智能运输系统概论第3章.pptx

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1、目目 录录第第1 1章章 绪论绪论第第2 2章章 智能运输系统的体系框架智能运输系统的体系框架第第3 3章章 智能运输系统的理论基础智能运输系统的理论基础第第4 4章章 交通信息采集与处理技术交通信息采集与处理技术第第5 5章章 通信技术通信技术第第6 6章章 车辆定位技术车辆定位技术第第7 7章章 网络技术网络技术第第8 8章章 数据库技术数据库技术第第9 9章章 新技术在智能运输系统中的应用新技术在智能运输系统中的应用第第1010章章 交通信息服务系统交通信息服务系统第1页/共72页第第3 3章章 智能运输系统的理论基智能运输系统的理论基础础 动态交通分配理论动态交通分配理论3.1智能协同

2、理论智能协同理论3.2 交通网络实时动态交通信息预测理论交通网络实时动态交通信息预测理论3.3 智能控制理论智能控制理论3.4第2页/共72页3.1 动态交通分配理论动态交通分配理论ITSITS的的研研究究和和实实施施，对对动动态态交交通通分分配配理理论论提提出出了了更更迫迫切切的的需需求求，极极大大地地推推进进了了动动态态交交通通分分配配理理论论的的前进步伐。前进步伐。智智能能运运输输系系统统的的发发展展需需要要动动态态交交通通分分配配理理论论的的支支持。持。ITSITS中中的的先先进进的的出出行行者者信信息息系系统统、城城市市交交通通流流诱诱导导系系统统、先先进进的的交交通通管管理理系系统

3、统等等核核心心部部分分都都需需要要动动态交通分配态交通分配作为理论基础。作为理论基础。第3页/共72页动动态态交交通通分分配配，就就是是将将时时变变的的交交通通出出行行合合理理分分配配到到不不同的同的路径路径上，以上，以降低降低个人的个人的出行费用出行费用或或系统总费用系统总费用。在在交交通通供供给给以以及及交交通通需需求求状状况况均均为为已已知知的的条条件件下下，分分析析其其最最优优的的交交通通流流量量分分布布模模式式，从从而而为为交交通通流流控控制制和和管管理理、城城市市交交通通流流诱诱导导等等提提供供依依据据。通通过过交交通通流流管管理理和和动动态态路路径径诱诱导导在在空空间间和和时时间

4、间尺尺度度上上对对人人们们已已经经产产生生的的交交通通需需求求的的合合理配置理配置，使得交通路网优质高效地运行。，使得交通路网优质高效地运行。3.1.1 动态交通分配的目的动态交通分配的目的交交通通供供给给状状况况包包括括路路网网拓拓扑扑结结构构和和路路段段特特性性等等，交交通通需求需求状况则是指在每时每刻产生的状况则是指在每时每刻产生的出行需求出行需求及其及其分布分布。动动态态交交通通分分配配在在交交通通诱诱导导和和交交通通控控制制中中具具有有核核心心地地位位和重要的作用，如图所示。和重要的作用，如图所示。第4页/共72页3.1.1 动态交通分配的目的动态交通分配的目的动动态态交交通通分分配

5、配的的地地位位和和作作用用可可以以看看出出，动动态态交交通通分分配配是是以以路路网网交交通通流流为为对对象象，以以交通控制与诱导交通控制与诱导为目的开发出来的交通需求预测模型。为目的开发出来的交通需求预测模型。第5页/共72页3.1.2 动态交通分配的基本概念动态交通分配的基本概念 1 1）动态用户最优和动态系统最优）动态用户最优和动态系统最优根根据据分分配配中中路路径径选选择择准准则则的的不不同同，分分为为两两类类：动动态态用用户户最最优优模模型型（Dynamic Dynamic User User OptimumOptimum，简简称称DUODUO）和和动动态态系系统统最最优优模模型型（D

6、ynamic Dynamic System System OptimumOptimum，简简称称DSODSO）。前前者者是是从从路路网网中中每每个个用用户户的的角角度度考考虑虑，追追求求每每个个用用户户出出行行的的走走行行时时间间最最少少或或费费用用最最低低；后后者者是是从从路路网网系系统统角角度度考考虑虑，寻寻求求整整个个系统系统总的出行时间最少或费用最低。总的出行时间最少或费用最低。动动态态用用户户最最优优（DUODUO）就就是是指指路路网网中中任任意意时时刻刻、任任何何ODOD对对之之间间被被使使用用的的路路径径上上的的当当前前瞬瞬时时行行驶驶费费用用相相等等，且且等等于于最最小小费用费

