基于双层规划模型的停车换乘设施选择方法研究

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3.0 刘畅 2024-11-07 6 4 1.89MB 62 页 15积分

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基于双层规划模型的停车换乘设施选址方法研究

摘要

面对快速增长的机动化水平，仅靠扩大路网的有限供给能力也是很难满足交

通需求，因此停车换乘（P&R）作为一种重要的交通需求管理手段和策略被提出。

国外的长期实践表明，P&R 有效的减少了城市中心区的交通压力。为了推进 P&R

系统规划决策的科学性，充分发挥出 P&R 系统的作用，使政府对 P&R 设施建设

项目的投入产生最大的社会效益，有必要对其选址规划做重点研究。P&R 设施选

址规划是规划系统中的重要一环，也是规划的核心内容。一个科学合理的停车换

乘设施位置可能会吸引更多的潜在的小汽车出行者到此停车—换乘，而不合理的

规划影响的是整个停车换乘系统和公共交通系统。

首先回顾了国内外对停车换乘的相关研究，在总结了国外长期的实践经验和

目前国内 P&R 系统的尝试基础上，对现阶段 P&R 系统在我国城市实施的必要性

和可行性做了详细分析。接着介绍了 P&R 设施选址的基本理论、P&R 设施选址的

主要影响因素和选址准则及其研究方法和步骤。为论文通过先定性分析后定量分

析的方法，得到 P&R 设施选址的最优方案打下理论基础。

模糊层次分析法将层次分析法的客观性与模糊综合评价法的包容性融合。理

论和实践证明 FAHP 克服了常规的选优方法存在的缺陷，模糊评价法对方案进行

综合判断筛选，而层次分析法主要是细分指标和设计权重。通过模糊层次分析法

的提出、原理及特点等，建立了停车换乘设施选址的层次结构模型，最后通过一

个实例来具体说明模糊综合评价法在 P&R 设施选址中的应用步骤和过程，验证了

该方法对 P&R 设施备选方案进一步筛选的合理性。

对模糊层次分析法定性分析筛选出的备选方案再进行进一步的定量分析以得

出最优方案。先是分析了双层规划模型和 P&R 设施选址 Stackelberg 博弈过程的特

点，阐述了双层规划模型在停车换乘选址规划中的适用性。建立基于双层规划的

P&R 设施选址模型，通过交通网络流问题的模型和算法分析得出 P&R 设施选址

的下层模型，即弹性需求下的随机用户均衡模型，上层目标即交通规划者的利益

包含生产者盈余和消费者剩余的整个社会福利最大的最优化模型。并且考虑到下

层的随机用户均衡模型和上层的最优化问题，设计了基于 EMME 的模型求解算法。

最后给出了一个交通网络算例，验证了论文提出的基于双层规划模型的 P&R 设施

选址模型及其算法的有效性。

关键词：停车换乘模糊多层次分析法双层规划模型 EMME

Abstract

Along with the rapid growth of the motorization development, only to increase

limited supply capacity of network is hard to meet the traffic demand, so park-and-ride

(P&R) as an important traffic demand management means and strategy was put

forward. Foreign countries’ long-term practice shows that P&R effectively mitigate the

traffic pressure of CBD. In order to promote decisions of P&R system planning more

scientific and make full use of the P&R system , make the investment of government to

P&R facilities construction project produce the greatest social benefit, it is necessary to

do the research of site planning. P&R facility location planning is an important part of

planning system, but also the core content of planning. A scientific and reasonable park-

and-ride facilities position may attract more potential commuters to there for park-and-

ride, unreasonable planning affects the whole park-and-ride system and public

transportation system.

The paper reviews the domestic and overseas on park-and-ride related research,

summarizes the foreign long-term practice and the current domestic P&R system, based

on the present P&R system in our city, make a detailed analysis on the necessity and

feasibility, Then introduces the theory of the P&R facility location, including the basic

theory of location, the main influence factors of P&R facility location and site selection

criteria and its research methods and steps. For the paper through the qualitative

analysis to quantitative analysis get P&R facility location optimal scheme provided

theoretical basis.

