一种可达性最优条件下的城市路网优化方法
【专利摘要】本发明公开一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，步骤是：划定研究区域，获取区域内的路网地理信息，包括道路等级、道路长度、设计车速及路网连接情况；根据复杂网络理论，构建城市拓扑网络，提出节点重要度测算方法，计算各节点重要度；将节点重要度引入可达性测算方法中，计算城市路网可达性值；以可达性最优为目标函数，建立路网优化模型，选取遗传算法对优化模型进行求解，在现有路网基础上提供优化布局决策，为路网改扩建最优方案的选择提供决策。此种方法一方面能反映城市内部各交通小区之间的联系强度，另一方面以可达性最优为目标函数建立优化模型，对城市路网布局优化提供决策，从而合理配置路网资源，提高城市交通运行效率。
【专利说明】
一种可达性最优条件下的城市路网优化方法
技术领域
[0001] 本发明属于城市路网优化领域，特别涉及一种可达性最优条件下的城市路网优化 决策。
【背景技术】
[0002] 随着城市化进程的加快，城市交通日趋紧张，交通拥堵、延误等现象越来越突出， 在一定程度上影响了城市经济发展及人民生活水平的提高。缓解交通拥堵的重要方法之一 是优化交通系统，优化交通系统的重要手段是优化线网布局。为此如何适应城市发展战略， 合理改善城市路网布局，提高城市交通运行效率就成为必要的研究课题。
[0003] 早在上世纪，国内外学者就对城市路网优化问题进行了研究，且运用的线网优化 方法多为两种:解优法和证优法。解优法即根据城市交通需求预测，通过求解目标函数的最 优解，获取优化方案;证优法即对一个或多个备选方案进行评价，选择较优方案。但研究内 容多以系统角度出发，选择行程时间最短、造价最低等作为目标函数，该方法无法准确反映 城市内部各交通小区之间的联系强度，即无法准确预测城市交通发展趋势，易造成资源配 置不合理，无法有效解决交通运行效率低下等问题。此外，城区用地紧张，城市道路占地面 积有限，若盲目修路造桥，不加约束地进行优化，与现实发展状况不符，无法从根源上解决 城市交通拥堵问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的，在于提供一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，其借助复 杂网络理论将节点重要度概念引入可达性测算模型中，一方面能反映城市内部各交通小区 之间的联系强度，另一方面以可达性最优为目标函数建立优化模型，对城市路网布局优化 提供决策，从而合理配置路网资源，提高城市交通运行效率。
[0005] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0006] -种可达性最优条件下的城市路网优化方法，包括如下步骤：
[0007] (1)划定研究区域，获取区域内的路网地理信息，包括道路等级、道路长度、设计车 速以及路网连接情况；
[0008] (2)根据复杂网络理论，构建城市拓扑网络，提出节点重要度测算方法，计算各节 点重要度；
[0009] (3)将节点重要度引入可达性测算方法中，根据可达性测算方法，计算城市路网可 达性值；
[0010] (4)以可达性最优为目标函数，建立路网优化模型，选取遗传算法对优化模型进行 求解，在现有路网基础上提供优化布局决策，为路网改扩建最优方案的选择提供决策。
[0011] 上述步骤（1)中，路网地理信息通过与城市规划设计部门及交通管理部门联系，并 结合谷歌地图来获取。
[0012] 上述步骤(2)中，节点重要度的计算公式是：
[0014]其中，D (i)表示节点i的重要度，k (i)表示节点i的度，Cb (i)表示节点i的介数，g (i)表示节点i的集聚系数g (i)，N表示节点总数。
[0015]上述步骤(3)中，路网可达性的计算方法如下：
