基于生態(tài)交通效率的城市道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型

盧昱寰

摘 要：在建設(shè)和諧社會(huì)的今天，保護(hù)環(huán)境與節(jié)省能源，建設(shè)生態(tài)交通是時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。在城市交通道路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)綜合多方面的因素不斷加以優(yōu)化，構(gòu)建符合時(shí)代發(fā)展需求的生態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)。該文就此加以分析，通過(guò)對(duì)雙層模型的分析得出優(yōu)化城市交通網(wǎng)絡(luò)的具體內(nèi)容，以期對(duì)促進(jìn)城市生態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有所促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：交通工程 城市道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化 生態(tài)交通效率

中圖分類號(hào)：F570 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（a）-0047-02

1 生態(tài)交通效率的內(nèi)涵

生態(tài)交通是社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展的體現(xiàn)，是可持續(xù)發(fā)展原則的具體體現(xiàn)，其目的在于緩解城市日益緊張的交通，降低交通對(duì)環(huán)境的污染，提升城市環(huán)境質(zhì)量與保障社會(huì)交通的和諧發(fā)展，建立和諧與高效的現(xiàn)代化運(yùn)輸系統(tǒng)也即是在節(jié)能環(huán)保的理念之上建立城市交通運(yùn)轉(zhuǎn)體系?！靶省睆慕?jīng)濟(jì)學(xué)角度而言，指的是投入與產(chǎn)出比，在資源等量的情況下，比值越高說(shuō)明產(chǎn)出量越高也即效益越好。由此可知，生態(tài)交通效率也即在城市交通運(yùn)行中，投入一定量的成本以滿足社會(huì)交通運(yùn)行的程度以及環(huán)境損害與資源損耗的綜合水平。

交通效率是考驗(yàn)城市交通運(yùn)轉(zhuǎn)的重要指標(biāo)之一，以往的關(guān)注點(diǎn)主要集中在交通運(yùn)輸系統(tǒng)以及對(duì)人們出行的滿足度而忽視了其他因素。就實(shí)際而言，影響到交通效率的因素眾多，不僅要關(guān)注投入生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)因素還應(yīng)關(guān)注社會(huì)運(yùn)行中的其他因素，包括環(huán)境污染、能源消耗等。由此可見(jiàn)，廣義上的生態(tài)交通效率可以通過(guò)“交通運(yùn)輸效益與社會(huì)成本”的比值來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要注意的是社會(huì)成本應(yīng)包含建設(shè)與運(yùn)行過(guò)程中投入的成本而且包括了環(huán)境治理等方面的成本。通過(guò)該表達(dá)式能夠在考核綜合成本的基礎(chǔ)之上，全方面體現(xiàn)出了交通網(wǎng)絡(luò)的效率以及優(yōu)化的方向。

2 道路網(wǎng)絡(luò)雙層優(yōu)化模型

2.1 上層模型

綜合上述定義在對(duì)上層模型目標(biāo)函數(shù)的確定上應(yīng)綜合時(shí)間成本、能源消耗、建設(shè)費(fèi)用、環(huán)境污染物等各項(xiàng)指標(biāo)，如下所示。

（1）建設(shè)投入成本。

其中C代表的建設(shè)環(huán)節(jié)投入的成本、li 代表的是i 路段的長(zhǎng)度、f（i）代表的是i 路段的建設(shè)函數(shù)。

（2）時(shí)間成本。

其中T代表的是建設(shè)環(huán)節(jié)中的時(shí)間成本、Pk代表的是載客數(shù)、Xik代表的是在i路段運(yùn)行的交通量、Tik代表的是在i路段上通行的平均時(shí)間。

（3）能源消耗成本。

式中：E為能源消耗成本；k（vik）為第k 類車在第i個(gè)路段的車速vik下的能源消耗成本，考慮到數(shù)據(jù)的可得性，一般情況下δk（vik）可采用同類車平均數(shù)據(jù)，如根據(jù)相關(guān)研究成果，中國(guó)城市運(yùn)營(yíng)車輛平均能源消耗為6.4 L·（100 km）-1 。

（4）污染物排放量。

其中Wj指的是j排放的污染物的量、j 的種類有CO、CO2、NOx和HC，綜合以上各個(gè)指標(biāo)對(duì)上層模型目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化如下。

其中S代表的是道路網(wǎng)總體投入成本、Si 代表的是i 路段的投入成本。

其中Cmax代表的是道路建設(shè)所需投資費(fèi)用的最大值、Emax代表的是城市運(yùn)行中對(duì)能源消耗的最大承受值、Wjmax 代表的是城市對(duì)于污染物排放的最大限度值。

在該優(yōu)化模型中融合了道路建設(shè)成本、運(yùn)行中能量消耗量、社會(huì)環(huán)境承載量，綜合三者因素加以優(yōu)化，以在投入成本有限以及保障交通運(yùn)行需求的基礎(chǔ)之上，降低環(huán)境污染以及能源消耗最小的方案，以實(shí)現(xiàn)最大的產(chǎn)出比。同時(shí)，該模型更綜合體現(xiàn)了環(huán)保與節(jié)能以及高效運(yùn)輸?shù)闹笜?biāo)。

