[发明专利]基于负载均衡的城市离散交通网络设计R语言实现方法

说明书

本发明针对基于道路负载均衡的城市离散交通网络模型，提供了一种求解算法并使用R语言程序来实现。在城市交通网络规划时，为了均衡利用道路资源，使各路段服务水平保持在一个相近的水平，本发明建立了一个基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计方法。主要步骤包括：(1)建立城市离散交通网络设计的双层规划模型，上层目标为道路负载均衡，约束条件为资金预算，决策变量为候选路段的建设方案，下层为用户均衡；(2)采用迭代优化算法对模型进行求解；(3)设计R语言程序来实现求解方法；(4)结合交通网络分析中常用的Nguyen‑Dupuis网络描述了具体实施方式和该方法的有效性。使用R语言来实现模型的求解具有开源免费、可操作性强等技术优势。

技术领域：

本发明针对基于道路负载均衡的城市离散交通网络模型，提供了一种求解算法并使用R语言程序来实现，属于交通工程技术领域。

背景技术：

交通网络设计问题是一个考虑使用者路径选择行为，并且在给定约束条件下，选择改建或者新建的路段，从而使得某种网络性能最优化的问题。该研究问题是交通规划领域研究的重点和难点，极具挑战性，引起了许多学者的研究兴趣。交通网络设计问题属于典型的领导者-跟随者的双层规划问题，其上层问题为交通网络的某种性能最优化，下层问题通常为用户平衡问题。常见的网络性能包括系统阻抗、环境污染、备用能力、公平性、可达性、不确定性等。根据决策变量的不同，交通网络设计问题又分为离散交通网络设计、连续交通网络设计问题和混合交通网络设计问题。其中，离散交通网络设计是指在投入资金有限的情况下，采用定量方法研究在现有路网上选择新建某些路段的问题，属于交通规划的方案设计部分。为了均衡利用道路资源，为了给道路使用者提供相似的驾驶环境，为了提高交通网络的可持续性和安全性，本发明建立了以道路负载均衡为目标的城市离散交通网络设计方法，并给出了求解算法。

本发明使用R语言实现模型求解，总体来说具有以下技术特点：1)开源免费：目前国外的交通规划类软件普遍价格高昂，而R语言是开源免费的；2)具有可操作性：R语言简单易用，适于一般的交通工程师和规划师学习采用；3)科学性：本软件的路段交通流量预测采用了广泛接受的Wardrop用户均衡原理；4)系统性：本程序考虑整个交通系统的安全性，而非单一路段或事故黑点。

发明内容：

技术问题：现阶段，交通规划软件基本都是国外产品，价格高昂并且操作复杂不易使用，特别是实际交通网络中常常存在道路负载不均衡的问题，即部分路段交通流量很大，而部分路段交通流量很少，该问题导致交通网络的可持续性和安全性降低。首先，由于长期超负荷运行，拥挤道路的路基和路面都易受到损坏，降低该路段的通行能力，降低交通网络的可持续性。其次，由于各路段的驾驶环境不同，容易诱发交通事故，降低交通网络的安全性。因此，在交通网络规划阶段，应该建立以道路负载均衡为目标的交通网络设计方法，建立城市离散交通网络模型并且设计求解模型的R语言方法。

技术方案：本发明提供了一种基于道路负载均衡的城市离散交通网络设计的R语言实现方法，主要包括以下步骤：

步骤1：建立城市离散交通网络设计模型。本发明采用Wardrop用户均衡原理作为网络用户对不同政策的行为反应，建立了一个双层规划模型用于城市离散交通网络设计，其上层为道路负载均衡，下层为用户平衡模型。上层决策变量为y_a，表示是否修建某条候选路段a，为0-1变量，a∈A，所有的候选路段构成0-1决策向量y。上层决定新建道路方案后，下层形成平衡状态网络流x_a，也就是说路段流量x_a是决策向量y的函数，表示为x_a(y)。另外，道路网的规划受到资本的约束。假设单位长度的路段修建成本为u_a，则长度为l_a的路段修建成本为u_al_a。因此，双层规划问题表示为：