[发明专利]基于双层交通网络模型抗拥塞方法

权利要求书

1.一种双层交通网络抗拥塞方法，其特征是：该方法包括如下具体步骤：

步骤1：基于耦合节点构造双层交通网络最短路径，具体包括：

1)通过GIS采集的数据构建上下两层速度不同的双层交通网络，采用随机耦合方式对上下两层网络节点进行耦合；

2)对于每一时刻，随机的从上下两层网络分别选择一个节点进行路由，判断其是否为耦合节点；

3)耦合节点对应的换乘方式分别为：(1)若起始节点和目的节点均不存在耦合，乘客只有两种方式选择乘车：只利用上层公交网络或者换乘两次；(2)起始节点存在耦合，目的节点不存在耦合，乘客只有两种乘车方式：只利用上层公交网络或者换乘一次；(3)起始节点不存在耦合，目的节点存在耦合，乘客只有两种乘车方式：只利用上层公交网络或者换乘一次；(4)当起始节点和目的节点均存在耦合节点时，在选择起始节点和目的节点时对应有如下三种情况：起始节点和目的节点均选为上层网络节点，则乘客只有两种方式选择乘车：只利用上层公交网络或者换乘两次；目的节点选为上层，则乘客只有两种乘车方式：只利用上层公交网络或者换乘一次；起始节点选为上层，则乘客只有两种乘车方式：只利用上层公交网络或者换乘一次；

4)根据选取的双层网络节点的耦合情况以及Dijstra算法来计算每对节点之间的最短路径,并将最短路径存储到一个路由矩阵中；

5)根据起始节点和路由矩阵查询每个OD节点对之间的最短路径，如果每个OD节点对之间有多条最短路径，则取前k条最短路径，并记录每条路径的代价函数值，则得到最短的前k条路径；

步骤2：元胞自动机模拟双层交通网络流量的生成

根据步骤1中得到的双层交通网络，采用元胞自动机模型对双层交通网络进行模拟仿真，具体包括：(1)车辆加速过程；(2)车辆减速过程；(3)车辆随机慢化；(4)车辆位置更新；通过模拟仿真获得车辆数目的值，并将其归一化处理，得到交通网络流量；

步骤3：建立双层交通网络配流模型

基于步骤1的双层交通网络最短路径及步骤2中生成的交通流量，对双层交通网络采用UE均衡配流模型进行建模，在建模过程中采用BPR函数作为路段费用函数，以每一路段流量和代价函数之积的总和为目标函数，在每一个OD节点对需求量固定不变的条件下，使得总路段费用之和最小，得到了双层交通网络配流模型；

步骤4：求解双层交通网络的配流算法

利用Frank-Wolfe方法求解双层交通网络配流模型，使得流量均衡分布在网络中；最后，计算平均拥塞系数、平均代价函数拥塞评价指标；其中：

所述双层交通网络配流模型，具体形式为：

其中，a表示上层网络的连边，b表示下层网络的连边，A表示上层网络，B表示下层网络；c_a,b表示连边a或者连边b连边的代价，x_a,b表示连边a或者连边b的流量，R为源节点r构成的集合，S为目的节点s构成的集合，q_rs表示源节点r到目的节点s的交通流量总和，V_rs表示源节点r到目的节点s的最短路径集合，表示从源节点到目的节点的第v条路径上流量；从源节点r到目的节点s时，若连边a或者b在最短路径k，否则，Z(x)表示连边a,b总的代价值；

所述求解双层交通网络的配流算法，具体包括：

(ⅰ)双层交通网络拥塞评价指标

1)上下两层网络拥塞边占各自网络的比值J_A＝TG_A/E_A,J_B＝TG_B/E_B,J＝TG/E,其中TG_A、TG_B、TG分别表示网络A、网络B和整个双层网络拥塞边的条数；E_A、E_B、E分别表示网络A、网络B和整个双层网络的边的条数；J_A、J_B、J分别表示网络A、网络B和整个双层网络的拥塞系数；

2)交通网络中系统均衡代价函数其中c_a,b表示连边a或者连边b上连边的代价，C_eq表示用户均衡情况下的代价，刻画个体在追求自身利益时整体系统的交通代价；

(ⅱ)双层交通网络的配流算法

1)初始化:初始时刻网络的流量为0，L表示高速公路长度，N表示细胞长度，V_max表示最大的速度，仿真时间T,时间步长dt；

2)在交通网络中随机取k个OD对，对于每一个OD对之间利用元胞自动机模型模拟得到相应的交通流，设定每条边的交通流量最大值为每条边的介数；

3)根据每个OD对对应的站点，基于已有的道路交通网络按照最短路径算法选择道路交通网络的子网络；

4)根据2)中生成的交通流量，采用UE均衡配流模型求解每个OD对之间的流量，求解算法如下：

(1)初始化令采用“全有全无”法将OD需求量加载到道路网络上，得到弧流量{f_a}，k表示迭代次数，初始化k＝1；

(2)计算表示第k步迭代后连边a或者连边b上连边的代价，表示第k步迭代后连边a或者连边b上连边的流量；

(3)搜索可行方向：根据用“全有全无”法将OD需求量加载上网，得到弧流量表示第k步迭代后连边a或者连边b后的弧流量；

(4)寻找迭代步长：求解一维极小值：

s.t 0≤δ≤1

其中表示第k步迭代后连边a或者连边b上连边的流量，表示第k步迭代后连边a或者连边b后的弧流量；δ^k表示第k步迭代求得的步长；

(5)更新流量：

其中表示第k步迭代后连边a或者连边b上连边的流量，表示第k步迭代后连边a或者连边b后的弧流量；δ表示迭代步长；

(6)收敛性检查：如果满足收敛性准则，则算法终止，否则令k＝k+1，转到(2)；

其中收敛性准则为：

e表示误差精度，取e＝10^-6；表示第k步迭代后连边a或者连边b上连边的流量；表示第k+1步迭代后连边a或者连边b上连边的流量；A,B分别表示上下两层网络；

5)如果Q_ijψU_ij,Q_ijψU_ij则对应的边应该处于拥塞状态,T_G＝T_G+1,否则T_G不变；其中Q_ij表示连边[i,j]总的流量,ψ表示拥堵因子,U_ij表示连边[i,j]流量的最大值，T_G表示拥塞边的条数；

6)计算如下指标:拥塞系数J_A,J_B,J,均衡代价函数值C_eq,平均耦合系数λ,交通总容量Q。

2.根据权利要求1所述的一种双层交通网络抗拥塞方法，其特征在于，所述代价函数值通过下述函数求得，其表达式如下：

其中，a表示上层网络的连边，b表示下层网络的连边，c_a,c_b,c_a,b分别表示连边a的代价值，连边b的代价值和表示连边a或者连边b连边的代价,d_a,d_b,d_a,b表示连边a的距离，连边b的距离和表示连边a或者连边b连边的距离，v_a,v_b,v_a,b分别表示上层网络极限速度，下层网络的极限速度和双层网络极限速度；x_a，x_b，x_a,b分别表示连边a的流量，连边b的流量和连边a或者连边b的流量，U_a,U_b,U_a,b分别表示连边a流量最大值,连边b流量最大值和连边a或者连边b流量最大值；其中α＝0.15,β＝4。