交通系统工程课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,交通工程概论,1.1,交通工程的一些重要概念,Traffic Engineering,道路交通工程,(,日本,),交通工程,?,道路工程 汽车工程 道路环保工程,Transportation Engineering,1.1.1,有关交通的若干根本概念,Transportation(,交通运输,),铁,.,公 水,.,空,.,管,大交通与小交通,(,通俗,),小,(,研究区域内,),相对概念,大,(,研究区域与外部,),公共交通与个体交通,Public Transport (Mass Transit),Individual(Trip Travel)Private Car Use,1.1,交通工程的一些重要概念,交通系统(交通运输系统),Transportation Systems,Transportation Communication,注意,:,中英文内涵之间差别 与”人,.,物在空间上移动”有关的工具,、,设施,、,方式,、系统,1.1.2,交通工程学的一些重要概念,1),交通量,Traffic Volume,Q,时、,天、,(,控制周期,),、,月、年、周,、,高峰时段在考察处的车流量,。车：各种交通工具，可能分别统计，常常折合成小汽车流量,最大小时交通量,(Maximum hourly traffic volume),平均日交通量,(average daily traffic volume),交通量的时间分布,与,交通量的空间分布,交通密度,traffic density,K(,考察一段空间分布,),交通流,traffic flow,1.1.2,交通工程学的一些重要概念,2),车速,speed,v,地点车速,(,观察点、瞬时,)spot speed,规划用,:,行驶车速,(running speed)(,不包括停车时间,),区间车速,(overall speed)(,包括停车时间,),群体、,综合性统计数据,运行车速,(operating speed),实际情况下的个体行为结果,管理用控制,临界车速,(optimum speed,critical speed),设计车速,(design speed),修路用,3),车头时距,T,安全值,T,2,秒,车头间距,L,L=1000 V/N,v,：,速度；,N,：,通行能力,L,1.1.2,交通工程学的一些重要概念,或,T=3600/N(,通行能力,),4),通行能力,(,道路,)(capacity),C,车辆数小时,基础通行能力,（,basic capacity,）,即基本通力，假定只由相同性能、相同技术数据的小汽车组成理想交通流行驶在该道路上,保持安全车头时距,算出的通行能力。,(,理想,.,理论,),可能通行能力,(possible capacity),(,可,实现的,),考虑道路,”,服务水平,”,的最大通行能力有的把它称为,capacity,实际通行能力,(real capacity),考虑到具体交通环境,各种干扰后的通行能力,设计通行能力,(design capacity),按照小于可能通行能力,(,最大通行能力,),的某一标准值来设计,考虑服务等级,.,Bc,Pc,Rc,Dc,1.1.2,交通工程学的一些重要概念,影响通行能力的因素,:,道路因素,:,车道宽,;,路肩宽,;,侧向余宽,;,路面状况,;,坡度,、,线形,;,沿途条件,;,车道分布。,交通因素,:,车辆构成,:,大型车,、自,行车,交通量及其时间空间分布,天气因素 影响实际通行能力天气因素 影响实际通行能力,控制,、,管理因素,1.1.2,交通工程学的一些重要概念,5),服务等级,“,服务等级,”,与下列因素有关,:,行车速度、通行时间,;,行动的能力,;,交通中断与受阻,;,安全性,;,行车舒适性、通畅性,;,经济性,.,道路标准分成,A.B.C.D.E.F6,个等级,1.0,交通量,/,通行能力,F,V,A,B,C,E,D,1.1.3,交通参数的基本关系,1.1.3,交通参数的基本关系,Q,V,K,V=a-bKQ=ak-bk,2,Q=V(V,max,-V)/b,或,Q,max,-Q=(V,0,-V),2,/b,Vmax,拥塞时,Kmax,V,K,V,Q,(Q,max,V,0),m,p,n,l,K,Q,k,0,o,mn:,正常状态,nl:,