基于MOP模型的ITS對城市交通運輸效率的優(yōu)化研究

李明偉，楊 鑫

(信陽師范學院 旅游學院， 河南 信陽 464000)

0 引言

智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System，ITS)作為交通運輸業(yè)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，能有效降低交通成本、增加經(jīng)濟效益、帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等.但是，在漫長且持續(xù)變化的過程中，由于影響因素復(fù)雜多變，ITS對路網(wǎng)交通的促進作用是否保持高效是未知的.因此，為了明確ITS對路網(wǎng)交通運輸效率改善的最優(yōu)途徑，輔助ITS的建設(shè)規(guī)劃及戰(zhàn)略決策制定等.通過深入分析ITS的應(yīng)用效益，本文以路網(wǎng)交通特征、出行需求、城市經(jīng)濟水平等為背景，以ITS應(yīng)用效益最大化、環(huán)保節(jié)能最優(yōu)化等為基本目標，引入多目標規(guī)劃模型(MOP)，梳理ITS優(yōu)化路網(wǎng)交通運行效率的約束條件.最后，以北京市為例進行優(yōu)化分析，提出ITS對路網(wǎng)交通運行效率產(chǎn)生持續(xù)高效作用的優(yōu)化方案.

本文認為，ITS優(yōu)化路網(wǎng)交通運行效率的基本目標是：促使路網(wǎng)交通的運行效率高、服務(wù)水平好、可靠性強等.但是，目標存在不確定性，需進一步梳理.通過深入研究國內(nèi)外相關(guān)成果可知，近幾年關(guān)于交通運輸優(yōu)化領(lǐng)域的研究以MOP為主導(dǎo)，形成了不同優(yōu)化方法.如，ALTIPARMAK[1]、CHEN[2]、CARDONA-VALDéS[3]、CHE[4]等以最小出行時間和最低出行成本為目標，使用MOP模型中的目標合成法研究交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略.CINTRON等[5]、KAMALI等[6]以最低出行費用和最優(yōu)出行服務(wù)水平為目標，采用目標合成方法進行優(yōu)化研究，不同的是CINTRON等人在研究過程中將最小出行距離和最大產(chǎn)出質(zhì)量引入目標函數(shù)中，而KAMALI等人則將其納入到約束條件中.SADJADY 等[7]選擇合成MOP方法，以最小出行距離、最少出行時間和費用、最大服務(wù)水平等為目標進行優(yōu)化分析.

此外，BOUDAHRI等[8]使用增量法，以最小出行距離和最小出行成本為目標進行優(yōu)化；BEVILACQUA等[9]使用探索式優(yōu)化方法，以最小出行時間和最低出行成本為目標進行優(yōu)化.綜上可知，已有成果重點探討的是基于路網(wǎng)交通出行的單一優(yōu)化.然而，對信息化交通技術(shù)是怎樣優(yōu)化路網(wǎng)交通運輸效率的，并未深入涉及.隨著交通發(fā)展的需要，信息化交通技術(shù)已成為優(yōu)化交通運行的重要手段，而ITS在優(yōu)化交通運行效率時所產(chǎn)生的作用已成為社會關(guān)注的焦點.

1 研究設(shè)計

1.1 確定優(yōu)化目標

綜合分析國內(nèi)外學者在交通運輸優(yōu)化領(lǐng)域的研究成果，本文從內(nèi)部和外部層面概述ITS與路網(wǎng)交通運輸效率之間的關(guān)系.

(1)內(nèi)部特征層

路網(wǎng)交通內(nèi)部特征包含交通方式、結(jié)構(gòu)及出行等，不同交通方式、結(jié)構(gòu)對ITS的功能屬性需求不同，只有需求被最優(yōu)滿足時才能產(chǎn)生最大效用.而且，路網(wǎng)交通的其他內(nèi)部特征，如出行方式、出行量、出行目的等都需依據(jù)實際需求設(shè)定不同的ITS建設(shè)強度.因此，依照內(nèi)部特征探討ITS優(yōu)化路網(wǎng)運輸效率，是改善路網(wǎng)運行的有效渠道.

