紧急疏散中可控交通网络的容纳缓冲作用分析

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.22MB 71 页 15积分

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摘要

随着城市化进程的发展，针对各类灾害的紧急疏散研究受到普遍关注。在紧

急疏散领域内，国内的紧急疏散研究相关理论尚不完善，在应对紧急疏散时往往

存在各种不同的问题。而在紧急疏散的过程中充分利用路段通行能力对疏散效果

起到至关重要的作用，将直接影响整个系统紧急疏散的效率。因此，对紧急疏散

过程中路段剩余通行能力的应用进行研究具有重要的理论价值和实践指导意义。

本文针对一条快速路在突发事件下的紧急疏散进行研究，以系统总的疏散等

待时间最小为目标函数，分别从不同的角度建立 2个疏散模型。首先根据快速路

的拓扑结构，结合交通流理论，建立线性疏散模型；其次以元胞传输理论为工具

建立疏散模型。其中前者在目标函数中加入危险权重系数，体现了最高潜在风险

最先疏散的原则。后者根据匝道不同的疏散控制方式循序渐进的提出 4种不同的

疏散策略：匝道不控制、局部匝道控制、匝道协调控制、全局控制，建立对应的

疏散模型。应用 lingo 软件求解疏散模型，不仅能够得出 2个全局最优疏散模型

在紧急疏散中过程中总的疏散等待时间的优化结果，而且还能得出每一种疏散模

型对应的具体疏散策略。

利用线性规划中的灵敏度分析理论对建立的 2个全局最优疏散模型进行灵

敏度分析。分析价值系数以及资源系数变化时，对疏散模型的目标函数值产生的

影响。特别是通过对资源常量系数的分析，得出路段（元胞）在当前时刻的通行

能力剩余量，进而确定紧急疏散过程中的缓冲区域。然后通过控制快速路疏散入

口疏散车辆的流量来实现缓冲区域的容纳缓冲作用。另外，文章中应用 AD、TD、

IPN、TTN 指标衡量同一条快速路上的不同疏散模型的疏散效果。最后通过实例

比较了第二章中的疏散模型以及基于元胞传输理论的全局控制疏散模型在一条

快速路上的疏散效果，同时也验证了疏散模型的可行性和有效性。

快速路紧急疏散中缓冲区域的提出以及应用，不仅充分利用了道路通行能力，

提高了快速路疏散的效率，而且也缩短了系统中所有疏散者的等待时间，最大程

度的保证了人们的生命财产安全。另外得出的具体疏散策略还能够更好地为紧急

疏散提供理论依据和决策指导。

关键词：紧急疏散缓冲区域 CTM 灵敏度分析等待时间

快速路

ABSTRACT

With the development of urbanization, studies about emergency evacuation after

various disasters have attracted more and more attentions. In the field of emergency

evacuation, the related domestic theoretical researches are still not perfect and there

exist various problems yet to be resolved in emergency evacuation. During an

emergency evacuation, it is the key to realizing the goal of evacuation whether the

link traffic capacities are fully made use of. That is to say fully using of the link traffic

capacities will directly influence the efficiency of evacuation of the whole freeway

system. Thus, there is important theoretical and practical value in studying how to

make use of the residual capacities of links.

This study focuses on the emergency evacuation of a freeway in an emergency

evacuation. The objective is to minimize the total waiting time during the evacuation.

Two models with different angles are formulated. This first one is a linear model

combining the traffic flow theory and the freeway topology. The second one is an

evacuation model based on Cell Transmission Model (CTM). In the former model, the

objective function with weighted coefficients of risk can embody the principle that the

region at high risk should be evacuated earlier. The latter presents four types of

evacuation evacuations consisting of non-control, local ramp control, ramp

coordination control and global control. The Lingo software is used to solve the above

models. The optimal solutions to the two global controls are obtained and the specific

strategies for every evacuation models are presented.

Using the sensitivity analysis theorem of linear programming, the sensitivities of

the two global models are analyzed. The impacts of value coefficients and resource

coefficients on the objective function are considered. Through analyzing the resource

coefficients, the current residual capacities of cells can be determined and further the

buffer zone used during emergency evacuation can be identified. The buffer effect can

be realized by controlling the incoming traffic flow at on-ramps of freeway. The

indices of AD, TD, IPN and TTN are used to measure the effect of evacuation on a

freeway. Numerical examples are used to compare the different models and verify the

feasibility and effectiveness of the related evacuation models.

