优秀博士论文提纲

论文题目：双动态系统道路交通分配理论及其在拥堵收费中的应用

摘要：动态交通分配是发展智能交通系统的关键基础理论之一,已经在交通流动态管控、动态路径诱导等方面发挥了巨大作用,通过影响出行者的出行方式、出发时间、路径选择等决策行为,优化交通网络流量分布形式,实现道路网络的高效利用,从而达到缓解城市交通拥堵的目的。另一方面,道路拥堵收费作为交通需求管理策略的经济手段之一,在缓解大城市中心城区交通拥堵、减少资源消耗、改善空气质量等方面发挥了重要作用。因此,系统性的研究动态交通分配和动态拥堵收费问题,建立模型简单、符合物理现实、又能描述动态交通特性的动态交通网络流模型,制定公平、有效的拥堵收费方案,对于缓解交通拥堵、提升城市通勤幸福感具有重要意义。因此,本论文将依托国家自然科学基金优秀青年基金《多模式交通网络优化与管理》（71822007）、江苏省研究生科研创新计划项目（KYCX17＿0142）和东南大学优秀博士学位论文培育基金项目（YBPY1885）,深入挖掘时变的交通需求、时变的交通条件下的交通行为,研究动态交通分配模型及其求解算法,提出基于动态交通分配理论的不同拥堵收费方案最优费率模型,并设计相应算法对其进行有效求解。本论文的主要研究内容包括以下几个方面:首先,针对基于路段的元胞传输模型需要外生的比例参数来对分流和合流交叉口的流量分配比例进行控制的缺陷,本文建立了基于路径的元胞传输模型,从而可以避免外生的流量分配比例这一参数,其流量分配比例是由上下游的交通需求内生决定的。基于Newell累积流量曲线方法,本文建立了一种新的更加简洁的路径行程时间计算方法;在此基础上,建立了基于改进元胞传输模型的动态用户均衡模型,并采用自适应梯度投影算法对其进行有效求解。其次,本文在考虑交通流动态特性的同时,建立了动态拥堵收费双层规划模型。与传统的道路拥堵收费双层规划模型相比,其下层是基于改进元胞传输模型的动态用户均衡变分不等式模型,上层是考虑出行者在收费区域内的行驶距离和拥堵延误时长的联合拥堵收费（joint distance and time delay toll,JDTDT）最优费率模型。针对本文建立的动态拥堵收费双层规划模型,设计了混合自适应梯度投影和人工蜂群算法,可对模型进行有效求解。通过数值算例,对比分析了动态JDTDT与静态JDTDT、动态JDTDT与动态JDTT（joint distance and time toll,基于距离和时间的收费）、JDTDT与纯距离收费等不同收费方案对于网络性能的影响,验证了动态JDTDT收费方式的有效性。第三,本文建立了考虑出行者逐日动态路径选择和调整的逐日动态交通分配模型,并采用基于代理的仿真优化（surrogate-based simulation optimization）方法,对逐日动态交通分配模型中的参数进行了有效校正。基于代理的仿真优化方法无需计算耗时的非线性非凸目标函数即可获得可靠的输出,它的计算时间和成本相对较小;此外,通过引入最大化预期提升（expected improvement,EI）的过程,可以得到全局最优解的近似值。基于现实中采集的车牌识别数据,对逐日动态交通分配模型中的参数进行了校正,验证了模型和算法的有效性。最后,考虑到规划期间内每天的交通流量和出行成本都在发生变化,任何一种收费费率方式都无法使得整个规划期内的每一天都拥有最小的总出行成本。本文首先定义了每种收费费率方式下每天的遗憾值,该遗憾值等于这一天这种收费费率方式下的总出行成本与整个规划期内这种收费方式下最小的总出行成本的差值。在此基础上,提出了最小化最大遗憾值的鲁棒优化拥堵收费模型,该模型能够综合考虑交通网络在规划期内每一天的交通状况。本论文的研究成果,不仅可以从理论上加深人们对复杂交通网络系统运行机理的认识,还可以在实践上为交通预测、交通诱导、交通管控等提供决策支持。

关键词：动态交通分配;动态拥堵收费;元胞传输模型;路径选择调整;流量演化过程;双层规划

学科专业：交通运输工程

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 研究技术路线

1.2.1 主要研究内容

1.2.2 研究技术路线

1.3 本章小结

第二章 国内外文献综述

2.1 动态交通分配模型与算法

2.1.1 日内动态交通分配

2.1.2 逐日动态交通分配

2.1.3 国内相关研究

2.2 动态拥堵收费模型与算法

2.2.1 日内动态拥堵收费

2.2.2 逐日动态拥堵收费

2.2.3 国内相关研究

2.3 拥堵收费在国内外的应用概况

2.3.1 现已实施拥堵收费政策的城市案例

2.3.2 投票否决拥堵收费政策的城市案例

2.3.3 处于研究当中的拥堵收费城市案例

2.4 国内外研究现状综述

2.5 本章小结

第三章 基于改进元胞传输模型的日内动态交通分配

3.1 研究背景和目标

3.2 元胞传输模型

3.2.1 元胞传输模型基本思路

3.2.2 元胞传输模型在交通网络上的应用

3.3 基于路径的元胞传输模型

3.3.1 元胞和元胞连接器分类

3.3.2 元胞和元胞连接器更新过程

3.4 路径行程时间计算方法

3.4.1 反函数方法

3.4.2 直接求解法

3.5 本章小结

第四章 基于日内动态交通分配理论的道路拥堵收费

4.1 研究背景和目标

4.2 动态用户均衡模型

4.2.1 问题描述

4.2.2 基于变分不等式的动态用户均衡

4.2.3 动态用户均衡模型性质探讨

4.3 基于行驶距离和拥堵程度的道路收费

4.3.1 基于行驶距离的道路收费

4.3.2 基于拥堵程度的道路收费

4.3.3 基于行驶距离和拥堵程度的联合收费

4.4 动态拥堵收费双层规划模型

4.4.1 下层模型

4.4.2 上层模型

4.5 动态拥堵收费模型求解算法

4.5.1 基于自适应梯度投影的下层模型求解算法

4.5.2 基于人工蜂群的上层模型求解算法

4.6 数值算例

4.6.1 路网和参数设置

4.6.2 动态JDTDT收费方式

4.6.3 不同收费方式的比较

4.7 本章小结

第五章 基于路径的逐日动态交通分配

5.1 研究背景和目标

5.2 基于路径的逐日动态交通分配模型

5.2.1 问题描述

5.2.2 成本更新模型

5.2.3 流量更新模型

5.3 基于仿真优化的参数校正方法

5.3.1 路径重构

5.3.2 优化模型

5.3.3 基于代理的仿真优化模型

5.4 案例分析

5.4.1 数据介绍

5.4.2 结果分析

5.5 本章小结

第六章 基于逐日动态交通分配理论的道路拥堵收费

6.1 研究背景和目标

6.2 随机用户均衡和随机系统最优

6.2.1 问题描述

6.2.2 随机用户均衡

6.2.3 随机系统最优

6.3 逐日动态拥堵收费鲁棒优化模型

6.3.1 基于距离的拥堵收费

6.3.2 逐日动态交通演化模型

6.3.3 基于最小化最大遗憾值的鲁棒最优收费模型

6.4 逐日动态拥堵收费模型求解算法

6.4.1 求解难度分析

6.4.2 两阶段人工蜂群算法

6.5 数值算例

6.5.1 路网和参数设置

6.5.2 结果分析

6.6 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 研究成果与结论

7.2 论文创新点

7.3 进一步研究工作

附录:专用术语注释表

参考文献

致谢