CN110517491A - 一种考虑路径冗余和出行效率的路段重要度排序方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑路径冗余和出行效率的路段重要度排序方法，包括以下步骤：构建路段重要性评估的指标，包括路径冗余度指数和出行效率指数；其中，路段的路径冗余度指数是指，在该路段失效前后，均衡状态下路网中所有OD对之间可行合理路径数量的变化率；路段的出行效率指数是指，在该路段失效前后，个体出行效率的相对下降率；采用基于可行合理路径的随机用户分配，计算路网中各路段的重要性评估指标值；根据各路段的重要性评估指标值以及每种重要性评估指标的权重，计算各路段的重要度并进行重要度排序。本发明可为识别城市交通网络的重要路段提供理论依据，尽可能减少交通管理与规划方案制定的盲目性，有效提高城市交通管理决策水平。

Description

一种考虑路径冗余和出行效率的路段重要度排序方法

技术领域

本发明涉及城市道路交通规划与管理领域，具体是指一种城市道路路网交通规划与管理领域。

背景技术

城市路网是保障城市功能正常发挥以及支撑城市经济社会可持续发展的重要基础设施，其结构是否合理、功能是否清晰、通行能力是否可靠，是决定城市交通稳健运行的关键。在城市中心区路网结构基本成型、机动车保有量逐年递增、周边用地性质趋于稳定的背景下，当部分路段交通功能失效后极易造成路网大面积拥堵甚至全面瘫痪，尤其重要的是，若某一节点或路段的重要度越高，其失效所造成的交通拥堵将越严重。在开展路网升级改造或制定交通管理政策与措施时，有必要优先考虑重要度较大的路段和节点，以充分发挥投资效益并规避风险。

传统的路段重要性评估方法主要从路网拓扑结构、连通性以及脆弱性等视角对路段重要性进行考量，并未系统地从交通出行者的角度对路段重要性进行评价。目前关于路段重要性的成果主要有：鲁光泉等提出的“一种基于贪心算法的城市道路路网最优修复时序方案”(CN105303818A)，秦勇提出的“一种基于时空属性的交通路网节点重要度测算方法”(CN106530687A)，王云鹏提出的“一种考虑路段关键度的城市区域路网运行状态评价方法”(CN107248283A)等。关于路网状态评估的成果主要有：荣建等提出的“基于浮动车数据的宏观路网交通状态评价方法”(CN 101794507A)，杨晓光等提出的“基于浮动车数据评估城市路网交通状态的方法”(CN 101373559A)，贾利民等提出的“基于实测的城市道路交通区域服务水平评估系统及方法”(CN 101656020A)。这些技术的主要特点和缺陷包括：(1)对路网交通流特性的考虑较少，评估结果不够准确合理，更缺少对个体出行路径选择多样性以及个体出行效率的关注；(2)缺少对交通路网路径冗余的研究，无法度量路段失效前后出行者路径选择数量以及出行效率的变化；(3)基于调查数据选择路网性能评价指标和方法，在此基础上评估路网运行整体状态和服务质量，由于数据采集手段、评估指标、评估方法均存在差异，评价结果的一致性也未得到证实。

发明内容

基于背景技术中传统路段重要性评估方法所存在的缺陷，本发明提出一种用于评估路段重要性的方法，为识别关键路段提供理论依据，尽可能减少交通管理与规划方案制定的盲目性，有效提高城市交通管理决策水平。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑路径冗余和出行效率的路段重要度排序方法，包括以下步骤：

步骤1，构建路段的重要性评估指标：路径冗余度指数和出行效率指数；

其中，路段的路径冗余度指数是指，在该路段失效前后，均衡状态下路网中所有OD对之间可行合理路径数量的变化率；路段的出行效率指数是指，在该路段失效前后，均衡状态下路网的个体出行效率的相对下降率；

步骤2，针对每个路段，均采用随机用户均衡分配的方法，获取路网所有OD对之间在各路段失效前后的可行合理路径数量和个体出行效率，并计算路网中各路段的重要性评估指标值；