不稳定,lp,：自由流,Q,Q,m,K,f,V,f,Q,k,m,K,f,辆,/,千米,辆,/,小时,千米,/,小时,Q,K,V,V=Q/K,基础、宏观研究,1.1.4,交通流数据采集技术,1.1.4,交通流数据采集技术,一、交通流量采集技术,1,）非自动采集,人工采集法,试验车移动调查法,摄影法,2,）自动采集,环形线圈检测器,超声波检测器,磁性检测器,红外线检测器,微波检测器,视频（图象处理）检测器,1.1.4,交通流数据采集技术,二、行程时间采集技术,1,）,测试车法,2,）牌照法,3,）,GPS(,全球定位系统,),定位法,车载,GPS,设备以每,2,秒的采样间隔记录日期、时间、车辆位置和速度，将数据传到计算机，与地理信息系统匹配，分析计算出行程时间。,4,）,beacon,（信标）定位法,每个一定距离（,50-200,米）道路边上设置,beacon,（信标），,beacon,（信标）具有信息存储、信息发射和接收功能，与车辆上的车载设备通讯，同时与交通信息中心的计算机外设无线通讯。每个信标的位置一定，可以及时得到车辆的位置信息。,5,）车辆自动识别法,车窗上贴有电子标签，标签上有微型无线电发射器，发出车辆自身的特征信息码路侧的天线和识别器把车辆的特征信息发送到中心处理分析得到行程时间。,2,交通流理论,2.1,概述,1,）经典交通流理论：把交通流作为流体（物理流）的类似，用相似论的方法,套用流体力学模型大致分为三种方法：,概率论方法,流体力学方法,动力学方法,2,）交通流模型,相应的经典模型有：概率 统计模型（,Probability Statistic Model),，,排队论模,(Queuing Theory Model),型，跟驰模型,(Car Following Model),，,流体模拟模型,(Fluid Simulation Model),。,新型模型有元胞自动机模型,(Cellular Automata Model),，时变理论模型等。,3,）交通流理论研究的问题,交通流特性,(traffic Stream Characteristics),交通流中人的因素,(Human Factors),车辆跟驰模型,连续流模型,(Continuous Flow Models),2,交通流理论,宏观交通流模型,(,Macroscopic Flow Models),交通影响模型,(Traffic Impact Models),无信号交叉口交通流理论,(Unsignalized Intersection Theory),信号交叉口交通流理论,(The Theory of Traffic Flow at Signalized Intersection),交通仿真,(Traffic Simulation),交通分配,(Traffic Assignment),2.2,交通流特性,(traffic flow characteristics),2.2.1,交通设施种类,1,）断续流设施：城市道路,2,）连续流设施：高速公路，一般认为,3.2KM,是产生连续流的前提条件。,2.2.2,连续流特征（前面第一章）,2.2.3,断续流的特征（在交通控制这介绍）,2,交通流理论,2.3,交通流的概率论研究,假定,:,道路上行驶的车辆相互独立，车辆分布是随机的，车辆行驶看成一种,概率过程。,2.3.1,泊松分布（,possiondistribution,）,m,单位时间间隔的平均到达率（辆,/s,人,/s),k,正整数,0,1,2,P,k,-,在,t,时间内到达,k,辆车或者,k,个人的概率。,适用条件：车流密度不大，外接干扰因素少。,(2.1),2,交通流理论,2.3.2,二项式分布：拥挤交通时,车辆到达的分布,x=0,1,2,n,p1,辆车到达的概率,C,x,nn,个中一次取,x,的组合数,2.3.3,车辆到达间隔分布,(,负指数分布,):,类似于排队论中顾客到达与到达间隔,服务时间分布,.,或,P(kt)=1-e,-t/T,，,T=3600/Q,小时交通量,改进的车头时距分布：位移指数分布（车头时距太小,的车很少或者没有）,t,t,P(ht),P(ht),(2.2),(2.3),(2.4),2,交通流理论,2.3.4,复合车头时距分布,多车道：一条畅行，另一条受限制,受限制流量占总流量的比例,T,1,畅行平均车头时距,受限制车俩的曲线位移,(,即最小车头时距,),T,2,受限制平均车头时距,实际调查数据找出统计规律绘制诺模图,2.3.5,车速的分布模型,正态分布 