本發(fā)明涉及交通規(guī)劃，具體涉及一種城市路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著“可持續(xù)”交通安全、交通“零死亡”愿景，以及構(gòu)建“本質(zhì)安全”的交通系統(tǒng)等理念的提出，面向主動(dòng)安全防控的交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理論應(yīng)運(yùn)而生，要求在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)將路網(wǎng)的安全性與通行效率視為同等重要的優(yōu)化目標(biāo)。因此，提出一種，在已知居民出行需求與路網(wǎng)屬性參數(shù)的基礎(chǔ)上，既能夠合理分配路網(wǎng)交通流量，又能夠權(quán)衡考慮路網(wǎng)安全性能與通行效率需求，對(duì)城市支路網(wǎng)絡(luò)實(shí)施單向交通組織優(yōu)化的方法，是亟待解決的技術(shù)問題。

2、支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化是城市交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是提升路網(wǎng)安全性與通行效率的核心技術(shù)。城市交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)指：在現(xiàn)有的投資規(guī)模下，通過改善或新建現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的道路設(shè)施(改進(jìn)或提出新的網(wǎng)絡(luò)交通管理方案)，使整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。然而，傳統(tǒng)方法大多以減小阻抗、降低建設(shè)/改建成本、降低能源消耗、提高出行公平性等單一或綜合系統(tǒng)性指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)。鮮有方法在路網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮基于均衡流量的路網(wǎng)安全與效率權(quán)衡問題。受限于以出行效率、公平等為單一優(yōu)化目標(biāo)的傳統(tǒng)交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)有路網(wǎng)優(yōu)化方法無法在保證出行者通行效率的同時(shí)，最大程度保障通行安全。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)平衡配流思想，以最大化路網(wǎng)安全性能(最小化碰撞風(fēng)險(xiǎn))和最小化路網(wǎng)通行效率，構(gòu)建城市支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化模型，并基于該模型提出了一整套面向出行者安全和效率考量路網(wǎng)規(guī)劃的單向交通組織優(yōu)化方法。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種城市支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、步驟10：居民出行行為調(diào)查，獲取居民出行需求數(shù)據(jù)；

4、步驟20：城市路網(wǎng)參數(shù)調(diào)查，獲取城市支路網(wǎng)絡(luò)的屬性參數(shù)值并構(gòu)建路段鄰接關(guān)系矩陣及路段-交叉口轉(zhuǎn)向連接關(guān)系矩陣；

5、步驟30：城市支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化模型構(gòu)建、參數(shù)標(biāo)定及求解；

6、步驟40：分析支路網(wǎng)絡(luò)的交通管理需求，按需選定支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化方案。

7、優(yōu)選地，步驟10所述居民出行行為調(diào)查，進(jìn)一步包括以下步驟：

8、步驟101：對(duì)調(diào)查對(duì)象進(jìn)行抽樣，其中所述抽樣采用分層抽樣；

9、步驟102：采用rp調(diào)查法，實(shí)施居民出行需求調(diào)查，具體可為家訪調(diào)查，當(dāng)面獲得調(diào)查數(shù)據(jù)；所調(diào)查內(nèi)容包括：假設(shè)該地區(qū)存在w類不同出行需求的居民，調(diào)查每一類居民的出行需求qw，并構(gòu)建路網(wǎng)出行o-d矩陣。

10、優(yōu)選地，步驟20所述城市路網(wǎng)參數(shù)調(diào)查，并構(gòu)建路段鄰接關(guān)系矩陣及路段-交叉口轉(zhuǎn)向連接關(guān)系矩陣，進(jìn)一步包括以下步驟：

11、步驟201：獲取t＝nt時(shí)段內(nèi)各路段和交叉口的屬性參數(shù)值，包括固有屬性參數(shù)值：通行能力ca、零流時(shí)間長度la、阻塞密度自由流速度可變屬性參數(shù)值：平均交通流量qi(i＝1,…,n)、平均通行時(shí)間ti(i＝1,…,n)；路段沖突次數(shù)ka、交叉口沖突次數(shù)ka→b、車輛質(zhì)量m，并整理成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)格式；

