CN112447047B - 一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，包括以下步骤：确定基于平均速度的修正路段排放模型；确定基于路段供给需求量的动态网络加载方法；基于排放目标的动态用户最优交通排放模型；确定碳支付收费方法，设置基于路段排放阈值的收费模型，对每个路段设置相应的排放阈值，当出行用户通过该路段的排放量超过设定阈值时，需要支付一定的排放费用。本发明建立交通分配模型与车辆排放模型之间的关系，通过该收费方法改变出行者的决策，一定程度上减少出行需求或者在考虑多模式交通分配中促使出行用户选择排放量更少的出行模式，从而降低路网排放。

Description

一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法
技术领域
本发明属于交通领域，涉及一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法。
背景技术
随着人们环保意识的增强，越来越多的人选择绿色出行方式或者绿色出行路径，降低自身出行排放对环境造成的不良影响，甚至可能对自身的出行排放有一定的支付意愿，当然这种支付意愿也有一定限度，但是不管怎么说，出行排放量可以与出行时间一样，作为一种出行成本来约束出行用户的出行决策。尤其是随着车联网的快速发展以及自动驾驶车辆技术的成熟，人们会越来越多的考虑这种出行排放成本，甚至将出行排放成本放在影响出行决策因素的首要位置。因此有必要建立一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，为出行用户的出行决策和交通系统管理者的管理手段提供一定的参考。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，建立交通分配模型与车辆排放模型之间的关系，通过该收费方法改变出行者的决策，一定程度上减少出行需求或者在考虑多模式交通分配中促使出行用户选择排放量更少的出行模式，从而降低路网排放。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，包括以下步骤：
确定基于平均速度的修正路段排放模型；所述修正路段排放模型，以三角形交通流宏观基本图和路段累计到达及离开车辆数为基础，分析拥堵路段车辆的运行轨迹，得到车辆处于不同路段状态下的速度以及对应时间，结合路段不同状态下车辆速度计算在不同速度下的排放率，通过排放率以及车辆通过路段经历不同路段状态的时间得到车辆的路段排放；
确定基于路段供给需求量的动态网络加载模型；所述动态网络加载方法，动态网络加载模型用于描述路网中车流的时空演化关系，以三角形交通流宏观基本图和Lighthill-Whitham-Richards交通流连续模型为基础，动态网络加载模型分为路段子模型和节点子模型，路段子模型表示路段内部车辆运行动态，以守恒方程和交通流宏观参数之间的数学关系为基础，确定路段的需求量和供给量；节点子模型用于确定路网中车流量在节点处的转移以及描述车辆之间的相互作用，对于某一节点相邻的两条路段来说，路段之间的转移流量等于该节点上游路段流向下游路段的最大车辆数；
基于排放目标的动态用户最优交通排放模型；所述动态用户最优交通排放模型，通过动态交通分配中的动态网络加载方法将路段内部状态与路段边界的车辆累计到达-离开曲线结合，使用供给量与需求量描述流量传播关系；采用建立的基于平均速度的修正路段排放模型计算动态网络加载之后外生出的路段排放，进而累加得到外生路径排放，通过路径排放建立基于排放目标的用户最优动态分配模型，设计算法求解；
确定碳支付收费方法；所述碳支付收费方法，考虑用户均衡分配，即相同出行目的的出行用户具有相同的出行成本，设置基于路段排放阈值的收费模型，对每个路段设置相应的排放阈值，当出行用户通过该路段的排放量超过设定阈值时，需要支付一定的排放费用。
进一步的，所述确定基于平均速度的修正路段排放模型具体为：
假设路网中的车辆满足路段先进先出规则，采用三角形交通流宏观基本图描述，数学表达具体为：
Figure BDA0002732229780000031
其中，i表示路段编号，qi为路段i流量，
Figure BDA0002732229780000032
为路段i自由流状态的正向传播速度，在三角形交通流宏观基本图中
Figure BDA0002732229780000033
