混合交通网络均衡模型理论与应用研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 7 4 1.62MB 52 页 15积分

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摘要

我国的道路交通是典型的混合交通，交通组成复杂，各种车辆不仅所占道路

空间不同，其各自的行驶性能也相差很大，相互间干扰现象严重。含有小汽车、

货车和其他车型的混合交通的研究备受研究者的关注。

在大多数混合交通网络模型中，通常将货车及其他车型以固定的折算系数折

算成小汽车当量（PCE—Passenger Car Equivalents），来得到网络的平衡解。但实

际情况要复杂很多，小汽车和货车等即使在同一道路上，但交通流状态不同，时

间延误也是不相同的，不是固定不变的。不同道路等级、不同纵坡坡度和坡长，

各类型车辆所占比例大小，以及不同的交通流强度等都会导致不同车型对交通流

的影响发生很大的变化。

基于考虑固定折算系数的不足，本文首先研究了在车型比例，交通组成特定

条件下的车辆折算系数当量值问题，并采用 AIMSUN 微观仿真模拟和数学建模

方法，标定了在不同车型比例下的折算系数。然后，基于可变车辆折算系数，构

建一个新的考虑道路收费的多用户网络均衡模型，在模型中，各类用户拥有各自

的时间延误函数和道路收费，以及相互影响不同。混合交通网络均衡模型采变分

不等式构模，用相继平均（MSA）方法进行求解。该模型和解法利用交通规划

软件 EMME/3 实现。最后，本文针对温州区域公路交通进行了案例研究，对该

模型和方法进行了验证。结果表明，考虑可变折算系数和道路收费的混合交通网

络模型适用于大型交通网络的计算，且分配结果更加符合实际的混合交通网络，

尤其在交通比较拥挤的路段。

关键字：网络均衡，混合交通，折算系数，多用户交通分配，算法

ABSTRACT

The road traffic in our country is a typical mixed traffic, traffic composition is

complex, a variety of vehicles, the share of road space is not only different, their

respective driving performance varied widely, between a serious interference.

Includes cars, trucks and other vehicles in mixed traffic study have got researchers

much attention.

In most mixed traffic network model, usually trucks and other vehicles at a fixed

conversion factor of converted car equivalent (PCE-Passenger Car Equivalents), to get

the network equilibrium solution. However, the actual situation is more complicated a

lot of cars and truck on the road at the same time delay is not the same, not fixed. The

road grade, Gradient and slope length of different types of vehicles, the proportion of

the size, as well as the intensity of traffic flow would lead to the various models the

impact on traffic flow change a lot.

Based on a fixed conversion factor to consider to overcome the shortcomings,

this paper studies the ratio in the vehicle, traffic composition of the vehicle under

certain conditions when the conversion coefficient value problem. Micro-simulation

using AIMSUN and mathematical modeling methods are calibration mix at different

rates under the truck vehicle conversion factor. Then, based on vehicle conversion

factor is variable, and to build a new multi-user network equilibrium model, in the

model, each category of users have their own travel time and contains a different

interaction. Time delay function depends on the respective sections of cars, trucks,

and this similar to the mixed traffic flow conditions. Network equilibrium model to

adopt modeling and variational inequalities with the successive average (MSA)

method have be used transportation planning software EMME / 3 of the algorithm and

finally the use of regional integrated transport network of Wenzhou model and data

validation of the method. The results show that the model is applicable to the

calculation of large-scale transportation network, and the distribution of the results

clearly superior to the traditional multi-user distribution method, especially in the

traffic more congested sections.

