智能运输系统概论第3章.pptx
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1、目目 录录第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 智能运输系统的体系框架智能运输系统的体系框架第第3 3章章 智能运输系统的理论基础智能运输系统的理论基础第第4 4章章 交通信息采集与处理技术交通信息采集与处理技术第第5 5章章 通信技术通信技术第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术第第7 7章章 网络技术网络技术第第8 8章章 数据库技术数据库技术第第9 9章章 新技术在智能运输系统中的应用新技术在智能运输系统中的应用第第1010章章 交通信息服务系统交通信息服务系统第1页/共72页第第3 3章章 智能运输系统的理论基智能运输系统的理论基础础 动态交通分配理论动态交通分配理论3.1智能协同
2、理论智能协同理论3.2 交通网络实时动态交通信息预测理论交通网络实时动态交通信息预测理论3.3 智能控制理论智能控制理论3.4第2页/共72页3.1 动态交通分配理论动态交通分配理论ITSITS的的研研究究和和实实施施,对对动动态态交交通通分分配配理理论论提提出出了了更更迫迫切切的的需需求求,极极大大地地推推进进了了动动态态交交通通分分配配理理论论的的前进步伐。前进步伐。智智能能运运输输系系统统的的发发展展需需要要动动态态交交通通分分配配理理论论的的支支持。持。ITSITS中中的的先先进进的的出出行行者者信信息息系系统统、城城市市交交通通流流诱诱导导系系统统、先先进进的的交交通通管管理理系系统
3、统等等核核心心部部分分都都需需要要动动态交通分配态交通分配作为理论基础。作为理论基础。第3页/共72页动动态态交交通通分分配配,就就是是将将时时变变的的交交通通出出行行合合理理分分配配到到不不同的同的路径路径上,以上,以降低降低个人的个人的出行费用出行费用或或系统总费用系统总费用。在在交交通通供供给给以以及及交交通通需需求求状状况况均均为为已已知知的的条条件件下下,分分析析其其最最优优的的交交通通流流量量分分布布模模式式,从从而而为为交交通通流流控控制制和和管管理理、城城市市交交通通流流诱诱导导等等提提供供依依据据。通通过过交交通通流流管管理理和和动动态态路路径径诱诱导导在在空空间间和和时时间
4、间尺尺度度上上对对人人们们已已经经产产生生的的交交通通需需求求的的合合理配置理配置,使得交通路网优质高效地运行。,使得交通路网优质高效地运行。3.1.1 动态交通分配的目的动态交通分配的目的交交通通供供给给状状况况包包括括路路网网拓拓扑扑结结构构和和路路段段特特性性等等,交交通通需求需求状况则是指在每时每刻产生的状况则是指在每时每刻产生的出行需求出行需求及其及其分布分布。动动态态交交通通分分配配在在交交通通诱诱导导和和交交通通控控制制中中具具有有核核心心地地位位和重要的作用,如图所示。和重要的作用,如图所示。第4页/共72页3.1.1 动态交通分配的目的动态交通分配的目的动动态态交交通通分分配
5、配的的地地位位和和作作用用可可以以看看出出,动动态态交交通通分分配配是是以以路路网网交交通通流流为为对对象象,以以交通控制与诱导交通控制与诱导为目的开发出来的交通需求预测模型。为目的开发出来的交通需求预测模型。第5页/共72页3.1.2 动态交通分配的基本概念动态交通分配的基本概念 1 1)动态用户最优和动态系统最优)动态用户最优和动态系统最优根根据据分分配配中中路路径径选选择择准准则则的的不不同同,分分为为两两类类:动动态态用用户户最最优优模模型型(Dynamic Dynamic User User OptimumOptimum,简简称称DUODUO)和和动动态态系系统统最最优优模模型型(D
6、ynamic Dynamic System System OptimumOptimum,简简称称DSODSO)。前前者者是是从从路路网网中中每每个个用用户户的的角角度度考考虑虑,追追求求每每个个用用户户出出行行的的走走行行时时间间最最少少或或费费用用最最低低;后后者者是是从从路路网网系系统统角角度度考考虑虑,寻寻求求整整个个系统系统总的出行时间最少或费用最低。总的出行时间最少或费用最低。动动态态用用户户最最优优(DUODUO)就就是是指指路路网网中中任任意意时时刻刻、任任何何ODOD对对之之间间被被使使用用的的路路径径上上的的当当前前瞬瞬时时行行驶驶费费用用相相等等,且且等等于于最最小小费用费