等于车辆通过路段i时的自由流速度，wi为路段i拥挤状态的反向传播速度，其值为负值，ki为路段i的车辆密度，
Figure BDA0002732229780000034
路段i流量最大时对应的车辆密度，
Figure BDA0002732229780000035
为路段i的堵塞密度，当
Figure BDA0002732229780000036
时，路段处于自由流状态，当kc≤k≤kjam时路段处于拥堵状态。
进一步的，所述车辆的运行轨迹为两种状态具体为：
设路段长度为L，根据三角形交通流宏观基本图，车辆轨迹划分为自由流和拥堵流，路段上游的非拥挤范围为L1，车辆以自由流速度v1行驶，而在路段下游的拥挤范围L2，车辆行驶速度为v2；
所述计算车辆在两种状态下经历的时间具体为：
t时刻进入路段的车辆在λ(t)时刻离开路段，两者之差为车辆的路段通行时间，设t*为状态变化对应时刻，得：
(t*-t)v1+(λ(t)-t*)v2＝L
Figure BDA0002732229780000037
进而得到t时刻从路段i出发的车辆经历的路段非拥挤状态时间T1和经历的路段拥挤状态时间T2：
Figure BDA0002732229780000038
Figure BDA0002732229780000039
其中，v1和v2根据三角形交通流宏观基本图得到，具体为：
Figure BDA0002732229780000041
Figure BDA0002732229780000042
Figure BDA0002732229780000043
其中，路段上游流量qup和路段下游流量qdn都是关于时间t的函数，Ndn(t)为路段下游累计到达量。
进一步的，所述不同速度下的排放率以及车辆的路段排放具体为：
根据排放软件MOBLIE6.2的数据进行函数拟合以及参数矫正，得到基于速度的CO排放率函数：
Eco(v)＝-0.064+0.0056v+0.00026(v-50)2
其中，v为车辆的平均速度；
进而求得t时刻进入路段i的单位车辆的排放量Ei(t)以及研究时间范围[0,T]内所有通过路段车辆的尾气排放总量Ei：
Ei(t)＝Eco(v1)·T1(t)+Eco(v2)·T2(t)
Figure BDA0002732229780000044
Figure BDA0002732229780000045
其中，Nup(t)为路段上游累计到达量。
进一步的，所述确定基于路段供给需求量的动态网络加载方法具体为：
采用供给-需求曲线描述对网络加载模型进行描述：
Figure BDA0002732229780000046
Figure BDA0002732229780000051
其中，Li为路段i长度，
Figure BDA0002732229780000052
和
Figure BDA0002732229780000053
分别为路段上游和下游累计车量数，
Figure BDA0002732229780000054
和
Figure BDA0002732229780000055
分别为路段上游和下游车流量，Di(t)为路段i的下游边界最大流出量，而Si(t)为路段i的上游边界最大流入量；
定义Ni(x,t)为路段i截面x处在t时刻的累积流量，具体为：
Figure BDA0002732229780000056
其中，p∈i表示所有通过路段i的路径集合，Ni(x,t)关于时间t的反函数为
Figure BDA0002732229780000057
即路段i断面x累计车辆数为N的时刻，
Figure BDA0002732229780000058
为路段i上通过路径p的累计车辆数。
进一步的，所述节点子模型具体为：
在路段供给需求模型基础上，保证节点处的流量守恒以及先进先出条件，同时考虑节点处的平均通行能力约束，得到节点子模型：
Figure BDA0002732229780000059
Figure BDA00027322297800000510
Figure BDA00027322297800000511
其中，a和b分别表示路段上游边界和下游边界，Cn-ij表示路权规则在节点处对邻接路段i、j之间流量转移造成的平均通行能力约束；Dij(t)表示节点n的进入路段i为流出路段j分配的需求量；根据需求量比例对路段j的供给量进行分解，Sij(t)表示节点n流出路段j为进入路段i预留供给量；Gij(t)表示路段i向路段j的转移车辆数；
