，该方法包括以下技术特征：(1)采用了一个双层规划模型，上层是城市管理者，下层是交通出行者；(2)上层模型以防疫封锁线上所有入城通道的总排队时间最小为目标函数，以有限的检查资源为约束条件，以M/M/c排队模型计算车辆在各个入城通道的排队等待时间，其中第一个符号M表示车辆的到达服从泊松流，第二个符号M表示单个检查站的服务时间服从负指数分布，第三个符号c表示单个入城通道上布置防疫检查站的数目，上层模型即以各个出城...

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