基于系统科学理论的城市道路交通拥挤预测与控制模型研究

论文题目: 基于系统科学理论的城市道路交通拥挤预测与控制模型研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 系统工程

作者: 陈涛

导师: 陈森发

关键词: 交通拥挤预测,交通拥挤控制,耗散结构,协同学,突变理论,核与核度,自组织,交通流聚集和扩散,神经网络,旋进原则,超循环

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 近年来,随着人民生活水平的提高,城市的道路交通出现了持续的高速发展;在道路交通设施发展的同时交通需求以更高的速度在增长,“乘车难、行车难、停车难”的社会问题已经在一些大城市或特大城市显现出来。尽管有些城市花费巨资扩建或新建道路,研制道路交通智能管理系统或交通诱导系统,从硬件和软件上加强城市道路交通建设,改善道路交通运行状况;但在一些关键路段,一旦出现交通事故等类似涨落,就又使部分道路交通处于交通拥挤状态。“乘车难、行车难、停车难”的社会问题如何解决?如何时刻保持城市道路交通畅通?采取哪些措施和管理手段能有效地解决或缓解已经产生的道路交通拥挤呢?本学位论文紧密结合我国城市道路交通管理和应用的实际情况,针对道路交通拥挤和涨落等问题进行了深入的研究,基于系统科学理论——从定性到定量综合集成技术、耗散结构理论、协同学理论、突变理论、核度理论、旋进原则和超循环理论等,研究分析城市道路交通系统结构的特性,研究利用这些特性进行道路交通拥挤预测和拥挤控制的模型,进而提出道路交通拥挤控制或缓解的措施和方法。全文主要内容如下:1)回顾人们对系统的认识过程,阐述系统科学的基本概念、系统科学的体系结构和系统的目的性原则,分析系统的动态演变过程,总结现代系统科学的发展阶段和系统科学方法的类型。论述系统科学理论对系统的研究方法适应城市道路交通系统的研究。2)根据系统科学的研究方法,研究分析城市道路交通系统的特性,对道路交通系统进行了内向和外向两方面的描述,论述城市道路交通系统是开放系统、耗散结构系统和动力学系统。总结前人的工作:从交通拥挤的概念入手,分析、归纳出交通拥挤的基本属性和空间分布特征,试图寻求交通拥挤产生发展的内在规律和拥挤的空间分布特点及其发展趋势,并对前人提出的缓解道路交通拥挤对策进行剖析。3)定义路段交通序参数以确定路段交通的有序或无序,以及有序拥挤和无序拥挤,寻求通过建立和求解涨落后无序的有序恢复过程数学规划模型,得出恢复有序的最佳方案。4)给出道路交通系统涨落的数学描述和交通流自组织过程的数学模型,讨论在交通流预测完成的基础上如何进行道路交通拥挤预测,并具体提出涨落后的城市道路交通拥挤蒙特卡洛预测方法。5)在交通拥挤的机理分析与动态交通分配模型的结合的基础上,讨论动态交通分配拥挤机理分析。建立动态状态交通分配模型以及动态状态交通分配的算法,给出动态状态交通分配模型的应用实例;讨论动态交通分配模型在缓解拥挤对策中的应用。6)研究和定义城市道路交通耗散结构系统的特征(涨落、触发),将城市道路交通按交通流近似均匀分布来分区,讨论各个交通分区的特性(聚集和扩散),然后定义内核原则决定的交通拥挤,讨论如何采用求聚集结束时间法,寻求解决缓解分区道路交通拥挤问题的对策。7)从系统协同学理论出发,研究城市道路交通系统在出现涨落后的自组织和协同。基于支配原理,确定非稳定路段,利用自组织协同控制和诱导交通流,实现道路交通的拥挤控制。8)利用突变理论研究道路交通系统的突变现象具有的基本特征和运行规律,探讨道路交通拥挤控制方法;以解决或缓解道路交通阻塞和交通拥挤问题,使城市道路交通高效正常运行。9)提出了道路交通系统自组织BP神经网络模型、自组织Hopfield神经网络模型、小波模糊多层自组织神经网络模型和结构自组织神经网络模型,讨论将这4个神经网络模型组合起来,共同完成自组织神经网络道路交通的拥挤控制。10)基于系统静止的核和核度理论,提出系统动态核和核度的概念,并给出相应的计算方法,然后探讨利用道路交通系统的动态核和核度,给出解决或缓解道路交通拥挤问题的方法,并提出相应的措施。11)阐述道路交通的演变发展与当地经济的发展之间的关系,然后基于突变理论、旋进原则和超循环原则论述道路交通的可能演变过程,最后基于事前论述的这些可能的演变过程提出相应的道路交通拥挤调控方法。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

