粒子群算法在动态交通分配问题的应用本科毕业设计(编辑修改稿)

粒子群算法在动态交通分配问题的应用本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

动态交通分配的研究现状 交通 配流 问题作为路网规划的一个 有机 构成 部分，对其的研究 向来 是学术界感兴趣的项目。 交通分配方法 按照平衡准则可以 分为平衡模型与非 平 衡模型。 非平衡模型又可分为有容量限制分配模型、最短路分配模型及多路径分配模型等 ， 这些模型 构造 简单、计算 方便， 但在应用时与实际 效果 相差较大。 而平衡模型 作为新发展起来的 新 式 交通分配模型，这类模型 与非 平衡模型 相比， 具有 条理清晰 、结 构 缜密 、结果合理 ， 适用于 大规模 研究 的优点。 但这类模型常 因为 维数太大、变量较多、约束 因素 太多，使得 对这类模型的 建模 比较 麻烦 ，影响了其实际应用的效果。 从对出行者选择 路径 方面的假定来看，将 动态交通分配 模型划分为预测型和反映型。 预测性模型指的是出行者根据某一段时间的交通状况预先决定自己的最 优 行驶路径，这条最 优 路径是根据以往经验中在该路段行驶花费的实际成本得到的。 反映型模型是指出行者根据实时的交通状况来选择 费用 最低的路径。 但由于城市交通状况具有时变性，反映型模型可能使相同 起始点 和 出行 时间的出行者，由于在不同时刻出发，使得他们最终所选择的路径所 消耗 的时间不同。 交通管理信息系统 软件平台 交通事件事故视频检测系统 交通诱导系统 交通事件快速处理系统 GPS 车辆定位系统 供电防雷系统 信息传输系统 闭路电视监控系统 超速检测系统 电子警察系统 信号控制系统 业务支撑平 台 硬件平台 交通管理自动化系统 其它信息应用系统 指挥中心控制系统 五邑大学本科毕业设计 5 根据研究方法可以将动态交通流划分五类： （ 1）数学 规划建模方法； （ 2）计算机模拟方法； （ 3）最 优 控制理论建模方法； （ 4）不动点理论建模方法； （ 5）变分不待式与非线性互补理论建模方法等 [1]。 动态交通分配理论的应用 动态交通分配是在 己知的 交通需求 和 交通运行状况 下 ，分析 实时 路网 的最优交通流 分配情况 ，其 需要优先 考虑的 是对 各个时刻 产生 的出行需求 的科学预测 ，在确定 时变交通需求 量 的基础上，再对 路网交通量 进行 合理的分配。 交通出行明确的目的性 决定了 OD矩阵在动态交通 配流中的重要地位 ， 所以 在 交通量 分配中 假设 OD需求 矩阵是 己知 的 确定量。 除了己知的各时段 交通需 求 外， 也要设定好 路网构造和路段的限制 特性。 动态交通分配 在体现城市交通路网的 适应 性、随机性、时变 性 还有 对城 市路网 管 制的各种措施的评价上 ，比 静态交通分配更具有实用性。 （ 1） 可以对交通拥挤特性进行全面分析。 交通堵塞在不同的时间区间内发生在不同的区域 ，交通拥挤在一定 范围内 限制 了城市交通流的分布 扩张。 为了分析交通拥挤情况的特性， 必须建立起动态的交通 配流 模型， 对车流量进行合理 分配。 动态交通配流 模型 充分考虑到 时变 的 交通需求 和 路网 特性，能够 计算出 交通流 的 分布 量 ， 于是 可以 预测交通阻塞 发生的时 段和位置 ，并采取 及时 的 解决 对 策。 （ 2） 为智能交通系统 (ITS)提供主要的技术 支持。 动态交通分配模型以均衡分配交通量为 基础 ，能够 立刻 地采取 妥善 的管理或诱导措施控制交通流，提高路网通过率，这也是动态交通分配的最终目标。 人们 对于 交通 管理 持有的 观念由以 往 通过 开发和铺设道路，增加和设置交通管理设施来提高交通路网的 通行效率 ，转变到通过 改善 交通管理 和评估 交通路网 实时状态来 增加 路网 通过 效率。 在这一方面，动态的交通流模型不仅能更精确、科学地描述路网中交通流的时间、空间分布模式 ， 也能更 确切 地 模拟 出 高峰期和非高峰期间 车流量 的 交通 特性。 （ 3） 可以对交通 流进行最优控制。 动态交通分配 集合 了交通需求随时间变化的 路网 特性，可以检测 某一时刻 的瞬时 的交通流分布 情况 ，因此， 它能及时预测交通堵塞 事件的发生 ，从而为信号灯的配时提供 精确的信息 ，让车辆通畅 运行。 本文 章节安排 全文内容分为四章，按照粒子群算法对 多路径 路网进行建模 和仿真实验，模拟车辆在动态路网中的路径选择与最优配流问题，具体章节的安排主要如下： 五邑大学本科毕业设计 6 第一章，本文的绪论部分。 重点 叙述了 交通分配 的背景以及意义，并对智能交通系统和动态交通分配进行简单的 叙述。 第二章，动态交通流分配模型理论的概述。 分别对动态交通 流分配模型的 建立 、约束条件和相关术语 与符号进行了详细的介绍，并比较分析几种常用优化方法的基本思想和优缺点。 第三章，详细介绍了基本粒子群算法的原理、流程、特点 等，以及该算法的研究进展。 第四章，根据实际情况，建立交通分配 模型， 以 简单 的 多路径 交通路网 为算例 ， 求解分时段 的动态交通 分配 情况 ，验证该模型的合理性和有效性。 五邑大学本科毕业设计 7 第 2章 动态交通 分配模型 动态交通 分配 动态分配是交通流理论发展、不断完善的趋势，是交通控制与管理实际应用之需。 在交通需求管理中，不仅要制定科学、合理的交通规划设计服务，还要制定完善的交 通管理控制方案服务 ，将其应用到交通控制和诱导中。 ITS 的研究与实施，迫切需要对动态交通分配理论提出更多的需求， 使得理论能够应用在实际中。 图 21 体现 了动态交通分配 在交通诱导与控制中的 作用。 图 21 交通 管理 、诱导与 分配 之间的关系图 由图 21 可以看出，动态交通分配 为交通 管理 和交通诱导提供了数据输出 ，而交通 管理 与诱导则是动态交通分配 要达到的 终极目标。 交通 管理 通过 变换 红绿灯 信号 的 配时方案来改变车流的 通行情况 ；而动态 交通 诱导则通过 路况 信息 输出 、车 辆 诱导 系统等 技术 手段改变车流 在时间和 空间 上的 传播。 动态交通 分配 概述 动态交通 分配（ Dynamic Traffic Assignment， 简称 DTA）根据出行的起、止点，按照一定的交通规则和实际的交通状况对各路径车流量进行合理分配，并为交通参与者提供最数据采集 交通过程 参数提取 动态交通分配 输出数据整理 交通诱导 交通管理 五邑大学本科毕业设计 8 优路 线 引导以及其他丰富的实时交通路况来达到改善交通运行的目 的，防止交通拥挤的发生，最终实现 交通路网各个路段上交通流 的最优 分配。 动态交通 分配理论已经经历了 20 多年的发展，各国学者对它进行了多方面的 探究 ，不断提出 改良 和 合适 的 模型。 动态交通流分配模型能再现实 际交通状态，在计算机上模拟网络中车辆随着实时车流量的变化而改变其行车路线的情况，而这种交通状态是 出行者对路径选择的结果 [2]。 从 Merchant 和 Memhauster[3]为动态交通网络模型相关问题所作出的具有开创性的研究工作以来，动态交通流分配模型及其理论已经历了 30 余年的发展历程。 从研究 趋势 上看，动态交通分配 模型 研究的 内在实质 包括 了如下 四 个方面： （ 1） 动态交通需求 ； （ 2） 狭义动态交通分配。 对 交通 路网 状 况 、 行程时间 、 排队 、 起始点 理想 行驶路 径等随时空 变更 的 规律 进行研究 ，在 交通供给状况和 交通需求 已知的 状 况下， 得出 其最 好 的车流量 分布 模式 ，为实 时 交通控制与 管理 提供 借鉴 ； （ 3） 路网特性的 时变 规律 和 道路 状况的影响： （ 4） 各种环境因素 对 路网 状态的聚集影响，如交通信息发布 事件、 频率、内容及覆盖 率 等。 动态交通 分配 模型 本文 取用 时段 [0， T ]，将之 分为若干个时段 1t ， „ ， nt ， 每个时段间隔相等。 当交通流量变化较大时 ， 时间段应 细分 ， 以能够 较为真实地反映 交通 流 量变化的情况 为基本原则。 