基于MOP模型的ITS对城市交通运输效率的优化研究

李明伟，杨 鑫

(信阳师范学院 旅游学院， 河南 信阳 464000)

0 引言

智能交通系统(Intelligent Transportation System，ITS)作为交通运输业发展到一定阶段的产物，能有效降低交通成本、增加经济效益、带动相关产业发展等.但是，在漫长且持续变化的过程中，由于影响因素复杂多变，ITS对路网交通的促进作用是否保持高效是未知的.因此，为了明确ITS对路网交通运输效率改善的最优途径，辅助ITS的建设规划及战略决策制定等.通过深入分析ITS的应用效益，本文以路网交通特征、出行需求、城市经济水平等为背景，以ITS应用效益最大化、环保节能最优化等为基本目标，引入多目标规划模型(MOP)，梳理ITS优化路网交通运行效率的约束条件.最后，以北京市为例进行优化分析，提出ITS对路网交通运行效率产生持续高效作用的优化方案.

本文认为，ITS优化路网交通运行效率的基本目标是：促使路网交通的运行效率高、服务水平好、可靠性强等.但是，目标存在不确定性，需进一步梳理.通过深入研究国内外相关成果可知，近几年关于交通运输优化领域的研究以MOP为主导，形成了不同优化方法.如，ALTIPARMAK[1]、CHEN[2]、CARDONA-VALDéS[3]、CHE[4]等以最小出行时间和最低出行成本为目标，使用MOP模型中的目标合成法研究交通网络优化问题，并提出相应的优化策略.CINTRON等[5]、KAMALI等[6]以最低出行费用和最优出行服务水平为目标，采用目标合成方法进行优化研究，不同的是CINTRON等人在研究过程中将最小出行距离和最大产出质量引入目标函数中，而KAMALI等人则将其纳入到约束条件中.SADJADY 等[7]选择合成MOP方法，以最小出行距离、最少出行时间和费用、最大服务水平等为目标进行优化分析.

此外，BOUDAHRI等[8]使用增量法，以最小出行距离和最小出行成本为目标进行优化；BEVILACQUA等[9]使用探索式优化方法，以最小出行时间和最低出行成本为目标进行优化.综上可知，已有成果重点探讨的是基于路网交通出行的单一优化.然而，对信息化交通技术是怎样优化路网交通运输效率的，并未深入涉及.随着交通发展的需要，信息化交通技术已成为优化交通运行的重要手段，而ITS在优化交通运行效率时所产生的作用已成为社会关注的焦点.

1 研究设计

1.1 确定优化目标

综合分析国内外学者在交通运输优化领域的研究成果，本文从内部和外部层面概述ITS与路网交通运输效率之间的关系.

(1)内部特征层

路网交通内部特征包含交通方式、结构及出行等，不同交通方式、结构对ITS的功能属性需求不同，只有需求被最优满足时才能产生最大效用.而且，路网交通的其他内部特征，如出行方式、出行量、出行目的等都需依据实际需求设定不同的ITS建设强度.因此，依照内部特征探讨ITS优化路网运输效率，是改善路网运行的有效渠道.

(2)外部特征层

由于交通资源分配存在广泛的外部性，以及供给与需求的不平衡等现象，导致不同交通方式的成本、收益与期望值之间存在较大差异[10].当出行者追求出行经济最优时，会导致出行方式选择的整体特征出现偏差，并引起交通运行失衡.ITS优化路网交通目的之一是消除外部性，缓解交通运行失衡，带动城市交通出行方式、结构等的良性演变.所以，外部特征层面的探讨是保证优化后的交通资源能够合理分配、共享.

最终将优化目标确定为：提高路网交通的绿色性，即交通能源消耗量(或碳氧化物排放量)最低；提高路网交通运输效率，即实现各交通方式的总周转量最大.基于该目标，提出本文研究假设如下：

(1)研究的城市应视为一个孤立系统，不考虑其他城市交通对它产生的影响；

(2)研究过程中，城市出行情况和路网结构特征是确定的；

(3)研究的路网交通运输方式已知，即：私家车、公交车(常规公交和快速公交)、出租车、轨道交通(轻轨、地铁)、自行车、步行，设为X1、X2、X3、X4、X5、X6.

(4)当各种交通方式的出行时间、距离及出行量等平均时，假设路网能满足城市出行总需求；

(5)假设每种交通方式都有针对改善其运行效益的ITS子项目，并认为对其他运输方式没有影响或影响作用可忽略.

1.2 构建优化模型

首先，确定ITS优化路网交通运输效率的约束条件，具体内容如下：

(1)出行需求约束

满足规划年的居民基本出行需求是优化路网交通的主要任务，计算公式为：

其中，Xi和D为规划年第i种交通方式的客运周转量和城市出行需求总量.