KEYWORDS：Network Equilibrium, Mixed Traffic, PCE, Multi-Class Traffic

Assignment, The Algorithm

摘要

ABSTRACT

第1章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 选题的背景 ..................................................................................................1

§1.2 国内外研究现状 ..........................................................................................1

§1.3 研究目的与意义 ..........................................................................................4

§1.4 论文结构 ......................................................................................................4

第2章一般交通网络均衡模型 .................................................................................... 7

§2.1 Beckmann 交通网络均衡模型 ................................................................... 7

§2.2 一般交通网络均衡模型 ..............................................................................8

§2.3 含收费道路的多用户网络均衡模型 ........................................................11

§2.4 本章小结 ....................................................................................................15

第3章混合交通折算系数研究和微观仿真 .............................................................. 17

§3.1 车辆折算系数的含义 ................................................................................17

§3.2 常用车辆折算系数计算方法 ....................................................................18

§3.3 车辆折算系数计算模型的改进 ................................................................19

§3.4 微观仿真设计 ............................................................................................21

§3.5 与HCM 研究比较 .................................................................................... 24

§3.6 本章小结 ....................................................................................................24

第4章基于可变折算系数的混合交通网络均衡模型 .............................................. 25

§4.1 网络表示 ....................................................................................................25

§4.2 可变折算系数下的路段总流量 ................................................................26

§4.3 基于折算系数和道路收费的混合交通网络均衡模型 ............................26

§4.4 求解算法 ....................................................................................................27

§4.5 算法在 EMME 中的实现 ..........................................................................30

§4.6 本章小结 ....................................................................................................36

第5章温州公路网均衡模型案例研究 ...................................................................... 37

§5.1 案例背景 ....................................................................................................37

§5.2 基础数据 ....................................................................................................37

§5.3 EMME 参数设置 .......................................................................................43

§5.4 结果分析与比较 ........................................................................................44

§5.5 本章小结 ....................................................................................................46

第6章结论与展望 ...................................................................................................... 47

§6.1 本文研究工作 ............................................................................................47

§6.2 研究展望 ....................................................................................................47

参考文献 ........................................................................................ 错误！未定义书签。