对数正态分布,我国不符合,无统计规律,1,秒,16,秒,2,秒,4,秒,8,秒,Q,辆,/,时,0.2,0.4,0.6,P,(2.5),2,交通流理论,2.3.6,选择分布建议,n,车停车所需时间,T,时间内行,驶的距离,2,交通流理论,2.4,车辆跟驰模型的研究,(,交通动力学理论,),2.4.1,简单的跟弛模型,与前不同之处：考虑司机的操作反应,.,对前车运行状态的反应,研究单个车道交通流特性,.,1),原理,t,时刻产生了“刺激”,延迟了,T,时间产生“反应”,反应时间,T.,假设：反应与刺激的大小成比例地加速或减速，（跟驰）,反应（,t+T,）灵敏度刺激（,t,）,2),模型,s(t)=x,n,(t)-x,n+1,(t),d,1,=T*V,n+1,(t),d,2=,V,n+1,(t+T),/2a,n+1,(t+T),d,3,=V,n,(t),2,/2a,n,(t),a,n,a,n+1,加（减）速度,d,3,n,n+1,n+1,L,d,2,d,1,n+1,车停车,所需时间,n,车停车所需距离,X,n,(t),n,车开始停车,后的位置,X,n+1,(t),S(t),n+1,n,n,车开始减速,t,时刻相对位置,2,交通流理论,要求紧急刹车而不发生碰撞：,s(t)=d,1,+d,2,+L-d,3,V(t)=x,，,(t)a(t)=x,，,(t),s(t)=Tx,n+1,，,(t)+x,，,n+1,(t+T)/2 x,n+1,，,(t+T)+L,-x,，,(t)/2 x,，,n,(t),若假定,d2=d3,即,:,两个车停下来所行驶的距离和速度相等（同种性能的车）,则：,s(t)=x,n,(t)-x,n+1,(t+T)=Tx,n+1,，,(t+T)+L,对,t,微分,:x,，,n,(t)-x,，,n+1,(t)=T x,，,n+1,(t+T),即,:,x,，,(t+T)=x,，,n,(t)-x,，,n+1,(t)/T,刺激,灵敏度,1/T,(t+T),反应,(2.6),(2.7),(2.8),(2.9),2,交通流理论,2.4.2,非线性跟弛模型,认为灵敏度车头间距成反比,：单位：距离,/,时间，（,1530,英里,/,小时），从试验求出。不同的道路，不同的值。,T:(1.02.2,秒）,2.4.3,一般形式,常数,l,m,根据研究道路实测数据拟合得到,.,(2.10),(2.11),2,交通流理论,2.2.4,扩展,不同点：不仅是两两跟驰，扩展到三车，第二辆车影响其后的第三辆。,第三辆车对第二辆车速度差的灵敏度 第三辆车对第一辆车灵敏度,在计算机仿真时用：,灵敏度系数,w,1,+w,2,=1(,影响的加权分配系数）,此外还有其他的进一步研究结果。研究得很多（模型本身及其应用）研究,:,稳定性，稳定条件,(2.12),(2.13),2,交通流理论,2.5,交通流的,“,流体力学,”,理论,交通流当作压缩流体处理，找出,Q,与,K,之间的经验公式，求解流体连续方程。,(,波动理论,),2.5.1,基本原理,A,段,:,交通密度,k,1,速度,v,1,交通量,Q,1,S,界面,:,界面移动速度,C,B,段,:,交通密度,k,2,速度,v,2,交通量,Q,2,穿过,S,的车辆数,N,N=(V,1,-C)K,1,t=(v,2,-c)k,2,t,守恒定律,即,:(V,1,-C)K,1,=(V,2,-C)K,2,根据定义,Q=K,1,V,1,Q=K,2,V,2,车流传播小紊流的速度公式,c,A,S,B,K,1,V,1,K,2,V,2,冲击波速度,(2.19),(2.20),2,交通流理论,大紊流情况,B.D.Greenshields,建议,:k,最大交通密度,：自由行车是平均车速,1,=k,1,/k,0,2,=k,2,/k,0,归一化交通流密度,2.5.2,交通密度大致相等的情况,(,忽略,0,),近似,C=(1-2),冲击波传播公式,.,(2.21),(2.22),2,交通流理论,2.5.3,停车产生的冲击波,A,段,:,V,1,=(1-,1,),t=0,时,x=x,0,突然停车,2,=1,经,t,时间后 将在,t,处受传播而停车,A,B,C,S,+,0,S,x,0,B,A,1,2,=1,x,0,2,1,=1,S,C,(2.23),2,交通流理论,2.5.4,发车产生的冲击波,t=0,时,一串车停在,x=x,0,红灯信号后方,t=0,时,x=x,0,处 红绿,.,首车以,V,2,起动,发车冲击波将以 的速度从,X,0,向后方传播,首车启动速度低,V,2,小,可看,成以 向后传播冲击波。