Making use of the residual capacities of freeway during emergency evacuation

can not only improve the efficiency of evacuation, but also shorten the waiting time of

evacuees during the evacuation. Buffer and holding strategy can further save lives and

protect property. The evacuation strategies proposed in this study will supply basic

theories and guidance for practical decision makings.

Key words: Emergency Evacuation, Buffer Zone, CTM, Sensitivity

Analysis, Waiting Time, Freeway

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 研究背景及意义 ....................................................................................... 1

1.1.1 研究背景 ......................................................................................... 1

1.1.2 研究意义及目的 .............................................................................. 2

1.2 紧急疏散研究现状.................................................................................... 3

1.2.1 国外研究现状 .................................................................................. 3

1.2.2 国内研究现状 .................................................................................. 6

1.3 道路缓冲效用及通行能力研究现状 ......................................................... 8

1.3.1 国外研究现状 .................................................................................. 8

1.3.2 国内研究现状 .................................................................................. 9

1.4 基于 CTM 模型的疏散研究 ..................................................................... 9

1.5 论文结构安排及技术路线 ...................................................................... 10

1.5.1 论文结构安排 ................................................................................ 10

1.5.2 论文技术路线 ................................................................................ 11

第二章一条快速路紧急疏散模型设计 .............................................................. 13

2.1 快速路基本特征描述 .............................................................................. 13

2.2 疏散模型建立 ......................................................................................... 14

2.3 算例分析 ................................................................................................. 16

2.4 本章小结 ................................................................................................. 22

第三章一条快速路的容纳缓冲作用分析 .......................................................... 23

3.1 lingo 软件对模型的求解结果分析 ......................................................... 23

3.2 约束条件右端资源系数灵敏度分析 ....................................................... 26

3.2.1 路段的通行能力分析 .................................................................... 27

3.2.2 匝道的通行能力分析 .................................................................... 29

3.2.3 匝道上等待的疏散车辆数分析 ..................................................... 30

3.3 最优解不变时，目标函数系数变化范围 ............................................... 32

3.4 缓冲区域的设定及应用 .......................................................................... 33

3.5 本章小结 ................................................................................................. 36

第四章基于元胞传输模型的快速路紧急疏散容纳缓冲分析 ............................ 37

4.1 元胞传输模型 ......................................................................................... 37

4.1.1 变量定义 ....................................................................................... 38

4.1.2 元胞传输模型 ................................................................................ 39

4.2 疏散模型构建 ......................................................................................... 40

4.2.1 疏散快速路的构建 ........................................................................ 40

4.2.2 疏散模型设计 ................................................................................ 42

4.2.3 不同疏散模型比较 ........................................................................ 46

4.3 灵敏度分析 ............................................................................................. 47

4.3.1 约束右端资源系数灵敏度分析 ..................................................... 47

4.3.2 目标函数系数灵敏度分析 ............................................................ 49

4.4 缓冲区域的判定 ..................................................................................... 50

4.5 结果比较 ................................................................................................. 54

4.5.1 设置缓冲区域系统疏散结果......................................................... 54

4.5.2 模型疏散效果比较 ........................................................................ 54

4.6 小结 ......................................................................................................... 55

第五章总结与展望 ............................................................................................. 57

5.1 研究的主要结论 ..................................................................................... 57

5.2 研究的主要贡献 ..................................................................................... 58

5.3 展望 ......................................................................................................... 60

参考文献 ................................................................................................................ 61

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ........................................... 67

致谢 ...................................................................................................................... 68