7、用的状态。的状态。动动态态系系统统最最优优（DSODSO）就就是是指指在在所所研研究究的的时时段段内内，出出行行者者各各瞬瞬时时通通过过所所选选择择的的出出行行路路径径，相相互互配配合合，使使得得系系统统的的总总费费用最小用最小。第6页/共72页3.1.2 动态交通分配的基本概念动态交通分配的基本概念 2 2）路段流出函数模型）路段流出函数模型路路段段流流出出函函数数是是动动态态交交通通流流分分配配理理论论中中的的关关键键和和特特殊殊之之处处。在在静静态态交交通通分分配配中中没没有有出出现现，在在动动态态交交通通分分配配中中流流出出函函数数是是反反映映交交通通拥拥挤挤，抓抓住住网网络络动动态态

8、本本质质特特性性的的关关键键。在在动动态态交交通通分分配配中中，出出行行者者路路径径选选择择原原则则确确定定后后，其其路路段段流流入入率率自自然然确确定。定。函函数数的的建建立立应应该该确确保保车车辆辆按按照照所所给给出出的的路路段段走走行行时时间间走走完完该该路路段段。还还要要考考虑虑CareyCarey提提出出的的FIFOFIFO（First First In In First First OutOut，先先进进先先出出）原原则则。假假设设不不论论其其出出行行终终点点如如何何，同同时时进进入入路路段段的的车车辆辆均均以以相相同同的的速速度度行行驶驶，花花费费相相同同的的时时间间，这这实实质

9、质就就是是FIFOFIFO规则规则的具体表现形式。的具体表现形式。在在分配算法分配算法的设计中可以使用车辆在每一时间步长中移动的设计中可以使用车辆在每一时间步长中移动的距离作为的距离作为约束约束。第7页/共72页3.1.2 动态交通分配的基本概念动态交通分配的基本概念 3 3）路段阻抗特性模型）路段阻抗特性模型在在静静态态交交通通流流分分配配中中，对对阻阻抗抗的的估估计计精精度度要要求求相相对对来来说说不不是是很很高高。但但在在动动态态分分配配下下，提提高高阻阻抗抗函函数数预预测测精精度度则则是一个是一个基本要求基本要求。在在建建立立阻阻抗抗特特性性模模型型时时，要要注注意意动动态态交交通通分

10、分配配中中的的状状态态变变量量不不是是静静态态交交通通流流分分配配中中的的交交通通量量，而而是是某某时时刻刻路路段段上上的的交交通通负负荷荷，即即这这一一时时刻刻路路段段上上存存在在点点的的车车辆辆数数。在在动动态态情情形形下下，用用交交通通量量无无法法描描述述路路段段的的动动态态交交通通特特征征，交交通通量量是是一一个个时时间间观观测测量量，其其值值是是在在某某一一点点观观测测到到的的，适适用用于于静静态态描描述述；而而交交通通负负荷荷是是指指某某一一时时刻刻一一个个路路段段上上存存在在的的车车辆数，是一个辆数，是一个空间观测量空间观测量，适用于，适用于动态动态描述。描述。第8页/共72页3

11、.1.3 动态交通分配理论研究现状动态交通分配理论研究现状从从提提出出至至今今经经过过了了2020多多年年的的发发展展，在在理理论论研研究究和和方方法法应应用用上上都都有有了了一一定定的的进进步步，但但是是无无论论国国外外还还是是国国内内，目目前前在在动动态态交交通通分分配配方方面面的的学学术术专专著著还还没没有有见见到到，这这一一点点不不同同于于静静态态交交通通分分配配。国国内内外外在在动动态态交交通通分分配配领领域域的的研研究究都都正正在在积积极极的的进进行行当当中中，表表现现为为国国外外在在理理论论、方方法法和和应应用用上上的的研研究较之国内要究较之国内要超前超前。理理论论方方面面的的研

12、研究究居居多多，实实际际应应用用上上还还有有待待于于进进一一步步发发展展。从从总总体体上上来来说说，自自动动态态交交通通分分配配概概念念提提出出至至今今，其其研研究仍然处于发展阶段。究仍然处于发展阶段。研研究究方方法法可可分分为为：数数学学规规划划建建模模方方法法、最最优优控控制制理理论论建模方法、建模方法、变分不等式变分不等式理论建模方法和理论建模方法和计算机模拟计算机模拟等四种。等四种。第9页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型1 1）动态交通分配模型的有关定义）动态交通分配模型的有关定义交通网络，为有向连通图。交通网络，为有向连通图。网络节点