,x,0,2,1,=1,S,C,(2.24),2,交通流理论,2.6,交通排队模型,把某道路路段、设施看成“服务机构”应用运筹学排队论原理研究交通。,1),到达特性：平均到达率。,到达间隔特性。,2),“,服务台,”,特性：平均服务时间。,服务台数。,排队空间情况：有无限制。,3),排队规则：,M,到达间隔或服务时间服从负指数分布,D,确定的到达时距或服务时间,G,一般服务时间分布（,General,）,GI,一般独立（,General Independent,）分布,排队规则,服务规则,排队系统,排队结构,服务台,顾客源,2,交通流理论,4,）交通排队模型,X/Y/Z/A/B/C,规定,FCFS,先到先服务,系统容量 顾客源 服务规则,LCFS,后到先服务,当,/FCFS,时可省略，写,X/Y/Z,研究了：,M/M/1,；,M/M/N,；,M/D/1,；,无灯控制路口；,有灯控制路口；,道路瓶颈处排队特性；,道路上的延滞。,2,交通流理论,2.7,元胞自动机模型（,Cellular Automata Model,，,CA),2.7.1,概述,2.7.1.1,概念,时间,和,空间,都,离散,，,物理参数,只是,有限集,的,物理系统,的,理想化模型,。,广义性：,20,世纪,50,年代起形成的概念，首创者：,John Von Neumann(,串行计算机的设计者）。已经广泛地应用于许多领域的建模与仿真：简单的刚体运动，统计物理学中气体、液体分子运动，生物的进化，生态模型，聚核生长现象模型等等。,两类问题：,给定元胞自动机规则，预测它的性质；,寻找具有某种性质的元胞自动机规则。,两类元胞自动机（根据规则的性质不同）：,确定性的元胞自动机；,概率元胞自动机。,2.7.1.2,定义,2,交通流理论,元胞自动机要求：,1,）规整的元胞网格覆盖,d,维空间的一部分。,网格中每个格位,r,的一组布尔变量,给出了每个元胞在时间,t=0,1,2,的,局部状态。,3,）演化规则,R=R,1,R,2,R,m,按下列方式指定状态,(r,t),的时间演化过程：,式中：,r+,k,指定从属于元胞,r,的给定邻居元胞。（,邻居的概念,）,Von Neumann,邻居,Moore,邻居,2,交通流理论,定义说明：,演化规则对所有格位都是同一的，且同时应用于每个元胞；（,同步演化,）,需要明确初始状态,1,(r,t,0),。,2.7.1.3,边界条件,定义的演化规则不可能处理无限的网络，必须有限。网络边界上的格位不具有与网络内部格位一样的邻居。需要处理边界上的格位。,方法,1,：对边界格位的信息进行编码，并且根据这些信息选择不同的演化规则，可以定义几种具有完全不同行为的边界。,方法,2,：在边界格位扩展格位邻居，假想在边界上嵌入与内部相同发拓扑结构。,2.7.1.4,元胞自动机的发展,概率型元胞自动机,异步演化的元胞自动机,2.7.2,道路交通元胞自动机模型,2.7.2.1,动力系统的元胞自动机模型,S.Wolfram1983,年提出元胞自动机规则体系。,每个元胞的状态,S,i,=(0,1),。时间,t+1,的状态只取决于,t,时刻状态的三元组合（,S,i,1,，,S,i,，,S,i,1,):,S,i,(t+1)=,S,i,1,(t),S,i,(t),S,i+1,(t),a,k,=(0,1),与每个格位的三元组联系起来，有：,111 110 101 100 001 010 001 000,a,7,a,6,a,5,a,4,a,3,a,2,a,1,a,0,以,a,0,，,，,a,7,值表征的元胞自动机规则,R,有,256,种选择。每条规则可由计算指标,N,R,来加以鉴别：,按照组合编号得出了,256,种规则。,2,交通流理论,根据规则的行为特点，分为,4,类规则：,1,）类,1,：元胞自动机经过有限的时步后，几乎全部的初始状态都演化成单值均匀状态（所有的格位都有同一值），自动机的状态在相空间向简单的极限点演化。,2,）类,2,：几乎全部的初始状态都生成一个由间隔的、周期性的分区组成的图形，所生成的简单结构时稳定的或者是周期性的。起演化规律类似于连续动力学系统向极限环的演化。,3,）类,3,：几乎全部的初始状态都演化成混沌的、非周期性的图形。类似于连续动力学系统向奇异吸引子演化。