(2)外部特征層

由于交通資源分配存在廣泛的外部性，以及供給與需求的不平衡等現(xiàn)象，導(dǎo)致不同交通方式的成本、收益與期望值之間存在較大差異[10].當出行者追求出行經(jīng)濟最優(yōu)時，會導(dǎo)致出行方式選擇的整體特征出現(xiàn)偏差，并引起交通運行失衡.ITS優(yōu)化路網(wǎng)交通目的之一是消除外部性，緩解交通運行失衡，帶動城市交通出行方式、結(jié)構(gòu)等的良性演變.所以，外部特征層面的探討是保證優(yōu)化后的交通資源能夠合理分配、共享.

最終將優(yōu)化目標確定為：提高路網(wǎng)交通的綠色性，即交通能源消耗量(或碳氧化物排放量)最低；提高路網(wǎng)交通運輸效率，即實現(xiàn)各交通方式的總周轉(zhuǎn)量最大.基于該目標，提出本文研究假設(shè)如下：

(1)研究的城市應(yīng)視為一個孤立系統(tǒng)，不考慮其他城市交通對它產(chǎn)生的影響；

(2)研究過程中，城市出行情況和路網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征是確定的；

(3)研究的路網(wǎng)交通運輸方式已知，即：私家車、公交車(常規(guī)公交和快速公交)、出租車、軌道交通(輕軌、地鐵)、自行車、步行，設(shè)為X1、X2、X3、X4、X5、X6.

(4)當各種交通方式的出行時間、距離及出行量等平均時，假設(shè)路網(wǎng)能滿足城市出行總需求；

(5)假設(shè)每種交通方式都有針對改善其運行效益的ITS子項目，并認為對其他運輸方式?jīng)]有影響或影響作用可忽略.

1.2 構(gòu)建優(yōu)化模型

首先，確定ITS優(yōu)化路網(wǎng)交通運輸效率的約束條件，具體內(nèi)容如下：

(1)出行需求約束

滿足規(guī)劃年的居民基本出行需求是優(yōu)化路網(wǎng)交通的主要任務(wù)，計算公式為：

其中，Xi和D為規(guī)劃年第i種交通方式的客運周轉(zhuǎn)量和城市出行需求總量.

(2)暢通性約束

將路網(wǎng)平均行車速度(V)、交通擁堵指數(shù)(TCI)作為表征路網(wǎng)暢通性的備選指標，指標計算公式如下：

圖1 交通擁堵指數(shù)與出行時間關(guān)系Fig. 1 Relationship between traffic congestion index and travel time

(3)安全性約束

保障路網(wǎng)交通運行安全是ITS優(yōu)化路網(wǎng)運輸效率的重要任務(wù)之一，常用于表征路網(wǎng)交通安全性的指標有：單位里程事故率(R1)、單位客運周轉(zhuǎn)量死亡率(R2)，公式為：

其中：在規(guī)劃年，R*為路網(wǎng)中單位里程事故率限值，Ni為第i種交通方式的事故數(shù)，Mi為第i種交通方式行駛里程，D1為城市交通事故死亡人數(shù)，N為城市客運周轉(zhuǎn)量.遵循暢通性的指標選取原則，選擇單位客運周轉(zhuǎn)量事故死亡率作為安全性的表征指標.參考BECK[11]提出的各交通方式單位客運周轉(zhuǎn)量事故死亡率，得到表1中數(shù)據(jù).