[0021]其中，A为路网可达性，Sij为节点i到节点j的广义出行费用，D(i)、D(j)SfAi、j 的重要度，Davg为节点重要度均值，wij为节点i到节点j的最小成本路径，Fa为路段a的费用成 本，费用成本等于路段长度L a乘以每公里单价α可得;Ta为路段a的时间成本，时间成本等于 出行时间La/V a乘以出行者时间价值δ，Va为出行者的出行速度；Ca为路段a的疲劳成本， 分别为震动、拥挤等级，疲劳成本等于等级总和乘以舒适度换算系数β，得到单位出 行时间需恢复时间，再乘以时间成本可得。
[0022]上述步骤(4)中，优化模型如下：
[0025]其中，Α为路网可达性，分别为节点i、j的重要度，是关于决 策变量尤、g的函数;为节点重要度均值;&(?)为广义出行费用，是决策 变量！1、<的函数； < 为新建路段a为等级1时单车道造价为改建路段a为等级1时单车 道造价;B为投入资金;为等级1的路网密度，Mi ax、Ml为等级1路网密度的上下限值;1 ={ 1、2、3}代表快速路、主干道、次干道，E为路段集合。
[0026] 上述步骤(4)中，遗传算法的求解步骤如下：
[0027] 步骤一、确定初始参数，将待优化问题转变为f(x)=min[_A];
[0028] 步骤二、建立整个网络可连通路段集，每个路段有不连通或不改造、新建快速路、 新建主干道、新建次干道、主干道改建为快速路、次干道改建为快速路、次干道改建为主干 道七种方案，分别由决策变量尤、g表示，尤、t皆为〇、1变量，即该路网优化问题转化 为〇-1规划问题；
[0029] 步骤三、令t = 0,可行路段集中现已连通的用1表示，备选路段随机选取0或1，其他 路段用〇表示，进而构建一个初始网络，对每个路网进行检查，排除不合理方案，得到η个较 为合理的初始网络方案X)、彳、彳...<，并得到路段的各个参数值，计算路网优化目标函数 f(x'th
[0030] ^f(x；) = /?) = min {/(.r；)] ,(v e 11,2.....n}, .v；=.v；；
[0031 ] 步骤四、若t >maxt，令V = x:，转步骤八;否则，t = t+1，转步骤五；
[0032] 步骤五、运用遗传算法进行网络搜索，对初始网络进行选择、交叉、变异计算，得出 η个新的路网优化方案g+1、
[0033] 步骤六、计算路网优化目标函数值/(X)+1);
[0034] 令二）= /(.4) = min
[0035] 步骤七、用<+1、修正路网优化方案义4、*转步骤四；
[0036] 步骤八、停止计算，输出结果/即为近似最优的路网优化布局方案；
[0037] 令/(.<) = /(.r;) = min^'(.r;)卜(v e {1,2,…卜.'f =
[0038] 采用上述方案后，本发明实现了将道路网络拓扑结构特性和道路运行特性相结 合，综合复杂网络结构特性及路网运行状况，提出路网可达性测算方法，进而以可达性最优 为目标函数，建立路网优化模型，对城市路网进行优化布局决策，以期改善城市交通路网运 行效率;基于这一优化布局方法，解决了传统城市道路网布局仅考虑交通运行状态或网络 拓扑结构单一特性、节点间信息独立、资源配置不合理等问题，为现代化城市路网优化决策 提供了技术支撑。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明的流程图；
[0040] 图2是城市道路网络拓扑示意图。
【具体实施方式】
[0041] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0042] 如图1所示，本发明提供一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，包括如下步 骤：
[0043] (1)划定研究区域，与城市规划设计部门及交通管理部门联系，结合谷歌地图，获 取区域内的路网地理信息，包括道路等级、道路长度、设计车速以及路网连接情况；
[0044] 在本实施例中，区域内包括快速路路段4条，主干道路段9条，次干道路段19条，备 选路段7条，其对应的道路等级、车道数以及路段长度如表1所示。
[0045] 表 1