步骤3，根据步骤2得到的各路段的重要性评估指标值以及每种重要性评估指标的预设权重，计算各路段的重要度并进行重要度排序。

本方案构建的路段重要性评估指标，包括路径冗余度指数和出行效率指数，从交通出行者的角度对路段重要性进行评价，具有代表性、客观性和可获得性；通过对两个重要性评估指标加权计算重要度，考虑了流量重分配、出行者路径选择行为和路径搜索的联合效应，其结果可以为交通管理者制定拥堵防控策略提供理论支撑，有效提升道路等级、完善路网结构或交通需求管理措施等，更符合路网运行管理的实际需求。

同时，通过合理设置每种重要性评估指标的权重，可从另一角度判断路网中各路段的冗余性。

进一步地，所述路径冗余度指数ε的计算公式为：

式中，a为路网中的路段，A为所有路段的集合，w为路网中的一个OD对，ε_a为路段a的路径冗余度指数，△_a为路段a的路径冗余度，和分别为OD对w之间在路段a失效前、后的可行合理路径的数量。

进一步地，所述出行效率指数β的计算公式为：

式中，Q为路网G的总需求，β_a为路段a的出行效率指数，和分别表示路段a在均衡状态下的路段流量和路段阻抗，E(G,Q)表示路网G的个体出行效率，E(G-a,Q)表示路网G中删除路段a后剩余网络G-a的个体出行效率，b表示剩余网络G-a的路段集合{A-a}中的路段。

进一步地，所述步骤2获取路网所有OD对之间在该路段失效前后的可行合理路径数量和个体出行效率的具体过程为：

步骤A0，初始化：获取各路段的自由流阻抗并基于各路段的自由流阻抗计算路网中每个OD对w之间每条路径k的自由流阻抗然后采用K最短路径搜索方法获得路网中每个OD对之间对应的可行合理路径集合并分别执行一次路网随机加载，获取各路段的流量其中，令迭代次数n＝1；

步骤A1，更新路段阻抗：根据各路段的流量采用BPR函数更新各路段的阻抗为其中c_a为路段a的通行能力，κ和υ为BPR函数的参数；

步骤A2，确定搜索方向：基于步骤A1更新得到的各路段阻抗按步骤A0的方法获取各路段的辅助流量

步骤A3，更新路段流量：采用二次加权平均方法更新各路段的流量

步骤A4，判断迭代终止条件：当满足迭代终止条件时，停止迭代计算；否则，令n＝n+1，转入步骤A1继续进行迭代计算；其中ξ为预设的收敛精度；

步骤A5，对各个OD对w，计算路段a失效前的可行合理路径数量以及路网G在路段a失效前的网络效率E(G,Q)：

上式中，运算符号||表示求集合的势；和分别表示均衡路段的流量和阻抗；

步骤A6，删除路网中的路段a，重复步骤A0至步骤A4，按照步骤5的方法计算各OD对之间在路段a失效后的可行合理路径数量以及路网G在路段a失效后的网络效率E(G-a,Q)；

步骤A7，判断路网中的所有路段是否均执行步骤A6：若是，则结束计算，否则针对剩余路段执行步骤A6。

本方案从个体出行效率及路网冗余度的角度，建立评估路段重要性的新指标，采用基于可行合理路径的随机用户均衡模型获取参数，以计算路径冗余度指数和出行效率指数评价值，模型集成了流量分配和路径搜索两大功能，能实现大规模交通网络的路段重要性识别。

