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城市道路行程时间可靠性分析
2020-04-23 18:31
论文题目:城市道路行程时间可靠性分析
论文来源:本论文内容转载相关学术资料库,御用学术网只刊登提供学习,版权归作者所有。
论文作者:吴磊
作者单位:浙江大学
论文语种:中文
论文专业:交通规划专业
论文层次级别:博士毕业论文
论文字数:121175字
研究方向城市道路行程规划研究
论文用途:毕业答辩
论文数据处理要求:本文采用概率论、方差、均值、皮尔森公式对数值进行处理分析。
论文解决关键点:本博士论文通过城市道路可靠性基本理论及评价分析、城市道路可靠性影响因素分析、城市道路路段行程时间可靠性研究等七个方面表明本主题研究论述观点。
论文目前状态:已通过答辩。
摘要:本文是对城市道路行程时间可靠性进行分析,通过本文可对道路的交通系统有一定的新的认识。道路的交通系统是经济和社会发展中比较重要的基础及生命线系统之一,其建设及运行情况将直接影响着人民生命财产安全和国民经济的发展。怎样保证城市路网运行的稳定性和道路交通系统生命线功能的正常运行,一直是社会各界及交通工程领域所关注的。相关研究实践表明,发展城市路网可靠性研究给改进路网规划、救灾防灾和提高交通管理水平、完善运输线路逐步构成合理化的运输网及运输工具向高速、大型化方向发展等这些方面提供了积极的促进作用。
     本文首先介绍了此次研究的背景及目的,通过城市道路可靠性基本理论及评价分析、城市道路可靠性影响因素分析、城市道路路段行程时间可靠性研究等七个方面表明本论文主要论述观点。
每个城市经济的持续发展和城市系统功能的正常发挥在很大的程度上都是依靠稳定的运输网络,伴随城市的生活节奏加快及工作效率的不断提高,这种依赖将不断增加。所以,运输网络是否可靠就将会直接关系到经济的发展及城市系统功能的发挥。城市的道路网络系统是运输网络系统的重要组成部分,探索它的可靠性具有重要的理论价值和实际意义。伴随着社会的不断进步,对于道路网络正常处理及突发性交通事件问题的处理能力人们提出了更高的要求,保障道路的网络要能够保证关键路段或交叉路口的车辆行驶顺畅,降低交通事故发生的几率等。经过对道路网络运营的可靠性研究,就会发现网络供需矛盾和供需随机性的规律,所应当采取的有效措施,降低因其随机性带来的阻塞发生概率。  
城市道路行程时间的可靠性分析,阐述了人们是否能够准时完成其出行的可能性。现国内很多针对正常条件下的城市路段和交叉口行程时间可靠性在进行研究,不但将路径中各个路段当作是相互独立的个体,而且路段及交叉口皆是路径中相互关联的节点,同时,行程时间将会受到不同因素的影响,这些都是应该归纳到路径行程时间可靠度的计算中。
通过调查研究交通事故的根本特征和分布规律,考虑到交通事故具有很大的随机性,以及发生的概率作为对路段及交叉口行程时间的影响因素,对在正常条件及不利影响下道路行程时间可靠性分别建立模型,对于其行程时间的均值及方差进行了计算,对假定的行程时间在服从正态分布的基础上,计算得到路段及交叉口行程时间的可靠性。
抛开路段通行能力独立这样一个假设条件,同时考虑交叉路口的节点,对各个路段及交叉口当着是一条路径的基本组成单元,使用路段及交叉口的行程时间,综合对路径的行程时间进行计算,同时建立可靠性的模型,利用概率论方面有关的知识,对其组成单元在独立及非独立状态下的路径行程时间可靠度进行分别计算。带入协方差的公式,使用各个基本单元之间的有关参数及基本单元标准差来表现路径行程的时间方差,这样计算就会得出基本单元在非独立时路径行程时间的可靠度。在最后用实例证明模型和计算方法的合理性,同时对基本单元独立及非独立情况下路径行程时间的可靠性来进行分析,通过计算将会得出各个基本单元的有关路径行程时间的可靠性就会降低。
    根据城市道路行程时间的可靠性和基于行程时间可靠性的道路网络优化等的问题,本论文开展了如下研究工作:
1.以路段及交叉口作为研究的对象。将一条路径的路段及交叉口当作串联的模式,对这两者的行程时间进行分别计算,并且综合评价路径中各路段及交叉口的行程时间,对城市道路路径的行程时间可靠性进行计算。
2.考虑到交通事故的不可预见性及其随机性,将会根据需要建立相关模型,将发生几率当着路段及交叉口通行能力的影响因素,以此来表示在对城市道路行程时间上可靠性的影响。据有关资料已经证明交通事故的发生是服从正态分布的,预期的行程时间内交通事故的发生几率可以使用路段及交叉口交通事故发生率和长度以及交通量来计算出结果。
3.使用解析法对模型进行计算求解。对所提出的路段、交叉口和路径行程时间使用概率论的相关方面的知识分别求解均值和方差,从而计算出道路行程时间的可靠度。提出在考虑的基本单元影响的时候,带入协方差的公式,使用各个基本单元之间的有关参数及各个单元行程时间的标准差来表示路径的行程时间方差,用各个基本单元行程时间的均值之和来计算求解路径的行程时间均值,这里相关的系数是采用皮尔森公式计算得出。
关键词:路段;交叉口;路径;行程时间可靠性;交通事故
ABSTRACT:This paper analyzes the travel time reliability of urban road, through this paper can be a new understanding of the road traffic system. Road traffic system is one of the more important foundation and lifeline system in economic and social development, its construction and operation will directly affect people's life and property safety and the development of national economy. How to ensure the stability of the urban road network operation and the normal operation of the road traffic system lifeline, has been the concern of the community and the traffic engineering. Some researches and practice show that the development of urban road network reliability research is to improve the road network planning, disaster prevention and relief and improve the level of traffic management, improve the transportation line gradually constitute reasonable transport network and transport to the high speed and the direction of large-scale development provides a positive role in promoting.