所述路径排放具体为，根据动态网络加载结果计算路段出行排放，对路径经过的所有路段出行排放进行累加得到路径排放Ep(t)：
Figure BDA0002732229780000061
其中，pi表示路径p的第i条路段，τpi表示进入路段pi的时刻。
进一步的，所述确定基于排放目标的动态用户最优交通排放模型具体为：
对于路网中的每个起点与终点对，具有相同起点、目的地及相同的期望到达时间的出行用户通过非合作地选择出发时间和出行路径，使得所有出行用户的广义出行排放成本相等且最小，用户不能单方面改变自己的出行策略以减低自己的广义出行排放成本，称这种状态下的对应出发流模式为基于排放目标的动态用户最优分配，即E-DUO；
设计时间惩罚函数，具体为：
对于给定的出行期望到达事件，对早到时间和迟到时间做出惩罚，设时间惩罚函数为g(t)：
Figure BDA0002732229780000062
其中，α和β为惩罚系数，[Trs-Δrs，Trs+Δrs]为理想到达时刻区间，该区间内到达的出行用户时间惩罚为零；
所述基于排放目标的广义路径出行排放成本具体表示如下：
Figure BDA0002732229780000063
其中，ep(t,f)出发流模式f下所有路径广义出行排放成本构成的向量，Ep(t,f)表示出发流模式f下的路径p的排放量，κ表示时间转换系数，即将时间惩罚转化为排放量；
出发流模式fU(t)＝{fp U(t):p∈P}为E-DUO当且仅当满足：
Figure BDA0002732229780000071
Figure BDA0002732229780000072
其中，Qrs(t)为状态变量，表示起点与终点对w(r,s)之间的车辆累计出发函数。
进一步的，所述E-DUO具体为：
对于一个给定的变分不等式问题，有一个等价的泛函不动点问题与之等价，E-DUO对应的不动点问题为：
FFP(f,Ω'):f＝PΩ'[f-η·e(t,f)]
其中，PΩ’[]表示在Ω’上的最小范数投影，η是一个与收敛相关的任意正数；
不动点问题实质是一个二次最优控制问题，即：
Figure BDA0002732229780000073
进一步的，所述设计算法求解具体为：
设计算法求解变分不等式E-DUO，求解变分不等式E-DUO就是求解一系列的二次最优控制问题，求解算法如下：
网络初始化，令i＝0，选择初始解fi＝f0以及收敛常数η；
迭代更新求解，即fi+1＝PΩ’[fi-ηe(t,fi)]，包括：
根据fi进行流量动态网络加载；根据fi加载结果求路段出行排放，基于排放目标的外生广义路径出行排放e(t,fi)，进而求解二次最优控制问题得到fi+1：
Figure BDA0002732229780000074
算法迭代终止判定，对于给定的迭代误差ε，如果||fi+1-fi||≤ε，则停止迭代且fi +1为E-DUO问题的解，否则令i＝i+1，返回迭代更新求解步骤。
进一步的，所述确定碳支付收费方法具体为：
首先计算路网在E-DUO条件下的均衡出发流模式f，得到一定时间范围内通过某个路段的累计车辆数及该路段总排放，路段车辆数累计车辆数Na等于一定时间范围的终止时刻T时路段的累计离开曲线值,即
Figure BDA0002732229780000081
而路段在一定时间范围内的全部排放TEa通过所述确定基于平均速度的修正路段排放模型步骤求得，得到路段排放阈值capa：
Figure BDA0002732229780000082
根据路段排放阈值得到实际的广义路段出行排放
Figure BDA0002732229780000083
引入排放收费函数F对超过排放阈值部分收费，同时引入排放价值系数ζ用于将收费值转换为对应排放量，得到实际的路段广义出行排放：
Figure BDA0002732229780000084
在迭代求解过程中，用
Figure BDA0002732229780000085
替换E-DUO中的路段出行排放，也就是在考虑出行决策时，出行用户不仅需要考虑出行排放，还要考虑可能存在的排放收费，最终排放阈值下的广义路径出行排放Ep′(t)：
Figure BDA0002732229780000086
