CN115169870A - 一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法 - Google Patents

一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，确定路网内交通需求、道路容量、道路阻滞系数，计算车辆出行在道路ij上所消耗时间以及车辆在道路ij上的运行速度，道路ij的起点是i、终点是j；基于车辆在道路ij上的运行速度，确定碳排放成本函数以及碳排放最小化速度最大值；基于碳排放成本函数，确定约束条件，构建考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型；求解考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型，获得考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方案。通过拉格朗日算法引入拉格朗日因子完成交通分配中排放最小化速度限制，避免将非单调性的碳排放成本函数引入交通分配模型使求解结果为局部最优。

Description

一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法
技术领域
本发明属于智能交通技术领域，涉及一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法。
背景技术
我国作为正处于发展中的世界大国，从2005年起就是全球碳排放量最多的国家，且从占比来看，中国碳排放在全球碳排放总量中的占比不断提升，目前已达31％。而交通运输碳排放占我国碳排放总量约10.4％，特别是公路运输，占全国交通运输碳排放总量 85％以上，是交通碳排放绝对的主体和减排重点。
目前在交通网络中，驾驶员一般会尽量减少自己的出行时间，追求最小的时间成本，一般选择用时最短的路线，使得需求时空分布不均导致道路拥堵、交通资源得不到充分利用，造成整个交通网络系统性能降低、环境成本的增加。随着环境意识的提高，我国也大力推行双碳政策，生态友好型的交通分配，不应只关注出行的时间成本，还应注重出行的环境成本。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，以解决现有的交通分配方法追求最小时间成本而造成交通资源得不到充分利用、整个交通网络系统性能降低以及环境成本增加的问题。
本发明实施例所采用的技术方案是，一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，按照以下步骤进行：
步骤S1、确定路网内交通需求、道路容量、道路阻滞系数，计算车辆出行在道路ij上所消耗时间以及车辆在道路ij上的运行速度，道路ij的起点是i、终点是j；
步骤S2、基于车辆在道路ij上的运行速度，确定碳排放成本函数以及碳排放最小化速度最大值；
步骤S3、基于碳排放成本函数，确定约束条件，构建考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型；
步骤S4、求解考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型，获得考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方案。
进一步的，车辆出行在道路ij上所消耗时间tij(x)为：
tij(x)＝αij+βij(xij/cij)4； (1)
其中，αij、βij是道路ij路滞参数；xij为道路ij上的流量；cij为道路ij的容量；
车辆在道路ij上的运行速度vij(x)为：
vij(x)＝d/(αij+βij(xij/cij)4)； (2)
其中，d为道路ij的长度，车辆在道路ij上的运行速度vij(x)的单位为km/h。
进一步的，碳排放成本函数为：
Figure BDA0003727608670000021
其中，cij(x)表示道路ij的单位碳排放量，单位为g/km，表示单位公里的一氧化碳和二氧化碳的排放量；a1、a2、a3、a4、a5、a6、b1均为碳排放成本函数的系数；
根据碳排放成本函数，单位碳排放量cij(x)最小化时车辆在道路ij上的运行速度vij(x)的最大值，即为碳排放最小化速度最大值vmax,ij。
进一步的，a1＝3.952，a2＝-3.061，a3＝2.949，a4＝4.866，a5＝-9.170，a6＝1.155，b1＝223.559。
进一步的，基于碳排放成本函数，添加道路容量约束、道路流量约束、路径流量约束以及排放最小化速度约束，构建得到考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型。
进一步的，道路容量约束为：
Figure BDA0003727608670000022
其中，cij为道路ij的容量，λij是道路ij的容量约束的拉格朗日值，k代表目的点，A是道路集合，
Figure BDA0003727608670000023
是在道路ij上关于目的地k的路径流量，⊥表示λij在