In this paper, we first introduce the background and purpose of the study, through the urban road reliability theory and analysis and evaluation, the reliability of urban road influencing factors analysis, seven aspects of urban road link travel time reliability research indicate that this paper mainly discusses the viewpoint.
Each of the urban economy sustainable development and urban system function of normal play in a great extent is rely on the stability of the transport network, with city life rhythm speeding up and work efficiency continue to improve, this dependence will continue to increase. Therefore, the transport network will be directly related to the development of economic development and the function of urban system. The urban road network system is an important part of the transportation network system. It has important theoretical value and practical significance to explore its reliability. Along with society's unceasing progress, the normal processing of the road network and bursty traffic incident the ability to deal with people put forward higher requirements, to ensure road network to to ensure key roads or intersections of the vehicle running smoothly, reduce the probability of traffic accident. After the research on the reliability of road network operation, it is found that the contradiction between supply and demand of network and the law of supply and demand randomness, the effective measures should be taken to reduce the probability of congestion caused by the randomness of the network.
The reliability analysis of the travel time of urban road, the possibility of whether people can finish the trip on time is expounded. Now many domestic for normal conditions of urban road and intersection travel time reliability on, not only will in each section of the path as the individual is independent of each other and road sections and intersections are all paths of interconnected nodes. At the same time, travel time will be by the influence of different factors, these are should be summed up to route travel time reliability.
Through the investigation and Study on the traffic accident of the basic characteristics and distribution regularity of, taking into account the traffic accident has great randomness, and the occurrence of probability as the influence factors of road section and intersection travel time and road travel time reliability under normal conditions and the adverse effects of don't establish a model, for the travel time of the mean and variance were calculated on the assumption that the travel time to obey normal distribution based on the calculation of road section and intersection travel time reliability.