,4,）类,4,：对于各类初始状态，能够生成持续不断的复杂结构。,2.7.2.2,道路交通元胞自动机模型原理,把汽车看作沿着一串格位行进的粒子，行进的微观动力学规则取自于,Wolfram,规则,184,。只要汽车的目标元胞是空的，汽车就可以行进。如果前面的格位被占据，则汽车必须暂时停止运动，等到前面的格位为“空”时，才能行进。,2,交通流理论,1,）示例,2,交通流理论,a,b,c,d,e,f,g,0,0,1,1,交叉口的信号灯,交叉口附近的交通构形,2,交通流理论,2,）元胞自动机的运动规则：,n,i,(t+1)=n,i,in,(t)1-n,i,(t)+n,i,(t)n,i,out,(t)(2.25),n,i,(t):t,时刻,n,i,格位的状态；,n,i,(t+1):t+1,时刻,n,i,格位的状态；,n,i,in,(t):t,时刻即将进入,n,i,格位的那个元胞的状态；,n,i,out,(t):t,时刻,n,i,格位的目标元胞的状态；,（,2.25,）式描述了,t+1,时刻,n,i,格位的状态为“,0”,或者为“,1”,。,在迭代,i,和,i+1,之间行进的车辆数,N,mvt,(t):L,元胞数目,目标元胞,的空位数,(2.26),能够接纳新汽车,的空位元胞数,(2.27),两种计算方法,在,i,和,i+1,之间进入和驶出的汽车数平衡运动方程式：,Wolfram 184,规则。,3,）汽车行驶的规则（交通流运动规则）,汽车的加速与减速规则，,跟驰规则,汽车的换道规则,Schreckenberg,提出了描述高速公路交通流的一维随机元胞自动机模型（以下简称,NS,模型）,1,，,O.Biham,、,A.A.Middleton,、,D.Levine,三人提出了基于二维元胞自动机,2,的城市交通流模型。,2,交通流理论,可以接纳新汽车的元胞空位数,（驶出元胞）进入目标元胞空位的汽车数,改进的一维元胞自动机交通流模型,第,i,辆车下一时刻的速度由第,i,辆车相对于第,i-l,辆车的相对运动的位置来确定。,其中,d,i,(t),为两车在,t,时刻间隔的距离,:,d,i,(t)=x,i-1,(t)-x,i,(t)-1,x,i-1,(t),为相对位置,:,x,i-1,(t)=x,i-1,(t+1)-x,i-1,(t)=v,i-1,(t+1)t,可以理解为,t,+1,时刻前车将要驶出的距离。因此考虑相对运动之后，第,i,辆,2,交通流理论,i-1,i,i+1,减速规则,如果：,V,i,(t),td,i,(t)+x,i-1,(t),则：,加速规则：如果：,V,i,(t)V,max,则：,2,交通流理论,以概率,p,减速,以概率,1,p,减速,以概率,p,加速,以概率,1,p,加速,自由运动规则：当,t,时刻第,i,辆车的速度在数值上小于相对运动距离并且第,i,辆车速度等于最大速度时，,t+1,时刻第,i,辆车或者以概率减速，或者以概率,1,保持最大速度，其中服从爱尔朗分布。,如果：,V,i,(t),V,max,&V,i,(t),t1,则,D,称为对,x,是弹性的。,若,=1,则,D,称为对,x,是单位弹性的。,若,0,等价地有：存在 使下式成立：,OD,对,i,的替代出行路径,j,的出行费用,弧段,a,上费用函数,联立求解,（,5.24,）,（,5.30,）,(5.27),(5.28),(5.29),(5.30),5,交通需求分析,b)Beckmann,模型,上面联立方程组成式,(5.24)(5.30),正好是一个以可行条件（,5.25,）（,5.26,）为约束条件的凸规划模型，,kuhn-tucker,条件是此规划模型最优解的充分必要条件,.,与,上面联立方程组唯一不同处在于（,5.31,）中路径费用的描述。,对此有许多算法：凸单纯形法，均衡算子法，,Frank-Wolfe,法。