13、集，它包括起点集、终点集和中间点集三网络节点集，它包括起点集、终点集和中间点集三个子集。一般用个子集。一般用 表示起点或中间点，用表示起点或中间点，用 表示终点。表示终点。有向弧集，即路段集，路网任意路段用有向弧集，即路段集，路网任意路段用 表示。表示。所有以节点所有以节点 为起端的弧段集合。为起端的弧段集合。所有以节点所有以节点 为终端的弧段集合。为终端的弧段集合。规划时间段，可以取离散值或连续值。规划时间段，可以取离散值或连续值。所有以节点所有以节点 为终端的弧段集合。为终端的弧段集合。时刻路段时刻路段 上存在的车辆数，即交通负荷。上存在的车辆数，即交通负荷。第10页/共72页3.1.4

14、动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型1 1）动态交通分配模型的有关定义）动态交通分配模型的有关定义 时刻路段时刻路段 上以上以 为终点的行驶车辆数。为终点的行驶车辆数。时刻路段时刻路段 上车辆流入率。上车辆流入率。时刻路段时刻路段 上以上以 为终点的车辆流入率。为终点的车辆流入率。时刻路段时刻路段 上车辆流出率，一般假定车辆流出率上车辆流出率，一般假定车辆流出率函数已知。函数已知。路段路段 的路段流出率函数。的路段流出率函数。时刻路段时刻路段 上以上以 为终点的车辆流出率。为终点的车辆流出率。时刻产生的由起点时刻产生的由起点 到终点到终点 的交通需求，一般的交通需求，一

15、般假定已知。假定已知。整个规划阶段整个规划阶段 内由起点内由起点 到终点到终点 的交通需求。的交通需求。第11页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型1 1）动态交通分配模型的有关定义）动态交通分配模型的有关定义路段路段 的阻抗函数，一般为路段行驶时间函数。的阻抗函数，一般为路段行驶时间函数。上上述述各各变变量量中中，都都是是基基于于连连续续时时间间表表达达的的。如如果果离离散散时时间间表表述述，则则可可以以将将固固定定时时段段 等等分分为为 份份。则则相相应应的的用用“时时段段”代代替替“时时刻刻”表表述述即即可可，如如 表表示示 时时段段路路段段

16、 上以上以 为终点的行驶车辆数，其他变量的描述以此类推。为终点的行驶车辆数，其他变量的描述以此类推。2 2）前提假设）前提假设为为使使动动态态交交通通分分配配问问题题便便于于求求解解，通通常常在在建建立立模模型型时时对对动动态态交通分配模型做如下一些交通分配模型做如下一些假设假设：路网路网拓扑空间结构拓扑空间结构 已知已知路网路网特性特性、路段、路段行驶时间函数行驶时间函数、路段、路段流出率函数流出率函数均均已知已知第12页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型2 2）前提假设）前提假设动态的时变交通需求动态的时变交通需求已知已知车车辆辆的的产产生生

17、与与吸吸引引只只发发生生在在节节点点处处，路路段段之之中中不不吸吸引引和和产产生生车辆车辆3 3）动态系统最优分配模型）动态系统最优分配模型动动态态系系统统最最优优（DSODSO）是是车车辆辆路路径径诱诱导导系系统统的的基基础础，也也是是动动态用户最优模型的基础。一般而言，交通管理和控制的目标有：态用户最优模型的基础。一般而言，交通管理和控制的目标有：使系统使系统总行程时间总行程时间最小最小使系统使系统总费用总费用最小最小使系统使系统总延误时间总延误时间最小最小使系统使系统平均拥挤度平均拥挤度最小最小第13页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型3

18、3）动态系统最优分配模型）动态系统最优分配模型根根据据不不同同的的目目标标可可以以建建立立不不同同的的最最优优模模型型，在在这这里里只只给给出出根根据目标（据目标（1 1）确定的模型，具体模型如下：）确定的模型，具体模型如下：（3-13-1）（3-23-2）（3-33-3）（3-43-4）（3-53-5）s.t.s.t.：第14页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。3 3）动态系统最优分配模型）动态系统最优分配模型（3-63-6）;模型中，模型中，。上上述述模模型型是是应应用用最最优优控控制制理理论论建建立立的的，能能够够用用于于多多个个ODO