Put aside the road traffic independence assumption conditions, considering the intersection nodes at the same time, to each section and intersection when a is the basic unit of a path, using road sections and intersections of the travel time, comprehensive to the path of travel time are calculated, also establish the reliability of the model. By using the probability of the knowledge and the composition unit in the independent and non independent state route travel time reliability are calculated respectively. Into the covariance formula, the use of various basic units between the relevant parameters and basic unit of standard difference to the performance of route travel time variance, so that the computation will draw the basic unit in the non independent path travel time reliability. In finally used the example to prove the rationality of the model and method, and the basic unit independent and non independent route travel time reliability to carry on the analysis, through the calculation will be obtained in the various basic units on path travel time reliability will reduce.
According to the reliability of urban road travel time and the optimization of road network based on travel time reliability, this paper has carried out the following research work:
1 taking the road section and the intersection as the research object. Will be a path of the road sections and intersections as a series, on both the travel time is calculated respectively, and comprehensive evaluation of the path in the road sections and intersections of travel time, travel time reliability of urban road path were calculated.
2. Taking into account of traffic accidents unpredictable and random, will establish related model according to the need, the incidence of the factors affecting the ability of the traffic of road sections and intersections, in order to expressed in terms of the impact on the urban road travel time reliability. According to relevant data have shown that traffic accident occurrence is to obey the normal distribution, expected travel time in traffic accident occurrence probability can use road sections and intersections traffic accident incidence and length, and the traffic volume to calculate the results.
3 using analytic method to calculate the model. On the proposed road, intersection and path travel time using the knowledge of probability theory, respectively, to solve the mean and variance, so as to calculate the reliability of the road travel time. Put forward in consideration of the basic unit of, into the covariance formula using standard and the relevant parameters of each unit travel time between each basic unit difference to represent the path travel time variance, with each basic unit travel time mean and to calculate the path to solve the average travel time, where correlation coefficient is the Pearson formula.