,S.t.,(5.32),(5.31),(5.33),(5.34),5,交通需求分析,c),变分不等式模型,1978,年,Asmusth,指出式,(5.24)(5.30),本身是非线性互补模型,可改写,:,以路径流,y,为变量,利用路径流,(,弧段流,),平衡条件把路径费用写成路径流的函数,以弧段流为变量的变分不等式模型,:,均衡条件,可行条件,(5.35),(5.36),(5.37),(5.38),(5.39),5,交通需求分析,均衡流,由可行条件(13)(14)围成的可行域.,求,解,算法:,Dafermas(1980),投影法,Nguyen,&,Dupuis (1984),割平面法,Lawphongpanich,&Hearn (1984),简明分解法,Pang&Yu (1984),线性化简明分解法,d),讨论:均衡解,未,必符合实际分配结果,费用不应假定为确定一致(对不同出行者而言),i),人的偏好因人而异,ii),费用是综合性指标,(,行驶时间,.,安全,.,可靠,.,舒适）,iii),信息掌握不同,iv),实用费用函数不可能全面反映所有因素,5,交通需求分析,第一类宽松均衡条件,:,或者，第二类宽松均衡条件,:,相应地有第一类,:,第二类,:,或,(3.41),(3.42),(3.46);(3.41),(3.42),(3.47),近似均衡模型,.,需构造,(5.44),(5.45),(5.47),(5.46),5,交通需求分析,可取,:,f(,.,),是非负函数,.,可以证明下列形式可行,近似均衡模型是,联立求解,（,5.41,）（,5.42,）（,5.46,）,或,（,5.41,）（,5.42,）（,5.47,）,或,（,5.41,）（,5.42,）（,5.51,）,非线性方程组。,(5.48),(5.49),(5.51),(5.50),5,交通需求分析,f),随机均衡模型,:,出行费用是随机的,.t,ij,(OD,对,i,的出行替代路径,j,的费用,),是随机变量。相应地随机向量：,前提：已知以弧段流为分布参数的费用分布族,记,:,p,ij,(x),均衡时,随机事件“在第,i,个,OD,对所有替代出行路径中,第,j,条出行路径费用最小”的概率,.,依据,Borel,大数定律,当,d,i,很大时,可以认为第,j,条路经上的出行频率即是,p,ij,(x),T=,表示集合,X,种元素的个数,的联合分布即是费用分布,.,(5.52),5,交通需求分析,依弧段流与路径流的关系有,:,注意到弧段流的变量数比路径流的变量数少很多,可使模型简化,.,弧段流随机均衡模型：,关键问题：,p(x),的具体算法,从费用分布来求,.,路径流随机,均衡模型,(5.53),(5.54),(5.55),5,交通需求分析,假设,:,费用分布服从正态分布,费用分布族是,N(u(x),R(x),x,参数空间,求出行概率问题在数学上是,:U=U,1,U,2,U,n,n,2,式中,I(,),表示以为标准正态分布函数,f(,),表示以为标准正态概率密度,X,为均衡流,g),需,(,可,),研究问题,模型原理,分配理论,新的数学工具 不动点理论,模型形式,模型算法,算法收敛性,数学证明,解存在唯一性,交通分配系统的稳定性分析,交通分配系统的渐近分析,过渡过程分析,经过一些变换，考虑到正态分布,的表达式，可以给出数学上证明,了的下列求,P,k,的表达式,(5.56),5,交通需求分析,5.3.4,个体选择模型,5.3.4.1,个体选择模型,(,非集聚模型,),概述,1),基本想法,:,交通需求是研究区域内部全部个人出行者决策的总和,(,集聚,),从研究个人出行者决策过程来建立模型,作为基础,然后在集聚成相应的需求数据,.,定量选择模型的出发点,效用最优化,从若干个出行比较方案中选取,”,效用,”,最大的,.,效用假定由两部分组成,一部分是系统的可观测到的效用,另一部分是出行者个人感受的偏好的效用。,2),原理,:,个人,t,对方案,i,的随机效用,系统性的,(,可观察到的,),效用,随机部分效用,其中,一般认为是比较方案,的属性和个人,t,的属性的特征函数,不可测,V,it,X,i,(5.57),5,交通需求分析,5.3.4.2 MNL,模型,(the multinorninal Logit model),1),假定,:(i=1,2,m,t=1,k),相互独立,服从同一方差的,Gumbel,分布,(,为分析方便而假定,),一组比较方案,个人从中选择方案,i,概率记为,要计算,必须已知或假定,的概率分布,.,不同的假定构成了不同的模型,.,b,参数向量,(,列向量,),C,t,(5.58),(5.59),(5.60),(5.61),5,交通需求分析,Gumbel,分布的累积分布函数是,用,MNL,计算,2),用法,:,假定分析某工作人员上班,可选择三种方案,:,个人汽车,，,公交车，自行车。