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明采用交通流宏观基本图和车辆累计到达-离开曲线描述路段排放，提出了基于平均速度的修正路段排放模型，将车辆在路段上的轨迹划分在不同的路段状态，更加准确地计算车辆通过路段的出行排放。一般来说，车辆的在队列时间对描述车辆路段排放更加重要，而目前计算路段排放时都采用基于平均速度的模型，该模型不能反映车辆在队列时间，即同一平均速度对应多个出行轨迹。基于交通流宏观基本图和车辆累计到达-离开曲线描述车辆轨迹，能反映车辆在路段上处于不同状态下的时间以及速度，从而得到更加精确的结果。
2、本发明方法构建了基于排放目标的动态交通分配模型，在动态交通分配模型中，采用路段需求供给量描述的动态网络加载过程集成，动态交通分配模型也可以采用路段宏观基本图和路段累计到达-离开曲线描述完全描述。宏观基本图与车辆累计到达-离开曲线解释排放模型与交通分配模型的内在联系，使两者在底层交通流模型上达到一致性，集成更加自然合理，满足路网级车辆排放的评估要求。
附图说明
图1是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，包括以下步骤：
S1、确定基于平均速度的修正路段排放模型，具体为：
假设路网中的车辆满足路段先进先出规则，路段采用三角形交通流宏观基本图描述，数学表达为：
Figure BDA0002732229780000101
其中，i表示路段编号，qi为路段i流量，
Figure BDA0002732229780000102
为路段i自由流状态的正向传播速度，在三角形交通流宏观基本图中
Figure BDA0002732229780000103
等于车辆通过路段i时的自由流速度，wi为路段i拥挤状态的反向传播速度，其值为负值，ki为路段i的车辆密度，
Figure BDA00027322297800001011
路段i流量最大时对应的车辆密度，
Figure BDA0002732229780000104
为路段i的堵塞密度，当
Figure BDA0002732229780000105
时，路段处于自由流状态，当kc≤k≤kjam时路段处于拥堵状态。
设路段长度为L，根据三角形交通流宏观基本图，将车辆轨迹划分为自由流和拥堵流两种状态。在路段上游的非拥挤范围L1，车辆以自由流速度v1行驶，而在路段下游的拥挤范围L2，车辆行驶速度为v2，t时刻进入路段的车辆在λ(t)时刻离开路段，两者之差即为车辆的路段通行时间，设t*为状态变化对应时刻，由此可以得到：
(t*-t)v1+(λ(t)-t*)v2＝L
Figure BDA0002732229780000106
进而可以得到t时刻从路段i出发的车辆经历的路段非拥挤状态时间T1和经历的路段拥挤状态时间T2：
Figure BDA0002732229780000107
Figure BDA0002732229780000108
根据三角形交通流宏观基本图，可以得到v1和v2：
Figure BDA0002732229780000109
Figure BDA00027322297800001010
Figure BDA0002732229780000111
其中，路段上游流量qup和路段下游流量qdn都是关于时间t的函数，在不产生混淆情况下简写为qup和qdn，Ndn(t)为路段下游累计到达量。根据排放软件MOBLIE6.2的数据进行函数拟合以及参数矫正，得到了基于速度的CO排放率函数：
Eco(v)＝-0.064+0.0056v+0.00026(v-50)2
其中，v为车辆的平均速度；
进而求得t时刻进入路段i的单位车辆的排放量Ei(t)以及研究时间范围[0,T]内所有通过路段车辆的尾气排放总量E：
Ei(t)＝Eco(v1)·T1(t)+Eco(v2)·T2(t)
Figure BDA0002732229780000112
Figure BDA0002732229780000113
其中Nup(t)为路段上游累计到达量。
S2、确定基于路段供给需求量的动态网络加载方法：
为了使动态网络加载模型与路段排放模型自然集成，采用供给-需求曲线描述对网络加载模型进行描述，具体如下：
Figure BDA0002732229780000114
Figure BDA0002732229780000115
其中，Li为路段i长度，
Figure BDA0002732229780000116
和
Figure BDA0002732229780000117
分别为路段上游和下游累计车量数，
Figure BDA0002732229780000121
和
Figure BDA0002732229780000122