Fuzzy analytic hierarchy process (FAHP) fused the objectivity of the analytic

hierarchy process (AHP) and inclusiveness of fuzzy comprehensive evaluation method.

Theory and practice has proved FAHP overcome the conventional defects of selection

methods, fuzzy evaluation method was carried on comprehensive judgment and

screening, and analytic hierarchy process (AHP) is mainly subdivision index and design

weight. Through put forward the principle and characteristics of the fuzzy analytic

hierarchy process (FAHP),then establish a park-and-ride facility location of the

hierarchical structure model, and finally through an example to specify fuzzy

comprehensive evaluation method in the application of P&R facility location of steps

and process, the method is proven to be P&R facilities for alternatives to the rationality

of the screening.

In the fuzzy analytic hierarchy process qualitative analysis of alternatives were

again for further quantitative analysis to find out the best scheme. First analyzes the

game process characteristics of bi-level programming model and the P&R facility

location Stackelberg, make a state of application of bi-level planning model in the site

planning of parking interchanging the applicability. Establish a pattern based on the bi-

level programming P&R facility location, through the pattern of traffic network flow

problems and algorithm analysis P&R facility location of Lower model, that is, elastic

demand of the stochastic user equilibrium pattern, the goal of traffic planners interests,

including producer surplus and consumer surplus of the whole social welfare biggest

optimization model. And considering the stochastic user equilibrium pattern and upper

zero-one programming problem, the design is based on the EMME traffic flow

distribution bi-level programming algorithm. At last it gives a transportation network

example was presented to validate the proposed paper based on bi-level programming

model of the P&R facility location pattern and the effectiveness of the algorithm.

Keyword：Park-and-Ride (P&R)，Fuzzy analytic hierarchy process (FAHP)，Bi-

level planning model ，EMME

目    录
摘要
Abstract
第一章 绪论......................................................................................................................1
1 研究背景.............................................................................................................1
2 国内外停车换乘研究概况.................................................................................2
2.1 停车换乘的应用与实践..........................................................................2
2.2 停车换乘主要理论研究概况..................................................................4
3 论文研究的目的和意义.....................................................................................6
4 论文研究内容与思路.........................................................................................7
第二章 城市停车换乘系统研究概况..............................................................................9
1 停车换乘系统含义.............................................................................................9
2 停车换乘实施的必要性分析...........................................................................10
2.1 现阶段交通发展的背景与未来的发展模式........................................10
2.2 城市中心区的交通特征与问题分析....................................................11
2.3 小汽车在城市中心区外围实施换乘的必要性....................................12
3 国外实施停车换乘主要经验...........................................................................13
3.1 英国停车换乘实施效果总结................................................................13
3.2 实施停车换乘系统的条件分析............................................................15
4 停车换乘系统在我国大城市的可行性分析...................................................15
4.1 国家产业政策和城市快速机动化发展趋势........................................15
4.2 公交优先发展战略的提出....................................................................16
4.3 城市轨道交通建设的爆发....................................................................16
5 本章小结...........................................................................................................18
第三章 城市停车换乘设施选址的基本理论................................................................19
1 城市停车换乘设施选址理论研究概述...........................................................19
2 城市停车换乘设施选址的影响因素及原则...................................................21
2.1 停车换乘设施选址的主要影响因素....................................................21
2.2 停车换乘设施选址准则........................................................................24
3 城市停车换乘设施选址的方法及步骤...........................................................26
3.1 论文城市停车换乘设施选址的方法....................................................26
3.2 论文城市停车换乘设施选址步骤........................................................26
4 本章小结...........................................................................................................27
第四章 基于模糊层次综合评价的备选点定性分析....................................................28
1 模糊层次分析法概述.......................................................................................28
1.1 模糊综合评价的基本原理....................................................................28
1.2 模糊层次分析法的提出........................................................................29
1.3 模糊层次分析法的实现步骤................................................................30
2 建立停车换乘设施选址的层次结构模型.......................................................31
3 模糊综合评价法在停车换乘选址中的实例应用...........................................33
3.1 各指标相对隶属度的计算....................................................................34
3.2 计算各项评价因素的权重....................................................................34

