基于试错法和机动车流量的拥堵收费最优费率确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种根据试错法和收费区域入口路段机动车流量数据，确定拥堵收费 最优收费费率的方法，属于城市交通管理与控制领域。
【背景技术】
[0002] 交通拥堵一直以来就是城市交通运作的主要问题，它不仅使很多司机对城市交通 沮丧而且污染城市环境、增加社会成本。交通拥堵增长了旅行时间，增加旅行时间的不确定 性，产生了空气和噪声污染并降低了社会生产力。拥堵收费被认为是城市交通管理者管理 交通需求，转移公交乘客人数的一项重要工具。许多已有研究专注于如何决定最优的拥堵 收费费率。第一（对于收费位置没有限制）和第二（只对部分网络收费）最佳收费作为两 个经济学的概念已经作为城市拥堵收费策略被广泛的研究。
[0003] 城市交通拥堵收费的实际应用是本发明的重要关注点，三个已经存在的著名的 (新加坡，伦敦，斯德哥尔摩）拥堵收费实施例都采用警戒线收费的方案。伦敦使用警戒线 执照收费，另外两个城市使用警戒线入口路段的收费方式。众所周知，警戒线入口路段的收 费方式更加有效和公平。因为其具有两个实用性质。首先，当警戒线拥堵收费开始实施的时 候，交通网络管理者更关心收费区域内的交通状况；例如，当拥堵收费1975年第一次在新 加坡设立的时候，新加坡陆上交通管理当局最初实施这项方案的目标是减少25%到35% 进入收费区的总的交通流量。也就是说，进入某一收费区域总的交通流量应该受限于一个 提前决定的界限值。其次，进入某一收费区域的每个入口收费值是相同的，以便于司机辨识 和当局管理。
[0004] 总的来说，尽管现有研究在理论取得良好的成果，但是其中很多对于拥堵收费费 率的决定方法并不适用于实际应用，主要因为它们需要很多交通网络属性的精确数据，包 括出行需求方程，路段旅行时间方程以及交通网络用户的时间价值。对于整个交通网络而 言，这些数据很难得到。
【发明内容】
[0005] 技术问题：本发明提供一种针对警戒线拥堵收费且不需要大量数据的基于试错法 和机动车流量的拥堵收费最优费率确定方法。
[0006] 技术方案：本发明的基于试错法和机动车流量的拥堵收费最优费率确定方法，包 括如下步骤：
[0007] 步骤一：根据城市交通网络的点、线及分区数据，建立交通网络拓扑图；
[0008] 步骤二：基于步骤一中建立的交通网络拓扑图，确定收费区域及该区域的所有入 口，并将各个入口确定为收费位置；
[0009] 步骤三：设置进入每个收费区域的目标总车流量界限值，并在收费位置实施一个 设定的初始收费价格方案；
[0010] 步骤四：在当前收费价格方案实施的这段时间内，观测并记录车流量稳定后进入 各收费路段的车流量；
[0011] 步骤五：通过步骤四观测的各收费路段的车流量和步骤三确定的"目标总车流量 界限值"之间的差值，根据自适应预测改正算法，计算得到新的收费价格方案；
[0012] 步骤六：计算新的收费价格方案和旧的收费价格方案之间的差值，判断该差值是 否小于判定阈值，如是，则将最后得到的新的收费价格方案作为最优结果输出，否则返回步 骤四。
[0013] 进一步的，本发明方法中，交通网络拓扑图包括城市交通网络的点、线及分区数 据，所述的目标总车流量界限值是根据减少拥堵、优化环境的相对比值来确定的，所述的初 始收费价格方案为任一价格方案，所述的自适应预测改正算法包含预测和改正两个过程。
[0014] 拥堵收费措施通常具有针对性，针对城市中央商务区、快速路及外环线以及城市 商业区等城市易发生拥堵区域进行收费，且这些城市通常具有较高的私人机动车出行比 例，有完善的环路或拥挤区域易于划分，交通拥堵收费区域之外存在尚未饱和的路网或发 达的公共交通可承担实施拥堵收费后而转移的巨大交通量。
[0015] 本发明优选方案中，假设网络中共有I个收费区域，根据城市交通网络确定进入 每个收费区域i，i= 1，2，...，1，的所有入口路段，并对这些入口路段进行收费且收费费率 相同，用τi表示。τ= (τpi= 1，2,…1)?示所有区域的收费，上标"T"表示向量的 转置。私代表进入预定的收费区域i的流量（入境总流量）界限值。
[0016] A代表网络中的路段集合。爲表示区域i，i= 1，2, ...，I，的所有入口路段的集 合。：?表示所有收费入口路段的集合。如果fleg,则^表示路段a上的收费额，如果路 段a不是收费区域的入口路段，则Ta=0。不同的收费方案τ会影响网络用户的路径选 择并导致不同的平衡交通流。va(τ)表示路段aeΑ的平衡路段交通流，Ta(v，τ)表示广 义路段旅行时间函数：
[0017] Ta(v,τ) =ta(v)+Ta/a,aeA(1)
[0018] 其中，α表示网络用户的时间价值。ta(v)表示路段aeA的非对称路段旅行时间 函数，它是一个关于路段流量向量v的非负的、单调递增且连续可导的函数，v表示va(τ) 的集合。
