CN112613681A - 一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法,其包括根据路网总体运行状况及养护年度资金规划,以及能耗和平整度线性关系,获取初始路网和资金约束下路网总车辆能耗最低的养护方案;构建路面平整度影响的广义费用函数,建立养护期间因路面平整度变化和交通中断而引起的能源消耗模型,获取不同方案中因养护中断交通造成拥堵和车辆行驶里程增加而产生的油耗增加;构建路网低能耗的养护决策优化双层规划模型;经过有限次迭代后收敛,获得年度资金约束下的路网养护方案。本发明充分考虑了平整度对车辆能耗的影响,以及养护封道施工期间路网容量减少而造成的额外车辆能耗,在满足路面使用性能的要求下,降低路网全生命周期中的能源消耗。
Description
技术领域
本发明涉及优化领域,尤其涉及一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法。
背景技术
路面养护方案优化是为公路管理部门提供合理分配和使用有限资金的决策依据,是在确定的预算资金下,以使用性能水平为约束或使用性能效果提升最大为目标,优化路网内各路段的养护方案。目前的路面养护方案优化方法大多都是以路面使用性能、结构强度或者使用寿命等作为养护效益的评价指标,本发明在此基础上,提出一种保护生态的养护方案优化方法,以使车辆在养护的路网中运行时油耗最小。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的在于提供一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法,其包括:
S1,获取路网的道路状况信息;
S2,获取所述路网的养护项目以及所述养护项目对应的费用;
S3,获取所述路网的年度养护资金规划;
S4,构建路面使用性能标准衰变模型,所述模型用于反映S2中的养护项目对路面状况变化的影响;
S5,构建路面平整度影响的广义BPR函数:
式中,c(x)表示路段的广义费用,ck表示路段的成本,δ表示单位长度的运营成本,L表示路段长度,表示时间价值常量参数,t0表示路段上自由流行驶时间,α和β表示预设的常量参数,q表示路段上的交通量,C表示路段的通行能力,即所述路段上的断面在单位时间内可通过最大的车辆数;
S6,对初始状态下的路网进行交通分配得到初始路网流量,通过0-1整数规划问题的求解,获取步骤S3中的年度养护资金规划约束下的养护项目安排方式:
建立使得开始养护后路网运行中的总的车辆油耗最低的目标函数f1:
所述年度养护资金规划约束如下:
式中,gi指在S2中的养护项目下,路段i运行中的车辆的在预设的时间周期内的总油耗;Mi为路段i的养护费用;y为年预算资金;n为路段的总数;Xi为一个布尔量,当路段i采用养护策略时,Xi的值为1,否则Xi的值为0;
在所述目标函数f1中,gi的计算公式如下:
gi=pi×Oi×Li
Oi=11.299+0.233(IRIi-ΔIRIi×Xij)
式中,pi表示路段i的交通量;Oi表示为路段i上单车的百公里油耗;IRIi表示路段i的初始路面平整度;Li表示路段i的长度;Xij是一个布尔量,当路段i采用养护策略j时,Xij=1,否则Xij=0;ΔIRIij表示路段i采用养护策略j时的路面平整度提升量;
S7,根据S6中的养护项目安排方式,使用S4对路面状况进行改变;
S8,在S7中确定的养护项目安排方式下,调整路网状态,进行随机用户平衡的分配模型,得到养护后的路网各个路段的流量:
建立目标函数:
上述目标函数的约束条件为:
pi≥0
用户均衡路径选择原则表达:
式中,minZ(x)表示基于logit的SUE问题的数学表达式,pi表示路段i的交通量;ci(x)表示路段i的广义费用;表示连接od对r、s的第k条路径的路径流量;qrs表示连接od对r、s的所有路径的路径流量的总和;表示od对r、s间的流量选择第k条路径的比例;若连接od对r、s的第k条路径使用路段a,则值为1,否则值为0;表示连接od对r、s的第k条路径的费用;α表示参数值与理解误差之间的比例关系;j表示养护策略;
S9,根据S8中的路网状态以及路网流量,计算S6中的目标函数的值;
S10,迭代步骤S6-S9,使得S6中的目标函数收敛,从而得到最优的养护项目安排方式。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明充分考虑了平整度对车辆能耗的影响,以及养护封道施工期间路网容量减少而造成的额外车辆能耗,建立双层规划模型合理地分配有限的养护资金,在满足路面使用性能的要求下,降低路网全生命周期中的能源消耗。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明,但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制,对于本领域的普通技术人员,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1,为本发明一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法的一种示例性实施例图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