绪论

1 问题的提出

2 城市道路交通控制系统的简介与发展

3 道路交通拥挤控制方法综述

4 现有道路交通拥挤控制方法的不足之处

5 本文研究的主要内容

第一章 系统科学的体系结构和方法类型

1.1 系统科学的基本观念

1.2 系统科学的体系结构

1.3 系统的目的性原则

1.4 系统的动态演变特性

1.5 复杂系统的运动规律

1.6 系统科学方法的类型

1.7 现代系统科学方法的发展阶段

1.8 城市道路交通系统的研究框架

第二章 道路交通特性和拥挤定义及其传统的缓解方法

2.1 城市道路交通系统的描述

2.2 交通拥挤概念

2.3 城市道路交通拥挤的属性分析

2.4 城市道路交通拥挤的空间分布形态

2.5 城市道路交通拥挤的动态分析

2.6 交通拥挤缓解对策剖析

2.7 小结

第三章 无序拥挤的定义和预测及无序的有序恢复

3.1 引言

3.2 概念准备

3.3 无序拥挤的预测

3.4 恢复有序数学规划模型

3.5 动态分流决策方法求解模型

3.6 涨落后无序的有序恢复算法

3.7 涨落后无序恢复有序的例子

3.8 小结

第四章 涨落后的城市道路交通拥挤蒙特卡洛预测

4.1 引言

4.2 理论准备

4.3 交通流自组织过程

4.4 出现涨落后交通拥挤的蒙特卡洛预测方法

4.5 蒙特卡洛交通拥挤预测算法

4.6 应用例子

4.7 小结

第五章 拥挤机理分析和交通分配的拥挤对策

5.1 引言

5.2 拥挤机理分析和交通分配模型

5.2.1 路段交通负荷与路段交通拥挤

5.2.2 出入口流率与交通拥挤

5.2.3 路径选择与交通拥挤

5.2.4 动态交通流模型和交通分配模型

5.3 动态状态交通分配模型

5.3.1 路线的状态和动态状态交通分配模型

5.3.2 路段的平均等待队列长度和平均通行时间

5.3.3 动态状态交通分配算法

5.3.4 应用实例

5.4 动态交通分配在交通拥挤对策中的应用

5.4.1 反应型拥挤对策与拥挤收费

5.4.2 预测型拥挤对策与交通诱导和预测型 DUO 分配

5.5 动态状态交通分配在交通拥挤对策中的应用

5.6 小结

第六章 基于耗散结构特性的道路交通拥挤对策

6.1 引言

6.2 城市道路交通系统的耗散结构及其特征

6.3 交通耗散结构的交通量聚集和扩散特性

6.4 内核原则决定的城市道路交通拥挤

6.4.1 定义

6.4.2 内核原则决定的拥挤具有整体性

6.4.3 内核原则决定的拥挤缓解对策——求聚集结束时间方法

6.5 小结

第七章 交通自组织和协同拥挤控制模型和方法的研究

7.1 协同学理论

7.1.1 协同学的基本思想

7.1.2 协同学的支配原理

7.2 交通系统自组织

7.3 交通系统协同及其数学描述

7.3.1 有序定态解及其稳定性分析

7.3.2 序参量方程及其求解

7.4 自组织协同拥挤控制方法

7.5 应用实例

7.6 小结

第八章 基于突变理论的交通拥挤控制模型研究

8.1 拥挤的空间分布

8.2 突变理论

8.3 道路交通系统的状态变量和控制变量

8.4 势函数

8.5 突变临界点及其稳定性

8.6 基于突变理论限制交通流的拥挤控制模型

8.7 实例分析

8.8 缓解道路交通拥挤的措施

8.9 小结

第九章 基于自组织神经网络的拥挤控制模型研究

9.1 自组织神经网络基本理论

9.2 道路交通系统自组织 BP 神经网络建模

9.2.1 BP 神经网络模型及原理

9.2.2 输入模式

9.2.3 隐含层神经元

9.2.4 学习模式

9.3 道路交通系统自组织 HOPFIELD神经网络建模

9.3.1 二值 Hopfield 神经网络模型及原理

9.3.2 输入模式

9.3.3 学习模式

9.4 道路交通系统小波模糊多层自组织神经网络建模

9.4.1 小波模糊多层自组织神经网络模型及原理

9.4.2 输入模式

9.5 道路交通系统结构自组织神经网络建模

9.5.1 结构自组织神经网络（SSONN）模型及原理

9.5.2 基于生长概率的生长删除算法

9.6 自组织神经网络组合的交通拥挤控制过程

9.7 小结

第十章 动态核度计算与交通拥挤控制

10.1 引言

10.2 无向连通网络系统的核和核度的计算

10.3 有向连通网络系统的核和核度的定义和计算

10.4 动态流网络系统及其动态核度

10.5 道路交通网络系统的动态核度计算方法

10.6 计算动态核度算法

10.7 应用实例

10.8 核度计算应用于交通拥挤控制

10.9 小结

第十一章 基于道路交通演变的交通拥挤宏观调控

11.1 道路交通的演变发展与当地经济的发展之间的关系

11.2 基于突变理论道路交通演变过程及交通拥挤调控

11.2.1 道路交通宏观演变的状态变量和控制变量

11.2.2 双曲脐点突变模型及其分叉集

11.2.3 道路交通的演变方式及交通拥挤调控

11.3 基于道路交通演变旋进原则的拥挤调控

11.3.1 旋进原则方法论

11.3.2 道路交通演变的主轴线和偏离程度

11.3.3 基于道路交通演变旋进原则的拥挤调控

11.4 基于超循环理论的交通拥挤调控

11.4.1 超循环理论

11.4.2 交通超循环演变进化

11.4.3 基于超循环理论的交通进化动力学方程

11.4.4 基于超循环理论的交通拥挤调控

11.5 小结

总结

1 从微观或中观角度考察交通拥挤控制方法

2 从宏观的角度考察交通拥挤调控方法

3 从交通拥挤控制手段的角度来考察拥挤控制方法

4 道路交通拥挤控制将来的发展方向

致谢

参考文献

学习期间以第一作者完成的论文

学习阶段参加的科研项目

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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