7、用的状态。的状态。动动态态系系统统最最优优(DSODSO)就就是是指指在在所所研研究究的的时时段段内内,出出行行者者各各瞬瞬时时通通过过所所选选择择的的出出行行路路径径,相相互互配配合合,使使得得系系统统的的总总费费用最小用最小。第6页/共72页3.1.2 动态交通分配的基本概念动态交通分配的基本概念 2 2)路段流出函数模型)路段流出函数模型路路段段流流出出函函数数是是动动态态交交通通流流分分配配理理论论中中的的关关键键和和特特殊殊之之处处。在在静静态态交交通通分分配配中中没没有有出出现现,在在动动态态交交通通分分配配中中流流出出函函数数是是反反映映交交通通拥拥挤挤,抓抓住住网网络络动动态态
8、本本质质特特性性的的关关键键。在在动动态态交交通通分分配配中中,出出行行者者路路径径选选择择原原则则确确定定后后,其其路路段段流流入入率率自自然然确确定。定。函函数数的的建建立立应应该该确确保保车车辆辆按按照照所所给给出出的的路路段段走走行行时时间间走走完完该该路路段段。还还要要考考虑虑CareyCarey提提出出的的FIFOFIFO(First First In In First First OutOut,先先进进先先出出)原原则则。假假设设不不论论其其出出行行终终点点如如何何,同同时时进进入入路路段段的的车车辆辆均均以以相相同同的的速速度度行行驶驶,花花费费相相同同的的时时间间,这这实实质
9、质就就是是FIFOFIFO规则规则的具体表现形式。的具体表现形式。在在分配算法分配算法的设计中可以使用车辆在每一时间步长中移动的设计中可以使用车辆在每一时间步长中移动的距离作为的距离作为约束约束。第7页/共72页3.1.2 动态交通分配的基本概念动态交通分配的基本概念 3 3)路段阻抗特性模型)路段阻抗特性模型在在静静态态交交通通流流分分配配中中,对对阻阻抗抗的的估估计计精精度度要要求求相相对对来来说说不不是是很很高高。但但在在动动态态分分配配下下,提提高高阻阻抗抗函函数数预预测测精精度度则则是一个是一个基本要求基本要求。在在建建立立阻阻抗抗特特性性模模型型时时,要要注注意意动动态态交交通通分
10、分配配中中的的状状态态变变量量不不是是静静态态交交通通流流分分配配中中的的交交通通量量,而而是是某某时时刻刻路路段段上上的的交交通通负负荷荷,即即这这一一时时刻刻路路段段上上存存在在点点的的车车辆辆数数。在在动动态态情情形形下下,用用交交通通量量无无法法描描述述路路段段的的动动态态交交通通特特征征,交交通通量量是是一一个个时时间间观观测测量量,其其值值是是在在某某一一点点观观测测到到的的,适适用用于于静静态态描描述述;而而交交通通负负荷荷是是指指某某一一时时刻刻一一个个路路段段上上存存在在的的车车辆数,是一个辆数,是一个空间观测量空间观测量,适用于,适用于动态动态描述。描述。第8页/共72页3
11、.1.3 动态交通分配理论研究现状动态交通分配理论研究现状从从提提出出至至今今经经过过了了2020多多年年的的发发展展,在在理理论论研研究究和和方方法法应应用用上上都都有有了了一一定定的的进进步步,但但是是无无论论国国外外还还是是国国内内,目目前前在在动动态态交交通通分分配配方方面面的的学学术术专专著著还还没没有有见见到到,这这一一点点不不同同于于静静态态交交通通分分配配。国国内内外外在在动动态态交交通通分分配配领领域域的的研研究究都都正正在在积积极极的的进进行行当当中中,表表现现为为国国外外在在理理论论、方方法法和和应应用用上上的的研研究较之国内要究较之国内要超前超前。理理论论方方面面的的研
12、研究究居居多多,实实际际应应用用上上还还有有待待于于进进一一步步发发展展。从从总总体体上上来来说说,自自动动态态交交通通分分配配概概念念提提出出至至今今,其其研研究仍然处于发展阶段。究仍然处于发展阶段。研研究究方方法法可可分分为为:数数学学规规划划建建模模方方法法、最最优优控控制制理理论论建模方法、建模方法、变分不等式变分不等式理论建模方法和理论建模方法和计算机模拟计算机模拟等四种。等四种。第9页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型1 1)动态交通分配模型的有关定义)动态交通分配模型的有关定义交通网络,为有向连通图。交通网络,为有向连通图。网络节点
13、集,它包括起点集、终点集和中间点集三网络节点集,它包括起点集、终点集和中间点集三个子集。一般用个子集。一般用 表示起点或中间点,用表示起点或中间点,用 表示终点。表示终点。有向弧集,即路段集,路网任意路段用有向弧集,即路段集,路网任意路段用 表示。表示。所有以节点所有以节点 为起端的弧段集合。为起端的弧段集合。所有以节点所有以节点 为终端的弧段集合。为终端的弧段集合。规划时间段,可以取离散值或连续值。规划时间段,可以取离散值或连续值。所有以节点所有以节点 为终端的弧段集合。为终端的弧段集合。时刻路段时刻路段 上存在的车辆数,即交通负荷。上存在的车辆数,即交通负荷。第10页/共72页3.1.4