表1 不同交通方式單位客運周轉(zhuǎn)量事故死亡率Tab. 1 Mortality of accidents per unit passenger turnover of different traffic mode

(4)便捷性約束

便捷性即出行者從出發(fā)地到目的地的便利化程度[12]，計算公式為：

(5)綠色性約束

將道路交通大氣污染飽和度(S)、干道平均交通噪聲(Nr)及交通能源消耗量(CEnergy)作為衡量交通綠色性效果的主要指標.首先，將S定義為交通運輸排放的大氣污染物總量與城市大氣污染物總排放量的比值：

其中:在規(guī)劃年，Pa為交通運輸排放的大氣污染物總量,mg;Ca為城市大氣污染物排放總量的期望值,mg.將Nr的范圍界定為城市干道及以上道路中的交通噪聲對周邊環(huán)境的損害及破壞程度：

其中：在規(guī)劃年，Nri為干道i的平均交通噪聲;Li為干道i的里程,km;n為路網(wǎng)中干道條數(shù).最后，將CEnergy交通能源消耗量約束定義為各交通方式的綜合能耗值不超過城市規(guī)定的能耗限值.交通能源消耗量約束的計算公式為：

CEnergy=Emax×Population，

其中：ei為第i種交通方式的能耗因子(MJ/(人·km))(如表2所示)，Xi為第i種交通方式的客運周轉(zhuǎn)量，Emax為規(guī)劃年人均交通能耗上限，Population為規(guī)劃年城市人口總量.

表2 不同交通方式的能耗因子[13]Tab. 2 Energy consumption factors for different traffic mode

遵循暢通性指標的選取原則，最終選擇路網(wǎng)交通能源消耗量作為綠色性的表征指標.

(6)目標約束

ITS優(yōu)化路網(wǎng)交通運行效率的主要目的是促進交通供需平衡，滿足出行需求、優(yōu)化交通運行環(huán)境.因此，設(shè)置目標約束為二者的中和，計算公式如下：

其中：Z為規(guī)劃年路網(wǎng)交通運行效率，Wi為規(guī)劃年第i種交通方式客運周轉(zhuǎn)量的權(quán)重.

(7)MOP優(yōu)化模型

在構(gòu)建MOP優(yōu)化模型時，將優(yōu)化目標進行分級，分級結(jié)果為：一級目標——路網(wǎng)交通運行綠色性最好，即能源消耗量最??；二級目標——路網(wǎng)交通運行效率最高，即路網(wǎng)暢通性、安全性等最好.根據(jù)約束條件分析結(jié)果，得到路網(wǎng)交通運行能源消耗量最小及運行效率最高的目標約束計算方法，如下：

表3 不同交通方式生態(tài)影響及效用指數(shù)Tab. 3 Ecological impact and utility index of different traffic mode

ITS優(yōu)化路網(wǎng)交通運行效率的MOP模型為：

(1)

s.t.

Xj≥0,j=1,2,…,n,

K≤T,k=3,4,…,K,

2 實證研究

2.1 實證分析

通過對我國城市路網(wǎng)交通運行現(xiàn)狀進行分析，參考各城市ITS的建設(shè)規(guī)模和完善程度，本文選擇北京市作為案例城市，進行優(yōu)化分析.在論證ITS對北京市路網(wǎng)交通優(yōu)化時，以“基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智能交通應(yīng)用示范工程評價體系研究及評價”課題為基礎(chǔ)，收集了北京市交通發(fā)展、建設(shè)、運營及管理的相關(guān)資料.此外，根據(jù)國家出臺的《交通運輸行業(yè)智能交通發(fā)展戰(zhàn)略(2012—2020)》可知，北京市ITS在路網(wǎng)交通中的建設(shè)應(yīng)用在2020年要實現(xiàn)以下目標(圖2).因此，本文選擇2020年作為規(guī)劃年進行研究.

圖2 2020年ITS建設(shè)戰(zhàn)略目標Fig. 2 Strategic objectives of ITS construction in 2020

由《北京市城市總體規(guī)劃2004—2020》、《北京交通發(fā)展綱要(2004—2020)》等文件，可計算2020年北京市交通狀況、人口等數(shù)據(jù)信息[14].

(1)北京市出行需求總量

65073.8(萬人·km/d).

(2)

(2)北京市路網(wǎng)運行暢通性

到2020年要實現(xiàn)北京市路網(wǎng)交通擁堵指數(shù)控制在6以下，即TCI≤6，根據(jù)國家交通運輸部出臺的交通擁堵劃分標準及交通擁堵指數(shù)的相關(guān)計算方法可知，擁堵指數(shù)控制在6以下，其對應(yīng)的路網(wǎng)平均運行速度在24 km/h以上.