19、D对对的的交交通通网网络络，模模型型中中 是是状状态态变变量量，而而 是是控控制制变变量量。模型的模型的最优解最优解利用利用PontryyaginPontryyagin最小值原理最小值原理获得。获得。对对于于上上模模型型的的求求解解，虽虽然然有有很很多多求求解解连连续续性性最最优优控控制制问问题题的的算算法法，但但是是直直接接求求解解动动态态系系统统最最优优模模型型十十分分困困难难。一一般般将将模模型型在在时时间间上上离离散散化化，求求解解模模型型的的离离散散形形式式。此此时时模模型型可可看看作作是是离离散散时时间间系系统统的的最最优优控控制制模模型型，也也可可以以看看作作是是一一个个数数学学

20、规规划划模模型。型。第15页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。4 4）动态用户最优分配模型）动态用户最优分配模型随随着着动动态态交交通通分分配配理理论论研研究究的的深深入入，动动态态用用户户最最优优（DUODUO）分配模型的研究得到了加强。分配模型的研究得到了加强。动动态态用用户户最最优优分分配配模模型型的的建建立立是是基基于于对对出出行行者者路路径径选选择择行行为为正正确确假假定定的的基基础础上上，力力图图再再现现网网络络上上交交通通流流的的实实际际瞬瞬时时分分布布形态，因此更为重要。形态，因此更为重要。许许 多多 学学 者者 如如 Wie

21、etWieet（19901990）、RanetRanet（19931993）、PapageorgiousPapageorgious（19901990）等等对对动动态态用用户户最最优优进进行行了了不不同同角角度度的的定定义义，因此对，因此对动态路径选择行为动态路径选择行为也就存在着不同角度的描述。也就存在着不同角度的描述。对对动动态态用用户户最最优优定定义义的的不不同同，会会构构造造出出不不同同动动态态交交通通用用户户分分配配模模型型。这这里里仅仅给给出出一一个个基基于于最最优优控控制制理理论论的的动动态态用用户户最最优优的模型，模型中采用的模型，模型中采用WieetWieet（19901990

22、）的关于动态用户最优的定义。的关于动态用户最优的定义。第16页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。4 4）动态用户最优分配模型）动态用户最优分配模型模模型型中中与与动动态态系系统统最最优优不不同同的的是是，将将路路段段流流入入率率 、路路段段流流出出率率 作作为为控控制制变变量量，作作为为状状态态变变量量。具具体体模模型型如如下：下：（3-73-7）（3-83-8）（3-93-9）（3-3-1010）（3-3-1111）第17页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。4 4）动态用户最优分配模型）动

23、态用户最优分配模型其中，其中，是路段实际走行时间的估计值。是路段实际走行时间的估计值。（3-3-1212）；模型中，模型中，。对对于于上上述述问问题题的的求求解解同同样样需需要要首首先先将将模模型型离离散散化化，得得到到离离散散时时间间系系统统的的最最优优控控制制模模型型，该该离离散散时时间间形形式式可可以以看看作作是是一一个个非线性规划非线性规划问题，应用问题，应用Frank-WolfFrank-Wolf方法来求解。方法来求解。在在具具体体的的算算法法设设计计中中，可可以以将将估估计计路路段段实实际际走走行行时时间间的的“类类似似对对角角化化技技术术”过过程程作作为为外外层层循循环环，将将F

24、rank-WolfFrank-Wolf迭迭代代过过程程作作为为内内层层循循环环。同同样样，有有关关动动态态用用户户最最优优模模型型的的合合理理可可行行的的、能能够够应应用用于于实实际际大大规规模模路路网网的的算算法法的的研研究究，目目前前还还是是理理论论界界积积极探讨、摸索的问题。极探讨、摸索的问题。第18页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析a.a.数学规划数学规划模型模型由由MerchantMerchant和和NemhauserNemhauser（19781978）提提出出（以以下下简简称称M-

25、NM-N模模型型），该该模模型型是是静静态态交交通通分分配配模模型型的的扩扩展展，简简单单直直观观，但但存存在在如如下下缺陷缺陷：该模型只适合该模型只适合单终点单终点网络。网络。路路段段流流出出率率函函数数的的非非凸凸非非线线性性特特征征特特性性导导致致解解的的可可行行域域非凸非凸，因此不能直接运用，因此不能直接运用Kuhn-TucherKuhn-Tucher条件推导最优解。条件推导最优解。同同时时选选取取路路段段车车辆辆存存在在台台数数和和路路段段流流入入率率为为规规划划变变量量，使得使得规划变量过多规划变量过多，求解困难。，求解困难。自自M-NM-N模模型型提提出出之之后后，又又有有许许多

