城市路網路線誘導系統交通流優化策略

　　一、前言
　　目前的城市交通擁擠，在很大程度上是因為由於缺乏有關信息和引導，駕駛員不能合理選擇路線，從而造成交通量在道路網上分布不均衡造成的。路線誘導系統（Route Guidance System）通過推薦行駛路線來幫助駕駛員選擇路線，以充分利用現存的道路網絡、有效地緩解交通擁擠。1967年，美國運輸部公共道路局就開始研製開發電子路線誘導系統ERGS，以向駕駛員提供最優路線。80年代，美國、日本和德國開始大規模地進行路線誘導系統的研究開發，以此帶動了整個ITS領域的研究和開發。目前RGS已集成入各國／地區組織的ITS計劃中。隨著相關技術的成熟和系統的實用化，路線誘導將在未來的交通管理中扮演重要角色。
　　路線誘導是通過向駕駛員提供最優路線的形式求得路網交通流優化的措施，實質上是實現路網交通流的再分配。因此，選擇合理可行的誘導目標、確定即以何種交通流優化模式來實施誘導是十分重要的。誘導目標是誘導策略（Strategy）的首要因素，決定著誘導系統的模型方法體系，是誘導系統研究的重要內容。誘導效益從根本上取決於誘導目標，誘導目標必須以誘導效益為制定依據。本文對選取交通流優化模式對於誘導的意義，優化模型的確定方法及誘導目標策略進行了論述。
　　二、路線誘導策略與交通流優化目標
　　誘導策略是誘導系統的核心思想，它確定向用戶提供什麼樣的路線、如何來對車輛誘導的問題，決定整個系統的運行目標和機制，以及對系統軟硬體構成的要求，是確定系統其他因素的基礎。誘導策略的要素包括誘導目標、誘導變量和路線尋找方法。誘導目標指進行誘導所要達到的最優目標，是制定誘導策略的出發點。誘導因素指的是誘導策略中尋找最優路線的依據。如果將誘導與一個優化過程相對應，則誘導目標、誘導變量和路線尋找方法分別對應著優化過程的目標函數、優化變量和優化算法。其中，誘導目標是最基本的要素（楊&曾，1999）。
　　誘導策略取決於管理者的要求、用戶的特徵和實施條件。誘導策略的確定是綜合各種因素的結果，即：是在滿足管理者的要求和用戶需求下，依照用戶特性，在保證實施可行性的範圍內進行。路線誘導是通過調整駕駛員的行駛路線，使得路網交通流分配達到所希望的狀態。對於管理者來說，最關心的問題是：路線誘導與信息提供能否一定有利於緩解交通擁擠，是否能使路網交通狀態達到滿意的狀態？誘導用戶則希望誘導信息能幫助自己選擇一條最滿意的路線。而可行的誘導策略，應在系統利益和用戶利益間尋找一種平衡。推薦路線一方面應保證用戶的應獲利益，另一方面要不對系統利益造成不能容許的損害。具體地說就是：在向用戶推薦路線時上述兩類路線都應當避免。合理誘導目標－－交通流優化模式的確定對於解決這一問題具有重要意義。
　　三、擁擠條件下城市路網誘導的優化目標
　　在傳統的交通分配的兩種模式：系統最優（System Optimum，SO）和用戶最優（User Optimum，UO）中，通常認為交通管理者期望實現系統最優，而用戶最優更易為用戶所接受。在用於誘導時，兩者的缺點也是很明顯的，SO策略可能向用戶推薦行程時間過長的路線，而UO策略可能將用戶誘導到行程時間短但擁擠嚴重的路線上，從而大大增加其它用戶的行程時間，使系統效益受損。
　　以傳統的平衡分配原理為基礎，通過費用函數的變換，可以導出基於延誤的兩類平衡分配原則。與SO和UO類似，可將其稱為SDO（System Delay Optimum）和UDO（User Delay Optimum），統稱延誤平衡模式。與此對應，將傳統基於行程時間的分配模式稱為行程時間平衡模式。有關於幾種平衡模式的比較分析可參見（曾，2000）。這裡我們只給出兩個基本的結論：
　　1.延誤平衡模式分配得到的系統總延誤小於行程時間平衡模式
　　2.在擁擠條件下，延誤平衡模式分配得到的系統總行程時間在SO和UO分配的系統之間延誤模式對應於通行能力最大化的配流目的，與交通控制系統的延誤最小目標相一致，有利於實現誘導系統與控制系統的集成。研究表明，在擁擠條件下路線行程時間中延誤佔較大比例，城市路網中路線間行程時間差別往往取決於延誤大小，使用延誤分配模式優化路網交通流，由於以延誤最小為優化目標，較傳統的系統最優和用戶最優模式，能更有效地減少交叉口擁擠。從系統總行程時間來考察也具有一定的優勢。幾種分配模式的費用比較見圖1、1.1。