(3)北京市路網(wǎng)運行安全性

《北京市緩解交通擁堵總體方案(2015—2020年)》指出，在2020年實現(xiàn)北京市路網(wǎng)交通事故死亡率控制在1.2人/(萬人·km)以內(nèi).

(4)北京市路網(wǎng)運行便捷性

《北京交通發(fā)展綱要2004—2020》指出，截止到2020年，預(yù)期實現(xiàn)北京市路網(wǎng)交通運行便捷性的基本情況如表4所示.

表4 北京市2020年路網(wǎng)運行便捷性情況Tab. 4 Road network operation convenience in Beijing in 2020

根據(jù)上表中數(shù)據(jù)，采用加權(quán)算法預(yù)測北京市路網(wǎng)綜合出行時耗約為57.54 min.

(5)北京市路網(wǎng)運行綠色性

Annika指出：交通能源要達到年人均供應(yīng)量至少11 000 MJ，才能保證居民生活可持續(xù)發(fā)展[15].王海林和何建坤(2018)在結(jié)合我國經(jīng)濟發(fā)展新常態(tài)的背景下，對交通部門的能源消費進行了分析，研究表明：截止到2017年，我國人均交通能源消耗量為18.19 MJ/(人·d)，總能源消費量將在2045年左右實現(xiàn)達峰，峰值水平約為7.4億t標準煤[16],則有：

CEnergy=18.19×1800×104=32 742×104(MJ).

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述分析，得到優(yōu)化方程如下：

(3)

s.t.

0.831X1+0.261X2+0.678X3+0.439X4+

0.328X1+0.732X2+0.426X3+0.847X4+

(2.3X1+0.3X2+2.4X3+0.1X4+

(38.1X1+4.3X2+28X3+4.6X4+96.6X5+

12 707.52≤X1≤16 338.24,

14 749.80≤X2≤19 061.28,

3 517.26≤X3≤4 368.21,

19 742.06≤X4≤22 351.62,

1 928.82≤X5≤2 609.58,

850.95≤X6≤1 418.25.

表5 各交通方式承擔周轉(zhuǎn)量的最大和最小值Tab. 5 Maximum and minimum turnover for each traffic mode

選擇WINQSB軟件進行計算，結(jié)果如下：

X1=16 338.24;X2=19 061.28;X3=4 368.21,

X4=22 351.62;X5=2 586.22;X6=850.95,

由此可知，北京市若想滿足規(guī)劃年的路網(wǎng)交通效率及綠色性等方面的預(yù)期目標，其交通方式承擔的客運周轉(zhuǎn)量應(yīng)達到以上目標.

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，北京市在規(guī)劃年不同交通方式承擔的客運周轉(zhuǎn)量比例為：X1∶X2∶X3∶X4∶X5∶X6=24.9∶29.1∶6.7∶34.1∶4.0∶1.3.不同的交通方式需要相應(yīng)的ITS項目和系統(tǒng)的支撐才能達到預(yù)期目標，因此，在進行ITS建設(shè)時要結(jié)合ITS建設(shè)模式及優(yōu)化模型中提出的約束條件及優(yōu)化結(jié)果特性，制定相應(yīng)的ITS建設(shè)規(guī)劃方案.通過總結(jié)分析，從政策、規(guī)劃、設(shè)計和組織保障四個層面提出相應(yīng)策略建議.政策：①積極倡導(dǎo)ITS理念，提高公眾認知度；②強化保障體系，清除體制障礙；③鼓勵多方融資，拓寬融資渠道.規(guī)劃：①鼓勵制定整體建設(shè)的專項規(guī)劃；②積極制定具體建設(shè)規(guī)劃；③提供完善的基礎(chǔ)設(shè)施.設(shè)計：①統(tǒng)一設(shè)計交通信息共享平臺；②引導(dǎo)智能交通管理標準的設(shè)計；③推進ITS的矩陣式建設(shè)模式設(shè)計；④實施主動智能交通管理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè).組織保障：①加強ITS領(lǐng)域復(fù)合型人才培養(yǎng)；②大力推進“互聯(lián)網(wǎng)+交通”的發(fā)展；③不斷提升科技創(chuàng)新能力.

