运交通方式分担与交通分配组合模型.pdf
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1、第3 9 卷第4 期2 0 0 9 卑7Y l东南大学学报(自然科学版)J O U R N A LO FS O U T H E A S TU N I V E R S I T Y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V 0 1 3 9N o 4J u l y2 0 0 9d o i:1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 0 5 0 5 2 0 0 9 0 4 0 4 0经济圈客运交通方式分担与交通分配组合模型李爽1邓卫1吕宜生2(1 东南大学交通学院,南京2 1 0 0 9 6)(2 中国科学院自动化研究所,北京1 0 0 1 9
2、 0)摘要:为优化经济圈内客运多方式交通网络结构,建立了交通方式分担与交通分配组合模型,研究经济圈内多方式交通网络均衡时乘客的交通方式选择问题考虑出行时间、出行费用、舒适度等影响乘客出行方式选择的因素,分析了铁路和公路2 种存在主要竞争关系的出行方式的广义出行费用结合我国经济圈内城际客运出行特征,给出了经济圈内多方式交通网络均衡条件,构建了与该均衡条件等价的变分不等式模型,设计了求解该模型的精简对角化算法最后结合长江三角洲经济圈,应用该模型预测乘客选择铁路和公路出行方式的比例结果表明,模型和求解算法有效,能够从用户最优的角度为合理配置经济圈内多种交通方式提供量化依据关键词:交通运输;组合模型;
3、用户均衡理论;经济圈客运交通方式;变分不等式中图分类号:U 1 2 5文献标志码:A文章编号:1 0 0 l 一0 5 0 5(2 0 0 9)0 4-0 8 5 4-0 5C o m b i n e dm o d a ls p l i ta n da s s i g n m e n tm o d e lf o rp a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o no fe c o n o m i cc i r c l ei nC h i n aL iS h u a n 9 1D e n gW e i lL t iY i s h e n 9 2(1 S c
4、h o o lo f T r a n s p o r t a t i o n,S o u t h e a s tU n i v e r s i t y,N a n j i n g2 l 0 0 9 6。C h i n a)(2I n s t i t u t eo fA u t o m a t i o n,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,B e i j i n g1 0 0 19 0,C h i n a)A b s t r a c t:Ac o m b i n e dm o d a ls p l i ta n da s s i g n m
5、 e n tm o d e li sp r o p o s e df o rm o d e l i n gp a s s e n g e r s m o d ec h o i c e si nam u l t i m o d a lt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ki na ne c o n o m i cc i r c l e G e n e r a l i z e dt r a v e lc o s tm o d e l so fh i g h w a ya n dr a i l w a ya r ee s t a b l i s h e dw
6、 h i c hi n c o r p o r a t et h et r a v e lt i m e,t i c k e tf a r ea n dp a s s e n g e r Sd i s c o m f o r t T h ee q u i l i b r i u mc o n d i t i o n so fam u l t i m o d a lt r a n s p o r t a t i o nn e t w o r ki na ne c o n o m i cc i r c l ea r ed e f i n e db a s e do nc h a r a c t e