26、多研研究究者者围围绕绕M-NM-N模模型型提提出出了了一系列一系列改进改进。第19页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析b.b.最优控制最优控制模型模型在在M-NM-N模模型型的的基基础础上上，LuqueLuque和和FrieszFriesz（19801980）采采用用路路段段上上不不同同重重点点的的行行驶驶车车辆辆数数 作作为为状状态态变变量量，以以路路段段上上不不同同终终点点的的车车辆辆流流入入率率 作作为为控控制制变变量量，将将网网络络扩扩展展至至多多个个终终点点，建建立动态交通分配的最优控制

27、模型。立动态交通分配的最优控制模型。该该 模模 型型 假假 定定 路路 段段 流流 出出 函函 数数 为为 线线 性性 函函 数数，即即 ，由由FIFOFIFO规规则则，不不同同类类型型、不不同同终终点点的的车车辆辆在在路路段段中中均均匀匀混混合合，没没有有任任何何特特定定的的车车辆辆具具有有优优先先权权，因因此此有有 。最优条件最优条件由由PontryaginPontryagin极大值极大值定理获得。模型如下：定理获得。模型如下：（3-3-1313）第20页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析b.

28、b.最优控制最优控制模型模型其中，其中，。该该模模型型对对路路段段流流出出率率函函数数的的线线性性特特性性作作出出了了限限制制。实实际际上上路路段段流流出出率率函函数数一一般般为为非非凸凸非非线线性性，导导致致解解的的可可行行域域非非凸凸，不不能直接运用能直接运用PontryaginPontryagin极大值定理推导最优解。极大值定理推导最优解。（3-3-1414）（3-3-1515）（3-3-1616）（3-3-1717）；第21页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析b.b.最优控制最优控制模型模

29、型LuqueLuque和和FrieszFriesz提提出出动动态态交交通通分分配配的的最最优优控控制制模模型型后后，众众多多的研究者在此基础上作出了一些改进：的研究者在此基础上作出了一些改进：在在路路段段状状态态方方程程中中加加入入滞滞后后，滞滞后后时时间间为为路路段段自自由由行行驶驶时间时间 ，避免车辆一进入路段即对路段末端流出率产生影响。，避免车辆一进入路段即对路段末端流出率产生影响。引入控制变量引入控制变量 ，添加不等式约束。，添加不等式约束。改造原问题为改造原问题为凸控制凸控制问题，以利用问题，以利用PontryaginPontryagin极大值定理极大值定理。（3-3-1818）（3

30、-3-1919）第22页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析b.b.最优控制最优控制模型模型分别从分别从系统最优系统最优、用户最优用户最优的角度对的角度对目标函数目标函数作出作出修正修正。系统系统最优（最优（System OptimumSystem Optimum）预测型用户预测型用户最优（最优（Predictive User OptimumPredictive User Optimum）c.c.变分不等式变分不等式（VIVI，Variational Inequality Variational I

31、nequality）模型）模型将动态交通分配过程分解为网络加载和网络分配两个过程。将动态交通分配过程分解为网络加载和网络分配两个过程。第23页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析c.c.变分不等式变分不等式（VIVI，Variational Inequality Variational Inequality）模型）模型网网络络加加载载过过程程就就是是将将空空间间网网络络按按时时间间离离散散展展开开，将将已已经经分分配配好好的的交交通通流流量量按按照照其其预预计计行行驶驶时时间间和和预预选选路路径径推

32、推演演到到按按时时间间展开的网络图上。展开的网络图上。网网络络分分配配过过程程是是根根据据这这个个时时间间展展开开好好的的网网络络图图进进行行一一次次平平衡分配衡分配，再将分配结果，再将分配结果叠加叠加到网络中，到网络中，反复迭代反复迭代直到直到收敛收敛。VIVI模模型型的的网网络络加加载载过过程程是是基基于于路路径径的的，因因此此用用户户在在起起点点按按照照最小行驶时间最小行驶时间原则选好路径后，就原则选好路径后，就不允许不允许中途改变路径。中途改变路径。问题表述为：在问题表述为：在可行域可行域 ，在下列方程式中寻求一个，在下列方程式中寻求一个 使得：使得：第24页/共72页3.1.4 动态