12、步驟202：繪制路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖根據(jù)結(jié)構(gòu)圖所顯示的小區(qū)間通達(dá)關(guān)系，構(gòu)建路段鄰接關(guān)系矩陣及路段-交叉口轉(zhuǎn)向連接關(guān)系矩陣，并標(biāo)注路段及交叉口屬性參數(shù)。其中，節(jié)點(diǎn)集合v＝(v1,…,vq)，路段弧a＝ao∪at∪am，為交叉口轉(zhuǎn)向弧集合；路段弧包括：單向支路路段弧集合ao、雙向支路路段集合at和干線路段弧am。

13、優(yōu)選地，步驟30所述城市支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化模型構(gòu)建，具體為雙層規(guī)劃模型，進(jìn)一步包括以下步驟：

14、步驟301：根據(jù)用戶平衡理論，構(gòu)建支路網(wǎng)絡(luò)平衡交通分配模型作為下層模型，具體如下：

15、

16、

17、其中，ta(x)表示路段a在交通流量為x時(shí)的通行時(shí)間，fp表示路徑p的流量，qw表示o-d對(duì)w之間的出行需求，xa表示路段a的交通流量，為路徑-路段指示參數(shù)，當(dāng)路段a位于路徑p上時(shí)，否則

18、步驟302：以最大化路網(wǎng)安全性能(最小化碰撞風(fēng)險(xiǎn))和最小化路網(wǎng)通行效率構(gòu)建上層模型，目標(biāo)函數(shù)如下：

19、

20、mintg(s)＝∑a∈ata(xa)×xa

21、其中，rg(s)表示路網(wǎng)交通組織方案s的安全性能值，tg(s)表示路網(wǎng)交通組織方案s的通行效率；

22、路段碰撞風(fēng)險(xiǎn)通過下式計(jì)算：

23、

24、交叉口碰撞風(fēng)險(xiǎn)通過下式計(jì)算：

25、

26、b1＝b1×ka→b，b2＝b2×ka→b

27、其中，b1和b2是預(yù)設(shè)參數(shù)；xa和xa→b分別表示路網(wǎng)中路段a與交叉口轉(zhuǎn)向a→b的交通量；ta(xa)表示路段a流量為xa時(shí)的通行時(shí)間。

28、優(yōu)選地，步驟302所述路段碰撞風(fēng)險(xiǎn)ra(xa)和路網(wǎng)通行效率tg(s)的計(jì)算，進(jìn)一步包括以下步驟：

29、步驟3021：根據(jù)路段類型，分別計(jì)算相應(yīng)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，其中，路段a為單向支路路段或干線道路時(shí)，即a∈ao或a∈am，車輛i通過流量為xa的路段a，由于跟車導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險(xiǎn)ra(i)(xa)和由于鄰車變道導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式為：

30、

31、其中，碰撞風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)包括車輛i受前車制動(dòng)影響和受鄰車變道影響的平均碰撞事故風(fēng)險(xiǎn)ra(i)(xa)和碰撞危險(xiǎn)系數(shù)ρa(bǔ)(i)、平均沖突風(fēng)險(xiǎn)閾值λa(i)(xa)和風(fēng)險(xiǎn)暴露量ea(i)(xa)和na為路段對(duì)應(yīng)的車道數(shù)。

32、步驟3022：計(jì)算步驟3021中車輛i受前車制動(dòng)影響和受鄰車變道影響的碰撞風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，計(jì)算公式為：

33、

34、其中，da(xa)為路段a的流量為xa時(shí)，車輛的期望平均間距；li為車輛i的長度；r為駕駛員反應(yīng)時(shí)間；γ為速度下降因子(非負(fù)值)；ω為車輛的胎-地摩擦系數(shù)；η為重力加速度。