7、 r i s t i c so fp a s s e n g e r St r i p sb e t w e e nc i t i e s Av a r i a t i o n a li n e q u a l i t yf o r-m u l a t i o ni sp r o p o s e dt oe x p r e s st h ee q u i l i b r i u mc o n d i t i o n s T h es t r e a m l i n e dv e r s i o no fad i a g o n a l i z a t i o na l g o r i t h
8、mi sp r e s e n t e dt os o l v et h em o d e l T h em o d e la n dt h ea l g o r i t h ma r ea p p l i e dt ot h ep r e d i c t i o no ft h er a t i o so fp a s s e n g e r s c h o i c e so fr a i l w a ya n dh i g h w a yf o rt h e i rt r i p sb e t w e e nc i t i e si nt h eY a n g t z eR i v e r
9、D e l t ae c o n o m i cc i r c l e T h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e la n dt h ea l g o r i t h ma r ee f f e c t i v e,w h i c hC a l lp r o v i d eq u a n t i t a t i v eb a s i sf o rr a t i o n a l l yc o n f i g u r i n gt h em u l t i p l et r a f f i cm o d e si n
10、a ne c o n o m i cc i r c l ef r o mt h ep e r s p e c t i v eo fu s e ro p t i m u m K e yw o r d s:t r a n s p o r t a t i o n;c o m b i n e dm o d e l;u s e re q u i l i b r i u mt h e o r y;e c o n o m i cc i r c l et r a v e lm o d e s;v a r i a t i o n a li n e q u a l i t y经济圈是城市发展的一种高级形态,改革开
11、放以来,我国已经初步形成了长江三角洲、珠江三角洲和京津冀等经济圈经济圈的飞速发展带来了交通需求的快速增长,为满足城际之间的客货运输需求,迫切需要多种交通方式并存的交通网络结构作为支撑结合经济圈客运出行特征,预测多种交通方式的分担量。已经成为确定交通方式的合理发展规模、优化经济圈交通网络结构、建设综合交通运收稿日期:2 0 0 9-0 1-0 7 作者简介:李爽(1 9 8 3 一),女,博士生;邓卫(联系人),男,博士,教授,博士生导师d e n g w e i s 4 9 u e d u o n 基金项目:国家高技术研究发展计划(8 6 3 计划)资助项目(2 0 0 7 A A l l 7
12、 2 0 2)引文格式:李爽,邓卫,吕宜生经济圈客运交通方式分担与交通分配组合模型 J 东南大学学报:自然科学版,2 0 0 9,3 9(4):8 5 4 8 5 8 d o i:1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 0 5 0 5 2 0 0 9 0 4 0 4 0 万方数据第4 期李爽,等:经济圈客运交通方式分担与交通分配组合模型8 5 5输体系的重要依据目前有关城际之间交通出行需求预测的研究仍将交通方式划分与交通分配视为2 个独立的阶段其中客运方式分担预测广泛采用L o g i t 方式划分模型剖,但该模型存在很多局限性,如不能反映交通方式在时间、空间上的竞争特性,