2.2 下層模型

在該文研究中，上層模型是對(duì)整體交通網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化模型，而下沉模型則是個(gè)體出現(xiàn)在線路選擇上的平衡模型，具體下層模型構(gòu)建如下：

其中：toik代表的是路段i上第k 類車的零流車速；αk代表的是第k 類車的標(biāo)準(zhǔn)車換算系數(shù)；zi代表的是路段i上標(biāo)準(zhǔn)車交通量；Ci 代表的是路段i的通行能力；fr，sl，k為小區(qū)r和s之間通過(guò)路徑l 走行的第k 類車的交通量；qkrs為小區(qū)r和s之間的第k類車的交通量；α、β為待定參數(shù)。

3 求解算法與實(shí)例解析

3.1 求解算法

由于上層模型中的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及相應(yīng)的約束條件的變量較多而且轉(zhuǎn)化成二次函數(shù)的難度較大，因此在解析過(guò)程中不適宜采用傳統(tǒng)的方式。即使采用遺傳算法也因受到了特征變量的影響致使其最終計(jì)算出來(lái)的結(jié)果得不到保障，不一定是最佳值。因此，為了得出最優(yōu)值，該文在解析過(guò)程中采用的是模擬退火算法（SA）和遺傳算法（GA）的混合算法。

使用遺傳算法和模擬退火算法（GASA）加以解析，具有以下特點(diǎn)：GASA不僅是并行搜索結(jié)構(gòu)而且有兩層，GA位于空間上層與SA并行，由此決定了在優(yōu)化過(guò)程中是群體且并行的。同時(shí)GASA優(yōu)化過(guò)程中包含了GA 的復(fù)制、交叉、變異和SA 的狀態(tài)產(chǎn)生函數(shù)等不同的搜索結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于積累優(yōu)良的冗余信息而且利于形成優(yōu)良的后代集成父代模式，進(jìn)一步提升了在該算法的解析效率，由此得出了優(yōu)良的GASA的策略。GASA 混合策略在該文模型求解過(guò)程中的應(yīng)用方法在下節(jié)的應(yīng)用實(shí)例中具體體現(xiàn)。

3.2 實(shí)例概況

M市屬于中南地區(qū)的地級(jí)市，當(dāng)前市區(qū)范圍內(nèi)已建有360 km的道路，但是隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加劇了交通運(yùn)行的壓力。因此，為順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展必須要對(duì)現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)加以優(yōu)化，以下內(nèi)容采用的是2015年的主要4條干道加以研究和優(yōu)化。

道路1：為南北走向的主干道，發(fā)展方向?yàn)槭欠窠ㄔO(shè)快速通道；

道路2：為東西走向的主干道，發(fā)展方向?yàn)槭欠窠ㄔO(shè)快速通道；

道路3：位于M市的中心區(qū)；

道路4：是M市對(duì)外連接的道路，發(fā)展方向?yàn)槭欠駭U(kuò)建。

根據(jù)以上情況，對(duì)4條道路進(jìn)行編碼，分別如下：道路1和道路2使用1位編碼，0指的是保持不變、1指的是修建為快速通道；道路3和道路4使用2位編碼，00是保持不變、01指的是建設(shè)成2車道、10指的是建設(shè)為4車道、11指的是建設(shè)為雙向的6車道。

綜合上述需求，在模型的優(yōu)化過(guò)程中應(yīng)確保目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值也即將不影響其他使用的情況下最大程度上的控制費(fèi)用。對(duì)于GA的適度函數(shù)（部分策略）的要求為正數(shù)而且其值越大則越好也即個(gè)體性能越佳，由此這需要將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為極大化，同時(shí)在一定情況下要將適度非負(fù)。具體如下所示。

R（X）= （10）

綜合當(dāng)?shù)氐氖虑?，將Cmax初步設(shè)定為1200萬(wàn)元。在模型參數(shù)確定上，設(shè)定群體中個(gè)體的數(shù)目為10，雜交概率為0.8，變異概率為0.02，指數(shù)退溫速率0.9，初溫為初態(tài)目標(biāo)值的平方值（以萬(wàn)元為單位時(shí)的值）。由于本算例中優(yōu)化的完全方案只有2×2×4×4=64個(gè)，因此GA 的最大迭代次數(shù)設(shè)為10。在費(fèi)用參數(shù)的選擇上，根據(jù)M市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展預(yù)測(cè)，2015年M市人均可支配收入48500 元，于是時(shí)間費(fèi)用δ=12 .1元·h-1。根據(jù)交通規(guī)劃實(shí)施方案，M市修建道路的每km平均費(fèi)用大致為1200萬(wàn)元·車道-1 。

在約束條件的制定上，因M市是地級(jí)市且經(jīng)濟(jì)水平屬于中等，車輛的通行車速平均為30 km·h-1且較為均衡，可無(wú)須將車輛油消耗納入計(jì)算因素之中。通過(guò)使用TRA NSCAD對(duì)通行的車輛進(jìn)行分類，再使用VBA并結(jié)合Excel對(duì)分配的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算，得出最終的GASA。

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