城市交通离散网络设计及相关问题研究

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1、北京交通大学博士学位论文城市交通离散网络设计及相关问题研究姓名：赵彤申请学位级别：博士专业：交通运输规划与管理指导教师：高自友20040301摘要城市交通离散网络设计及相关问题研究摘要如何从城市总体交通状况出发，提出适当的、科学的、系统的、最佳的交通投资改进方案，并通过合理的交通投资分配方案进一步促进城市交通状况的改善，带动城市各项经济活动的发展，达到交通建设与有限资金的和谐统一，这是一个关系到国民经济长期、持续、快速、稳定而又协调发展的大问题。因此，研究城市交通网络设计问题不仅在理论研究上有着重要的价值，而

2、且能够用于解决实际的交通问题，在实际中有着广阔的应用前景。城市交通网络蹬计问题就是在城市交通网络用户的路径选择行为符合UE准则的前提下，通过改进现有网络中的某些路段或在现有网络中增加新的路段从而使整个网络达到某种指标最优的目的，前者称为连续的城市交通网络设计问题CNDP(ContinuousNetworkDesignProblem)，后者称为离散的城市交通网络设计问题DNDP(DiscreteNetworkDesignProblem)。实质上是在一定约束条件下的最优投资决策问题。长期以来，城市交通网络设计问题

3、一直被公认为是交通研究领域中难度最大、最具挑战性的问题之一。本文主要利用双层规划的理论和方法研究了城市交通离散网络设计及其相关问题。提出了基于双层规划思想的相关模型和求解算法，给出了算例，并且对计算结果进行了分析、探讨。文章首先采用破层规划模型描述了基本形式下的城市交通离散网络设计问题，给出了基于分枝定界方法的启发式求解算法，并采用了国际上通用的较大规模的交通测试网络算例一一siouxFalls，SouthDakota的城市交通网络图作为计算算例对算法的正确性及计算效率进行测试，得到了很好的结果。本文进一步考

4、虑了路段相互影响情况下的城市交通离散网络设计问题，构造了广义的双层规划模型并设计了对角化的求解算法，采用一个简单的数值算例进行测试，测试结果表明：考虑路段相互影响与不考虑路段相互影响的情况在城市交通离散网络设计问题的最优方案迭取中有可能导致不同的路段修建方案。本文在此基础上构造了更加一般的广义双层规划模型，上层模型从整个交通网络系统最优的角度出发，给出了一个目标函数集合。目标函数集合中的任何一种目标函数都代表了交通网络设计者在进行城市交通离散网络设计时使某一个或者多个系统指标达到最优的愿望{下层模型是一个标准

5、的变分不等式表示的用户平衡模型，用于表示网络中川户的路径选择行为。此外，本文在Gao和sun(2004)提出的基于支撑函数方法求解城市交通离散网络设计问题的基础上，将求解算法进一步推广到了带有路段能力限制的城市交通离散网络设计问题中并采用了小规模格状变通北京交通人学博一卜学位论文网络以及SiouxFails，SouthDakota的城市交通阚络作为模型算例进行了测试，测试结果说明本文提出的模型及算法是可行并且有效的。在研究了城市交通离散网络设计问题的双层规划模型及其求解算法的基础上，本文还研究了城市交通离散网

6、络设计的相关问题，针对每一个具体的问题，分别给山了相麻的双层规划模型及其求解算法，并采_l=}j简单的算例分析、验证了模型及算法的有效性。在本文中城市交通离散网络设计的相关问题研究包括：(1)将城市交通离散网络设计问题与最优信号控制问题结合起来，以便更加有效地降低城市交通的拥挤程度。此外，为了有效地避免交通中的诡异现象，本文还将备用能力的概念与城市交通离散网络设计问题相结合，采用综台处理的方法，一方面使交通网络的备用能力达到最大，另一方面使交通信号设置达到最优。(2)将城市交通离散网络设计问题和十地使刚问题结

7、台起来，以城市交通离散网络设计问题和土地使用问题之间的相互作用、相互影响关系为基础，对它们进行优化设计，寻找基于交通网络和土地使用的综台优化方案，希望能在一定的投资约束和土地使H；i约束条件下使整个网络中的系统总阻抗与居住数量的增加之差达到最小。(3)将城市交通离散网络设计问题平¨环境污染控制问题结合起来。首先在考虑了环境冈素条件F将城市交通离散网络设计问题与广义备用能力的概念结合在一起，一方面要求整个交通网络可以容纳的o．D需求革与车辆尾气排放总量之差最大：另一方面，通过在交通网络中添加新的路段来提高整个交

8、通网络的O—D需求量。其次，将道路环境能力限制、最优交通信号设置问题与城市交通离散网络设计问题结合起来研究，在通过修建新的路段使交通需求蹙达到最大从而满足城市中不断增跃的交通需求的同时，还通过道路环境能力限制使交通网络的最大需求量能符合现代城市环境保护的要求。(4)在备用能力的基础上将城市交通离散网络设计问题与交通信号控制、十地使用结合在一起。从交通信号设置角度出发，对路口的信号进行最佳设置，使道路