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

何为灾难，简单地讲，即是威胁人类基本生存的灾害。灾难不只包括自然灾

难，也包括人为的灾难。大部分的自然灾难是非人力可抗拒的，主要包括地震、

海啸、洪水、台风等自然界发生的灾害；而包括疾病传染、自然资源衰竭灾害、

环境污染、恐怖袭击、人口过剩灾害及核灾害等在内的人为灾难大部分是因人类

疏忽或者蓄意造成的。无论是自然灾害还是人为灾害，一旦发生势必会对整个社

会带来巨大的生命和财产损失。而如今在整个世界范围内接连不断地发生灾难，

即使可以提前预测灾难的发生，灾难给人类带来的冲击力还是无法抵抗的。以下

是最近两、三年，世界上一些国家和地区因发生特大突发灾害导致的大规模紧急

疏散事件。

2013 年5月20 日，特大龙卷风袭击了位于美国的俄克拉荷马州，伤亡惨重。

在龙卷风来袭之前 16 分钟，美国气象局向俄克拉荷马州 130 多万居民发出龙卷风

预警，提醒居民快速躲避。然而龙卷风过后，周边城镇社区数百所房屋受到严重

破坏，一所小学完全被毁，公路等设施也遭到严重损坏，让通行和通信受到严重

阻碍。

2013 年6月5日，俄罗斯莫斯科市因电线短路问题引发莫斯科“猎人商行”和

“列宁图书馆”之间的地铁发生火灾并引发浓烟，导致“红色”地铁线全线停运数小时。

由于当是正值出行早高峰，车站聚集大量人群。相关部门立即进行紧急疏散，约

4500 人被紧急疏散，其中约 80 人就医，16 人因中毒住院治疗。

从2012 年开始，在“十一”假期期间高速公路上行驶的小型客车免费通行。

起初的目的是为了方便大家的出行，但由于前期工作准备不足以及客流激增等原

因，从 2012 至2013 年连续两年黄金周期间上海、北京等大城市的周边高速公路

出现了事故多发以及大范围拥堵等情况，给外出的人们以及相关管理部门带来了

极大的麻烦和压力。2013 年10 月1日下午，浙江省高速公路某路段车辆排队长度

达35 公里，多处高速路入口无奈关闭。由于当天高速公路的高流量，同时因为交

通事故的频发，致当天下午 4时该省高速公路共发生 1000 多起交通事故。

同时引发的是全国各地旅游景区人数不断创新高。九寨沟景区由于客流量很

大且散客较多，无法集中听从管理人员指挥，很难正常运行，由此带来的连锁反

应致使大量游客无法正常上车，引起 4000 余游客滞留景区。事发后有关人员立即

上海理工大学硕士学位论文

展开疏散工作，最终将滞留在景区的所有游客疏散到安全区域。

2013 年10 月份我国大陆最强秋季台风“菲特”登陆浙江一带，带来超强降雨量

以及大风，致使余姚主城区 70%以上地区受灾。全市各地方积极做好抗险救灾的

各项工作，全力以赴将损失降到最低程度。

在经济、科技、信息等高速发展的今天，突发性重大灾害事件（地震、洪涝、

核事故等）在全球各地持续发生，正在不断威胁人类的生命以及财产安全，因此

人们需要通过自己的努力来避免、降低灾难带来的伤害。据了解，在突发事件发

生时，仅仅通过事先设计各类预案，储备各种物资，仍然能应对突如其来的灾难。

一般情况下，在地震中人们不知所措而选择了错误的逃生方法，造成许多人员伤

亡。例如，在雅安地震中的五名学生，地震发生时由于采取不当的措施，从楼上

直接跳下致使其中一名身受重伤。因此，无论发生怎样的突发性大规模灾难，如

果不能进行及时有效地疏散将会给人类生命以及财产带来更严重的损失。

而且，在特大灾难发生时，相关管理部门领导都希望以最快的速度即以尽可

能大的流量将受灾人群疏散到安全区域。当然在疏散过程中，尽可能大的疏散流

量势必会导致疏散过程中快速路发生严重的堵塞，在堵塞形成排队的过程中进而

就会增加整个疏散系统的疏散时间；另外在发生特大灾害时，受灾人群都拥有希

望能够尽快远离危险区的心理。因此可以在由快速路组成的疏散网络中设置缓冲

区域，将在疏散网络外排队焦急等待的疏散人群转移到缓冲区中。在平复受灾人

群心理的同时，加之有效地疏散策略，能保证疏散网络能够有效、平稳地进行疏

散。因此在发生特大灾害，需要制定有效的疏散策略，同时也要考虑如何将疏散