3.3 确定各方案的综合评价结果................................................................36
4 本章小结...........................................................................................................38
第五章 基于双层规划的停车换乘设施选址模型........................................................39
1 双层规划模型与停车换乘设施选址博弈.......................................................39
1.1 双层规划模型简介................................................................................39
1.2 停车换乘设施选址博弈........................................................................40
2 停车换乘交通网络均衡分析...........................................................................41
2.1 交通网络流问题概述............................................................................41
2.2 弹性需求下的网络均衡模型................................................................42
2.3 UE 问题的 Frank-Wolfe 算法................................................................44
3 停车换乘设施选址双层规划模型的建立及求解...........................................44
3.1 不同出行方式的费用分析和 P&R 选址分析......................................44
3.2 上层最优化和下层随机用户均衡模型................................................46
3.3 模型算法................................................................................................47
4 算例分析...........................................................................................................49
5 本章小结...........................................................................................................52
第六章 结论与展望........................................................................................................53
1 总结...................................................................................................................53
2 论文改进与展望...............................................................................................54
参考文献.........................................................................................................................55
在读硕士期间发表论文和承担项目.............................................................................59
致谢.................................................................................................................................60

第一章绪论

一.1 研究背景

随着当今世界社会经济的快速发展，小汽车保有量更是呈迅猛发展趋势，而

由于各方面条件的限制交通基础设施很难满足迅猛增长交通需求，引发供需不平

衡的矛盾日益突出，由此产生的交通拥挤更是几乎所有城市发展面临最棘手的问

题。同时私人机动化出行方式在各种出行方式中所占的比例不断增大，使城市的

交通结构慢慢地向私人小汽车的方向转移。交通堵塞直接导致了行程延误、速度降

低、燃费增加、排污增大以及交通事故的发生，严重地影响了人们的工作和生活。

上个世纪末本世纪初交通拥堵很少出现在中国的二线城市，但是近5年来已