,此例来自美国资料,有特殊性,.,分别是三种方式的出行时间,(,分钟,),T,汽,T,公,T,自,C,汽,C,公,C,自,三种方式的出行费用,(,元,),(5.62),(5.63),5,交通需求分析,假定此人出行面临的将是,:,汽车,5,分钟,公交,15,分钟,自行车,20,分钟,(,费用,)0.6,元,0.5,元,0,元,可计算出对此人的效用值,:V,汽,=0.47,V,公,=-1.525,V,自,=-2.5,代入,(37),式,3),效用函数的确定,:,对个人分成相对均匀,”,同质,”,的组,对每组分别求测效用函数 加入社会经济特性推导出一般效用函数,.,例如,:,T,汽外,-,汽车外所需时间,A,F,-,家庭拥有汽车水平,I,F,-,家庭收入,T,公外,-,公交车外所需时间,5,交通需求分析,4),集聚,:,交通规划关心的是群体行为和数据,.,如何集聚,:,自然集聚,:,对每个子区计算出,”,平均,”,概率,.,误差大,尽可能不用,.,自然集聚分类,:,先分类,(,公交、自备汽车,),然后求平均概率,.,抽样统计,:,最好,.,5.3.4.3,MNP,模型,(The Multinominal Probit Model),假定,:,服从正态分布,相互独立,.,服从,m,维联合正态分布且均值为,0.,协方差矩阵,Cov,取决于变量,X(,方案,),假设条件较符合实际,通用性优于,MNL,计算联合正态分布复杂,参数估计也复杂,.,(5.64),(5.65),5,交通需求分析,(e)GEV,模型,(generalized valued model),假定皆服从,Gumbel,分布,但不要求相互独立,此时累计联合分布函数为,:,当取 时,Dogit,模型,G(.),是满足某种条件的非负的齐次函数,.,G,i,(.),是,G(.),对应于,i,选择的函数,.,(5.66),(5.67),(5.68),(5.69),5,交通需求分析,美国推崇个人选择模型,特别是在交通方式选择上应用,.,此外在其它规划上也有应用,.,如,:,居住地点的选择,汽车拥有量选择,零售地点选择,非劳动出行选择等,.,5.3.5,逆法求,OD,5.3.1,原理,:,记,:(i,j),路段起,(i),终,(j)(r,s)OD,对起点,(r),终,(s),点,M,交通网络段集，个数为,m,NOD,对起点终点集,nxn,个,理论上,V(i,j),路段,(i,j),上的交通量,T(r,s)OD,对,(r,s),的出行量,V(i,j)=fT(r,s),?1,假定,V-T,间存在线性关系,V(i,j)=,OD,对,(r,s),的出行量,T(r,s),在,(i,j),上的分配率,路段交通量是,OD,对出行量的某个函数,(5.70),(5.71),5,交通需求分析,即便达到暂时均衡也很难稳定在均衡状态,.,是否应追求严格均衡解,.(,从提高计算效率讲,从符合实际分配讲,都不必要,),e),近似均衡模型,收敛参数,增量分配法,:,基本思想,:,将出行需求一次,(,一部分,),地分配到网上上去,每次都分到最小费用路经上,直到分配完为止,.,.,最小费用,(,均衡解,),严格均衡时,(5.40),5,交通需求分析,置所有弧段流为,0,计算各弧段费用,找各,OD,对的最小费用路径,把各,OD,对的一部分出行需求分配到最小费用路径上,将分配结果与已有弧段流相加,所有,OD,出行需求量全部分配完否,?,计算弧段费用,计算收敛系数,N,增量分配法,5,交通需求分析,非线性方程组模型,基本思想,:,放宽严格均衡条件,.,设均衡模型形式为,:,均衡,0,0,),(,=,ij,ij,ij,i,ij,ij,P,y,P,i,N,j,W,i,d,P,y,非负意味着：,式,满足可行条件，,为待定系数,其中,意味着,满足均衡条件可表达为,近似均衡（宽松均衡）,(5.43),(5.42),(5.41),5,交通需求分析,矩阵表示,:,V=P,T,式中,V=V(i,j),路段交通量矩阵,T=T(r,s)OD,出行量矩阵,P=P(r,s,i,j),出行量分配率矩阵,.,当,P,为非奇异矩阵时,则,T=P,-1,V,测出个路段交通量,推算出,OD,出行量,.,5.3.5.2,讨论,:,合理性,?1,?2.,深层次,:,“,需求,”,?,P,要求已知,与分配模型有关,鸡,蛋的关系。,5.3.5.3,改进模型,:,有许多人研究各种情况下的逆法,举其中之一,.,V,(i,j),实测路段交通量,(,含有随机项和实测误差,),设偏差记为,S(i,j),推算,OD,使之与实际交通量尽可能吻合,S(i,j),尽可能小,.,？