33、系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析c.c.变分不等式变分不等式（VIVI，Variational Inequality Variational Inequality）模型）模型可行域可行域 由下列由下列约束方程式约束方程式限定，限定，是每次是每次平衡分配平衡分配完成完成 的的子集子集。第25页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析c.c.变分不等式变分不等式（VIVI，Variational Inequality Variatio

34、nal Inequality）模型）模型其其中中，为为0 01 1变变量量，当当且且仅仅当当 时时刻刻出出发发从从 到到 的的车辆沿着路径车辆沿着路径 在在 时刻到达路段时刻到达路段 时取值为时取值为1 1。d.d.常见算法分析常见算法分析以以上上讨讨论论了了三三种种主主要要的的动动态态交交通通模模型型：数数学学规规划划模模型型、最最优控制优控制模型和模型和VIVI模型。模型。第26页/共72页3.1.4 动态系统最优和用户最优分配模型动态系统最优和用户最优分配模型；。5 5）各类模型的基本分析）各类模型的基本分析d.d.常见算法分析常见算法分析数数学学规规划划模模型型以以M-NM-N模模型型

35、为为代代表表，由由于于求求解解困困难难以以及及FIFOFIFO规规则则的限制的限制无法无法应用于应用于多起讫点多起讫点网络，从而逐渐被其它模型取代。网络，从而逐渐被其它模型取代。最最优优控控制制模模型型发发展展了了数数学学规规划划模模型型，将将控控制制领领域域中中最最优优控控制制理论引入了问题表述中，但最终缺乏一个行之有效的算法。理论引入了问题表述中，但最终缺乏一个行之有效的算法。VIVI模模型型将将动动态态交交通通分分配配问问题题分分解解为为网网络络加加载载和和网网络络分分配配两两个个过程，最终通过求解一系列的过程，最终通过求解一系列的线性规划线性规划来求解分配问题。来求解分配问题。综综合合

36、上上述述三三种种模模型型的的已已知知条条件件、求求解解和和试试验验，可可以以看看出出，如如果应用于果应用于交通流诱导交通流诱导与与交通控制协同交通控制协同将会遇到以下将会遇到以下问题问题：（1 1）实时实时ODOD难以获取难以获取 （2 2）实时）实时动态性动态性难以满足难以满足（3 3）模型约束条件）模型约束条件苛刻苛刻 （4 4）模型）模型求解复杂求解复杂难以工程应用难以工程应用（5 5）即便得到最优解，也很难在实际交通中完全达到）即便得到最优解，也很难在实际交通中完全达到第27页/共72页严严格格的的动动态态用用户户最最优优路路径径选选择择模模型型是是很很难难使使用用的的。因因此此，本本

37、书书作作者者不不追追求求严严格格的的用用户户最最优优，而而是是将将路路径径选选择择的的原原则则设设计计成成准准用用户户最最优优的的（Quasi Quasi User User OptimumOptimum，简简称称QUOQUO）。设设计计了了如如图图所所示示的的准准用用户户最最优优动动 态态 交交 通通 分分 配配（Quasi Quasi User User Optimum Optimum Dynamic Dynamic Traffic Traffic AssignmentAssignment，简简称称QUO-DTAQUO-DTA）理理论论模模型型方方法法框框架架。3.1.5 准用户最优动态交

38、通分配准用户最优动态交通分配该该方方法法由由三三个个部部分分组组成成：动动态态交交通通流流信信息息的的采采集集与与处处理理模模块块、交交通通参参数数自自适适应应预预测测模模块块和和准准用用户户最最优优路路径选择径选择模块。模块。第28页/共72页3.1.5 准用户最优动态交通分配准用户最优动态交通分配QUO-DTAQUO-DTA理论模型框架理论模型框架第29页/共72页与与理理想想用用户户最最优优相相比比，准准用用户户最最优优思思想想的的主主要要特特点点是：是：（1 1）路路径径选选择择的的结结果果既既可可以以是是绝绝对对最最优优的的，也也可可以以是是次次（或或近近）最最优优的的，但但必必须须

39、在在规规定定的的时时间间内内完完成成所所有有的优化计算工作；的优化计算工作；（2 2）除除了了要要在在用用户户的的起起始始节节点点进进行行路路径径选选择择外外，还还要以其途中经过的要以其途中经过的中间节点中间节点为新的起点进行路径优化；为新的起点进行路径优化；（3 3）脱脱离离传传统统的的以以ODOD量量为为基基础础的的路路径径选选择择模模式式，将将由由检检测测器器获获得得的的无无起起终终点点特特征征的的路路段段信信息息作作为为路路径径优优化化的依据。的依据。3.1.5 准用户最优动态交通分配准用户最优动态交通分配第30页/共72页第第3 3章章 智能运输系统的理论基智能运输系统的理论基础础