Key words: Road section, intersection, route, travel time reliability, traffic accident
第一章 绪论
1.1 研究背景及目的意义
1.1.1研究背景
随着城市的道路交通不断进步和发展,在城市交通规划的领域中,路网的可靠性逐渐成为评价路网性能好坏的一个很重要的指标。因为路网可靠性它不但是路网运行情况的外在表现,而且还是路网优化设计、规划和管理的最终表现,所以交通规划过程中的重要内容之一就是研究路网可靠性。然而路网可靠性评价中一个很关键指标又是路网行程时间的可靠性,它不但是道路使用者所关心,同时又是道路交通管理者对路网性能评价的一个客观标准。
可靠性归属于系统工程学科的范畴,最早是由Robert Luster在1952年提出来。普通意义上的可靠性是指系统可以在规定条件及时间之内能够实现预定的功能或目标的几率,是评价系统稳定性能的关键指标。可靠性的分析已广泛地应用在通讯、电力和供水等民生管网系统中。
在交通工程领域中的路网设计、规划和运营的各个环节都同样存在着可靠性的问题,将可靠性理论带入以上的各个环节,就可以最大限度地降低路网故障,提升运行的稳定性,或者发生故障以后尽可能快的恢复原来的功能,减少使用和维修费用。但是,当前在道路交通网络中使用可靠性理论的还比较少。实际上,道路交通网络是很重要的生命线系统之一,它的运行稳定性直接影响着人民生命财产安全和国民经济健康持续的发展。因为道路交通系统是个比较复杂的综合性动态系统,它具有随机性和动态性,道路的交通系统运行状况是受比喻像恶劣天气、交通供需和交通事故等很多的方面影响。对于交通需求来说,因为出行者在时间、空间及数量上随机占用着交通设施,有很大的随机性不确定因素,此外,还由于受各种随机的事件(比如像道路施工、交通事故、自然灾害及维护等)的影响,路网的实际容量在不断的变化,交通供给也是不断的在随机变化。所有这些都将会使路网运行情况具有随机性,所以对路网可靠性的研究是很有必要的。
    可靠性经常使用在研究系统中提供的服务水平的稳定程度,它是一门比较新兴的工程性学科。在电力系统和供水系统以及通讯网络等系统中,将其作为规划、设计和运行的关键部分,己经得到了比较广泛的使用。随着可靠性探索的不断深入,可靠性的研究范围及内容也在不断的开展,其中,表现比较突出的就是在城市道路可靠性方面的研究,例如城市道路的容量可靠性、连通可靠性、畅通可靠性及行程时间可靠性等方面。
    近几年以来,随着城市规模的快速扩大,城市道路的规模也不断增大,人们外出的路程不断延长和出行时间逐渐增加;另外一个方面是经济快速增长使得人们的使用时间不断提高和生活节奏逐渐变快,致使人们不但对每个路段要求安全、便捷和准时,而且也需对各个道路系统的各个交叉口提出了经济和可靠的要求,就是对路径出行时间的可靠性提出了更高要求。
1.1.2研究目的和意义
    国内外的学者在道路路径可靠性的方面已做出了很多的研究工作,但主要是针对于正常条件下路网的各个可靠性参数的分析,并且研究对象是以路网中的路段为基本单元。然而,城市道路的组成基本单元除了路段以外还有交叉口,这个也是不可忽视的道路路径组成单元。对于路段及交叉口的行程时间,在对道路路径行程时间的可靠性进行研究,不但可以对城市道路交叉路口对行程时间及路网行程时间的可靠性探索奠定了基础,而且还为用户提供更为准确的出行信息,更能够提高路网安全的运营水平。此外,道路突发情况时常发生,探索交通事故影响下的道路行程时间可靠性,更有利于增加道路对突发情况的处理能力,能够为救灾和救险决策提供理论根据,为逐步构成合理化的运输网及运输工具向高速、大型化方向发展。对城市道路的行程时间提供可靠性研究,在分析不利的条件下各个影响因素对城市道路行程时间可靠性的影响,建立道路路段和交叉口及路径可靠性的计算模型,对可靠性观念及可靠性技术运用到道路网络的规划、建设和管理中,是建立适应社会城市化和城市机动化趋势的高效、经济及可持续健康发展和谐交通系统的必然要求和条件。
    伴随社会经济实力及交通科技水平的不断提升,交通信息的采集、传输及发布设备的性能价格比不断合理,对获得实时数据奠定了很重要的物质基础。我国在大城市快速路及主干道路交叉口处逐渐设置了交通流系数自动获取装置,对道路交通流(主要是指机动车流)的信息(车速、流量、占有率和紧急事件报警等),通过信息的采集、处理和分析,对实时动态的信息化服务的出行者已经成为了可能。这些信息主要包含道路交通的拥堵及畅通的情况,在路段当天或历史的交通信息中(包含行程时间、流量、速度及占有率),按照出行者设定线路的起点和终点,输出可行路径并计算出行程时间。对大量的交通数据挖掘其用途的潜力依然存在,例如,通过数据的处理获得相对应的可靠性,和历史的数据进行对比和分析,可以从可靠性的角度去考察城市道路网的运行情况,在对有效利用现有交通设施和帮助交通管理者及交通参与者掌握并了解交通情况变化趋势是不是运行正常,提高了人们出行的效率,帮助管理决策都有着比较重要的现实及指导意义。
1)伴随经济的发展及社会的进步,出行的人们对道路网络的日常处理及突发事件交通问题的处理能力提出了更高的要求,要求道路网络能够保证重要路段或交叉路口对的车辆行驶顺畅。通过对道路网络系统的可靠性研究,就能够找到网络供需矛盾和其供需随机性之间的规律,进而采取有效的措施,降低因为其随机性带来的阻塞发生几率。
2)道路网络可靠性研究对道路的规划及改造提供了决策依据,保证道路网络具有一定的可达性及畅通性。通过对道路网络系统的可靠性研究,就可以找到系统的比较薄弱的环节,并且通过调整道路网络布局或者加大薄弱环节的容量来提升系统的可靠度,从而制定确保一定可靠度道路网络的优化方案。
3)道路网络的可靠性研究为ITS提供了技术支持。可靠度研究可以应用到信号控制、交通信息和动态路线诱导及停车等系统的决策之中,以便更合理地引导和控制交通的出行情况,更为有效地缓解交通拥挤,提升道路网络服务水平。
4)道路网络可靠性的研究为交通管理者提供了决策支持,帮助交通管理者确定敏感路段和节点、优化管理人员及设施配置、采取相应的管理措施调节交通需求和交通供应、制定城市突发事件应急预案等,提高城市抵抗各种风险的能力。
(5)充分认识和了解道路交通的供需矛盾,实现道路交通的可持健康的续发展,充分发挥道路的网络潜力,实现对有限资源的合理的开发和利用,进而从根本上解决道路交通的问题,最终推动道路交通系统甚至整个城市的可持续健康的发展。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