Figure BDA0003727608670000024
上的投影；
道路流量约束为：
Figure BDA0003727608670000025
路径流量约束为：
Figure BDA0003727608670000031
其中，
Figure BDA0003727608670000032
和
Figure BDA0003727608670000033
表示同一条道路的相反方向关于目的地k的路径流量，
Figure BDA0003727608670000034
是从i点到终点k的交通需求；N为起点集合、D为终点集合；
Figure BDA0003727608670000035
是起点i到终点k的碳排放成本；
排放最小化速度约束为：
0≤θij⊥{vmax,ij-vij}≥0 (i,j)∈A； (9)
其中，θij是道路ij的排放速度最小化约束的拉格朗日值，vmax,ij为碳排放最小化速度最大值。
进一步的，所述碳排放最小化速度最大值为68.2686km/h。
进一步的，采用GAMS软件调用MCP模块求解考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型，获得考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方案。
本发明实施例的有益效果是：本发明实施例提出了一种考虑道路容量限制、路径流量限制、道路流量限制以及排放速度最小化速度限制的以车辆出行碳排放为出行成本的交通分配方法，考虑当前车辆在路网行驶过程中一味追求时间成本最小而忽略出行造成的环境成本的问题，构建出行的碳排放成本函数，添加各类出行约束条件，以碳排放作为出行成本，使车辆出行追求最低碳排放，缓解了需求时空分布不均导致道路拥堵、交通资源得不到充分利用，造成整个交通网络系统性能降低、环境成本增加的问题，提高出行经济性，减少如氮氧化物等废气排放，有利于可持续发展，构建环境友好型社会，响应低碳出行政策，有利于我国达成双碳战略目标；通过拉格朗日算法引入拉格朗日因子完成交通分配中排放最小化速度限制，避免将非单调性的碳排放成本函数引入交通分配模型使求解结果为局部最优。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法流程图。
图2是本发明实施例的碳排放成本因子与速度关系图。
图3是本发明实施例中交通路网图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，具体按照以下步骤进行：
步骤S1、路网基础数据确定，确定考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法求解所需的路网内交通需求、道路容量、道路阻滞系数等数据，进而计算：
车辆出行所消耗时间tij(x)为：
tij(x)＝αij+βij(xij/cij)4； (1)
其中，αij、βij是道路ij路滞参数，αij、βij越大表明道路ij越容易拥挤，αij、βij要通过实地测量数据校准；xij为道路ij上的流量；cij为道路ij的容量；道路ij的起点是i、终点是j；如果在理想状态下，道路中没有车辆，当前车辆行驶十分自由，那xij可以理解为0，tij即为αij，因此αij可以理解为自由流动行驶时间；
可确定车辆在道路ij上的运行速度vij(x)为：
vij(x)＝d/(αij+βij(xij/cij)4)； (2)
其中，d为道路ij的长度，车辆在道路ij上的运行速度vij(x)的单位为km/h。
步骤S2、确定碳排放成本函数以及碳排放最小化速度最大值vmax,ij。
首先，根据车辆运行数据，确定车辆运行速度与一氧化碳以及二氧化碳的排放关系即碳排放成本函数为：
Figure BDA0003727608670000041
其中，cij(x)表示道路ij的单位碳排放量，单位为g/km，表示单位公里的各类气体物质如一氧化碳以及二氧化碳的排放量；优选的，a1＝3.952，a2＝-3.061，a3＝2.949， a4＝4.866，a5＝-9.170，a6＝1.155，b1＝223.559。
然后，基于车辆运行速度与一氧化碳以及二氧化碳的排放关系，确定单位碳排放量 cij(x)或碳排放成本最小化时，车辆在道路ij上的运行速度vij(x)的最大值，即为碳排放最小化速度最大值vmax,ij。
步骤S3、确定并添加约束条件，构建考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型，如图1所示：
添加道路容量限制保证交通分配方法的可解性，添加道路流量约束与路径流量约束等确保交通分配结果更贴合实际，添加排放最小化速度限制来保证方法求解结果真实性，保障寻找到全局的排放最小值，避免结果为局部极小值。
步骤S31、添加道路容量约束：
当道路负载的车辆过多，道路将无法起到运输的作用，因此道路容量限制是确保交通分配方法可解性的要点，因此，道路容量约束互补性公式如下：
Figure BDA0003727608670000051
其中，λij是道路ij的容量约束的拉格朗日值，k代表车辆的目的点，A是道路集合，
Figure BDA0003727608670000052
是在道路ij上关于目的地k的路径流量，⊥表示λij在