如图1中的实施例所示,本发明提供了一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法,其包括:
S1,获取路网的道路状况信息;
S2,获取所述路网的养护项目以及所述养护项目对应的费用;
S3,获取所述路网的年度养护资金规划;
S4,构建路面使用性能标准衰变模型,所述模型用于反映S2中的养护项目对路面状况变化的影响;
S5,构建路面平整度影响的广义BPR函数:
式中,c(x)表示路段的广义费用,ck表示路段的成本,δ表示单位长度的运营成本,L表示路段长度,表示时间价值常量参数,t0表示路段上自由流行驶时间,α和β表示预设的常量参数,q表示路段上的交通量,C表示路段的通行能力,即所述路段上的断面在单位时间内可通过最大的车辆数;
S6,对初始状态下的路网进行交通分配得到初始路网流量,通过0-1整数规划问题的求解,获取步骤S3中的年度养护资金规划约束下的养护项目安排方式:
建立使得开始养护后路网运行中的总的车辆油耗最低的目标函数f1:
所述年度养护资金规划约束如下:
式中,gi指在S2中的养护项目下,路段i运行中的车辆的在预设的时间周期内的总油耗;Mi为路段i的养护费用;y为年预算资金;n为路段的总数;Xi为一个布尔量,当路段i采用养护策略时,Xi的值为1,否则Xi的值为0;
在所述目标函数f1中,gi的计算公式如下:
gi=pi×Oi×Li
Oi=11.299+0.233(IRIi-ΔIRIi×Xij)
式中,pi表示路段i的交通量;Oi表示为路段i上单车的百公里油耗;IRIi表示路段i的初始路面平整度;Li表示路段i的长度;Xij是一个布尔量,当路段i采用养护策略j时,Xij=1,否则Xij=0;ΔIRIij表示路段i采用养护策略j时的路面平整度提升量;
S7,根据S6中的养护项目安排方式,使用S4对路面状况进行改变;
S8,在S7中确定的养护项目安排方式下,调整路网状态,进行随机用户平衡的分配模型,得到养护后的路网各个路段的流量:
建立目标函数:
上述目标函数的约束条件为:
pi≥0
用户均衡路径选择原则表达:
式中,minZ(x)表示基于logit的SUE问题的数学表达式,pi表示路段i的交通量;ci(x)表示路段i的广义费用;表示连接od对r、s的第k条路径的路径流量;qrs表示连接od对r、s的所有路径的路径流量的总和;表示od对r、s间的流量选择第k条路径的比例;若连接od对r、s的第k条路径使用路段a,则值为1,否则值为0;表示连接od对r、s的第k条路径的费用;α表示参数值与理解误差之间的比例关系,参数值很大时,大多数人选择最小时间路径;相反,当参数值很小时,理解误差就很大,意味着一些人将选择时间长的路径;j表示养护策略;
S9,根据S8中的路网状态以及路网流量,计算S6中的目标函数的值;
S10,迭代步骤S6-S9,使得S6中的目标函数收敛,从而得到最优的养护项目安排方式。
一个路径,对应了不同的路段。不同的路段,组成了路网。路网流量是路网中所有路段的交通流量。
优选地,所述道路状况信息包括交通量、结构强度、路面厚度、环境条件、使用年份和设计寿命。
优选地,所述年度养护资金规划包括资金约束。
优选地,对初始状态下的路网进行交通分配得到初始路网流量,包括:
根据初始O-D矩阵、路网网络文件以及路段的属性,利用TransCAD进行路网交通分配,得到初始路网流量。
优选地,使用S4对路面状况进行改变,包括:
若路段i进行养护,则使用S4中的路面使用性能标准衰变模型对路段i的路面状况进行提升。
在规划期内,我们把每一年看作一个分析阶段,这样在任一阶段,针对路网的具体状况,可以采用不同的养护策略,每种养护策略对应着不同的养护效果和养护费用。在下一阶段,路网状况是与上一阶段的养护策略有联系的,同时在这一阶段又可以有不同的养护策略,其效果又对以后各阶段相联系。
具体来说,路面在使用过程中,其使用性能会随着时间和行车荷载作用次数的增加而逐渐变坏,当变坏到一定程度时管理部门必须给予养护改建,使其使用性能恢复到一定的服务水平。随着再次投入使用,路面各项性能又会再养护改建后的基础上逐渐变坏,这一规律可以用“衰变—恢复(养护)—衰变—恢复(养护)—……—衰变”来表示。
对于整个路网来说,路网总油耗可以表示为路网中各个路段的油耗之和,而每一个路段的油耗等于路段交通量与路段单车油耗的乘积。
采用广义费用模型对路网进行交通分配时,部分道路平整度的变化会使得路网交通流量重分配。因此路段流量pi的值会随着养护方案的不同而变化,且其变化规律无法用函数表达式表示,它和路网属性、路阻函数、O-D矩阵、分配方式都有密不可分的联系。