[0019] 本发明优选方案的步骤三中，以减少拥堵、优化环境为目标，设置进入每个收费区 域的目标总车流量界限值，例如为减少市区某区域拥堵计划要求目标车流量减少一半，则 可将目标总车流量界限值设置为当前值的一半，并在收费位置实施一个任意的收费价格方 案，如五元，即初始收费价格向i
[0020] 本发明优选方案的步骤四：对当前收费价格方案实施一周时间，在当前收费价格 方案实施的这段时间内，观测并记录车流量稳定后进入各收费路段的车流量。
[0021] 机动车流量的获取方法与拥挤收费方式密切相关。比如可以通过布设在各个收费 入口的视频检测器统计机动车流量，或者基于路侧短程无线通信技术读取经过的每辆机动 车上的电子收费标签，进而统计机动车流量。
[0022] 本发明优选方案的步骤五：通过"观测获得的机动车流量"和"机动车流量界限值" 之间的差值，利用如下数学公式推算，获得新的收费价格方案。
[0023] 新的收费价格的计算过程如下：
[0024] A、构建模型
[0025] Φ(τ*) (τ-τ*)多 〇，τeΩ(2)
[0026] 其中Ω= {τIτ〇,i= 1，2, · · · 1}是τ的可行集合，上标表示最优解， 变量不等式函数Φ(τ)按如下定义：
[0027]
[0028] 其中9^表示由I个元素组成的实数集合。
[0029] Β、计算变量不等式方程Φ(τ(η))即"观测获得的机动车流量"和"机动车流量界 限值"之间的差值。
[0030] C、通过投影操作找到辅助收费方案向量，将辅助收费方案加载到网络上，然后观 测相应的入口路段的交通流量，随后用观测的流量值来计算相应的变量不等式方程值。
[0031] D、通过进一步计算比例r(n)和步长值πw，得到新的收费费率方案。
[0032] 具体解法步骤（自适应预测改正算法）：
[0033] 步骤1初始化；
[0034] 设置三个常量κρκ2，γ，其中〇 <κ2<κι< 1，γe(〇,2)，设置初始步长 n(1)>〇。设置迭代序号为n=l。
[0035] 步骤2预测过程；
[0036] 步骤2. 1 :在网络中设置收费方案τ(n)，然后观测每个收费区域入口路段的交通 流量，由i= 1，2，….I来表示，然后计算变量不等式方程
[0037]
(4)
[0038] 步骤2. 2 :通过投影操作
[0039]
(5)
[0040] 找到辅助收费方案向量其中ΡΩ [ ]表示将向量投影到收费方案可行 集Ω上的投影操作，其值用如下公式表示：
[0041 ]ΡΩ [τ' ] =(maX(0，τ'i)，i=l，2，...，I) (6)
[0042] 步骤2. 3 :将辅助收费方案加载到网络上，然后观测相应的入口路段的交通流
1，2, ...I，随后用观测的流量值来计算相应的变量不等式方程值
[0043]
(7)
[0044] 步骤2. 4 :通过下面方程来计算比例r(n)，
[0045]
(8)
[0046] 如果r(n)<κi，进行步骤3,否则根据
[0047]
(9)
[0048] 减小步长值，然后进行步骤2· 2·
[0049] 步骤3改正过程；
[0050] 基于τw，ηW，为改正过程计算一个步长值πW，然后得到更新的收费方案 向量，+1)。[0051] 步骤3. 1 :根据下面方程计算改正过程的步长值π(n):
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 步骤3. 2 :通过下列投影操作来更新收费方案向量τ(n+ 1):
[0056]
(612)
[0057] 步骤3. 3 :判断下列条件是否成立：
[0058]:(1? V / ' f
m.
[0059] 若上式成立，则根据下面方案增大步长值n(n)，再进行步骤六：
[0060]
(14)
[0061] 否则，直接进行步骤六。
[0062] 步骤六：计算新的收费价格方案和旧的收费价格方案之间的差值，判断该差值是 否小于判定阈值，如是，则将最后得到的新的收费价格方案作为最优结果输出，否则返回步 骤四。
[0063] 如 则终止，ε是一个提前设定的正的限度值。否则，令n=n+1， 进行步骤四。
[0064] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0065] 尽管现有研究在理论取得良好的成果，但是其中很多对于拥堵收费费率的决定方 法并不适用于实际应用，主要因为它们需要很多交通网络属性的精确数据，包括出行需求 方程，路段旅行时间方程以及交通网络用户的时间价值。对于整个交通网络而言，这些数据 很难得到。因此，本发明提出一种针对警戒线拥堵收费且避免使用前述那些不易获得的数 据的收费费率的决策方法，同时考虑了警戒线拥堵收费两个实用性质，即进入某一收费区 域总的交通流量应该受限于一个提前决定的界限值以及进入某一收费区域的每个入口收 费值是相同的，以便于司机辨识和当局管理。从所提出的试错法来看