此外，還提出了城市ITS建設(shè)方案制定的建議：

(1)制定基于路網(wǎng)特征的ITS建設(shè)專項方案

ITS建設(shè)專項方案的重要性已在我國個別城市中得到充分證實.北京2008年奧運會ITS專項方案，為北京市帶來了“一中心三平臺”的ITS建設(shè)模式，并兼顧建設(shè)了交通誘導(dǎo)、綜合信息服務(wù)、執(zhí)法管理、應(yīng)急指揮等八大智能管理系統(tǒng).廣州2010年亞運會ITS專項方案成就了廣州ITS在國內(nèi)的領(lǐng)先地位，并助力廣州成為“十二五”時期國內(nèi)唯一基于物聯(lián)網(wǎng)的ITS建設(shè)示范城市.上海2010年世博會ITS專項方案，促使上海ITS建設(shè)在技術(shù)、管理等多個領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平.無獨有偶，北上廣的成功值得其他城市借鑒和學習.因此，其他城市在分析自身建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，學習北上廣的先進技術(shù)和經(jīng)驗，制定本市ITS建設(shè)的專項方案，包括路網(wǎng)ITS建設(shè)整體框架的制定，目標層、方案層的設(shè)計，以及具體系統(tǒng)布局和建設(shè)優(yōu)先順序的梳理等，從而指導(dǎo)路網(wǎng)中的ITS建設(shè).

(2)制定基于ITS重點應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)方案

根據(jù)城市路網(wǎng)交通的發(fā)展現(xiàn)狀、ITS的發(fā)展趨勢等，制定基于ITS重點應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)方案.首先，制定交通信息采集、發(fā)布等系統(tǒng)在路網(wǎng)中的建設(shè)方案，明確此類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口標準、實時共享程度等，并提出用于數(shù)據(jù)傳遞、共享及評價分析的統(tǒng)一標準，保證方案制定早于建設(shè)實施，避免出現(xiàn)不合理建設(shè)和重復(fù)建設(shè)等.其次，詳細制定路網(wǎng)交通運行管理、指揮、控制、誘導(dǎo)等子系統(tǒng)的建設(shè)方案，如在路網(wǎng)中設(shè)置行車及停車誘導(dǎo)系統(tǒng)，幫助司機合理制定行車路線并以最便捷方式完成停車；在快速路、主干道等路段中設(shè)置交通實時信息情報板及誘導(dǎo)系統(tǒng)，提醒司機避開擁堵點及事故點，輔助司機提前選擇最優(yōu)行駛路徑等.最后，加強路網(wǎng)中車輛運行智能化建設(shè)方案的制定，通過與汽車生產(chǎn)企業(yè)深度合作，在車輛生產(chǎn)過程中安裝相應(yīng)智能化設(shè)備，保證各類交通信息及時準確傳遞到車輛中.

3 結(jié)論

本文從路網(wǎng)交通內(nèi)部和外部層面入手分析，提出了ITS優(yōu)化路網(wǎng)交通運行效率的思路及方法.通過實證分析，運用MOP優(yōu)化方法，分別構(gòu)建了優(yōu)化約束條件和目標函數(shù)，并創(chuàng)新構(gòu)建了ITS優(yōu)化路網(wǎng)交通運行效率的MOP模型.而且，以北京市為案例進行實證分析，從交通運輸方式承擔的客運周轉(zhuǎn)量層面提出了ITS對路網(wǎng)交通運行效率的改善措施.通過本文研究，不僅是ITS應(yīng)用領(lǐng)域的探索性、創(chuàng)新性研究，也是對提高ITS改善路網(wǎng)交通運行效率研究的剖析，是城市制定ITS發(fā)展戰(zhàn)略的重要參考對象.