(2)畅通性约束

将路网平均行车速度(V)、交通拥堵指数(TCI)作为表征路网畅通性的备选指标，指标计算公式如下：

图1 交通拥堵指数与出行时间关系Fig. 1 Relationship between traffic congestion index and travel time

(3)安全性约束

保障路网交通运行安全是ITS优化路网运输效率的重要任务之一，常用于表征路网交通安全性的指标有：单位里程事故率(R1)、单位客运周转量死亡率(R2)，公式为：

其中：在规划年，R*为路网中单位里程事故率限值，Ni为第i种交通方式的事故数，Mi为第i种交通方式行驶里程，D1为城市交通事故死亡人数，N为城市客运周转量.遵循畅通性的指标选取原则，选择单位客运周转量事故死亡率作为安全性的表征指标.参考BECK[11]提出的各交通方式单位客运周转量事故死亡率，得到表1中数据.

表1 不同交通方式单位客运周转量事故死亡率Tab. 1 Mortality of accidents per unit passenger turnover of different traffic mode

(4)便捷性约束

便捷性即出行者从出发地到目的地的便利化程度[12]，计算公式为：

(5)绿色性约束

将道路交通大气污染饱和度(S)、干道平均交通噪声(Nr)及交通能源消耗量(CEnergy)作为衡量交通绿色性效果的主要指标.首先，将S定义为交通运输排放的大气污染物总量与城市大气污染物总排放量的比值：

其中:在规划年，Pa为交通运输排放的大气污染物总量,mg;Ca为城市大气污染物排放总量的期望值,mg.将Nr的范围界定为城市干道及以上道路中的交通噪声对周边环境的损害及破坏程度：

其中：在规划年，Nri为干道i的平均交通噪声;Li为干道i的里程,km;n为路网中干道条数.最后，将CEnergy交通能源消耗量约束定义为各交通方式的综合能耗值不超过城市规定的能耗限值.交通能源消耗量约束的计算公式为：

CEnergy=Emax×Population，

其中：ei为第i种交通方式的能耗因子(MJ/(人·km))(如表2所示)，Xi为第i种交通方式的客运周转量，Emax为规划年人均交通能耗上限，Population为规划年城市人口总量.

表2 不同交通方式的能耗因子[13]Tab. 2 Energy consumption factors for different traffic mode

遵循畅通性指标的选取原则，最终选择路网交通能源消耗量作为绿色性的表征指标.

(6)目标约束

ITS优化路网交通运行效率的主要目的是促进交通供需平衡，满足出行需求、优化交通运行环境.因此，设置目标约束为二者的中和，计算公式如下：

其中：Z为规划年路网交通运行效率，Wi为规划年第i种交通方式客运周转量的权重.

(7)MOP优化模型

在构建MOP优化模型时，将优化目标进行分级，分级结果为：一级目标——路网交通运行绿色性最好，即能源消耗量最小；二级目标——路网交通运行效率最高，即路网畅通性、安全性等最好.根据约束条件分析结果，得到路网交通运行能源消耗量最小及运行效率最高的目标约束计算方法，如下：

表3 不同交通方式生态影响及效用指数Tab. 3 Ecological impact and utility index of different traffic mode

ITS优化路网交通运行效率的MOP模型为：

(1)

s.t.

Xj≥0,j=1,2,…,n,

K≤T,k=3,4,…,K,

2 实证研究

2.1 实证分析

通过对我国城市路网交通运行现状进行分析，参考各城市ITS的建设规模和完善程度，本文选择北京市作为案例城市，进行优化分析.在论证ITS对北京市路网交通优化时，以“基于物联网的城市智能交通应用示范工程评价体系研究及评价”课题为基础，收集了北京市交通发展、建设、运营及管理的相关资料.此外，根据国家出台的《交通运输行业智能交通发展战略(2012—2020)》可知，北京市ITS在路网交通中的建设应用在2020年要实现以下目标(图2).因此，本文选择2020年作为规划年进行研究.

图2 2020年ITS建设战略目标Fig. 2 Strategic objectives of ITS construction in 2020

由《北京市城市总体规划2004—2020》、《北京交通发展纲要(2004—2020)》等文件，可计算2020年北京市交通状况、人口等数据信息[14].

(1)北京市出行需求总量

65073.8(万人·km/d).

(2)

(2)北京市路网运行畅通性

到2020年要实现北京市路网交通拥堵指数控制在6以下，即TCI≤6，根据国家交通运输部出台的交通拥堵划分标准及交通拥堵指数的相关计算方法可知，拥堵指数控制在6以下，其对应的路网平均运行速度在24 km/h以上.

(3)北京市路网运行安全性

《北京市缓解交通拥堵总体方案(2015—2020年)》指出，在2020年实现北京市路网交通事故死亡率控制在1.2人/(万人·km)以内.

(4)北京市路网运行便捷性

《北京交通发展纲要2004—2020》指出，截止到2020年，预期实现北京市路网交通运行便捷性的基本情况如表4所示.

表4 北京市2020年路网运行便捷性情况Tab. 4 Road network operation convenience in Beijing in 2020

根据上表中数据，采用加权算法预测北京市路网综合出行时耗约为57.54 min.

