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考虑道路收费的系统最优高速公路改扩建交通分流方法

田龙 郭月利 袁雪强 方地久 曾强

田龙, 郭月利, 袁雪强, 方地久, 曾强. 考虑道路收费的系统最优高速公路改扩建交通分流方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(3): 85-94. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.03.009
引用本文: 田龙, 郭月利, 袁雪强, 方地久, 曾强. 考虑道路收费的系统最优高速公路改扩建交通分流方法[J]. 交通信息与安全, 2024, 42(3): 85-94. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.03.009
TIAN Long, GUO Yueli, YUAN Xueqiang, FANG Dijiu, ZENG Qiang. A System Optimization Model of Traffic Divergence for Freeway Reconstruction and Expansion Considering Road Charge[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(3): 85-94. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.03.009
Citation: TIAN Long, GUO Yueli, YUAN Xueqiang, FANG Dijiu, ZENG Qiang. A System Optimization Model of Traffic Divergence for Freeway Reconstruction and Expansion Considering Road Charge[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2024, 42(3): 85-94. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.03.009

考虑道路收费的系统最优高速公路改扩建交通分流方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2024.03.009
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52172345

详细信息
    作者简介:

    田龙(1982—),高级工程师. 研究方向:公路与港口运营管理. E-mail: 350962118@qq.com

    通讯作者:

    曾强(1988—),博士,副教授. 研究方向:道路交通安全、公共交通运营与管理. E-mail: zengqiang@scut.edu.cn

  • 中图分类号: U491.5+4

A System Optimization Model of Traffic Divergence for Freeway Reconstruction and Expansion Considering Road Charge

  • 摘要: 交通分流是保障高速公路改扩建期间交通运行效率的重要措施。然而,目前国内高速公路改扩建工程多依靠管理人员经验性地确定分流措施,缺乏系统客观的分流方法,分流效果有待进一步提升。根据区域分流路网的道路特征,在行程时间基础上考虑道路收费对出行者路径选择的影响,构建路段阻抗函数。从交通管理者角度出发,以路网总出行阻抗最小为优化目标,考虑需求守恒、路径路段流量关系和路径流量非负约束,建立系统最优高速公路改扩建交通分流模型。分析模型的卡罗需-库恩-塔克(Karush-Kuhn-Tucker,KKT) 条件,设计基于梯度投影的路径型算法,求解得到路网各起讫点(origin-destination,OD)之间的分流路径和路径流量。以广东省某高速公路改扩建工程为例,量化分析不分流、分流时不考虑道路收费和分流时考虑道路收费3种情形下的整体路网及改扩建高速施工路段交通运行状况。结果表明:分流时不考虑道路收费,改扩建高速施工路段交通量平均降低27.72%,饱和度降低0.09,平均车速提高4.26 km/h;分流时考虑道路收费后,改扩建高速施工路段交通量平均降低44.8%,饱和度降低0.4,平均车速提高12.98 km/h,道路通行效率得到有效改善,同时分流并未导致路网中其它路段交通运行情况变差。以上结论验证了本文所提出的改扩建交通分流方法的有效性和优越性。

     

  • 图  1  梯度投影算法流程图

    Figure  1.  Flow chart of gradient projection algorithm

    图  2  分流路网拓扑图

    Figure  2.  Topology of diversion road network

    图  3  改扩建前路网交通参数

    Figure  3.  Traffic parameters of road network before reconstruction and expansion

    图  4  改扩建中不分流时项目路交通参数

    Figure  4.  Project road traffic parameters without diversion during reconstruction and expansion

    图  5  不考虑道路收费分流的路网交通参数

    Figure  5.  Traffic parameters of road network without road charge

    图  6  改扩建高速不考虑道路收费分流后交通参数

    Figure  6.  Traffic parameters of expanded expressway when implementing traffic divergence without road charge

    图  7  收敛曲线

    Figure  7.  Convergence curve

    图  8  考虑道路收费分流的路网交通参数

    Figure  8.  Traffic parameters of road network with road charge

    图  9  改扩建高速考虑道路收费分流后交通参数

    Figure  9.  Traffic parameters of expanded expressway when implementing traffic divergence with road charge