分别为路段上游和下游车流量，Di(t)为路段i的下游边界最大流出量，而Si(t)为路段i的上游便捷最大流入量，定义Ni(x,t)为路段i截面x处在t时刻的累积流量：
Figure BDA0002732229780000123
其中，p∈i表示所有通过路段i的路径集合，Ni(x,t)关于时间t的反函数为
Figure BDA0002732229780000129
即路段i截面x累计车辆数为N的时刻，
Figure BDA0002732229780000124
为路段i上通过路径p的累计车辆数。
在路段供给需求模型基础上，为保证节点处的流量守恒以及先进先出条件，同时考虑节点处的平均通行能力约束，可以得到节点子模型：
Figure BDA0002732229780000125
Figure BDA0002732229780000126
Figure BDA0002732229780000127
其中，a和b分别表示路段上游边界和下游边界，Cn-ij表示路权规则在节点处对邻接路段i、j之间流量转移造成的平均通行能力约束；Dij(t)表示节点n的进入路段i为流出路段j分配的需求量；根据需求量比例对路段j的供给量进行分解，Sij(t)表示节点n流出路段j为进入路段i预留供给量；Gij(t)表示路段i向路段j的转移车辆数。
根据动态网络加载结果可以计算路段出行排放，对路径经过的所有路段出行排放进行累加即可得到路径排放Ep(t)，即：
Figure BDA0002732229780000128
其中，pi表示路径p的第i条路段，τpi表示进入路段pi的时刻。
S3、确定基于排放目标的动态用户最优交通排放模型，具体为：
对于路网中的每个OD对(起点与终点对)，具有相同出行目的(相同起点和目的地及相同的期望到达时间)的出行用户通过非合作地选择出发时间和出行路径，使得所有出行用户的广义出行排放成本相等且最小，没有出行用户可以通过单方面改变自己的出行策略减低自己的广义出行排放成本，称这种状态下的对应出发流模式为基于排放目标的动态用户最优分配(E-DUO)。虽然E-DUO模型是基于排放目标的动态交通分配模型，但该模型描述对象为每个OD对之间具有相同出行目的的出行用户，因此对于给定的出行期望到达时间Trs，必须对早到时间和迟到时间做出惩罚，设时间惩罚函数为g(t)：
Figure BDA0002732229780000131
其中，α和β为惩罚系数，一般情况下早到惩罚系数α小于迟到惩罚系数β，[Trs-Δrs，Trs+Δrs]为理想到达时刻区间，在该时间段内到达的出行用户时间罚项为零。由此可以得到基于排放目标的广义路径出行排放成本：
Figure BDA0002732229780000132
其中，ep(t,f)出发流模式f下所有路径广义出行排放成本构成的向量，Ep(t,f)表示出发流模式f下的路径p的排放量，κ表示时间转换系数，即将时间惩罚转化为排放量。
出发流模式fU(t)＝{fp U(t):p∈P}为E-DUO当且仅当满足：
Figure BDA0002732229780000133
Figure BDA0002732229780000134
其中Qrs(t)为状态变量，表示OD对w(r,s)之间的车辆累计出发函数。对于一个给定的变分不等式问题，一般会有一个等价的泛函不动点问题与之等价，DUO对应的不动点问题为：
FFP(f,Ω'):f＝PΩ'[f-η·e(t,f)]
其中PΩ’[]表示在Ω’上的最小范数投影，η是一个与收敛相关的任意正数。容易得到不动点问题式实质是一个二次最优控制问题，即：
Figure BDA0002732229780000141
由此可以看出求解变分不等式E-DUO就是求解一系列的二次最优控制问题，E-DUO迭代求解算法如下：
Step1：网络初始化。令i＝0，选择初始解fi＝f0以及收敛常数η。
Step2：迭代更新求解，即fi+1＝PΩ’[fi-ηe(t,fi)]。
①根据fi进行流量动态网络加载；
②根据fi加载结果求路段出行排放，由步骤S2和步骤S3可以得到基于排放目标的外生广义路径出行排放e(t,fi)，进而求解二次最优控制问题得到fi+1：
Figure BDA0002732229780000142
Step3：算法迭代终止判定。对于给定的迭代误差ε，如果||fi+1-fi||≤ε，则停止迭代且fi+1为E-DUO问题的解，否则令i＝i+1，返回Step2。
S4、碳支付收费方法确定，具体为：
