Wardrop在1952年提出了经典的网络均衡分配的第一准则和第二准则,即用户均衡(User Equilibrium,UE)和系统最优(System Optimum,SO)。
1.用户均衡
Wardrop第一准则(UE)假设出行者都确切知道网络的交通状态并选择最短路径出行。在UE状态下,所有出行者都不会通过单方面改变路径来降低其行程时间。Beckmann等学者提出了与UE等价的数学规划表达式:
式中 A——路段集合;
R——起点集合;
S——终点集合;
K rs——OD 对(r,s)间的路径集合;
ta(ω)——路段a 的阻抗函数,是路段流量ω 的函数,常采用BPR(Bureau of Public Road)函数的形式:
t0——自由流状态下路段的行驶时间,h;
c——路段通行能力,pcu/h;
α,β——公式中的参数(常用值是0.15和4);
xa——路段a 分配的流量,pcu/h;
——OD 对(r,s)间路径k 的流量,pcu/h,决策变量;
qrs——OD 对(r,s)间的总流量,pcu/h;
——路段-路径关联变量,如果路段a 在OD 对(r,s)间的路径k上,则=1,否则=0。
上述模型中的三个约束条件分别为:式(7-11)表示OD 间各条路径上的流量之和等于OD出行量;式(7-12)表示任意路段的流量等于途经它的全部路径流量之和;式(7-13)表示路径流量非负。可以证明,上述模型的解满足所有使用路径的阻抗相等且最小,未被使用路径的阻抗都不小于使用路径的阻抗。在实际工程项目应用中通常采用用户均衡交通分配法。(www.daowen.com)
上述模型的求解通常采用Frank-Wolfe算法,步骤如下:
第一步,初始化。按照=ta(0),∀a,进行全有全无交通分配,得到各路段流量,令n=1。
第二步,更新各路段阻抗=ta),∀a。
第三步,寻找迭代方向。按照更新后的{},执行全有全无分配,得到一组附加流量。
第四步,确定移动步长。求解满足如下一维线性搜索问题的最优λ(可采用黄金分割法或二分法等)。
第五步,确定新的迭代点。
第六步,收敛性检验。如果满足规定的收敛准则[式(7-16)]则停止计算,即为最优解;否则令n=n+1,返回第二步。
在得到UE交通分配结果后,就可以这个结果为目标,通过交通信息诱导等手段,引导网络向这一目标靠拢,尽可能地实现网络用户均衡。
2.随机用户均衡
随机用户均衡(Stochastic User Equilibrium,SUE)进一步考虑了用户对阻抗感知的随机性。在SUE中,路径选择概率与路径感知阻抗有关,路径感知阻抗是实际阻抗(和流量相关)与感知误差的和。如此反馈,达到SUE状态,这个关系也被称为SUE 条件。SUE 比UE 更具普适性,UE可被看作是SUE的一种特殊情形(即感知误差为0)。
3.系统最优
Wardrop第二准则假设,在SO 状态下,网络总出行成本(或平均出行成本)最小。SO 的数学规划表达式与UE具有完全相同的约束条件,唯一不同之处在于目标函数。SO 的目标函数可以等价写为
因此,可以简单修改UE问题的Frank-Wolfe算法,用路段边际行程时间替换ta(xa),即可求解SO 交通分配模型。
无论UE还是SO,其目标都是尽可能降低路网的总体阻抗,只是侧重的角度略有不同而已。因此,UE和SO 都是较好的路网均衡状态,都有利于最大限度地防控交通拥堵风险。
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