40、动态交通分配理论动态交通分配理论3.1智能协同理论智能协同理论3.2 交通网络实时动态交通信息预测理论交通网络实时动态交通信息预测理论3.3 智能控制理论智能控制理论3.4第31页/共72页协协同同学学是是德德国国物物理理学学家家H.HakenH.Haken在在研研究究激激光光理理论论的的基基础础上，于上，于2020世纪世纪7070年代初提出，年代初提出，19771977年正式问世的。年正式问世的。平平衡衡相相变变理理论论、突突变变理理论论、特特别别是是远远离离平平衡衡系系统统的的耗耗散散结结构构理理论论，直直接接为为协协同同学学的的创创立立奠奠定定了了客客观观的的学学科科背背景景。协协同同学

41、学（SynergeticsSynergetics），这这一一词词汇汇是是H.HakenH.Haken教教授授从从希希腊腊语中引入的，意思是语中引入的，意思是“合作的科学合作的科学”。3.2.1 协同学的产生及其研究对象协同学的产生及其研究对象协协同同论论是是研研究究在在由由许许多多子子系系统统构构成成的的复复杂杂系系统统中中，子子系系统统是是如如何何通通过过协协作作和和自自组组织织而而形形成成宏宏观观尺尺度度上上的的空空间间、时时间间或或功功能能结结构构。基基本本观观点点是是众众参参量量在在竞竞争争中中产产生生序序参参量量，引导和控制引导和控制整个系统整个系统的发展方向。的发展方向。序序参参量

42、量之之间间、序序参参量量和和其其他他参参量量之之间间通通过过合合作作和和联联合合形形成系统宏观成系统宏观有序状态有序状态。第32页/共72页协协同同学学的的研研究究对对象象是是非非平平衡衡开开放放系系统统中中的的自自组组织织及及形形成的成的有序结构有序结构。由由子子系系统统组组成成的的大大系系统统总总有有一一个个相相对对稳稳定定的的宏宏观观结结构构，是各个子系统是各个子系统相互竞争相互竞争、作用作用而形成的模式。而形成的模式。各各子子系系统统之之间间的的协协同同作作用用与与竞竞争争决决定定着着系系统统从从无无序序到到有有序序的的演演化化过过程程，这这正正是是协协同同学学的的精精髓髓所所在在，也

43、也是是协协同同学学中协同一词的中协同一词的真正真正含义。含义。作作为为协协同同学学研研究究对对象象的的系系统统，当当外外界界的的控控制制参参量量不不断断改改变变时时，在在一一定定条条件件下下会会经经历历一一个个从从无无序序到到有有序序、从从有有序序到有序到有序，从有序到混沌从有序到混沌的演化系列。的演化系列。3.2.1 协同学的产生及其研究对象协同学的产生及其研究对象第33页/共72页3.2.2 城市交通流系统特征分析城市交通流系统特征分析研究对象通常具有以下特征：研究对象通常具有以下特征：系统系统都是都是开放开放的，并且处于的，并且处于远离平衡远离平衡的的非平衡状态非平衡状态。当当某某一一参

44、参量量增增长长到到达达一一定定阈阈值值时时，原原定定态态失失稳稳，出出现现临临界界状状态态，进进而而出出现现新新的的定定态态。过过程程是是自自发发进进行行的的，称称为为自组织自组织，又叫做，又叫做非平衡相变非平衡相变。新新的的定定态态相相对对于于旧旧的的定定态态更更为为有有序序，是是无无序序到到有有序序的的突变，称为非平衡状态下的有序化转变。突变，称为非平衡状态下的有序化转变。系系统统接接近近临临界界点点时时，因因涨涨落落而而偏偏离离定定态态后后，恢恢复复至至定定态态所所需需时时间间（弛弛豫豫时时间间）无无限限增增长长，称称为为“临临界界减减慢慢”现象。现象。新的有序结构靠新的有序结构靠能量流