日本的Mine和Kawai在1982年的时候最先提出的连通可靠性的概念,将交通网络中的两两节点之间保持连通的概率定义称为连通可靠性,但是他们只是考虑了路段的通行能力为零及通行能力最大的两种极端状态。Iida0和Wakabayashi在1989年为了对特殊两两节(Origin and Destination)点间连通可靠性进行进一步研究,并提出了对路网终端的可靠性最小路集及割集的近似算法。因为只考虑到路段的通行能力为零及通行能力最大两种的极端状态,并且还没有考虑路段和结点上的交通流量等的问题,所以对连通可靠性的探索相对就比较简单,适用范围也较小,其探索的主要方法有布尔代数、图论及整数规划。然而在实际的道路交通网络中,路段的实际通行能力往往是在零和最大值之间的,连通可靠性的探索并不能满足路网运行的实际情况。
针对连通可靠性在交通网络中的不足,有人提出了容量可靠性指标,从整个系统的路网性能考虑。考虑了路段定价对交通网络可靠性的影响并建立模型进行分析评价等对交通需求为弹性需求的交通网络进行描述,通过敏感性分析来评价交通网络可靠性。通过提出两个无协作关系的出行者,在多目标情况下达到纳什混合决策均衡并提出了针对网络容量可靠性与随机需求不确定情况下的流量均衡算法,认为出行者随机选择出行路径并评价了交通网络可靠性和在网络可靠性下交通流量的分配,提出一种贝叶斯的可靠性算法。在出行者以出行最短时间为目的且网络容量可变情况下,对随机流量网络的可靠性进行了评价分析
行程时间是衡量路网服务水平最直观的指标之一。在1991 年,Asakura 和 Kashiwadani 就提出来了行程时间可靠性的定义:对于给定的一个出行时间,出行者能在规定时间内顺利完成出行的概率。根据研究侧重点的不同,他们又将行程时间可靠性可分为路径行程时间可靠性、对行程时间可靠性和道路系统行程时间可靠性。将路径行程时间可靠性定义为:给定路径上的行程时间在可接受阈值内的概率;定义对行程时间可靠性为:对之间所有被出行者使用的路径的行程时间,得到一个关于对服务水平的指标;道路系统行程时间可靠性则认为是以期得到整个系统服务水平的测度。Kashiwadani 认为路径行程时间可靠性对出行者选择路径具有很大的帮助,而对行程时间可靠性和道路系统行程时间可靠性则对管理者估计路网性能提供了理论支持。
后来,Asakura等人在19%年分析了道路通行能力变化对行程时间可靠性的影响。Bell等人在1998年分析了日交通需求浮动对行程时间可靠性敏感程度,证实了行程时间可靠性能够有效的分析路网维持日常运营状态时其运营服务质量的稳定性。
Stephen Clark 等人则分析了基于随机用户需求的路网行程时间可靠性。其主要依据于路网日常交通需求的矩阵变化,提出了对整个路网行程时间概率分布的评价方法,以对单个出行者特性的分析为基础,分两个阶段提出了标准的行程时间分配模型。第一阶段,基于路段流量的多元状态,采用解析的方法计算总行程时间的分布;第二阶段,采用可变家庭数的密度函数,对这些状态进行拟合,得到在不可靠因素影响下的道路系统行程时间的实际分布。
Lam 等人与 Bell 不同,他使用了 Probit 随机用户平衡模型,利用交通流模拟器(TFS)计算了道路行程时间可靠性。
    与其他可靠性不同,行程时间可靠性必须考虑出行者的路径选择行为。从出行者角度出发研究行程时间可靠性,分析不同出行者对行程时间的意识误差和行程时间本身的随机性,并基于Monte Carlo技术计算出了不同路径选择模型下的行程时间可靠性。通过比较结果,说明了在不同路径选择模型下计算的行程时间可靠性不同。不同学者考虑的行程时间影响因素和计算方法不同,因此行程时间可靠性的计算方法不一。Bredica模拟了交通事故发生情况,分析了交通事故对交通安全和行程时间可靠性的影响。 Watling等利用动态链接模型与可变性需求模型提出评价出行时间可靠性的方法。假定旅行者选择最低旅行时间要求,对于旅行者的冒险行为与旅行时间可靠性建立了非线性数学模型。随机交通需求下建立了基于行程时间可靠性的网络分配模型,分析和评价了随机交通需求对路网可靠性的影响。
1.2.2 国内研究现状
随着中国城市化进程的加速,越来越多的人口涌入到城市中来,因此不断发展的城市路网能否在规划、实施和管理上满足人们日益增长的出行需求已变成一个迫在眉睫的问题。研究解决此问题的主要方法就是对城市路网的可靠性指标进行系统剖析,而行程时间可靠性作为路网可靠性研究的最重要组成部分,是当前国内路网性能研究的重要方面,同时也是城市出行者和道路管理者最直观关注的客观指标。但相较于国外,我国的行程时间可靠性的研究起步较晚,很多研究多处于理论范围。
冷军强对冰雪条件下的城市路网行程时间可靠性展开了深入研究,通过对路段和交叉口的交通特性进行调查研究,分别建立了冰雪条件下的路段和交叉口行程时间可靠性模型,及行程时间可靠性评价方法,基于广义出行费用,提出了路网行程时间可靠性模型和可靠性评价方法,并结合实例分析对模型进行了验证。
郭寒英、石红国等人结合路段通行能力与运行时间,对突发事件下路网行程时间可靠性进行了研究。他们对突发事件所引起的后果进行了量化分析,对突发事件下的道路系统运行时间进行研究,并运用机会约束模型计算出了在缺乏大量数据时和各类型突发事件的干扰下的道路网络行程时间可靠性。
陈玲娟、刘海旭等人对交通事故持续期内的行程时间可靠性进行了研究,考虑到在交通事故的影响下路网性能具有一定随机性,他们利用 Logit 路径选择准则和路段传输模型,建立了交通事故持续期内路网行程时间可靠性模型,并提出了 Monte Carlo 模拟算法。
况爱武等人假设路段容量服从均匀分布,基于路段行程时间的随机变动,提出了退化路网中路段及路径行程时间可靠性的计算模型。西南交通大学的刘海旭、卜雷基于路网中路段行程时间可靠性,提出一种行程时间可靠性模型近似算法,他们将交通量和路段通行能力视为离散化随机变量,运用用户平衡分配模型,对随机路网的行程时间可靠性进行计算。