35、步驟3023：路段a為雙向支路路段時(shí)，a∈at，車輛i通過流量為xa的路段a，由于跟車導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險(xiǎn)ra(i)(xa)和由于鄰車變道導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式為：

36、

37、

38、其中，表示車輛i通過雙向雙車道支路(na＝2)時(shí)，由于鄰車變道導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險(xiǎn)；表示車輛i通過雙向多車道支路(na＞2)時(shí)，由于鄰車變道導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

39、步驟3024：計(jì)算步驟3023中車輛i受前車制動(dòng)影響和受鄰車變道影響的碰撞風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，計(jì)算公式為：

40、

41、步驟3025：根據(jù)路段通行時(shí)間ta(xa)，計(jì)算路網(wǎng)中全部出行者的行程時(shí)間之和∑a∈ata(xa)×xa，用來表征路網(wǎng)通行效率。

42、優(yōu)選地，步驟30所述城市支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化模型參數(shù)標(biāo)定，進(jìn)一步包括以下步驟：

43、步驟303：根據(jù)步驟201獲得的城市支路網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)值，標(biāo)定bpr函數(shù)的阻滯系數(shù)α和β，進(jìn)一步包含以下步驟：

44、步驟3031：構(gòu)建參數(shù)擬合函數(shù)，計(jì)算公式為：

45、y＝β·x+lg(α)

46、其中，

47、步驟3032：將步驟102調(diào)查獲取的n組交通流量qi和n組通行時(shí)間ti結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)帶入步驟3031的擬合函數(shù)，得到n個(gè)線性方程；

48、步驟3033：根據(jù)步驟3032得到的n個(gè)線性方程，采用最小二乘多元線性回歸求解，得到阻滯系數(shù)α和β。

49、步驟304：根據(jù)步驟201獲得的城市支路網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)值，計(jì)算路段a的流量為xa時(shí)，車輛的平均期望間距da(xa)，計(jì)算公式為：

50、

51、其中，g表示路段上隨機(jī)分布車輛之間的平均距離(m)；

52、步驟305：根據(jù)步驟303的阻滯系數(shù)α和β的標(biāo)定結(jié)果，計(jì)算路段a的流量為xa時(shí)，車輛平均速度va，計(jì)算公式為：

53、

54、優(yōu)選地，步驟30所述城市支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化模型求解，進(jìn)一步包括以下步驟：

55、步驟306：采用非支配分類遺傳算法求解所述城市支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化模型，獲得帕累托前沿近似值f1與較優(yōu)策略集，進(jìn)一步包括以下步驟：

56、步驟3061：輸入模型初始數(shù)據(jù)，包括(步驟101獲取的出行需求qw，步驟201獲取的路段參數(shù)ca、la、和)，同時(shí)設(shè)定模型最大繁衍代數(shù)n、種群規(guī)模m、交叉概率pc、變異概率pm、計(jì)算誤差限值ε(根據(jù)精度要求自行設(shè)定)；

57、步驟3062：設(shè)定初始繁衍代數(shù)n←0，生成父代種群pn(pn＝{s1,s2,…,sn})，父代種群由隨機(jī)生成的路網(wǎng)交通組織方案sk填充構(gòu)成，設(shè)定子代種群其中sk＝{s(a),a∈ao∪at}(k＝1,…,n)，s(a)為支路路段的單向決策變量，具體如下：

58、

59、步驟3063：計(jì)算pn中當(dāng)前方案下路網(wǎng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的安全性能值和效率，并對(duì)當(dāng)前路網(wǎng)交通組織方案進(jìn)行排序、交叉與變異迭代操作，進(jìn)一步包括以下步驟：

60、步驟30631：初始化迭代計(jì)數(shù)n←0，采用bpr函數(shù)計(jì)算每條路段在交通量xa下的通行時(shí)間并計(jì)算每個(gè)o-d對(duì)w∈w之間最短路徑pw，記錄最短通行時(shí)間成本πw，bpr函數(shù)計(jì)算公式為：