    图  10  不同场景路段交通参数对比

    Figure  10.  Comparison of traffic parameters in different scenarios and sections

    表  1  路段相关参数

    Table  1.   Parameters of link

    路段编号 自由流时间/h 通行能力/(pcu/d) 长度/km 收费率/(元/h)
    1,4 0.015 125 68 856 1.21 0.45
    2,13 0.01 198 000 0.8 -
    3,18 0.01 198 000 0.8 -
    5,8 0.039 15 68 856 3.132 0.45
    6,34 0.001 5 158 400 0.1 -
    7,36 0.025 211 200 3 0.45
    9,11 0.095 4 68 856 7.63 0.45
    10,52 0.035 211 200 4.2 0.45
    12,55 0.003 7 163 200 0.25 -
    14,16 0.019 6 198 000 1.4 -
    15,22 0.015 6 118 800 1 -
    17,26 0.012 8 244 800 1 -
    19,20 0.001 72 79 200 0.1 -
    21,29 0.017 2 79 200 1 -
    23,27 0.018 7 118 800 1.2 -
    24,30 0.023 4 118 800 1.5 -
    25,32 0.018 7 118 800 1.2 -
    28,39 0.012 8 244 800 1 -
    31,35 0.010 9 118 800 0.7 -
    33,40 0.017 2 79 200 1 -
    37,41 0.020 6 79 200 1.2 -
    38,43 0.122 5 211 200 14.7 0.45
    42,45 0.042 2 244 800 3.3 -
    44,50 0.034 151 200 3.4 0.6
    46,48 0.010 3 158 400 0.7 -
    47,56 0.063 9 285 600 5 -
    49,53 0.081 2 158 400 5.5 -
    51,59 0.128 151 200 12.8 0.6
    54,61 0.014 8 158 400 1 -
    57,60 0.227 3 163 200 15.4 -
    58,63 0.075 3 163 200 5.1 -
    62,64 0.110 1 79 200 6.4 -
    注:“-”表示该路段不收费。
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    表  2  区域内出行OD交通量矩阵

    Table  2.   The OD traffic volume matrix of intra-regional travel  单位: pcu/d

    起点 终点
    1 2 3 4 5 8 22 24
    1 0 38 353 27 699 21 910 26 439 11 480 17 857 25 298
    2 35 763 0 12 096 6 055 7 994 3 381 3 682 7 931
    3 34 972 12 383 0 7 840 4 571 1 876 2 324 5 180
    4 21 623 20 111 10 661 0 26 852 7 707 6 237 13 412
    5 25 886 7 602 5 180 25 662 0 2 135 3 143 15 239
    8 10 899 3 206 1 918 7 441 2 898 0 1 078 13 790
    22 20 391 3 584 2 765 6 671 3 829 1 932 0 63 742
    24 25 795 6 727 5 313 13 300 13 909 13 867 56 721 0
    下载: 导出CSV

    表  3  参数设置

    Table  3.   Parameter setting

    参数 取值
    α 0.15
    β 4
    ε 0.001
    N 200
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    表  4  分流路径信息

    Table  4.   Path information of traffic divergence

    OD 路径编号 路段序列 路径流量(/pcu/d)
    (1,2) 1 3-19-21-31-34 2 471.623 075
    2 1 35 881.376 92
    (1,3) 1 3-19-21-31-34-1 1 558.150 357
    2 1-5 26 140.849 64
    (1,4) 1 2-15-23-28-42-47-55 3 788.595 379
    2 2-14-17-28-42-47-55 18 121.404 62
    (2,1) 1 4 31 454.158 28
    2 6-35-29-20-18 4 308.841 723
    (2,3) - 5 12 096
    (2,4) - 6-35-30-23-28-42-47-55 6 055
    (3,1) 1 8-4 32 651.746 49
    2 8-6-35-29-20-18 2 320.253 513
    (3,2) - 8 12 383
    (3,4) - 9 7 840
    (4,1) 1 12-56-45-39-26-16-13 18 048.263 24
    2 12-56-45-39-27-22-13 3 574.736 763
    (4,2) - 12-56-45-39-27-24-31-34 20 111
    (4,3) - 11 10 661
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  • 收稿日期:  2023-12-18
  • 网络出版日期:  2024-10-21

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