因此,对于路网低能耗运行的优化目标来说,其最大的养护效益可以理解为项目养护之后路网运行中的总的车辆油耗最低。
将S6中的目标函数记为上层模型,将S8中的目标函数记为下层模型;上层模型决定了项目是否养护的0-1整数变量Xij的组合,同时成为下层模型的输入变量。下层模型在确定的养护组合下,调整路网状态,进行随机用户平衡的分配模型,得到养护后的路网各个路段的流量,同时返回上层模型。上层模型再根据确定的项目是否养护的0-1整数变量Xij的组合以及路网的路段流量,计算路网运行中的油耗,迭代求解适合的养护方案。
本发明充分考虑了平整度对车辆能耗的影响,以及养护封道施工期间路网容量减少而造成的额外车辆能耗,建立双层规划模型合理地分配有限的养护资金,在满足路面使用性能的要求下,降低路网全生命周期中的能源消耗。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法,其特征在于,其包括:
S1,获取路网的道路状况信息;
S2,获取所述路网的养护项目以及所述养护项目对应的费用;
S3,获取所述路网的年度养护资金规划;
S4,构建路面使用性能标准衰变模型,所述模型用于反映S2中的养护项目对路面状况变化的影响;
S5,构建路面平整度影响的广义BPR函数:
式中,c(x)表示路段的广义费用,ck表示路段的成本,δ表示单位长度的运营成本,L表示路段长度,表示时间价值常量参数,t0表示路段上自由流行驶时间,α和β表示预设的常量参数,q表示路段上的交通量,C表示路段的通行能力,即所述路段上的断面在单位时间内可通过最大的车辆数;
S6,对初始状态下的路网进行交通分配得到初始路网流量,通过0-1整数规划问题的求解,获取步骤S3中的年度养护资金规划约束下的养护项目安排方式:
建立使得开始养护后路网运行中的总的车辆油耗最低的目标函数f1:
所述年度养护资金规划约束如下:
式中,gi指在S2中的养护项目下,路段i运行中的车辆的在预设的时间周期内的总油耗;Mi为路段i的养护费用;y为年预算资金;n为路段的总数;Xi为一个布尔量,当路段i采用养护策略时,Xi的值为1,否则Xi的值为0;
在所述目标函数f1中,gi的计算公式如下:
gi=pi×Oi×Li
Oi=11.299+0.233(IRIi-ΔIRIi×Xij)
式中,pi表示路段i的交通量;Oi表示为路段i上单车的百公里油耗;IRIi表示路段i的初始路面平整度;Li表示路段i的长度;Xij是一个布尔量,当路段i采用养护策略j时,Xij=1,否则Xij=0;ΔIRIij表示路段i采用养护策略j时的路面平整度提升量;
S7,根据S6中的养护项目安排方式,使用S4对路面状况进行改变;
S8,在S7中确定的养护项目安排方式下,调整路网状态,进行随机用户平衡的分配模型,得到养护后的路网各个路段的流量:
建立目标函数:
上述目标函数的约束条件为:
pi≥0
用户均衡路径选择原则表达:
式中,minZ(x)表示基于logit的SUE问题的数学表达式,pi表示路段i的交通量;ci(x)表示路段i的广义费用;表示连接od对r、s的第k条路径的路径流量;qrs表示连接od对r、s的所有路径的路径流量的总和;表示od对r、s间的流量选择第k条路径的比例;若连接od对r、s的第k条路径使用路段a,则值为1,否则值为0;表示连接od对r、s的第k条路径的费用;α表示参数值与理解误差之间的比例关系;j表示养护策略;
S9,根据S8中的路网状态以及路网流量,计算S6中的目标函数的值;
S10,迭代步骤S6-S9,使得S6中的目标函数收敛,从而得到最优的养护项目安排方式。
2.根据权利要求1所述的一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法,其特征在于,所述道路状况信息包括交通量、结构强度、路面厚度、环境条件、使用年份和设计寿命。
3.根据权利要求1所述的一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法,其特征在于,所述年度养护资金规划包括资金约束。
4.根据权利要求1所述的一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法,其特征在于,对初始状态下的路网进行交通分配得到初始路网流量,包括:
根据初始O-D矩阵、路网网络文件以及路段的属性,利用TransCAD进行路网交通分配,得到初始路网流量。
5.根据权利要求1所述的一种路网低能耗全生命周期养护方案优化方法,其特征在于,使用S4对路面状况进行改变,包括:
若路段i进行养护,则使用S4中的路面使用性能标准衰变模型对路段i的路面状况进行提升。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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