Figure BDA0003727608670000053
上的投影；很明显，如果发现容量约束不绑定，对应的拉格朗日值将取零，否则为正值。
步骤S32、添加道路流量约束：
交通分配模型必须具有从路径流量
Figure BDA0003727608670000054
得出道路流量xij的约束条件：
Figure BDA0003727608670000055
步骤S33、添加路径流量约束：
路径流量守恒约束可以表示为：
Figure BDA0003727608670000056
其中，
Figure BDA0003727608670000057
和
Figure BDA0003727608670000058
表示同一条道路的相反方向关于目的地k的路径流量，即为了到达目的地，车辆可选择不同的出行路径，而不同的出行路径中，可能存在均要经过道路ij的出行路径，但有些的出行路径可能是沿着道路ij的正方向行驶，有些的出行路径可能是沿着道路ij的反方向行驶，因此在计算路径流量时，需要剔除沿着道路ij的反方向行驶的流量；
Figure BDA0003727608670000059
是从i点到k点的交通需求，N为起点集合、D为终点集合。
路径流量守恒约束也必须按NCP格式编写，将上式与出行碳排放成本绑定如下：
Figure BDA00037276086700000510
其中，
Figure BDA00037276086700000511
是起点i到终点k的碳排放成本；
如果行驶时间即车辆出行所消耗时间tij(x)始终为非零，则始终要满足相等条件公式(6)。
步骤S34、添加排放最小化速度约束：
燃油车辆排放的含碳气体对环境产生了巨大的影响，是进行可持续性的科学发展重要阻碍。在本发明实施例所使用的固定需求静态交通分配模型(交通需求固定)中，道路碳排放成本函数是平均速度的凸函数，但它们是道路流量的非单调函数，不符合交通分配模型的一个基本假设，传统的交通分配模型要求成本函数是道路流量的单调递增函数，即道路上流量越多，车辆在道路上行驶成本越大，付出的代价越多，很明显道路碳排放成本函数不满足这个要求。本发明实施例利用拉格朗日算法，引入道路ij的排放速度最小化约束的拉格朗日值θij，构建道路ij的排放速度最小化约束NCP方程，确保本发明实施例构建的交通分配模型符合成本函数是道路流量的单调递增函数这个标准假设：
vij≤vmax,ij (i,j)∈A； (8)
因此，排放最小化速度约束的互补性格式可以表示为：
0≤θij⊥{vmax,ij-vij}≥0 (i,j)∈A； (9)
其中，θij是道路ij的排放速度最小化约束的拉格朗日值，vmax,ij为由碳排放成本函数所得的碳排放最小化时的最大速度值。很明显，如果发现排放速度最小化约束不绑定不启动，对应的拉格朗日值将取零，否则为正值。图2是本发明实施例的碳排放成本因子与速度关系图，通过拟合公式(3)得到碳排放最小化速度最大值vmax,ij为68.2686km/h。
步骤S4、采用GAMS软件调用MCP模块求解考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型，获得考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方案：
对于如图3所示的交通路网，其存在4个节点、4个路段和1个OD对，其中，节点1为交通起点，节点4为交通终点。网络OD需求为1500veh，网络道路基础信息如表1所示，其中α与β为当前OD的路滞系数，c为道路OD的最大通行能力，单位为 veh/h，d为道路长度，单位为km，实例中时间相关单位均为h，流量相关单位均为veh/h，速度相关单位均为km/h，碳排放相关单位为g/km，表示单位公里的气体物质(燃料燃烧后)的排放量。
表1实施例中道路基础信息
序号 道路段 α β c d
1 1-2 7 7 3000 9.33
2 1-3 5 7 1000 6.67
3 2-4 6 7 3000 8
4 3-4 4 7 1000 5.33
本发明实施例通过GAMS编程求解，得出此简单假设路网交通分配结果，见表2-4。
表2实施例中道路相关结果
道路 流量 速度 碳排放因子 时间 饱和度
1-2 781.953 68.000 209.883 7.226 0.452
1-3 718.047 27.784 302.876 14.304 0.593
2-4 781.953 68.000 209.883 6.194 0.452
3-4 718.047 27.784 302.876 11.443 0.593
表3实施例中路径相关结果
路径 时间因子 碳排放成本因子 路径流量
1-2-4 13.420 36.373 781.953
1-3-4 25.748 36.373 718.047
表4实施例中总路网相关结果
名称 数据
总燃油消耗 17150.22
总碳排放 54559.128