熊志华和邵春福对路网可靠性进行了论述,包括作为衡量路网服务水平指标:连通性、旅行时间可靠性以及通行能力可靠性。陈春妹和任福田等对基于随机路径选择下的车辆平均出行时间进行了研究。侯立文等研究了影响路网可靠性的形成和影响因素,从生存性和有效性来刻画路网可靠性,并提出了基于路径以及交叉口可靠性的函数关系。随后侯立文等又建立了基于出行时长的路网可靠性模型,并进行了仿真计算;提出了描述路网性能的另外一项指标一路网可靠服务水平,同时采用定量的方法给出了路网可靠服务水平的具体表达形式。高自友等于2006建立了考虑可靠性条件下城市交通网络设计双层规划模型。金键等从动态时变性研究道路交通网络结构可靠性的时间冗余性、空间冗余性以及时间经济性和空间经济性来讨论公交网络可靠性对解决城市交通问题至关重要。刘海旭和蒲云等定义了考虑随机路网中交通量和路段通行能力作为离散随机变量的行程时间可靠性,并用近似算法求解行程时间可靠性。裴玉龙教授深刻的剖析了公路网络运营可靠性与城市道路网络运营可靠性的区别,在对公路路段通行能力的概率分布、均匀分布的随机路段通行能力的产生、最短路线辨识、网络平衡配流、路径列出等进行深入研究的基础上,开发了Monte Carl。的模拟程序对公路网络运营可靠性进行分析。王建军等对各种影响因素按照时间、空间及影响作用大小对各种因素进行归类,并分析总结各种影响因素的活动规律和特点,然后采用故障树分析法,针对不同影响因素的特性完成各不同影响因素对于路网稳定性影响的作用机理的研究。
不同的道路行程时间变化和波动不同,而不同路网应对这种变动的能力亦不同,表征其应对能力的指标主要有行程时间可靠性的定义及其特性等,熊志华等人通过对这些指标进行深入研究,提出了3种路段之间的相互影响模式,包括不相互影响、同步影响和弱影响,并采用Monte Carlo法进行模拟,得出了结论:如果忽略路段之间的相互影响不计,会高估路网的可靠性;如果减少路段之间的相关性,当破坏事件对路网产生影响时,有利于降低其影响程度和影响范围;若考虑路段的相关性,在对实际路网进行路径选择时,利用行程时间可靠性技术,有利于增加路径选择的准确性和合理性,实现路网的安全、可靠、高效运营。唐小勇、王炜基于路段故障率的分析,借助交通流理论,提出了一个新的路段行程时间可靠性的估算模型。该模型有明确的理论根据和合理的前提假设,综合反映了影响行程时间可靠性的各个因素,而且模型结构简单,输入数据仅为路段常规的饱和度指标。李先等人以北京市出租汽车 IC 卡采集到的行程时间数据为基础,提出了新的单位距离行程时间可靠性的评价指标和方法,并以北京市路网进行了实例研究。金键通过深入分析道路不可靠性的因素,利用系统工程学理论,提出要根据不同的需求对交通信息进行综合分析,对城市道路网络实施可靠性管理,对交通运营可靠性进行优化,才能达到增加道路网络可靠性的目的。刘秋杰等人综合行程时间可靠性和容量可靠性,提出了新的可靠性指标:时间——容量综合可靠性,该指标能够反映道路系统的综合性能,并基于新的可靠性指标提出了路网备用能力双层规划模型。陈欢欢,王福建等人通过分析可靠性理论,提出了交叉口可靠性的相关概念和功能函数,建立了信号交叉口可靠性模型,利用蒙特卡罗模拟方法对其可靠度进行了求解。
综上所述,国内外学者对三种可靠性中的连通可靠性和容量可靠性研究较早也较成熟,对于行程时间可靠性研究较晚。很多学者都建立了各自不同路网可靠性指标和求解
算法,但大多行程时间可靠性指标单一,且评价指标多应用于整个路网的性能评价中,很少有学者将行程时间可靠性指标应用于交通分配模型。
总之,国内外在此方面的研究成果颇丰,并且也在一定程度上应用到了实际路网的规划管理中。但目前研究大多只是针对可重复发生的日常交通拥堵情况下的可靠性问题,而对于交通事故或不利天气等干扰下的行程时间可靠性的计算及求解的研究较为缺乏。随着自然条件的不断变化和人们对出行、救援救险的要求越来越高,这方面研究已迫在眉睫。
1.2.3 存在问题分析
虽然现在对于道路行程时间的可靠性各方面的研究已经比较富,就目前国内外现状研究分析来看,问题的存在还是有的。例如:1、交叉路口这一环节问题的存在,只想到了路段的行程时间可靠性,总忽视对路径和路网进行行程时间可靠性的分析。但是在现实的在道路中,交叉口对路径或路网行程时间也存在着至关重要的影响,将交叉口引入路径行程时间可靠性计算模型中来,是个不容小觑的问题。2、路径行程时间可靠性在假定路段通行能力变动进行计算时的变化和交叉口可靠性的变化也是都是相互独立的,这也是为了在计算上的方便。实际在多个时间路段通行能力的变化和交叉口的变动都是有一定联系的。3、目前,行程时间可靠度的计算还不能对行程时间可靠性的影响因素进行具体的实施和应用。
1.3 研究内容
1.3.1 主要研究内容
从各种不的路网条件(如正常条件和灾害条件等)分析其可靠性计算路网进行评价并提供思路,对正常条件和不利影响下路段和交叉口及路径的行程时间可靠性计算的模型分别进行建立,并利用统计学等知识对可靠度进行计算,首先此文将根据不同的路网路径模拟交通事故对道路行程时间可靠性的影响展开分析,这也是目前在国内外研究现状及实际需求,主要有:
 第一、本文将对路径的基本单元与路径行程时间可靠性概念进行阐述,对基本单元和道路通行能力与交叉口延误方式进行分析,同时根据适用的范围和繁杂程度对运用的可靠性计算的常用方法进行研究。
第二、在自然因素与人为因素影响下对行程时间可靠性进行研究,经过研究基本特征和分布规律,对影响较大的交通事故作为主要内容,提供理论依据并分析为城市道路行程时间可靠性模型的建立。
第三、对在正常条件下和不利影响下分别提出路段行程时间可靠性计算模型。以路段实际通行能力作为一个变量,路阻的函数表示一般情况下的行程时间可靠性,经过研究,量化在不利影响下交通事故在路段发生的概率对路段通行能力的影响,建立可靠性模型,路段通行能力相关函数的均值和方差均采用统计学知识计算,最后的求解式是路段行程时间可靠度。
第四、对在正常条件下和不利影响下分别提出路段行程时间可靠性计算模型。以交叉口的实际通行能力作为一个变量,交叉口的延误函数表示一般情况下行程时间可靠性,各进口道通行能力的影响系数是在交通事故的随机性在交叉口发生的几率中表现,在不利条件下交叉口各进口道的延误时间函数并建立各进运行时间可靠性模型,对进口道运行时间的均值和方差通过计算表达出交叉口的运行时间可靠度。
第五、对各种路段情况作为一个整体,并采用上文提到的行程时间计算函数,建立路径行程时间可靠性模型。对路段独立交叉口、非独立交叉口不同情况下行程时间均值和方差的计算方法进行研究,采用有关各基本单元之间的系数表示非独立路径行程时间方差的计算方式,验证实例分析对建立的模型和计算方法进行比较,对独立和非独立基本单元的路径行程时间可靠度变化和行程时间可靠性进行全面的探讨与研究。
1.3.2 创新点
①从客观和主管角度全面分析人的因素对路网行程时间可靠性的影响
路网建设的目的是供各种车辆和行人通行,另一方面讲其功能就是,使出行者从A点到达B点。由上述目的可知,人是路网规划、使用和管理的唯一参与者,因此,人的因素是影响路网可靠性最重要的因素。简单的讲,人参与到交通活动中的主要方式有出行者和管理者两种方式。