通过不考虑排放收费下的E-DUO确定排放阈值，首先计算路网在E-DUO条件下的均衡出发流模式f，由此可以得到研究时间范围内通过某个路段的累计车辆数及该路段总排放，由于研究时间范围内路网清空，因此路段车辆数累计车辆数Na等于研究时间终止时刻T时路段的累计离开曲线值,即
Figure BDA0002732229780000143
而路段在研究时段的全部排放TEa可以通过步骤S2求得，由此可以得到路段排放阈值capa：
Figure BDA0002732229780000151
有了路段出行排放阈值，则可以根据阈值得到实际的广义路段出行排放
Figure BDA0002732229780000152
(t)，引入排放收费函数F对超过排放阈值部分收费，同时引入排放价值系数ζ用于将收费值转换为对应排放量，得到实际的路段广义出行排放：
Figure BDA0002732229780000153
在迭代求解过程中，用
Figure BDA0002732229780000154
替换E-DUE中的路段出行排放，也就是在考虑出行决策时，出行用户不仅需要要考虑出行排放，还要考虑可能存在的排放收费，最终排放阈值下的广义路径出行排放Ep′(t)：
Figure BDA0002732229780000155
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定基于平均速度的修正路段排放模型；所述修正路段排放模型，以三角形交通流宏观基本图和路段累计到达及离开车辆数为基础，分析拥堵路段车辆的运行轨迹，得到车辆处于不同路段状态下的速度以及对应时间，结合路段不同状态下车辆速度计算在不同速度下的排放率，通过排放率以及车辆通过路段经历不同路段状态的时间得到车辆的路段排放；
确定基于路段供给需求量的动态网络加载模型；所述动态网络加载模型用于描述路网中车流的时空演化关系，以三角形交通流宏观基本图和Lighthill-Whitham-Richards交通流连续模型为基础，动态网络加载模型分为路段子模型和节点子模型，路段子模型表示路段内部车辆运行动态，以守恒方程和交通流宏观参数之间的数学关系为基础，确定路段的需求量和供给量；节点子模型用于确定路网中车流量在节点处的转移以及描述车辆之间的相互作用，对于某一节点相邻的两条路段来说，路段之间的转移流量等于该节点上游路段流向下游路段的最大车辆数；
基于排放目标的动态用户最优交通排放模型；所述动态用户最优交通排放模型，通过动态交通分配中的动态网络加载模型将路段内部状态与路段边界的车辆累计到达-离开曲线结合，使用供给量与需求量描述流量传播关系；采用建立的基于平均速度的修正路段排放模型计算动态网络加载之后外生出的路段排放，进而累加得到外生路径排放，通过路径排放建立基于排放目标的用户最优动态分配模型，设计算法求解；
确定碳支付收费方法；所述碳支付收费方法，考虑用户均衡分配，即相同出行目的的出行用户具有相同的出行成本，设置基于路段排放阈值的收费模型，对每个路段设置相应的排放阈值，当出行用户通过该路段的排放量超过设定阈值时，需要支付一定的排放费用。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述确定基于平均速度的修正路段排放模型具体为：
假设路网中的车辆满足路段先进先出规则，采用三角形交通流宏观基本图描述，数学表达具体为：
Figure FDA0003221641310000021
其中，i表示路段编号，qi为路段i流量，
Figure FDA0003221641310000022
为路段i自由流状态的正向传播速度，在三角形交通流宏观基本图中
Figure FDA0003221641310000023
等于车辆通过路段i时的自由流速度，ωi为路段i拥挤状态的反向传播速度，其值为负值，ki为路段i的车辆密度，
Figure FDA0003221641310000024
路段i流量最大时对应的车辆密度，
Figure FDA0003221641310000025
为路段i的堵塞密度，当
Figure FDA0003221641310000026
时，路段处于自由流状态，当kc≤k≤kjam时路段处于拥堵状态。
3.根据权利要求2所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述车辆的运行轨迹为两种状态具体为：
设路段长度为L，根据三角形交通流宏观基本图，车辆轨迹划分为自由流和拥堵流，路段上游的非拥挤范围为L1，车辆以自由流速度v1行驶，而在路段下游的拥挤范围L2，车辆行驶速度为v2；