,2,(5.72),(5.73),5,交通需求分析,有约束非线性规划问题化成无约束非线性规划问题,.,如用罚函数法,.,罚函数,R(k),罚函数因子,原问题化为,:,min FT(r,s),R(k),具体用法,:,假定,OD,矩阵 交通分配 求出,P,推算,T,实测,V,检验,V,?3,迭代算法，要求求出的,T(r,s),满足一定的精度,(5.74),(5.75),5,交通需求分析,6,交通供给分析,6.1,三要素,：,性能（行程时间、车头时距、通行能力、运能、容量、服务水平）,影响（对非使用者、社会经济、环境等的作用）,费用（建设费、维护费、运营费、使用费、价格等）,6.2,涉及的问题,：,（,1,）交通基础设施建设 （,6,）交通设施的维护,（,2,）交通工具、设施的设计与制造 （,7,）交通系统运营费用,（,3,）交通服务水平 （,8,）交通服务的定价,（,4,）交通市场的有关制度、法规的 （,9,）有关交通的税收政策,制定与执行,（,5,）交通建设项目的资金筹措,6.3,交通规划中的供给分析,相互关系,运营规则,基础设施,车辆,驾驶员,路线和行车时刻表,影响,费用,服务需求,立法与政策,性能,立法与政策,运营环境,运营人员政策,识别可行的政策、项目等方案,交通规划中的供给分析,评价,需求分析,性能,影响,费用,供给分析,6,交通供给分析,6.4,性能分析方法,1),时间距离图,：对每辆车作出曲线,X=0,x,平均车速,车辆静止,瞬时车速,t,x,t,t,t,x,x,x,i,辆车,N,辆车,M,辆车,T,X,x,i,t,i,A=XT,考察区面积,Q=N/T,K=M/X,V=Q/k,X,推导流速密基本方程,6,交通供给分析,2),排队论法,：稳定流、分析队长、等待时间、排队时间,3),仿真法,：,4),数学规划法,5),影响模型,大气质量影响：,噪声影响,燃料消耗影响,6),费用模型,：对各种方式都有一套计算费用的公式,公共交通费用模型,汽车使用者费用模型,基础设施建设费用模型,交通设施、车辆、驾驶员调度,网络交通流分析,资源配置,燃料消耗率方程,车辆发动机性能仿真,图册,排放物模型,扩散模型,图册，已标定，规范化。,6,交通供给分析,6.5,交通规划的前景,1),我们涉及过的研究工作,：,数学模型总体设计,公交线路优化：四步启发式算法,I/O,表的应用,交通生成、交通分配、,均衡法、,随机均衡法,交通流控制仿真模型,交通规划,:,决策支持软件系统（结构性）,交通需求分析专家系统,非均衡交通规划方法,2),建立新的交通系统理论,：,交通管理中的自组织理论,交通流微观仿真软件,非均衡交通规划的深入研究,基于不确定性的交通流理论,交通规划支持软件系统：,a,交通需求分析专家系统,b,交通供给分析专家系统,c,交通规划新思路,6,交通供给分析,7,交通仿真技术,7.1,一般系统仿真概述,7.1.1,系统仿真的目的与作用,系统仿真三个要素,:,系统对象、系统模型和计算机工具。,7.1.2,系统仿真的特点,（,1,）是一种有效的实验手段，它为一些复杂系统创造了一种“柔性”计算机实验环境，使人们可能在短时间内获得对系统运动规律以及未来特性的认识。,（,2,）系统仿真实验是一种计算机上的软件实验，因此它需要较好的仿真软件（包括仿真语言）来支持系统建模和仿真过程。,系统开发阶段,仿真目的,开发前,计划、评价、研究,开发中,精细设计,开发后,对设计的反馈、训练,（,3,）系统仿真的输出结果是在仿真过程中，由仿真软件自动给出的。,（,4,）一次仿真结果，只是对系统行为的一次抽样，因此一项仿真研究往往是由多次独立的重复仿真组成的，所得到的仿真结果也只是对真实系统进行具有一定样本量的仿真实验的随机样本。因此，系统仿真要进行多次实验的统计推断，以及对系统的性能和变化规律做多因素的综合评估。,7.1.3,系统仿真的优点,（,1,）系统仿真可以使人们对复杂的、带有多种随机因素的系统也能够用计算机求解，避免了求解复杂数学模型的困难。,（,2,）系统仿真采用面向对象的建模分析方法，人们可以集中精力研究问题的内部因素及其相互关系，而不是计算机编程、调试及实现。,（,3,）系统仿真为分析和决策人员提供了一种有效的实验环境，他们的设想可以通过直接调整模型的参数或结构来实现，并通过模型的仿真运行得到其“实施”结果，从而可以从中选择满意的方案。,7,交通仿真技术,7.1.4,系统仿真的分类,（,1,）从对实际对象系统的描述