进一步地，OD对w之间路径k的阻抗的计算方法均为：

式中，n＝0表示自由流条件；表示值为0或1的变量，如果路段a是OD对w之间的路径k上的路段，则否则

所述K最短路搜索方法获得路网中每个OD对之间对应的可行合理路径集合为：其中为OD对w之间最短路径的阻抗值，τ_w为OD对w之间的容忍系数；

在执行路网随机加载后，可获得OD对w之间各可行合理路径在第n次迭代的流量且各路段的流量的计算公式为：

进一步地，在步骤3计算各路段的重要度之前，还需要对步骤2计算得到的各路段的重要性评估指标值进行z-score标准化处理。

本方案对路径冗余度指数和出行效率指数这两个重要度评估指标进行标准化和综合加权，可结合个体出行径选择的多样性和人均出行时耗的变化来衡量路段的重要程度。

进一步地，所述路径冗余度指数和出行效率指数的权重比为0:1、1:1或1:0。

有益效果

本方案构建的路段重要性评估指标，包括路径冗余度指数和出行效率指数，从交通出行者的角度对路段重要性进行评价，具有代表性、客观性和可获得性；通过对两个重要性评估指标加权计算重要度，考虑了流量重分配、出行者路径选择行为和路径搜索的联合效应，其结果可作为交通管理者制定拥堵防控策略提供理论支撑，拥堵防控策略的制定提供理论支撑，有效提升道路等级、完善路网结构或交通需求管理措施等，更符合路网运行管理的实际需求。同时，通过合理设置每种重要性评估指标的权重，可从另一角度判断路网中各路段的冗余性。

附图说明

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为本发明实施例的Nguyen-Dupuis测试网络图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

本发明提供的一种考虑考虑路径冗余和出行效率的路段重要度排序方法，包括以下步骤：

步骤1，构建路段的重要性评估指标：路径冗余度指数ε_a和出行效率指数β_a。

其中，路径冗余度指数ε_a的计算公式为：

式中，a为路网中的某一条路段，A为路网中所有路段的集合，w为路网中的一个OD对，ε_a为路段a的路径冗余度指数，△_a为路段a的路径冗余度，和分别为在路段a失效前、后OD对w之间可行合理路径的数量。OD对，即起讫点对，是指起点Origin与终点Destination形成的节点组合。

由上述路径冗余度指数的计算公式可知，路段的路径冗余度体现为：在该路段失效前后，路网在均衡状态下所有OD对之间可行合理路径数量的改变程度；路段的路径冗余度指数体现为：在该路段失效前后，均衡状态下路网中所有OD对之间可行合理路径数量的变化率。某路段的路径冗余度指数取值越大，表示该路段中断后可替代的出行路径越少，该路段的失效对个体出行路径选择的影响程度越大。

出行效率指数的计算公式为：

式中，G表示路网，Q为路网G的总需求，β_a为路段a的出行效率指数，和分别表示路段a在均衡状态下的路段流量和路段阻抗。

由上述出行效率指数的计算公式可知，路段的出行效率是指，在路网均衡状态下人均出行时耗的相反数；路段的出行效率指数，为该路段失效前后个体出行效率的相对下降率，由于为负值，故某路段失效后的出行效率指数越小，表明该路段对出行效率的影响越大，对路网而言该路段就越重要。

步骤2，采用基于可行合理路径的随机用户分配的方法，获取路网所有OD对之间在各路段失效前后的可行合理路径数量和个体出行效率，并计算路网中各路段的重要性评估指标值，具体步骤为：

步骤A0，初始化：基于路段自由流阻抗采用公式计算OD对w之间各路径的自由流阻抗，其中k表示某一条路径，为0-1变量，如果路段a是OD对w之间某一条路径k上的某一段，则取值为1，否则取值为0；定义OD对w之间的可行合理路径集合为其中τ_w为OD对w之间的容忍系数，为自由流条件下OD对w之间最短路径的阻抗值；采用K最短路搜索技术获得各个OD对之间的可行合理路径集合，对各个OD对，基于其可行合理路径集合分别执行一次网络随机加载，获得OD对w之间各可行合理路径的初始流量再根据路段流量与路径流量之间的相互关系计算各路段的流量，令迭代次数n＝1。

步骤A1，更新路段阻抗：根据各路段的流量采用BPR函数更新各路段的阻抗为其中c_a为路段a的通行能力，κ和υ为BPR函数的参数。

步骤A2，确定搜索方向：基于更新后的路段阻抗采用公式更新第n次迭代时OD对w之间各路径的阻抗；重新定义OD对w之间的可行合理路径集合为其中为第n次迭代时OD对w之间最短路径的阻抗值；在得到各OD对之间的可行合理路径集合后，对各个OD对，基于其可行合理路径集合分别执行一次网络随机加载，获得OD对w之间各可行合理路径的辅助流量根据路段流量与路径流量之间的相互关系计算各路段的辅助流量，