14、动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型1 1)动态交通分配模型的有关定义)动态交通分配模型的有关定义 时刻路段时刻路段 上以上以 为终点的行驶车辆数。为终点的行驶车辆数。时刻路段时刻路段 上车辆流入率。上车辆流入率。时刻路段时刻路段 上以上以 为终点的车辆流入率。为终点的车辆流入率。时刻路段时刻路段 上车辆流出率,一般假定车辆流出率上车辆流出率,一般假定车辆流出率函数已知。函数已知。路段路段 的路段流出率函数。的路段流出率函数。时刻路段时刻路段 上以上以 为终点的车辆流出率。为终点的车辆流出率。时刻产生的由起点时刻产生的由起点 到终点到终点 的交通需求,一般的交通需求,一
15、般假定已知。假定已知。整个规划阶段整个规划阶段 内由起点内由起点 到终点到终点 的交通需求。的交通需求。第11页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型1 1)动态交通分配模型的有关定义)动态交通分配模型的有关定义路段路段 的阻抗函数,一般为路段行驶时间函数。的阻抗函数,一般为路段行驶时间函数。上上述述各各变变量量中中,都都是是基基于于连连续续时时间间表表达达的的。如如果果离离散散时时间间表表述述,则则可可以以将将固固定定时时段段 等等分分为为 份份。则则相相应应的的用用“时时段段”代代替替“时时刻刻”表表述述即即可可,如如 表表示示 时时段段路路段段
16、 上以上以 为终点的行驶车辆数,其他变量的描述以此类推。为终点的行驶车辆数,其他变量的描述以此类推。2 2)前提假设)前提假设为为使使动动态态交交通通分分配配问问题题便便于于求求解解,通通常常在在建建立立模模型型时时对对动动态态交通分配模型做如下一些交通分配模型做如下一些假设假设:路网路网拓扑空间结构拓扑空间结构 已知已知路网路网特性特性、路段、路段行驶时间函数行驶时间函数、路段、路段流出率函数流出率函数均均已知已知第12页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型2 2)前提假设)前提假设动态的时变交通需求动态的时变交通需求已知已知车车辆辆的的产产生生
17、与与吸吸引引只只发发生生在在节节点点处处,路路段段之之中中不不吸吸引引和和产产生生车辆车辆3 3)动态系统最优分配模型)动态系统最优分配模型动动态态系系统统最最优优(DSODSO)是是车车辆辆路路径径诱诱导导系系统统的的基基础础,也也是是动动态用户最优模型的基础。一般而言,交通管理和控制的目标有:态用户最优模型的基础。一般而言,交通管理和控制的目标有:使系统使系统总行程时间总行程时间最小最小使系统使系统总费用总费用最小最小使系统使系统总延误时间总延误时间最小最小使系统使系统平均拥挤度平均拥挤度最小最小第13页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型3
18、3)动态系统最优分配模型)动态系统最优分配模型根根据据不不同同的的目目标标可可以以建建立立不不同同的的最最优优模模型型,在在这这里里只只给给出出根根据目标(据目标(1 1)确定的模型,具体模型如下:)确定的模型,具体模型如下:(3-13-1)(3-23-2)(3-33-3)(3-43-4)(3-53-5)s.t.s.t.:第14页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型;。3 3)动态系统最优分配模型)动态系统最优分配模型(3-63-6);模型中,模型中,。上上述述模模型型是是应应用用最最优优控控制制理理论论建建立立的的,能能够够用用于于多多个个ODO
19、D对对的的交交通通网网络络,模模型型中中 是是状状态态变变量量,而而 是是控控制制变变量量。模型的模型的最优解最优解利用利用PontryyaginPontryyagin最小值原理最小值原理获得。获得。对对于于上上模模型型的的求求解解,虽虽然然有有很很多多求求解解连连续续性性最最优优控控制制问问题题的的算算法法,但但是是直直接接求求解解动动态态系系统统最最优优模模型型十十分分困困难难。一一般般将将模模型型在在时时间间上上离离散散化化,求求解解模模型型的的离离散散形形式式。此此时时模模型型可可看看作作是是离离散散时时间间系系统统的的最最优优控控制制模模型型,也也可可以以看看作作是是一一个个数数学学