13、忽视了各方式网络流量变化对出行需求的影响;对于城际之间交通网络流量分配的研究,通常只针对单一的交通方式网络结构,流量分配时不考虑各交通方式之间的相互作用文献 4 虽将随机用户均衡理论用于研究城际间交通方式分离,但没有考虑每种交通方式的网络特性随着研究的深入,人们逐渐认识到将交通需求预测划分为独立的阶段存在很多局限性,而应用组合模型更为合理,因此组合模型受到了众多学者的关注w u 等应用交通方式分担与交通分配组合模型研究了城市内机动车和非机动车出行的多方式交通网络”,有关组合模型研究成果的系统总结参见文献 6 本文主要根据经济圈城际之间不同运输方式对出行者需求的适应情况,以多种交通方式网络为研究
14、对象,构建交通方式分担和交通分配的组合模型,确定各运输方式在经济圈客运总运量中所占的比重1 模型基本说明1 1 经济圈城际客运出行特征研究经济圈内客运需求应结合乘客出行特征经济圈由多个联系紧密的城市组成,经济圈内城市间距离通常在5 0 0k m 以内,铁路和公路是2 种最主要的交通基础设施,是经济圈多方式交通网络的重要组成部分由于我国人均小汽车拥有量不高,并且使用小汽车作为出行方式费用较高,因此描述经济圈乘客交通方式选择模型中,主要考虑城际客车和火车这2 种方式但由于小汽车和城际客车共同占用道路资源,因而城际客车的出行受小汽车交通量影响,不能忽视小汽车交通量为此,本文不把小汽车列入客运交通方式
15、选择模型,而是将其单独考虑,小汽车交通量可以通过现状调查预测得出1 2 符号定义考虑经济圈内的多方式交通网络G=(N,L),其中为节点集,L 为路段集;a(a u t o),b(b u s),扛(t r a i n)分别表示在公路网上运行的小汽车、城际客车和在铁路网上运行的火车3 种交通方式;多方式网络G 由公路子网络(按不同车种定义为小汽车子网络G。=(N a,L。),城际客车子网络G。=(b,。)和轨道子网络G。=(虬,k)构成,小汽车可以自由选择路径,因而小汽车网络G。=(a,L。)与公路物理网络一致与小汽车相比,城际客车的运行路线通常同定,城际客车网络只包含公路网络中的部分节点和路段,
16、因此b a,。L。R 为起始节点集,s 为讫点集,且有R C N,S C 9:表示研究时段内O D 对(r,s)之间公路网上小汽车的交通需求;q:表示研究时段内O D 对(r,J)之间选择城际客车作为出行方式的乘客量;曰t,r,表示研究时段内O D 对(,s)之间选择铁路作为出行方式的乘客量;留。表示研究时段内O D 对(厂,s)之间公共客运需求总人数2 广义出行费用函数2 1 铁路广义出行费用城际之间的乘客通常对列车发车时间有清楚的认识,因此模型中交通方式广义出行费用中的时间主要是交通方式运营时间,不考虑乘客的等待时间铁路拥有自己的专属通行权,设列车在轨道上的运行时间为常数,即f。t t O
17、=。t r 然而,随着乘客数量的增加,乘客逐渐感觉不舒适,从而感觉出行时间延长,可以通过下面的B P R 函数描述 J:东=:【1 o+o 1(矗)。】(1)式中,P 为研究时段内发车频率;C 为一列火车的座位数通常城际之间的铁路都是直接到达,即不存在乘客从一列火车换乘到其他火车的行为,票价和出行时间是影响乘客方式选择的主要因素,因此铁路广义出行费用函数为G:(J”)=r f:+s:A:(2)式中,丁为乘客的时间价值;A:为铁路每公里运营票价;J:为r,s 之间的轨道长度2 2公路广义出行费用事实上,公路网络上除了小汽车和城际客车之外,还存在一定数量的货车,影响路段阻抗为了简化模型,可将货车数
18、量转化为等价小汽车数量处理故本文假定路段上小汽车的出行时间与自身流量、城际客车流量相关,城际客车的出行时间与自身流量、小汽车流量相关,并且这2 种交通方式之间的相互作用不对称t 叫,t b t 分别表示小汽车、城际客车在路段f 上的出行时间,用B P R 函数表示为一纠X n 9 y b m)1 蜘(甜+啦(菩)虎】(3)万方数据8 5 6东南大学学报(自然科学版)第3 9 卷=(V b,X a)=t r Y(o)【l 坞(吕)角+I 孑x aJ,4】(4)式中,t 州和一分别表示路段z 上的小汽车自由流行驶时间和通行能力;t 州和分别为城际客车自由流行驶时间和通行能力;i x l,0 1 2
19、,0 1 3,o l。,卢。,卢2,1 3,角为参数;一为路段Z 上的小汽车流量;定义集合X 8=X 叫Iz L。;v w 为路段z 上的城际客车流量起终点(。,J)问路径P 上小汽车的出行时间为经过该路径的所有路段出行时间之和;即c 筹=t“l E L。V,s,P P:;r R;s S(5)式中,如果路段f 在(r,J)之间的路径P 上,则6 乙=l;否则,6 0=0 L。表示小汽车路段集合,聪表示O D 对(,J)之间的小汽车路径集合同理,城际客车在(,s)之间的路径P 上的出行时间为c 害=t M V,P P b。;r R;s S1 E L b(6)式中,L。表示城际客车路段集合;P:表