所述计算车辆在两种状态下经历的时间具体为：
t时刻进入路段的车辆在λ(t)时刻离开路段，两者之差为车辆的路段通行时间，设t*为状态变化对应时刻，得：
(t*-t)v1+(λ(t)-t*)v2＝L
Figure FDA0003221641310000027
进而得到t时刻从路段i出发的车辆经历的路段非拥挤状态时间T1和经历的路段拥挤状态时间T2：
Figure FDA0003221641310000028
Figure FDA0003221641310000029
其中，v1和v2根据三角形交通流宏观基本图得到，具体为：
Figure FDA0003221641310000031
Figure FDA0003221641310000032
Figure FDA0003221641310000033
其中，路段上游流量qup和路段下游流量qdn都是关于时间t的函数，Ndn(t)为路段下游累计到达量。
4.根据权利要求3所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述不同速度下的排放率以及车辆的路段排放具体为：
根据排放软件MOBLIE6.2的数据进行函数拟合以及参数矫正，得到基于速度的CO排放率函数：
Eco(v)＝-0.064+0.0056v+0.00026(v-50)2
其中，v为车辆的平均速度；
进而求得t时刻进入路段i的单位车辆的排放量Ei(t)以及研究时间范围[0,T]内所有通过路段车辆的尾气排放总量Ei：
Ei(t)＝Eco(v1)·T1(t)+Eco(v2)·T2(t)
Figure FDA0003221641310000034
Figure FDA0003221641310000035
其中，Nup(t)为路段上游累计到达量。
5.根据权利要求4所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述确定基于路段供给需求量的动态网络加载模型具体为：
采用供给-需求曲线描述对网络加载模型进行描述：
Figure FDA0003221641310000041
Figure FDA0003221641310000042
其中，Li为路段i长度，
Figure FDA0003221641310000043
和
Figure FDA0003221641310000044
分别为路段上游和下游累计车量数，
Figure FDA0003221641310000045
和
Figure FDA0003221641310000046
分别为路段上游和下游车流量，Di(t)为路段i的下游边界最大流出量，而Si(t)为路段i的上游边界最大流入量；
定义Ni(x,t)为路段i截面x处在t时刻的累积流量，具体为：
Figure FDA0003221641310000047
其中，p∈i表示所有通过路段i的路径集合，Ni(x,t)关于时间t的反函数为
Figure FDA0003221641310000048
即路段i断面x累计车辆数为N的时刻，
Figure FDA0003221641310000049
为路段i上通过路径p的累计车辆数。
6.根据权利要求5所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述节点子模型具体为：
在路段供给需求模型基础上，保证节点处的流量守恒以及先进先出条件，同时考虑节点处的平均通行能力约束，得到节点子模型：
Figure FDA00032216413100000410
Figure FDA00032216413100000411
Figure FDA00032216413100000412
其中，a和b分别表示路段上游边界和下游边界，Cn-ij表示路权规则在节点处对邻接路段i、j之间流量转移造成的平均通行能力约束；Dij(t)表示节点n的进入路段i为流出路段j分配的需求量；根据需求量比例对路段j的供给量进行分解，Sij(t)表示节点n流出路段j为进入路段i预留供给量；Gij(t)表示路段i向路段j的转移车辆数；
所述路径排放具体为，根据动态网络加载结果计算路段出行排放，对路径经过的所有路段出行排放进行累加得到路径排放Ep(t)：
Figure FDA0003221641310000051
其中，pi表示路径p的第i条路段，τpi表示进入路段pi的时刻。