20、规规划划模模型。型。第15页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型;。4 4)动态用户最优分配模型)动态用户最优分配模型随随着着动动态态交交通通分分配配理理论论研研究究的的深深入入,动动态态用用户户最最优优(DUODUO)分配模型的研究得到了加强。分配模型的研究得到了加强。动动态态用用户户最最优优分分配配模模型型的的建建立立是是基基于于对对出出行行者者路路径径选选择择行行为为正正确确假假定定的的基基础础上上,力力图图再再现现网网络络上上交交通通流流的的实实际际瞬瞬时时分分布布形态,因此更为重要。形态,因此更为重要。许许 多多 学学 者者 如如 Wie
21、etWieet(19901990)、RanetRanet(19931993)、PapageorgiousPapageorgious(19901990)等等对对动动态态用用户户最最优优进进行行了了不不同同角角度度的的定定义义,因此对,因此对动态路径选择行为动态路径选择行为也就存在着不同角度的描述。也就存在着不同角度的描述。对对动动态态用用户户最最优优定定义义的的不不同同,会会构构造造出出不不同同动动态态交交通通用用户户分分配配模模型型。这这里里仅仅给给出出一一个个基基于于最最优优控控制制理理论论的的动动态态用用户户最最优优的模型,模型中采用的模型,模型中采用WieetWieet(19901990
22、)的关于动态用户最优的定义。的关于动态用户最优的定义。第16页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型;。4 4)动态用户最优分配模型)动态用户最优分配模型模模型型中中与与动动态态系系统统最最优优不不同同的的是是,将将路路段段流流入入率率 、路路段段流流出出率率 作作为为控控制制变变量量,作作为为状状态态变变量量。具具体体模模型型如如下:下:(3-73-7)(3-83-8)(3-93-9)(3-3-1010)(3-3-1111)第17页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型;。4 4)动态用户最优分配模型)动
23、态用户最优分配模型其中,其中,是路段实际走行时间的估计值。是路段实际走行时间的估计值。(3-3-1212);模型中,模型中,。对对于于上上述述问问题题的的求求解解同同样样需需要要首首先先将将模模型型离离散散化化,得得到到离离散散时时间间系系统统的的最最优优控控制制模模型型,该该离离散散时时间间形形式式可可以以看看作作是是一一个个非线性规划非线性规划问题,应用问题,应用Frank-WolfFrank-Wolf方法来求解。方法来求解。在在具具体体的的算算法法设设计计中中,可可以以将将估估计计路路段段实实际际走走行行时时间间的的“类类似似对对角角化化技技术术”过过程程作作为为外外层层循循环环,将将F
24、rank-WolfFrank-Wolf迭迭代代过过程程作作为为内内层层循循环环。同同样样,有有关关动动态态用用户户最最优优模模型型的的合合理理可可行行的的、能能够够应应用用于于实实际际大大规规模模路路网网的的算算法法的的研研究究,目目前前还还是是理理论论界界积积极探讨、摸索的问题。极探讨、摸索的问题。第18页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型;。5 5)各类模型的基本分析)各类模型的基本分析a.a.数学规划数学规划模型模型由由MerchantMerchant和和NemhauserNemhauser(19781978)提提出出(以以下下简简称称M-
25、NM-N模模型型),该该模模型型是是静静态态交交通通分分配配模模型型的的扩扩展展,简简单单直直观观,但但存存在在如如下下缺陷缺陷:该模型只适合该模型只适合单终点单终点网络。网络。路路段段流流出出率率函函数数的的非非凸凸非非线线性性特特征征特特性性导导致致解解的的可可行行域域非凸非凸,因此不能直接运用,因此不能直接运用Kuhn-TucherKuhn-Tucher条件推导最优解。条件推导最优解。同同时时选选取取路路段段车车辆辆存存在在台台数数和和路路段段流流入入率率为为规规划划变变量量,使得使得规划变量过多规划变量过多,求解困难。,求解困难。自自M-NM-N模模型型提提出出之之后后,又又有有许许多
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