20、示O D 对(r。J)之间的城际客车路径集合综上所述,乘客选择城际客车作为出行方式的广义出行费用为G:(5 警)=r c:+s 等A 窨(7)式中,A 窘为城际客车每公里票价;J 警为r,s 之间路径P 的长度3组合模型的均衡条件定义经济圈内多方式交通网络均衡如下:在均衡状态,小汽车网络中的车辆运行满足U E 均衡;城际客车网络中乘客路线选择满足U E 均衡,同时选择城际客车和火车2 种出行方式的乘客数满足L o g i t 模型均衡条件的数学表达式如下:I)小汽车网络均衡条件(c 筹一p:)善=0,c 筹一肛a。0Vr,J,P P:(8)式中,璧表示O D 对(r,J)之间路径P 上的小汽车
21、流量;肛a。为O D 对(r,J)之间小汽车最短出行时间2)城际客车网络均衡条件(磷一G:沈=o,瞬一G:0V,5,PE 破(9)式中,赍表示城际客车网络上O D 对(r,s)之间路径P 上的乘客流量3)乘客对于公路和铁路的选择假定城际之间只存在一条铁路线,则乘客选择了铁路作为出行方式也就选择了出行路径当随机误差项相互独立并且服从G u m b e l 分布时,L o g i t 模型可以描述乘客对于公路和铁路的方式选择行为,选择公路作为出行方式的乘客数:2q r si 了历丽(1 0)式中,钆为校正参数;9。为乘客对该种交通方式的偏好值,参数取值通过调查标定可以推出选择铁路作为出行方式的增广
22、阻抗为眠(珊=麦h 去+妒。+G t 朋rt?r)(1 1)4变分不等式模型由于小汽车和城际客车出行相互作用不对称,无法用等价的数学模型描述上述均衡条件,但构建变分不等式模型可以解决这一问题,变分不等式模型如下:一(一,1,叭)(工缸一工山)+G 一。b P(、,:。p 一璧)+;咖等+叫t r 吨;(麦,n 等城)(q:堪+)。(1 2)约束条件如下:鼋:+g:=q。V,J(1 3)篇=靠V(1 4)宏=q V(1 5)Z=q:Vr,s(1 6)一=层既V,J(1 7)=庀V(1 8)1,M=LVr,J(1 9)7群,群0V,j,PE 尸:;七P:(2 0)旌0,鼋:0V,s(2 1)式中,
23、p 为路段Z 上的城际客车乘客量,P=万方数据第4 期李爽,等:经济圈客运交通方式分担与交通分配组合模型8 5 7 X b fz L。;y 为城际客车座位数式(1 3)为公共客运需求总量约束,式(1 4)、(1 5)、(1 6)为流量守恒约束,式(1 7)和(1 8)为路段流量和路径流量之间的关系,式(1 9)为城际客车车流量与乘客流量转换关系,式(2 0)和(2 1)为非负约束由变分不等式的K K T 条件,可以证明式(1 2)等价于式(8)(1 0)的网络均衡条件,即等价于组合模型5求解算法采用精简对角化算法 9 1 求解变分不等式模型(1 2),运算过程如下:初始化设置 X 酬,X h“
24、和 留譬 为初始可行解,令,l=0 更新出行阻抗计算小汽车和城际客车2种方式的出行时间:t 缸”=f“(工“,X M”)=叫蛔x a l(n)一)角峋(岩)应】t M”=t b l(工M,X“”)=。【-俑(x 万b l(n)岛饥(x 了a l(n)风】找出城际客车所有运行路线,计算乘客选择城际客车作为出行方式的广义出行费用:G:町(s 窘)=r c 警抽+一s。b p b p;当选择火车出行的客流量为 q 廿(帕 时,更新轨道增广阻抗眠(q 嚣町)=吉l n 南饥+G:1 寻找下降方向在3 个子网络中按照全有全无原则配流,得到小汽车网络辅助流量为 Y 帅,城际客车流量为 Y M 帕,火车流量
25、为 z 詈们 确定迭代步长a。即求解m i n 孑(r,破,r)=r 州川神一_ h 一1 面+f:抽佃。M“1 叫加垲(工面c“,y)d v+;J?蝌神刮帕(吉,n q,:-p+戗(p)中更新流量即X“州=X“”4-a n(y“一X“)工M”“=X b t”+d。(),b。刖一X b。“)q 拳“=口要帕+O t n(z 譬一留譬帕)。收敛性检查若(r”,q 等”,p”1)一(X a _,q 嚣,妒“),停止迭代;否则,令,l=n4-1,转步骤6算例分析长江三角洲经济圈已初具规模,本文以该区域为例说明模型和算法的应用图1 为其内部主要公路和轨道网络抽象图,A,B,C 分别代表南京、上海、杭州
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