经成为二线甚至三线城市的常态。全国百万人口以上城市有 80%的路段和 90%的

路口通行能力已经接近极限[1]。在中国科学院《中国新型城市化报告 2012》中，调

查了中国包括31 个省会城市在内的内地50 个典型城市上班路上的平均时间，北

京以52 分钟的上班时间居各城市上班路上平均时间排名首位，广州、上海、深圳、

天津紧跟北京之后，也都超过了 40 分钟，这50 个城市的居民单程上班时间约 39

分钟，表 1-1 给出了上班平均耗时排名前十的城市及其正常上班时间和堵车时间，

其中上班花费的时间等于不堵车情况下的正常上班花费的时间加上因为堵车要花

费的时间。从人口的角度来统计，排名前15 城市的居民每天在上班的路上要比欧

洲城市多消耗了288 亿分钟，即 4.8 亿个小时，如果按照上海的标准换算，每小

时能够创造财富 2亿元，那么这 15 个城市每天就要损失掉接近10 亿元人民币。

表一-1 上班平均耗时前十的城市

分钟北

京

广

州

上

海

深

圳

天

津

南

京

重

庆

杭

州

沈

阳

太

原

唐

山

上班

花费

时间

52 48 47 46 40 37 35 34 34 33 33

正常

上班

时间

38 36 36 35 29 31 30 22 21 21 20

堵车

时间 14 12 11 11 11 6 5 12 12 12 13

另一方面，大城市区域用地开发规模密度有着较大的差异性。人口密度相对

低的城市外围区域，公共交通的系统建设很难支撑其分散的交通需求，这就使得

灵活便捷的私人小汽车出行方式受到人们的青睐，也为提供门对门的高质量服务

发挥了重要的作用；人口密度相对较高的城市中心区域，其分布复杂、数量庞大

的交通需求恰使得公共交通成为最优的交通方式。因此，结合上面的两种出行方

式的重要交通模式就成为解决现阶段的大城市交通拥堵、保障区域间畅通的关键

问题[2]。

停车换乘正是在此背景下孕育而生的，它通过停车换乘设施连接私家车方式

出行与公共交通方出行，充分发挥私家车方式在市郊快捷舒适的优势，以及公共

交通方式对缓解城市中心区交通拥挤所起的重要作用。

基于双层规划模型的停车换乘设施选址方法研究

一.2 国内外停车换乘研究概况

一.2.1 停车换乘的应用与实践

西方国家在1960s 之前大多数采取的政策是鼓励小汽车的使用政策，所以停

车换乘（P&R）首先是西方国家对停车问题认识过程中的一个产物。直到上个世

纪九十年代，真正作为一种交通需求管理措施的停车换乘系统逐渐被人们重视。

本世纪初世界各国普遍意识到停车换乘设施能够连接私人小汽车和城市公共交通

系统，将二者优势结合以共同承担整个大城区的交通功能，是缓解市中心交通压

力和提高各类区域间可达性的最有效可行的交通策略[3]。欧美国家停车换乘系统发

展的不同根源和目的及其带来的效果如图1-1 所示。

在一些以城市规模大、人口密度小为特点，像美国、加拿大等欧美发达国家中

的一些城市，停车换乘的主要服务于居住在城市外围区域的上下班通勤人群[4]。居

住在城市中心区外围的通勤者通过私人小汽车的方式到达停车换乘设施，停车后

换乘公共交通的方式进入城市中心区，这样不仅可以减少私人小汽车方式的使用

从而提高出行效率，更主要的是有效截断了流向城市中心区的小汽车，缓解了城

市中心区的道路压力和交通污染的状况。美国由于城市外围区域人口密度低，分

散的交通需求使得公交系统运营困难，所以许多城市普遍采取将公交线路集中在

一条通道上布设，一个停车换乘设施就可以被多条线路一起使用，所以其停车换

乘形式较普遍的是小汽车与通勤铁路之间的换乘。

在古城众多的欧洲国家，例如英国和法国，城市中心区及老城区由于历史原

因，其交通设施的供给能力非常的有限，而人们出行需求却不断的增加，导致交

通拥堵状况比较突出。停车换乘系统能够有效合理地引导人们的出行方式，组织

城市中心区的交通出行方式结构，使得人们的出行效率大大提高[5]。以牛津为例，

因为停车换乘设施的合理引导，在 20 年的时间里，市中心的交通出行总量基本没

有增长多少，但是其换乘站和英国城市的交通量却分别增长了 90%和100%，这

其中有将近17%的小汽车出行者选择公共交通方式出行[6]。其它如德国的汉堡，

188 个快速轨道交通车站中，有 73 个布置停车换乘设施，供私人小汽车出行者免

费使用，停车换乘设施设置比例达到了 38.8%，另外部分停车换乘设施附近配有

超市以及购物中心，在人们选择换乘公共交通方式的地方，购物更方便的同时，

也有效地缓解了城市中心区的交通压力[7]。

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摘要：

基于双层规划模型的停车换乘设施选址方法研究摘要面对快速增长的机动化水平，仅靠扩大路网的有限供给能力也是很难满足交通需求，因此停车换乘（P&R）作为一种重要的交通需求管理手段和策略被提出。国外的长期实践表明，P&R有效的减少了城市中心区的交通压力。为了推进P&R系统规划决策的科学性，充分发挥出P&R系统的作用，使政府对P&R设施建设项目的投入产生最大的社会效益，有必要对其选址规划做重点研究。P&R设施选址规划是规划系统中的重要一环，也是规划的核心内容。一个科学合理的停车换乘设施位置可能会吸引更多的潜在的小汽车出行者到此停车—换乘，而不合理的规划影响的是整个停车换乘系统和公共交通系统。首先回顾了国...

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