61、

62、其中，初始條件下，交通流量為零，通行時(shí)間為零流時(shí)間

63、步驟30632：采用全有全無分配，向各o-d對(duì)間的最短路徑pw加載出行需求qw，獲得新的路段流量

64、步驟30633：更新迭代計(jì)數(shù)n←n+1，更新路段流量采用bpr函數(shù)計(jì)算當(dāng)前流量下的通行時(shí)間并計(jì)算每個(gè)o-d對(duì)w∈w之間最短路徑pw，記錄最短通行時(shí)間成本πw；

65、步驟30634：判斷第n+1次計(jì)算的路段流量與第n次計(jì)算的流量結(jié)果之間的差值是否小于步驟3061中設(shè)定的計(jì)算誤差限值ε；若小于則停止計(jì)算，此時(shí)可得到路段a最終的均衡流量xa，否則返回步驟30632；

66、步驟30635：采用步驟302路網(wǎng)安全性能值和通行效率的計(jì)算公式，得到pn中當(dāng)前路網(wǎng)交通組織方案在均衡流量xa下的安全成本和時(shí)間成本，以表征該方案下的路網(wǎng)安全性能和效率性能；若繁衍代數(shù)n←0時(shí)，將當(dāng)前路網(wǎng)方案直接儲(chǔ)存在rn中，并記錄對(duì)應(yīng)方案的成本值；否則合并父代種群與子代種群rn←pn∪qn，將當(dāng)前方案儲(chǔ)存在合并后的rn中，并記錄對(duì)應(yīng)方案的成本值；

67、步驟30636：采用快速非支配排序算法將rn中個(gè)體按照非支配等級(jí)進(jìn)行排序f←(f1,f2,...)，并進(jìn)行精英個(gè)體選擇，進(jìn)一步包括以下步驟：

68、步驟306361：初始化父代種群pn+1←0；

69、步驟306362：將第i非支配層級(jí)上的個(gè)體逐一放入父代種群中pn+1←pn+1∪fi，直到種群個(gè)體數(shù)達(dá)到最大容量pn+1|+fi|＝m為止；

70、步驟306363：采用擁擠度算法計(jì)算fi中個(gè)體的擁擠度；

71、步驟306364：選擇fi中前m-|pn+1|個(gè)個(gè)體，將fi(m-|pn+1|)與pn+1合并pn+1←pn+1∪fi(m-pn+1|)。

72、步驟30637：對(duì)pn+1的個(gè)體進(jìn)行交叉和變異生成后代種群qn+1；

73、步驟30638：更新繁衍代數(shù)n←n+1；

74、步驟30639：若n＜n，則返回步驟3063，否則合并父代種群與子代種群rn←pn∪qn；

75、步驟3064：根據(jù)排序結(jié)果獲得帕累托前沿近似值f1與較優(yōu)策略集。

76、優(yōu)選地，步驟40所述分析支路網(wǎng)絡(luò)的交通管理需求，按需選定支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化方案，具體為：從安全保障和效率提升兩個(gè)方面，綜合分析目標(biāo)區(qū)域支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織需求；根據(jù)步驟306獲得的帕累托前沿近似值f1與較優(yōu)策略集，生成安全型(注重路網(wǎng)安全性能)、效率型(注重路網(wǎng)通行效率)和平衡型(在顯著提高網(wǎng)絡(luò)安全性能的同時(shí)不影響通行效率)三種支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化方案，并按照支路網(wǎng)絡(luò)的交通組織需求選定對(duì)應(yīng)方案。

77、有益效果：本發(fā)明彌補(bǔ)了傳統(tǒng)優(yōu)化方法在路網(wǎng)整體安全性能和通行效率方面權(quán)衡的不足，首次提出融合安全考量的城市支路網(wǎng)絡(luò)單向交通組織優(yōu)化方法，能夠在權(quán)衡路網(wǎng)整體安全性能和通行效率的同時(shí)，生成具有安全和效率偏好特征的單向交通組織方案以供選擇，該方法達(dá)到了世界先進(jìn)水平。