人的行为有其主管能动性,所以人的因素对路网可靠性的影响其外在表现为个人的主观影响,比如:出行者对路网延误时间的容忍程度各不相同、出行者对天气情况的乐观判断程度不同以及出行者对旅途中路的因素、环境因素等突发情况的判断抉择不同等。出行者不同的主观判断会产生不同的选择,进而对路网行程时间可靠性产生主观的影响。但通过大量的统计数据分析发现,出行者做出的主观选择判断,与出行者的受教育程度、收入水平及早中晚不同出行时段、出行前天气情况等客观因素之间存在着一定的规律。
管理者也是影响路网可靠性的最主要的因素之一。管理者的管理方式、管理政策制定能力和管理措施落实水平等都会最直接的影响到路网的行程时间可靠性程度。且就个体水平相比较,管理者对路网可靠度的影响的程度要远远大于出行者。
本文将从客观和主管两个角度全面分析主观路网中出行者和管理者等人的因素全面分析其对路网行程时间可靠性的影响及影响程度。
②通过加权法计算行程时间可靠性影响系数
道路网的行程时间可靠性受到各方面影响因素的影响,以往在计算行程时间可靠性的过程中,多采用只考虑交通事故这一主要影响因素来确定影响系数或综合分析给定影响系数的方法。这两种方法得出的影响系数可能存在与实际情况偏差较大的情况,不能真实的反映出道路网中各影响因素的影响情况。最终使得到的路网的行程时间可靠性的数值可信度较低。为此,本文综合路段的实际情况,根据影响因素的影响程度和影响范围等特征,赋予影响因素相映的权值,最后,通过加权法得到最终的影响系数。通过加权法计算得出的影响系数,综合考虑了各个影响因素的影响,使得出的影响系数更加的全面,能更加真实的反映道路受到影响因素的影响情况。
③通过蚁群算法对出行者路径选择问题进行计算研究
行程时间是路网性能指标一个最直观的因素,但当其全面反映整个路网运行状况时有其局限性,反映的问题比较局部和片面。行程时间可靠性能更好的反映整个路网运行状况,但与行程时间相比同样也存在不够直观、及时且不能很好的指导进行局部交通状况的调整的问题。本文将从两者的关键影响因素出发,具体研究分析行程时间可靠性与行程时间之间的关系。如研究行程时间可靠性最大和行程时间最小间的关系等。
路径选择是每个出行者都必须面对的问题,但路径选择同样受到出行者、环境、路网状态等各种因素的影响。使路径选择问题的建模及计算难度较大。而通过动态交通数据分析,诱导出行者做出正确的交通路径选择,能极大的提高路网通行效率,提高各交叉口和路段的行程时间,进而提高整个路网的可靠度。本文运用通过路径选择问题的研究分析,确定运用蚁群算法来模拟真实环境下的路径选择情况,并对其进行建模,探究其计算方法。
1.3.3 技术路线
在充分思考到交通事故不可预测的情况下,城市道路的行程时间可靠性计算与建立模型,同时采用概率论的有关知识对模型进行计算,因此主要对路段和交叉口为研究对象:(1)明确文章的研究背景和研究意义并研究国内外研究的当前发展情况,主要对路网的优化目标、模型和计算方法进行阐述。总结出当前存在的问题,明确研究方向和内容;(2)对城市道路的网络运营可靠性研究建立模型并进行研究其影响原因;最后,根据无法判断的情况下路径选择模型。对不确定情况下的路径选择建模思路是先对不确定情况下出行人的路径选择行为和影响因素来研究,在就是对“前景理论”的路径选择模型进行梳理,最终建立“前景理论”的出行者路径选择模型。
第二章 行程时间可靠性基本理论及评价分析
2.1 行程时间可靠性概念
城市道路是通达城市的各地区,供城市内交通运输及行人使用,便于居民生活、工作及文化娱乐活动,并与市外道路连接负担着对外交通的道路,是人们社会功能得以实现的基础保障设施。同时,可以以城市道路为支撑和依托布置其它生活必须管线,如保障城市正常运转的水力、电力、燃气运输通道都是沿路布置的地下管线。所以,一旦发生地震、洪水、暴风雪等恶劣的自然灾害以及大规模交通事故等突发事件,造成城市道路结构破坏堵塞,城市道路网的局部甚至全部运输功能就可能瘫痪,人员和物资都不能完成正常转移,在破坏被完全排除前,城市生产和生活都会受到极大的影响。为了适应城市的人流、车流顺利运行,城市道路要具有如下特点:
①、适当的路幅以容纳繁重的交通;
②、坚固耐久,平整抗滑的路面以利车辆安全、舒适、迅捷的行驶;
③、少扬尘、少噪声以利于环境卫生;
④、便利的排水设施以便将雨雪水及时排除;
⑤、充分的照明设施以利居民晚间活动和车辆运行;
⑥、道路两侧要设置足够宽的人行道、绿化带、地上杆线、地下管线。
因为城市路网可靠性的定义和衡量十分困难,很难对预期的功能和可接受的运行水平进行直接和明确的定义,所以过去很少用可靠性分析方法对城市路网进行评价。可以说,城市道路网可靠性的研究时间远远落后于可靠性系统评价工程学科,因此总体上研究水平滞后,尤其是路网所特有的行程时间可靠性研究。城市路网的功能指标主要包括连通性、运行时间、通行能力、可达性、公平性等等。
    最早的与行程时间可靠性相关的研究出现在20世纪70年代末,1979年Prashker将行程时间的准确性作为判断过程当中的一个重要的变量,在面对驾驶员操作习惯无规律性、路网变化随机性、等待时间不确定性以及寻找停车位所花时间的偶然性时,发现等待时间以及找寻停车位所花时间的可靠程度比行程时间更重要。1981年Abkowitz 在对San Francisco Bay Area地区进行调查时发现可靠性对通勤者的出发时刻选择有重大影响,进而研究影响通勤者根据行程时间的可靠性对出发时刻作出选择的因素。此时只是对行程时间可靠性研究的的初级时期,描述的仅仅是行程时间某一方面的可靠程度。20世纪80年代Iida Y提出了可靠性在交通工程中的应用和有关的概念之后,逐步形成了路网可靠性的相关指标和技术,行程时间可靠性才逐步发展完善起来。
路段和交叉口是构成城市道路网的最基本单元,由路段和交叉口串联构成形成路径,1个或多个路径并联再构成OD对,多个OD对混联就组成了城市道路网。因此,本文将行程时间可靠性依据研究对象的不同分为如下四个层次:
①、基于路段和交叉口的城市道路网基本单元行程时间可靠性;
②、路径行程时间可靠性;
③、OD对行程时间可靠性;
④、道路路网行程时间可靠性。
根据以上分析可知,路段和交叉口是组成路径、0D对和路网的组成单元。同时,路段和交叉口行程时间的研究计算可以说是研究其它三个不同对象行程时间可靠性的基础和最小研究单元。所以,本文主要研究分析计算路段、交叉口及其组成路径行程的时间可靠性。通俗的讲,可以将路段、交叉口和路径行程时间行程时间可靠性定义为在规定的时间内行人通过或完成整个路段、交叉口及路径的概率。具体而言,某一路径上的行程时间不超过给定预期阈值的概率就是此条路径的行程时间可靠性;而路段和交叉口的行程时间可靠度为在特定服务水平和环境条件下出行者能够在规定的时间内顺利完成一处路段和交叉口的出行的概率。