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果

致谢

第1章绪论

§1.1 选题的背景

我国的道路交通是典型的混合交通，交通组成复杂。在我国城市交通就有公

共汽车、电车、出租车、私家车、电动自行车、摩托车、三轮车、自行车等各种

交通形式。而在广大乡村公路或者在城乡结合部还有许多拖拉机、农用车和人力

车等车辆在道路上行驶。

在混合交通流中，交通组成复杂，各种车型不仅所占道路空间不同，其各自

的行驶性能也相差很大，相互间干扰现象严重。对于混合交通研究中，首先需要

进行车型换算，把混合车流中各种车型换算成标准车型或某一车型的当量值。因

此，小汽车、货车和其他车型的混合交通备受研究者的关注。

本文根据相关课题的积累，以《温州区域综合交通运输发展规划研究》等作

为支撑，结合实际项目，本文的论题因此产生。

§1.2 国内外研究现状

考虑混合交通情况下客车和货车之间的相互影响是多用户交通网络均衡模型

的一种变形。这类模型最早由 Mahmassani 和Mouskos（1988）

[1]以及最近的 Marcotte

和Wynter（2004）[2]、Y. Noriega 和M. Florian（2007）[3]等人进行了研究。国内在

混合交通研究方面，主要为在非对称模型基础上进行了一些修正，包括路段延误

函数、运量分布、方式划分和车辆的折算系数等等。本文就相关方面研究分国外

和国内进行综述。

§1.2.1 国外研究现状

1952 年，Wardrop[4]提出了著名的平衡分配原则，即有名的 Wardrop 第1和第

2原理，之后，Beckmann 等[5]于1956 年建立了平衡理论的数学极值模型，1979 年

Smith 在对平衡原理进一步详细分析的基础上，提出了变分不等式模型。他们的研

究工作使得平衡理论形成了比较完整的体系。

然而，在 Wardrop 的确定性用户平衡理论中，不但假设用户都力图选择出行

费用最小的路径，而且假设用户能随时掌握整个网络的交通状况，即能精确计算

每条路径的出行费用，从而做出完全正确的择路选择。事实上，用户只能对路径

出行费用做出估计，对同一条路径，不同的用户有不同的估计值。

Mahmassani 和Mouskos（1988）[1]研究了 Jacobi 算法来求解非对称网络均衡

模型，即认为小汽车和货车之间时间（费用）的相互作用是不对等的，货车对小

汽车的出行时间影响一般会大于小汽车多货车的影响。

Nagurney （2000）

[6]研究了离散情况下确定性交通均衡问题。随后，Nagurney

和Dong （2002）[7]总结了多准则交通均衡问题的前期研究成果，然后运用有限维

混合交通网络均衡模型理论与应用研究

变分不等式方法研究了具有弹性需求和非对称出行成本函数的双准则交通问题。

Florian 等（1999）

[8]研究了多类别出行者多模式变动需求的网络均衡问题，其

中模式选择由多层 logit 结构刻画，目的地选择由多比例路径分布确定，这些文章

中的用户类别是依照用户使用的交通工具（如卡车、汽车等）来划分，实际上为

多模式交通问题，未牵涉到准则权重和出行者偏好。Dial（1996，1997）[9]假定出

行者的时间价值服从连续分布，研究了双准则随机交通均衡模型与算法。

Florian 等（2002）[8]建立了一个嵌套 Logit 选择模式的多种需求条件下多类别

多方式的网络平衡模型。他们采用了变分不等式的建模方法，采用了 Gauss-Seidel

块分解耦合相继平均法的求解策略。该模型应用于智利圣地亚哥市的 ESTRAUS

项目。但模型的缺陷是方式间的协作和转化没有得到充分考虑，没有明确的延误

费用说明。

Marcotte 和Wynter（2004）

[2]建立了一个考虑特定指标的巢式费用结构（Nested

Cost Structure）模型，例如考虑唯一的路段交通量。但是该文提出的算法由于要求

用户之间有严格的映射关系，因此很难应用到大型网络上。而且这种映射关系很

难进行分析和给出严格的表达式[3]。Magnanti 和Perakis（2004）[10]用线性算法解

决了不对称延误函数的单用户变分不等式模型和不动点问题。

J. H. Wu 和Florian（2006）[11]考虑一个多用户网络均衡模型，每个用户有自

己的出行时间，在路段上相互影响，即延误函数是非线性和不对称的。采用非线

性变分不等式构建了多用户网络均衡模型和提出相继平均（MSA）的求解方法。

随后，Noriega 和Florian（2007）[3]在此基础上，采用三种方法进行求解：MSA 算

法，Jacobi 算法和 Gauss-Seidel 算法。该文章对解决大型网络的非对称均衡模型提

供了很好解决思路。

§1.2.2 国内研究现状

国内对混合交通的研究主要为在非对称模型基础上进行了一些修正，包括路

段延误函数、运量分布、方式划分和车辆的折算系数等等。本节就国内在混合交

通网络交通均衡模型和折算系数方面进行综述。

刘安等（1997）[12-14]讨论了非对称情况下混合交通固定和弹性需求的均衡配

流问题，给出了其均衡求解算法，是国内较早的研究此类问题的学者。但该模型

基本沿用经典的路段非对称模型，并没有给出具体的混合交通延误函数形势及实

例应用方法。

周溪召，陈斌（2002）[15-18]基于我国城市混合交通的特点及信息的随机性，

研究了混合交通方式选择和路径随机选择模型，给出了基于对称阻抗的出行、讫

点、方式和路径随机选择的综合模型，同时给出模型的算法。

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摘要：

摘要我国的道路交通是典型的混合交通，交通组成复杂，各种车辆不仅所占道路空间不同，其各自的行驶性能也相差很大，相互间干扰现象严重。含有小汽车、货车和其他车型的混合交通的研究备受研究者的关注。在大多数混合交通网络模型中，通常将货车及其他车型以固定的折算系数折算成小汽车当量（PCE—PassengerCarEquivalents），来得到网络的平衡解。但实际情况要复杂很多，小汽车和货车等即使在同一道路上，但交通流状态不同，时间延误也是不相同的，不是固定不变的。不同道路等级、不同纵坡坡度和坡长，各类型车辆所占比例大小，以及不同的交通流强度等都会导致不同车型对交通流的影响发生很大的变化。基于考虑固定折算...

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