7.根据权利要求1所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述确定基于排放目标的动态用户最优交通排放模型具体为：
对于路网中的每个起点与终点对，具有相同起点、目的地及相同的期望到达时间的出行用户通过非合作地选择出发时间和出行路径，使得所有出行用户的广义出行排放成本相等且最小，用户不能单方面改变自己的出行策略以减低自己的广义出行排放成本，称这种状态下的对应出发流模式为基于排放目标的动态用户最优分配，即E-DUO；
设计时间惩罚函数，具体为：
对于给定的出行期望到达事件，对早到时间和迟到时间做出惩罚，设时间惩罚函数为g(t)：
Figure FDA0003221641310000052
其中，α和β为惩罚系数，[Trs-Δrs，Trs+Δrs]为理想到达时刻区间，该区间内到达的出行用户时间惩罚为零；
所述基于排放目标的广义路径出行排放成本具体表示如下：
Figure FDA0003221641310000053
其中，ep(t,f)出发流模式f下所有路径广义出行排放成本构成的向量，Ep(t,f)表示出发流模式f下的路径p的排放量，κ表示时间转换系数，即将时间惩罚转化为排放量；
出发流模式fU(t)＝{fp U(t):p∈P}为E-DUO当且仅当满足：
Figure FDA0003221641310000061
Figure FDA0003221641310000062
其中，Qrs(t)为状态变量，表示起点与终点对w(r,s)之间的车辆累计出发函数。
8.根据权利要求7所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述E-DUO具体为：
对于一个给定的变分不等式问题，有一个等价的泛函不动点问题与之等价，E-DUO对应的不动点问题为：
FFP(f,Ω'):f＝PΩ'[f-η·e(t,f)]
其中，PΩ’[]表示在Ω’上的最小范数投影，η是一个与收敛相关的任意正数；
不动点问题实质是一个二次最优控制问题，即：
Figure FDA0003221641310000063
9.根据权利要求8所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述设计算法求解具体为：
设计算法求解变分不等式E-DUO，求解变分不等式E-DUO就是求解一系列的二次最优控制问题，求解算法如下：
网络初始化，令i＝0，选择初始解fi＝f0以及收敛常数η；
迭代更新求解，即fi+1＝PΩ’[fi-ηe(t,fi)]，包括：
根据fi进行流量动态网络加载；根据fi加载结果求路段出行排放，基于排放目标的外生广义路径出行排放e(t,fi)，进而求解二次最优控制问题得到fi+1：
Figure FDA0003221641310000071
算法迭代终止判定，对于给定的迭代误差ε，如果||fi+1-fi||≤ε，则停止迭代且fi+1为E-DUO问题的解，否则令i＝i+1，返回迭代更新求解步骤。
10.根据权利要求6所述的一种基于动态用户均衡交通分配的碳支付排放收费方法，其特征在于，所述确定碳支付收费方法具体为：
首先计算路网在E-DUO条件下的均衡出发流模式f，得到一定时间范围内通过某个路段的累计车辆数及该路段总排放，路段车辆数累计车辆数Na等于一定时间范围的终止时刻T时路段的累计离开曲线值,即
Figure FDA0003221641310000072
而路段在一定时间范围内的全部排放TEa通过所述确定基于平均速度的修正路段排放模型步骤求得，得到路段排放阈值capa：
Figure FDA0003221641310000073
根据路段排放阈值得到实际的广义路段出行排放
Figure FDA0003221641310000074
引入排放收费函数F对超过排放阈值部分收费，同时引入排放价值系数ζ用于将收费值转换为对应排放量，得到实际的路段广义出行排放：
Figure FDA0003221641310000075
在迭代求解过程中，用
Figure FDA0003221641310000076
替换E-DUO中的路段出行排放，也就是在考虑出行决策时，出行用户不仅需要考虑出行排放，还要考虑可能存在的排放收费，最终排放阈值下的广义路径出行排放Ep′(t)：
Figure FDA0003221641310000077
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