[0047] (2)根据复杂网络理论，构建城市拓扑网络，提出节点重要度测算方法，计算各节 点重要度；
[0048]根据复杂网络理论构建的城市拓扑网络如图2所示，以交叉口为节点，计算各个节 点的度k(i)、介数Cb(i)及集聚系数g(i)，并将其保存为如表2所示格式。
[0049]表 2
[0051]根据节点重要度公式(1)计算各个节点的重要度D(i)，并记录在表3中。
[0056] (3)将节点重要度引入可达性测算方法中，根据可达性测算方法，计算城市路网可 达性值；
[0057]路网可达性的计算方法如式（2 )，参照表4，借助MATLAB可求得该路网当前可达性 为0.248。
[0063] 其中，A为路网可达性，Sij为节点i到节点j的广义出行费用，D(i)、D(j)SfAi、j 的重要度，Davg为节点重要度均值，wij为节点i到节点j的最小成本路径，Fa为路段a的费用成 本，费用成本等于路段长度L a乘以每公里单价α可得;Ta为路段a的时间成本，时间成本等于 出行时间La/V a乘以出行者时间价值δ，Va为出行者的出行速度；Ca为路段a的疲劳成本， 私、吃分别为震动、拥挤等级，疲劳成本等于等级总和乘以舒适度换算系数β，得到单位出 行时间需恢复时间，再乘以时间成本可得。
[0064] 表 4
[0065]
[0067] (4)以可达性最优为目标函数，在路网可达性为目标的前提下，结合路网改扩建的 经济、交通条件约束，建立路网优化模型，选取遗传算法对优化模型进行求解，在现有路网 基础上提供优化布局决策，为路网改扩建最优方案的选择提供决策。
[0068] 优化模型MDI如下：
[0071] 其中，A为路网可达性，马分别为节点i、j的重要度，是关于决 策变量X:、<的函数;为节点重要度均值；\(尤尤）为广义出行费用，是决策 变量X:、^的函数;4为新建路段a为等级1时单车道造价;g为改建路段a为等级1时单车 道造价(参照表5) ;B为投入资金(B = 2000)为等级1的路网密度，为等级1路 网密度的上下限值，可参考《城市道路交通规划设计规范》，如表6所示；1 = {1、2、3}代表快 速路、主干道、次干道，Ε为路段集合。
[0072] 表 5
[0076]求解此优化模型可以得到多个近似最优解，在最佳方案下求得的可达性值A = 0.274，具体优化方案如表7所示。
[0080] 其中，遗传算法的求解步骤如下：[0081] 步骤一、确定初始参数。将待优化问题转变为f (X) =min[-A]，则优化模型目标函 数f(x)即可用来衡量不同优化方案的优劣；
[0082] 步骤二、可行路段集编码。建立整个网络可连通路段集，每个路段有不连通或不改 造、新建快速路、新建主干道、新建次干道、主干道改建为快速路、次干道改建为快速路、次 干道改建为主干道七种方案，分别由决策变量尤、?表示，尤、€皆为〇、1变量，即该路网 优化问题可转化为0-1规划问题；
[0083] 步骤三、初始化。令t = 0,可行路段集中现已连通的用1表示，备选路段随机选取0 或1，其他路段用〇表示，进而构建一个初始网络，对每个路网进行检查，排除不合理方案，得 至Ijn个较为合理的初始网络方案X, 1、<、<...<，并得到路段的各个参数值。计算路网优化目 标函数/<?
[0084] 令/(T:) = /(λ.; ) = mm | /(λ.;小(v e {1，2,…，崎.，X:= <
[0085] 步骤四、若t>maxt，令,转步骤八;否则，t = t+l，转步骤五；
[0086] 步骤五、运用遗传算法进行网络搜索，对初始网络进行选择、交叉、变异计算，得出 η个新的路网优化方案力<+1、
[0087] 步骤六、计算路网优化目标函数值/(x;+i)。
[0088] =
[0089] 步骤七、用&、弋,….。修正路网优化方案X)、彳、x(3._.xf，转步骤四；
[0090] 步骤八、停止计算，输出结果/即为近似最优的路网优化布局方案。
[0091] 令/(.、）'パΛ-;l) = minレ.(Λ-;)}，(v'e{l，2，…，/^}，.ir；=.v,,.