步骤A3，更新路段流量：采用二次加权平均方法更新各路段的流量为，

步骤A4，判断迭代终止条件：当迭代终止条件(ξ为预设的收敛精度)满足时，则路网达到均衡状态，停止迭代计算，获得均衡状态下各OD对w之间的可行合理路径数量均衡路段流量和均衡路段阻抗否则，令n＝n+1，转入步骤A1继续进行迭代计算，直到满足收敛条件为止。

步骤A5，对各个OD对w，计算路段a失效前的可行合理路径数量以及路网G在路段a失效前的网络效率E(G,Q)：

步骤A6，删除路网中的路段a，重复步骤A0至步骤A4，计算路段a删除后各OD对之间的可行合理路径数量以及路网在路段a删除后的网络效率E(G-a,Q)，并按以下公式计算路段a的路径冗余度指数ε_a及出行效率指数β_a：

步骤A7，判断路网中的路段是否逐一删除，若是，则结束计算，否则转入A6。

步骤2.5，对步骤2计算得到的各路段重要度评估指标值进行z-score标准化处理。

步骤3，根据标准化处理后得到的各路段的重要度评估指标值，以及每种重要度评估指标的权重，计算各路段的重要度并进行重要度排序；

其中，路径冗余度指数和出行效率指数的权重比，可以根据实际情况设置为0:1、1:1、1:0或其他指定权重。

实施例

本实施例采用如图2所示的Nguyen-Dupuis网络(一种特定测试网络)进行测试，图中路段上的数字为路段编号。共考虑4个OD对，各OD对的需求分别为：Q₁₂＝800(pcu/h)、Q₁₃＝600(pcu/h)、Q₄₂＝800(pcu/h)、Q₄₃＝600(pcu/h)；基于可行合理路径的随机用户均衡模型中的参数表示出行者对路网的熟悉程度，取值为0.1；各OD对的容忍系数取τ＝1.4；BPR函数的参数取为κ＝0.15，υ＝4。测试网络各路段的自由流出行时间、通行能力等信息如表1：

表1路段特性参数

为验证本发明方法构建的路段重要性评价指标的可行性和优势，首先通过基于可行合理路径的随机用户均衡模型对路网进行流量分配，得出路网中某路段在失效前后流量、阻抗以及可行合理路径数量的变化。根据指标定义与公式可计算出各路段路径冗余度指数和出行效率指数，进行z-score标准化处理，再对指标赋予相应的权重，综合得出综合评价值，路径冗余度指数与出行效率指数的权重比分别取0:1、1:1和1:0，结果如表2和3所示。

表2各路段冗余度指数和出行效率指数统计表

表3各路段重要性指标综合评价统计表

从表3可以看出，连接各OD对作用点的路段失效后容易造成邻接路段流量和阻抗的急剧增加，因此相关指数的变化幅度相对较大。网络中各路段正常运行情况下路网总阻抗为190414，当路段失效后，路网总阻抗和路径阻抗呈上升趋势，说明路段失效会对交通网络造成拥堵影响。

由表2可知路段4和18路径冗余度指数为0，表示其失效后对路网可行合理路径没有影响，但改变了出行效率。

由表3可知，三种不同权重下路段3综合指数最大，为路网关键路段，其失效对测试网络的影响最大。而路段8、9、17、18综合指数相对较小，其路段重要性相对较弱。

进一步考察需求结构对路段重要性的影响，当各OD需求增大至[1000；800；1000；800]时，路段失效后可行合理路径数量和出行时间增加，导致路径冗余度指数和出行效率指数增大，对路段重要性排序造成一定影响。但当需求较大时，路段通行能力无法满足OD需求条件，则路网将处于崩溃状态，当需求较小，路段通行能力过剩，则路网将不受路径影响进行流量分配。不同OD需求下，根据路径冗余度指数与出行效率指数比例对路段重要性进行排序如下表所示：