45、能量流和和物质流物质流来维持。来维持。第34页/共72页城城市市交交通通流流系系统统由由人人、车车、路路、环环境境和和交交通通管管理理等等要要素素组组成成，各各要要素素之之间间相相互互作作用用、相相互互依依赖赖，共共同同构构成成有有机机整体整体，完成人和物的移动。，完成人和物的移动。城市交通流具有如下一些特征城市交通流具有如下一些特征：具具有有开开放放、远远离离平平衡衡的的特特点点，且且交交通通流流中中存存在在各各种种偶偶然然的的、随随机机的的、不不确确定定的的因因素素；系系统统中中存存在在非非线线性性作作用用机制机制，具有形成自组织的条件。，具有形成自组织的条件。系系统统参参数数时时变变，系

46、系统统状状态态难难以以预预测测。城城市市交交通通流流系系统统是是个个复复杂杂的的人人机机系系统统，系系统统参参数数不不能能完完全全测测量量，具具有有很很强强的的随随机机性性。很很多多因因素素影影响响系系统统的的各各类类参参数数，不不仅仅会会随随着着每每天天上上下下班班及及节节假假日日而而发发生生周周期期性性波波动动，还还会会因因为为集集会、交通事故等因素产生不可预料的会、交通事故等因素产生不可预料的偶然性波动偶然性波动。3.2.2 城市交通流系统特征分析城市交通流系统特征分析第35页/共72页 整整体体的的出出行行特特性性在在时时间间和和空空间间上上具具有有相相对对确确定定性性，一一旦旦城城市

47、市布布局局和和道道路路网网络络确确定定，相相应应某某条条道道路路上上的的交交通通流流整整体体特特性性也也基基本本确确定定，这这种种相相对对确确定定性性有有利利于于交交通通流流形形成有序的成有序的自组织自组织结构。结构。当当路路网网上上车车流流量量达达到到一一定定阈阈值值时时，原原定定态态失失稳稳，出出现现临临界界状状态态，进进而而出出现现新新的的定定态态。过过程程是是自自发发进进行行的的，即即自组织自组织的。的。当当系系统统接接近近临临界界点点时时，因因涨涨落落而而偏偏离离定定态态后后，出出现现交交通通拥拥堵堵，恢恢复复至至交交通通畅畅通通的的定定态态所所需需时时间间（弛弛豫豫时时间间）无限增

48、长无限增长，即存在，即存在“临界减慢临界减慢”现象。现象。有有序序结结构构靠靠信信息息流流来来维维持持。即即城城市市交交通通控控制制系系统统与与交交通流诱导系统通流诱导系统向交通流系统中向交通流系统中输入信息输入信息，维持系统稳定。，维持系统稳定。3.2.2 城市交通流系统特征分析城市交通流系统特征分析第36页/共72页对对比比上上述述城城市市交交通通流流系系统统特特征征和和作作为为协协同同学学研研究究对对象象的的系系统统的的共共同同特特征征可可知知，城城市市交交通通流流系系统统特特征征与与协协同同学研究的系统所具有的共同特征学研究的系统所具有的共同特征相合相合。城城市市交交通通流流是是开开放

49、放的的自自组组织织系系统统，其其开开放放性性、非非线线性性、不不平平衡衡性性以以及及内内部部涨涨落落等等特特征征是是协协同同学学理理论论所所强强调调和研究的内容。和研究的内容。协协同同学学研研究究的的对对象象是是非非平平衡衡开开放放系系统统中中的的自自组组织织及及形成的形成的有序有序结构。结构。协协同同学学理理论论为为研研究究ITSITS子子系系统统相相互互作作用用与与相相互互合合作作提提供了有力的供了有力的基础理论基础理论和和方法论思想方法论思想。3.2.2 城市交通流系统特征分析城市交通流系统特征分析第37页/共72页该该理理论论的的学学术术思思想想是是：以以及及时时、全全面面、可可靠靠的

50、的交交通通信信息息及及信信息息共共享享机机制制为为基基础础，建建设设基基于于预预测测型型决决策策的的城城市市交交通通流流诱诱导导系系统统、交交通通控控制制系系统统和和公公共共交交通通系系统统，调调节节交交通通需需求求在在时时间间、空空间间以以及及交交通通方方式式上上的的分分布布状状况况，实实现现交交通通需需求求与与交交通通供供给给的的总总量量平平衡衡，从从而而达达到到缓缓解解或或消除交通拥挤的目的。消除交通拥挤的目的。诱诱导导、控控制制、公公交交协协同同理理论论中中主主要要包包括括3 3种种协协同同关关系系，如图所示。如图所示。3.2.3 车辆诱导、交通控制和公共交通协同理论车辆诱导、交通控制