　　值得注意的是，延誤模式並不能消除對用戶不利的影響，即不能避免推薦繞行距離過長的路線。但從城市路網的特點來看，由於路網密度大、替換路線多，尋找合適距離的繞行路線是比較可行的。在上述的UDE、SDO和SO分配模式中，可以使用容許行程時間比來對推薦路線進行約束。容許行程時間比定義為：用戶對推薦路線的容許行程時間與最短路線行程時間的比值。
　　容許行程時間比的意義在於保證路線的行程時間與用戶期望的行程時間的差異保持在一個可接受水平上。通過調整容許行程時間比的取值，可以使優化目標在和UDE－SDO－SO－UE間移動。不管使用UDE、SDO和SO中哪一種分配模式，當容許行程時間比為1時，所得分配結果與UE相同。在圖1中，以兩條路線為例，給出了形象的解釋（曾，2000）。
　　基於延誤模式還可以得出城市路網誘導的兩個原則：
　　1.逐步分流原則
　　考慮城市路網密度大、可替換路線多的特點，確定交通的轉移原則：以相鄰路線逐步轉移交通量，實現從擁擠路線到非擁擠路線的交通分流。此原則的一個重要目的是從動態路線調整方面考慮用戶對繞行距離－行程時間的要求。
　　2.多路線誘導原則
　　多路徑誘導要求以多條合理路線作為向用戶推薦的路線，而不僅是傳統的最短（快）路。按照前述的誘導原則，合理路線可定義為路線上（主要指沿線交叉口）沒有嚴重的擁擠、對駕駛員來說行程時間是可接受的路線。合理路線是近最優路線集，應滿足如下條件：駕駛員在其中選擇哪一條，對網絡上交通均衡分布產生的影響均應在允許的範圍內。
　　四、路線誘導宏觀策略
　　路線誘導宏觀策略是指隨誘導系統市場化進程而相應地制定的誘導優化目標及相關方法的策略體系。如前所述，誘導優化目標的制定依據主要是誘導效益，包括系統效益和用戶利益。誘導效益與路網形態、需求水平及其分布和誘導車輛比率等因素有關。在一定的路網形態和交通需求條件下，誘導車輛比率對誘導效益有決定性的作用。通常使用誘導系統的市場化水平（LMP：Level of Market Penetration）來分析誘導車輛比率。
　　誘導用戶的利益可分為直接利益和間接利益兩部分考察，直接利益是當前誘導率條件下用戶因使用誘導系統而獲得的利益，表現為擁有誘導設備與無誘導設備時的利益差；間接利益是因誘導而使路網狀態優化後的利益，這一利益是全體用戶都可獲得。單個用戶在考慮是否購買誘導設備時，關心的是直接利益，即自己購買誘導設備可能為自己帶來的利益。因此直接利益可以用來估計用戶購買誘導設備的需求意向。
　　在誘導目標與誘導率的關係上有如下的結論：
　　1.誘導效益隨誘導率升高，在誘導車輛比率達到一定比率時穩定在一個上界點。這一誘導車輛比率稱為臨界誘導率（如圖3所示）。低誘導比率條件下誘導效益主要是直接效益，而高誘導比率條件下誘導效益則主要來自於間接效益。
　　2.在低誘導率條件或低需求水平下，各種優化模式差別很小，中誘導率條件下分配模式對系統總體利益和用戶直接利益的影響較大基於上述結論可以確立基於誘導率的多階段誘導策略目標，即針對隨誘導系統的市場化的誘導率變化確定不同的誘導目標，目標調整的依據是管理者和要求和用戶的需求：
　　1.誘導的優化目標應隨誘導率進行調整，依據是管理者和要求和用戶的需求以及兩者在當前誘導率水平下的獲利特點
　　2.在低誘導率條件或低需求水平下，應以保證用戶利益為主
　　3.在中等誘導比率條件下，在追求系統效益的同時保證用戶利益十分重要
　　五、結語
　　本文分析了不同交通流優化模式的系統效益和用戶效益的差別，以及效益和誘導率的關係。研究目的主要是建立適應於不同誘導率下的誘導策略目標，作為誘導系統研究開發的理論基礎之一。實用的路線誘導應以解決城市路網的擁擠問題為目標，充分考慮城市道路網絡交通狀況複雜多變的特點，制定實用、靈活的路線誘導目標策略。在此基礎上，從數據採集、優化計算時間、與交通控制系統的集成等方面入手，以與實際相結合為建設原則，開發實用性強、效益好的誘導方法，應是我國誘導系統研究開發的基本方向。