(5)北京市路网运行绿色性

Annika指出：交通能源要达到年人均供应量至少11 000 MJ，才能保证居民生活可持续发展[15].王海林和何建坤(2018)在结合我国经济发展新常态的背景下，对交通部门的能源消费进行了分析，研究表明：截止到2017年，我国人均交通能源消耗量为18.19 MJ/(人·d)，总能源消费量将在2045年左右实现达峰，峰值水平约为7.4亿t标准煤[16],则有：

CEnergy=18.19×1800×104=32 742×104(MJ).

2.2 结果分析

根据上述分析，得到优化方程如下：

(3)

s.t.

0.831X1+0.261X2+0.678X3+0.439X4+

0.328X1+0.732X2+0.426X3+0.847X4+

(2.3X1+0.3X2+2.4X3+0.1X4+

(38.1X1+4.3X2+28X3+4.6X4+96.6X5+

12 707.52≤X1≤16 338.24,

14 749.80≤X2≤19 061.28,

3 517.26≤X3≤4 368.21,

19 742.06≤X4≤22 351.62,

1 928.82≤X5≤2 609.58,

850.95≤X6≤1 418.25.

表5 各交通方式承担周转量的最大和最小值Tab. 5 Maximum and minimum turnover for each traffic mode

选择WINQSB软件进行计算，结果如下：

X1=16 338.24;X2=19 061.28;X3=4 368.21,

X4=22 351.62;X5=2 586.22;X6=850.95,

由此可知，北京市若想满足规划年的路网交通效率及绿色性等方面的预期目标，其交通方式承担的客运周转量应达到以上目标.

根据上述分析结果可知，北京市在规划年不同交通方式承担的客运周转量比例为：X1∶X2∶X3∶X4∶X5∶X6=24.9∶29.1∶6.7∶34.1∶4.0∶1.3.不同的交通方式需要相应的ITS项目和系统的支撑才能达到预期目标，因此，在进行ITS建设时要结合ITS建设模式及优化模型中提出的约束条件及优化结果特性，制定相应的ITS建设规划方案.通过总结分析，从政策、规划、设计和组织保障四个层面提出相应策略建议.政策：①积极倡导ITS理念，提高公众认知度；②强化保障体系，清除体制障碍；③鼓励多方融资，拓宽融资渠道.规划：①鼓励制定整体建设的专项规划；②积极制定具体建设规划；③提供完善的基础设施.设计：①统一设计交通信息共享平台；②引导智能交通管理标准的设计；③推进ITS的矩阵式建设模式设计；④实施主动智能交通管理基础设施建设.组织保障：①加强ITS领域复合型人才培养；②大力推进“互联网+交通”的发展；③不断提升科技创新能力.

此外，还提出了城市ITS建设方案制定的建议：

(1)制定基于路网特征的ITS建设专项方案

ITS建设专项方案的重要性已在我国个别城市中得到充分证实.北京2008年奥运会ITS专项方案，为北京市带来了“一中心三平台”的ITS建设模式，并兼顾建设了交通诱导、综合信息服务、执法管理、应急指挥等八大智能管理系统.广州2010年亚运会ITS专项方案成就了广州ITS在国内的领先地位，并助力广州成为“十二五”时期国内唯一基于物联网的ITS建设示范城市.上海2010年世博会ITS专项方案，促使上海ITS建设在技术、管理等多个领域处于国际领先水平.无独有偶，北上广的成功值得其他城市借鉴和学习.因此，其他城市在分析自身建设成果的基础上，学习北上广的先进技术和经验，制定本市ITS建设的专项方案，包括路网ITS建设整体框架的制定，目标层、方案层的设计，以及具体系统布局和建设优先顺序的梳理等，从而指导路网中的ITS建设.

(2)制定基于ITS重点应用系统的建设方案

根据城市路网交通的发展现状、ITS的发展趋势等，制定基于ITS重点应用系统的建设方案.首先，制定交通信息采集、发布等系统在路网中的建设方案，明确此类系统的数据接口标准、实时共享程度等，并提出用于数据传递、共享及评价分析的统一标准，保证方案制定早于建设实施，避免出现不合理建设和重复建设等.其次，详细制定路网交通运行管理、指挥、控制、诱导等子系统的建设方案，如在路网中设置行车及停车诱导系统，帮助司机合理制定行车路线并以最便捷方式完成停车；在快速路、主干道等路段中设置交通实时信息情报板及诱导系统，提醒司机避开拥堵点及事故点，辅助司机提前选择最优行驶路径等.最后，加强路网中车辆运行智能化建设方案的制定，通过与汽车生产企业深度合作，在车辆生产过程中安装相应智能化设备，保证各类交通信息及时准确传递到车辆中.

3 结论

本文从路网交通内部和外部层面入手分析，提出了ITS优化路网交通运行效率的思路及方法.通过实证分析，运用MOP优化方法，分别构建了优化约束条件和目标函数，并创新构建了ITS优化路网交通运行效率的MOP模型.而且，以北京市为案例进行实证分析，从交通运输方式承担的客运周转量层面提出了ITS对路网交通运行效率的改善措施.通过本文研究，不仅是ITS应用领域的探索性、创新性研究，也是对提高ITS改善路网交通运行效率研究的剖析，是城市制定ITS发展战略的重要参考对象.