2.2 路网基本理论
道路网(road network),简称路网,指的是在一定区域内,由各种道路组成的相互联络、交织成网状分布的道路系统,也可设定为某一单独功能或单一区域的道路所组成的系统。比如,由全国高速公路组成的系统称全国高速公路网,由西安城市范围内全部各功能的道路组成的系统称为西安市城市道路网,分别如图2.1和图2.2所示。
由上述定义可知,路网由各种功能的道路穿插组成,不同功能的道路互相交叉被分隔成不同的路段和一处处交叉口。从另一个角度讲,路网就是一处处路段和交叉口拼接组成,因此,是路网研究的重点。同时,路网通行能力、路网规划、路网密度等都是路网研究的重要方面。
 
 
 
图 2.1   全国高速公路网布局图
 
 
 
图 2.2   西安市城市道路网布局图
2.2.1 路段 
    路段,在交通领域里,是指道路网络上相邻两个节点之间的交通线路,一般情况下把一处交叉口做为一个交通节点。本文所述之路段可定义为,道路网中的道路处于两处交叉口之间的部分,如图2.3所示。
2.2.2 交叉口分类
本文定义道路交叉口为路网中两条或两条以上的城市道路相交的位置。道路交叉口是车辆与行人汇集、转向和疏散的必经之地,交通状况非常复杂,是城市路网的的咽喉,
如图2.3所示。交叉口由其作用决定了具有交通速度低、冲突点多、周围环境复杂、交通设施集中等特点,所以交叉口位置的交通事故率明显高于路段,且交叉口位置的行车状况决定了出行者的出行舒适感受。
 
 
图 2.3   路网组成图
 
  2.2.2.1 交叉口的类型
道路交叉口可分为平面交叉口、环形交叉口和立体交叉口。平面交叉口是道路在同一个平面上相交形成的交叉口。通常有T形、Y 形、十字形、X形、错位、环形等形式。平面交叉口又分为交通管制交叉口和无交通管制交叉口。在无交通管制的平面交叉口,车辆通过时因驶向不同而相互交叉形成冲突点,在三岔路口有3个冲突点,在四岔路口有16个,在五岔路口则有50个冲突点。
平面交叉口的交通安全和通行能力,在很大程度上取决于交叉口的交通组织。通常有用各种交通信号灯组织交通,环行组织交通,用各种交通岛(分车岛、中心岛、导向岛和安全岛)、交通标志、道路交通标线等渠化路口交通。
当交通量超过某一值时,就必须设置交通信号管制来控制指引车辆正常运行,所以信号交叉口是路网中重要的节点。城市道路按其功能不同主要可分为:快速道、主干道、次干道、支线道。各种不同功能道路的相交会产生不同的信号交叉口类型,随着城市的发展,城中快速路多为封闭形式,仅在几处固定路口采用匝道进入的方式与之连接,比如,快速路与快速路相交、和、快速路与主干道、快速路与次干道相交等多设成立体交叉口或匝道。所以,本文研究的交叉口类型如下,具体如表 2.1 所示。
①、主干路—主干路信号交叉口;
②、主干路—次干路信号交叉口;
③、主干路—支路信号交叉口;
④、次干路—次干路信号交叉口;
⑤、次干路—支路信号交叉口;
⑥、支路—支路信号交叉口。
表 2.1   本文研究的交叉口类型
相交道路 快速道 主干道 次干道 支线道
快速道 立交桥 立交桥 立交桥 立交桥
主干道 —— 主主交叉口 主次交叉口 主支交叉口
次干道 —— —— 次次交叉口 次支交叉口
支线道 —— —— —— 支支交叉口
 
2.2.2.2 道路交叉口延误
道路交叉口延误是指进入交叉口的车辆受到交通干扰、交通管理及控制设施等因素的影响引起的车辆运行时间损失。比如,在红灯期间到达的车辆,必须在达到停车线之前制动减速,然后停车;待绿灯启亮后重新启动加速通过交叉口。若到达车辆通行接近饱和的交叉路口,由于前面车辆排队缓慢通过交叉口,也需要降速缓慢通过交叉路口。可见,在完全停车和不完全停车等多种情况下都可能造成车辆运行时间的损失。交叉口延误根据其产生原因可分为运行延误、固定延误、排队延误、停车延误和控制延误等。
①、运行延误
运行延误是指由于各种交通组成之间的相互干扰而产生的延误,包括其它交通组成部分对车辆干扰引起的延误,如行人、受阻车辆、路侧停车以及横穿交通等因素引起的延误。如停车等候横穿、交通事故、交通拥挤、连续停车以及由于行人和转弯车辆影响而损失的时间。
②、固定延误
固定延误指由交通控制、交通标志、交通管理等固定交通管理措施引起的延误,与道路交通量多少及其他车辆的干扰没有关系,主要发生在交叉口。
③、排队延误
排队延误指在实际交通流条件下由于车辆本身的减速或排队而引起的时间延误,外部干扰无关。
④、停车延误
停车延误指由于某些原因使车辆停止不动,因此而引起的时间延误即为停车延误,等于停车时间,包括车辆由停止到车辆再次起动时驾驶员的反应时间。
⑤、控制延误
根据美国道路通行能力手册(HCM 2000)定义,控制延误是指用户由于控制器的原因而经历的多余的旅行时间,包括信号分配的通信权,将通行权以安全的方式过渡所花费的时间,加上遇到排队车辆减速的时间,等待绿灯开始的时间,以及加速的时间。在一个典型的信号等控制的交叉口中,主路方向的交叉口的全部延误与控制延误相等。在城市道路评价中,控制延误是一项有效的评价指标。
基于上述延误的几种类型,我们可以知道,不同的延误类型包含的信息不同。总延误不仅包括由于控制设施引起的延误,还包括车辆在运行过程中因为其它交通组成和交通流状态引起的延误,而控制延误仅仅包涵由控制设施引起的车辆停车延误和加减速延误。
2.3道路可靠性评价指标
2.4指标的比较分析
2.5 行程时间可靠度计算方法
2.6本章小结
第三章 城市道路可靠性影响因素分析
3.1 城市道路可靠性影响因素分类
3.2 影响因素作用规律
3.3 影响因素作用机理  
3.4 城市道路交通事故影响分析
3.5 本章小结
第四章 城市道路路段及交叉口行程时间可靠性研究
4.1 路段和交叉口行程时间可靠性定义
4.2 行程时间可靠度计算数据采集
4.3路段行程时间可靠型计算
4.4 交叉口行程时间可靠型计算
第五章 行程时间可靠性对人们的路径选择性的研究
5.1 概念
5.2 行程时间可靠性最大与行程时间最短两者间的关系
5.3 行程时间可靠性对人们的路径选择影响
5.4 路径选择的蚁群算法
5.5 模型演示
5.6 本章小结
第六章 广义出行费用下的路径行程时间可靠性研究
6.1 广义出行费用及路径行程时间可靠性概念
6.2 广义出行费用模型的方法研究
6.3 路径行程时间可靠性研究
6.4 实例分析
6.5 本章小结
第七章 总结
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