本发明实施例确定车辆出行成本函数为通过平均速度作为输入变量构建二氧化碳(CO2)以及一氧化碳(CO)相关的碳排放成本函数，在此基础上添加道路容量限制保证方法的可解性，添加道路流量约束与路径流量约束等确保结果更贴合实际，具有更强的工程实践性，此外添加排放最小化速度限制来保证方法求解结果的真实性，保障寻找到碳排放成本的全局最小值，避免结果为局部极小值，构建遵循用户均衡(UE)路径选择原则的非线性互补下的环境友好型交通分配模型，利用GAMS软件求解，提高此方法求解速度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤S1、确定路网内交通需求、道路容量、道路阻滞系数，计算车辆出行在道路ij上所消耗时间以及车辆在道路ij上的运行速度，道路ij的起点是i、终点是j；
步骤S2、基于车辆在道路ij上的运行速度，确定碳排放成本函数以及碳排放最小化速度最大值；
步骤S3、基于碳排放成本函数，确定约束条件，构建考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型；
步骤S4、求解考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型，获得考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方案。
2.根据权利要求1所述的一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，其特征在于，车辆出行在道路ij上所消耗时间tij(x)为：
tij(x)＝αij+βij(xij/cij)4； (1)
其中，αij、βij是道路ij路滞参数；xij为道路ij上的流量；cij为道路ij的容量；
车辆在道路ij上的运行速度vij(x)为：
vij(x)＝d/(αij+βij(xij/cij)4)； (2)
其中，d为道路ij的长度，车辆在道路ij上的运行速度vij(x)的单位为km/h。
3.根据权利要求1所述的一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，其特征在于，碳排放成本函数为：
Figure FDA0003727608660000011
其中，cij(x)表示道路ij的单位碳排放量，单位为g/km，表示单位公里的一氧化碳和二氧化碳的排放量；a1、a2、a3、a4、a5、a6、b1均为碳排放成本函数的系数；
根据碳排放成本函数，单位碳排放量cij(x)最小化时车辆在道路ij上的运行速度vij(x)的最大值，即为碳排放最小化速度最大值vmax，ij。
4.根据权利要求3所述的一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，其特征在于，a1＝3.952，a2＝-3.061，a3＝2.949，a4＝4.866，a5＝-9.170，a6＝1.155，b1＝223.559。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，其特征在于，基于碳排放成本函数，添加道路容量约束、道路流量约束、路径流量约束以及排放最小化速度约束，构建得到考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型。
6.根据权利要求5所述的一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，其特征在于，道路容量约束为：
Figure FDA0003727608660000021
其中，cij为道路ij的容量，λij是道路ij的容量约束的拉格朗日值，k代表目的点，A是道路集合，
Figure FDA0003727608660000022
是在道路ij上关于目的地k的路径流量，⊥表示λij在
Figure FDA0003727608660000023
上的投影；
道路流量约束为：
Figure FDA0003727608660000024
路径流量约束为：
Figure FDA0003727608660000025
其中，
Figure FDA0003727608660000026
和
Figure FDA0003727608660000027
表示同一条道路的相反方向关于目的地k的路径流量，
Figure FDA0003727608660000028
是从i点到终点k的交通需求；N为起点集合、D为终点集合；
Figure FDA0003727608660000029
是起点i到终点k的碳排放成本；
排放最小化速度约束为：
0≤θij⊥{vmax，ij-vij}≥0(i，j)∈A； (9)
其中，θij是道路ij的排放速度最小化约束的拉格朗日值，vmax，ij为碳排放最小化速度最大值。
7.根据权利要求1～4任一项或6所述的一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，其特征在于，所述碳排放最小化速度最大值为68.2686km/h。
8.根据权利要求1～4任一项或6所述的一种考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方法，其特征在于，采用GAMS软件调用MCP模块求解考虑碳排放成本的环境友好型交通分配模型，获得考虑碳排放成本的环境友好型交通分配方案。
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