将各时间段 分 为 1， „ ， n ， 其中各时段总的均衡模型 ，满足 FIFO 规则： ()( 1 )1 1 1m i n = m i n [ ( ) ] ( )aam n n m eiaa eia i i aZ z x i t w d w        （ 21） . ()( ) ( )r s sp r s ap a B rf q i o i （ 22） r s r sa p pr s pxf  （ 23） ( ) ( 1 ) ( ) ( )a a a ae i e i x i o i    （ 24） ( ) ( )saaro i o i （ 25） ( ) ( )aao i x i （ 26） [ ( )]aai i t e i （ 27） 式 中 Z —— 时段 [0， T ]的网络总阻抗； [ ()]az x i —— 时段 i 时网络总阻抗； 五邑大学本科毕业设计 9 ()axi —— 时段 i 时 在路段 a 上的交通流量； at —— 路段 a 的阻抗函数 ，即车辆通过路段 a 的 时间 ； rspfi（ ） —— 时段 i 时 OD对 r ， s 间第 p 条路径上的交通量； ()rB —— 以节点 r 为终点的所有路 段集合 ； ,rsap —— 如果路段 a 在连接 OD对 r ， s 的路径 p 上，其值为 1，否则为 0； ( 1)aei —— 各个时段路段 a 上交通流入量； ()aoi —— 各个时段路段 a 上交通 流出 量。 约束条件 分析 流量守恒 流量守恒是指对于任何一个节点来说，驶入该节点的车辆数与驶出该节点的车辆数相等。 在实际的交通网络中，每一个路段上的车流量并非一成不变的，随着时间的变化，在每个节点上都有可能产生 不同数量的新 车流量 [4]。 假设车辆在任意时刻 t 路段 a 上的流量为： s 0( ) ( ) ( ) , , ,t ssa a aX t U t V t d t a s t   （ 28） 或  s 0( ) ( ) ( ) , ,ta a aX t U t V t d t a t   （ 29） 那么，流量守恒约束条件为： ( ) ( ) ( ) , ,llls s saaa A b BV t g t U t l s s    （ 210） 式 中 iA —— 节点 i 为目的地的所有路段的集合； iB —— 以节点 i 为出发点的所有路段的集合； saV（ t） —— 车辆在 t 时刻进入路段 a 并以节点 s 作为目的地的交通量； ()saUt—— 车辆在 t 时刻驶入路段 a 并以节点 s 作为目的地的车辆流入率。 非负约束 根据实际经 验可知，在任何一个时刻，交通网络中的任何一个路段上的车流量都应为非负值 ， 详细 表示为： () 0saVt ， () 0saUt ， () 0saXt ， ,at （ 211） 五邑大学本科毕业设计 10 先进先出规则 先进先出 规则 （ First In First Out，简称 FIFO） 是 Carry于 1992 年 首先提出的。 该规则假定先进入路段的车辆必须先离开路段， 即 同时进入同一 路段的车辆 必须 花费相同的时间，并 以相同 的 速度行驶 ，行驶过程中 不存在 超车 的现象。 这一假定 明确了 路径行程时间、输入流和输出流 三者之间的关系。 在动态交通 路网中，当所 求解 的交通 路网 存在 多个终点时， FIFO 规则则会 造成 模型的解域 出现非凸集合可行域的情况 ，当 模型 符合 不了该规则 时，模型的解不合理，由此可见FIFO 规则的局限性。 FIFO 规则 不是模型必须 具备 的条件，但它能 使交通分配中的路段模型得到 化简 ，从而简化整个 DTA 模型， 在一定程度上 是一个很好的约束 因素。 在建立动态分配模型的过程中， 该 规则 只是要求模型具有有效性 ，并 非必 然会 出现在模型的约束条件中，只要 能正确建立 路段流出函数 ， 就能自动满足 FIFO 规则。 路段容量限制 路段 容量 限。