表4不同OD需求下路段重要性排序

表4为需求增大后路段重要性变化，可知路段3为网络中的关键路段，而路段17、18对路网影响程度较小。从网络拓扑结构角度分析，路段3是该网络中的关键路段，是OD对4-2和4-3的主要连接通道，其次连接起讫点的路段(除路段4)，其排序均靠前。而路段4由于只影响两条路径的通行，因此其作用相对较小。路段8、10、17和18失效后，对路径数量和出行效率影响较小，因此重要程度较低。综合上述分析，通过基于可行合理路径的随机分配模型可得出交通网络路段的重要程度且结果符合要求。在实际道路中，可选取合适的路径冗余度指数与出行效率指数权重对现状路网进行评估，其结果可作为改善路网交通状况的依据。不仅如此，在某路段失效后，该模型可通过模拟得出OD对间的最优路径，能够及时对车流进行引导，避免交通堵塞的进一步扩大。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种考虑路径冗余和出行效率的路段重要度排序方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建路段的重要性评估指标：路径冗余度指数和出行效率指数；

其中，路段的路径冗余度指数是指，在该路段失效前后，均衡状态下路网中所有OD对之间可行合理路径数量的变化率；路段的出行效率指数是指，在该路段失效前后，均衡状态下路网的个体出行效率的相对下降率；

步骤2，针对每个路段，均采用随机用户均衡分配的方法，获取路网所有OD对之间在各路段失效前后的可行合理路径数量和个体出行效率，并计算路网中各路段的重要性评估指标值；

步骤3，根据步骤2得到的各路段的重要性评估指标值以及每种重要性评估指标的预设权重，计算各路段的重要度并进行重要度排序。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路径冗余度指数ε的计算公式为：

式中，a为路网中的路段，A为所有路段的集合，w为路网中的一个OD对，ε_a为路段a的路径冗余度指数，△_a为路段a的路径冗余度，和分别为OD对w之间在路段a失效前、后的可行合理路径的数量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述出行效率指数β的计算公式为：

式中，Q为路网G的总需求，β_a为路段a的出行效率指数，和分别表示路段a在均衡状态下的路段流量和路段阻抗，E(G,Q)表示路网G的个体出行效率，E(G-a,Q)表示路网G中删除路段a后剩余网络G-a的个体出行效率，b表示剩余网络G-a的路段集合{A-a}中的路段。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2获取路网所有OD对之间在该路段失效前后的可行合理路径数量和个体出行效率的具体过程为：

步骤A0，初始化：获取各路段的自由流阻抗并基于各路段的自由流阻抗计算路网中每个OD对w之间每条路径k的自由流阻抗然后采用K最短路径搜索方法获得路网中每个OD对之间对应的可行合理路径集合并分别执行一次路网随机加载，获取各路段的流量其中，令迭代次数n＝1；

步骤A1，更新路段阻抗：根据各路段的流量采用BPR函数更新各路段的阻抗为其中c_a为路段a的通行能力，κ和υ为BPR函数的参数；

步骤A2，确定搜索方向：基于步骤A1更新得到的各路段阻抗按步骤A0的方法获取各路段的辅助流量

步骤A3，更新路段流量：采用二次加权平均方法更新各路段的流量

步骤A4，判断迭代终止条件：当满足迭代终止条件时，停止迭代计算；否则，令n＝n+1，转入步骤A1继续进行迭代计算；其中ξ为预设的收敛精度；

步骤A5，对各个OD对w，计算路段a失效前的可行合理路径数量以及路网G在路段a失效前的网络效率E(G,Q)：

上式中，运算符号||表示求集合的势；和分别表示均衡路段的流量和阻抗；

步骤A6，删除路网中的路段重复步骤A0至步骤A4，按照步骤5的方法计算各OD对之间在路段a失效后的可行合理路径数量以及路网G在路段a失效后的网络效率E(G-a,Q)；

步骤A7，判断路网中的所有路段是否均执行步骤A6：若是，则结束计算，否则针对剩余路段执行步骤A6。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，OD对w之间路径k的阻抗的计算方法均为：

式中，n＝0表示自由流条件；表示值为0或1的变量，如果路段a是OD对w之间的路径k上的路段，则否则

所述K最短路搜索方法获得路网中每个OD对之间对应的可行合理路径集合为：其中为OD对w之间最短路径的阻抗值，τ_w为OD对w之间的容忍系数；

在执行路网随机加载后，可获得OD对w之间各可行合理路径在第n次迭代的流量且各路段的流量的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3计算各路段的重要度之前，还需要对步骤2计算得到的各路段的重要性评估指标值进行z-score标准化处理。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述路径冗余度指数和出行效率指数的权重比为0:1、1:1或1:0。