[0092]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
【主权项】
1. 一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 划定研究区域，获取区域内的路网地理信息，包括道路等级、道路长度、设计车速W 及路网连接情况； (2) 根据复杂网络理论，构建城市拓扑网络，提出节点重要度测算方法，计算各节点重 要度； (3) 将节点重要度引入可达性测算方法中，根据可达性测算方法，计算城市路网可达性 值； (4) W可达性最优为目标函数，建立路网优化模型，选取遗传算法对优化模型进行求 解，在现有路网基础上提供优化布局决策，为路网改扩建最优方案的选择提供决策。2. 如权利要求1所述的一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，其特征在于:所述 步骤（1)中，路网地理信息通过与城市规划设计部口及交通管理部口联系，并结合谷歌地图 来获取。3. 如权利要求1所述的一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，其特征在于:所述 步骤(2)中，节点重要度的计算公式是：其中，D(i)表示节点i的重要度，k(i)表示节点i的度，Cb(i)表示节点i的介数，g(i)表示 节点i的集聚系数g(i)，N表示节点总数。4. 如权利要求1所述的一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，其特征在于:所述 步骤(3)中，路网可达性的计算方法如下：其中，A为路网可达性，Su为节点i到节点j的广义出行费用，D(i)、D(j)为节点i、j的重 要度，Davg为节点重要度均值，wi功节点i到节点j的最小成本路径，Fa为路段a的费用成本， 费用成本等于路段长度La乘W每公里单价α可得;Ta为路段a的时间成本，时间成本等于出行 时间La/Va乘W出行者时间价值S，Va为出行者的出行速度;Ca为路段a的疲劳成本，時、g分 别为震动、拥挤等级，疲劳成本等于等级总和乘W舒适度换算系数β，得到单位出行时间需 恢复时间，再乘W时间成本可得。5. 如权利要求1所述的一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，其特征在于:所述 步骤(4)中，优化模型如下：其中，A为路网可达性，分别为节点i、j的重要度，是关于决策变 量《、剖勺函数;A，,(材扔为节点重要度均值(义，明为广义出行费用，是决策变量 义i、巧的函数;4为新建路段a为等级1时单车道造价;6:为改建路段a为等级1时单车道造 价;B为投入资金；》4为等级1的路网密度，M/。.，、、Ml。为等级1路网密度的上下限值；1 = {1、2、3}代表快速路、主干道、次干道，E为路段集合。6.如权利要求1所述的一种可达性最优条件下的城市路网优化方法，其特征在于:所述 步骤(4)中，遗传算法的求解步骤如下： 步骤一、确定初始参数，将待优化问题转变为f(x)=min[-A]; 步骤二、建立整个网络可连通路段集，每个路段有不连通或不改造、新建快速路、新建 主干道、新建次干道、主干道改建为快速路、次干道改建为快速路、次干道改建为主干道屯 种方案，分别由决策变量乂、巧表示，乂、冷皆为〇、1变量，即该路网优化问题转化为0-1 规划问题； 步骤Ξ、令t = 0,可行路段集中现已连通的用1表示，备选路段随机选取0或1，其他路段 用0表示，进而构建一个初始网络，对每个路网进行检查，排除不合理方案，得到η个较为合 理的初始网络方案為、挣、省.，.嫁，并得到路段的各个参数值，计算路网优化目标函数/挺);A '、 步骤四、若t >maxt，令λ·'二xj,，转步骤八;否则，t = t+1，转步骤五； 步骤五、运用遗传算法进行网络捜索，对初始网络进行选择、交叉、变异计算，得出η个 新的路网优化方案據1、攻I、攻1..成1; 步骤六、计算路网优化目标函数值/(·?；+1); 令，步骤屯、用攻1、.為、…瑞修正路网优化方案片却…片，转步骤四； 步骤八、停止计算，输出结果X巧P为近似最优的路网优化布局方案； 令
【文档编号】G06Q10/04GK106096798SQ201610526297
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】包丹文, 华松逸, 羊钊, 蒋中华
【申请人】南京航空航天大学