网络的作用发挥到最大效用，能够在最短的时间内疏散最多的人，将损失降到最

低。这也是相关管理部门以及整个社会希望看到的结果。

1.1.2 研究意义及目的

伴随着经济的快速发展，各种灾害也频繁发生，紧急疏散在保障人民生命财

产安全方面的作用已越来越凸显，对紧急疏散的系统研究也显得越来越重要。因

此建立健全、高效、完善的疏散策略对应对突发事件下的紧急疏散有着十分重要

的意义。而突发事件下的交通网络疏散作为应急疏散领域的重要一部分，嫣然已

成为全球各地学者研究的热点和重要议题。总结以往的研究，在紧急疏散领域的

研究主要有两个方面：计算机仿真研究和基于流量的优化模型研究。但无论是国

外研究者还是国内研究者，在基于以上两个基础将缓冲区域融入到紧急疏散网络

中的专门研究很少，他们往往忽略了缓冲区域在紧急疏散中发挥的重要作用。

第一章绪论

鉴于以上问题本文将研究重点放在缓冲区域方面，而如何找出缓冲区域、如

何确定缓冲区域范围的大小以及将缓冲区域设定在什么地方、如何充分利用缓冲

区域将是下文重点要解决的问题。分析缓冲区域在交通网络紧急疏散过程中发挥

的不可替代的作用。一方面缓冲区域的设置可以避免紧急疏散中道路发生拥堵，

不仅增加疏散的时间，而且可能会造成疏散过程中的二次伤害，给人们的生命和

财产造成严重的威胁。另外一方面在紧急疏散过程中，以往的研究都是尽量以最

大可行流进行疏散尽快将人员疏散至安全区域，但是疏散网络中的道路通行能力

未必会达到最有效的利用。

本文对交通网络特性深入分析，结合交通网络供需平衡的原则建立快速路紧

急疏散模型。期望新的思路可以补充改善原有疏散研究的效果，为现实中交通网

络紧急疏散提供更加有力的支持。本文研究结果对提高城市紧急疏散系统的响应

能力、应变能力以及改善和加强城市整体服务能力具有重要的理论意义和实践意

义，不仅能为我国具体的疏散交通管理提供参考，而且可以为紧急疏散管理者提

供理论依据与辅助决策支持。

1.2 紧急疏散研究现状

最近几年，紧急疏散问题得到政府和有关学者越来越高的重视。无论是国内

学者还是国外的学者都已经在紧急疏散领域进行深入的研究。相比较而言，国内

学者较国外学者研究的比较晚，但是有关交通网络紧急疏散的研究主要都是分为

两个方面：基于流量的优化模型研究和计算机仿真研究。由于国外的学者对紧急

疏散的研究起步比较早，已经对此进行了深入的分析，并提出了许多有效的紧急

疏散模型。其中依附于流量的模型优化能在宏观层面上很准确地把握路网中的车

流，且不对单个车辆行为计算，缩短了求解模型的时间；基于个体的模型主要考

虑2个方面对疏散行为产生的影响：不同车辆的驾驶人以及车辆性能，其理论研

究结果与实际情况比较相近，但对于较大型的交通疏散网络而言，计算效率相对

较低。

1.2.1 国外研究现状

（1）基于流量的模型优化研究

基于流量的模型优化在紧急疏散中已经得到广泛的应用。相关研究范围已经

涉及到计划与策略的制定[1]

（Wolshon et al., 2003），疏散时的路径选择[2,3]

（Chiu and

Mirchandani, 2008; He et al., 2009），避难所位置的选定[4]（Song et al.,2009），家庭

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摘要随着城市化进程的发展，针对各类灾害的紧急疏散研究受到普遍关注。在紧急疏散领域内，国内的紧急疏散研究相关理论尚不完善，在应对紧急疏散时往往存在各种不同的问题。而在紧急疏散的过程中充分利用路段通行能力对疏散效果起到至关重要的作用，将直接影响整个系统紧急疏散的效率。因此，对紧急疏散过程中路段剩余通行能力的应用进行研究具有重要的理论价值和实践指导意义。本文针对一条快速路在突发事件下的紧急疏散进行研究，以系统总的疏散等待时间最小为目标函数，分别从不同的角度建立2个疏散模型。首先根据快速路的拓扑结构，结合交通流理论，建立线性疏散模型；其次以元胞传输理论为工具建立疏散模型。其中前者在目标函数中加入危险权...

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