基于多主体仿真的城市轨道交通网络乘客出行行为研究
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摘要
随着城市轨道交通的迅速发展,基于网络化的系统复杂化趋势是发达的城市轨道交通系统的普遍特征,如何有效地管理复杂的网络系统已成为紧迫的问题。其中,乘客在网络中的出行行为是研究的关键之一。基于独立线路的传统运营组织方法不能反映网络化条件下的乘客出行行为,而研究乘客在多路径之间的选择行为是必须的。乘客的出行行为和网络系统的运营组织之间形成了相互影响的互动关系;此外,网络中拥挤的非线性因素又使乘客路径选择行为的研究难度加大。因此,如何描述该问题的动态性和复杂性是研究的重点和难点。本文正是基于对该问题复杂性本质的认识,从复杂系统演化的角度,研究乘客在网络系统中的出行行为,试图利用多主体系统仿真的方法模拟系统运行过程。
文章首先从乘客个体行为与网络客流分配之间辨证关系的角度,系统地分析了问题的研究对象,指出本问题和道路网中交通分配的联系和区别;其次,本文反思了传统的基于静态和还原方法论的路网配流理论之局限性。文章根据复杂系统理论分析了本问题的复杂性特征,指出均衡理论的缺陷和乘客路径选择行为的适应性,并且提出了基于多主体建模系统仿真的定量研究思路;之后,根据城市轨道交通网的特点,本文构建了三层结构的网络系统表示模型——分别反映路网的规划、基础设施和行车组织,并设计了相应的多路径搜索算法和路径信息获取算法;本文建立了基于路径效用函数的乘客主体路径选择决策模型、基于强化学习的乘客主体适应性学习模型和基于多种类主体之间交互的出行过程模型;最后,作者以计算机程序实现了系统仿真,并进行了仿真实验和结果分析。计算机仿真实验的结果显示,所构建的系统仿真模型有效地模拟了系统的运行,乘客个体的适应性行为和网络客流分配状态的演化过程得到了良好的表现。
Along with the rapid development of urban mass transit (UMT), the complexity based on the networking is universal among all the advanced UMT systems. How to cope with the complex system in an effective way has become a tough issue, and the study on traveler behavior in UMT network is one of the key points. Conventional methods of train operation management are oriented to the traveler flow volume on individual lines. In order to explore the traveler behavior in network system, the studies on traveler's path-choose mechanism is necessary. Traveler behavior and network operation management influence each other; moreover, crowd effect adds the nonlinear factors in path-choose behavior. Therefore, it is very difficult to describe the dynamic and complex mechanism of the target issue. Based on the understanding of the complex nature of the study issue, this thesis tries to research the traveler behavior in network from the angle of the evolution of complex systems and to simulate the system through multi-agent modeling.
This thesis systematically analyses the target issue from the perspectives of both individual traveler and traveler flow respectively and in a dialectical way, indicating the similarities and differences between this issue and the traffic assignment on road network. After reflecting on the limitations of the conventional network assignment theories which are based on static and reductive methodologies, this thesis reveals the complex nature and describes the characteristics of this academic issue. The limitation of common equilibrium theories and the adaptation of traveler behavior are also analyzed, meanwhile, the multi-agent simulation method is chosen as the quantity research approach. With regard to the special attributes of UMT network, a three-layer structure network model is built, depicting the network system from the layers of planning, infrastructure and train operation in details. The multi-path-search and path information algorithms are designed in line with that network model as well. A path-chose model of individual traveler is built on the basis of utility function theory. The adaptation and travel process of traveler agent are modeled using enforced learning method and interaction rules among model objects respectively. At last, the computer program of the system simulation model is developed, and the simulation experiment is carried out using a case of a supposed UMT network system. The data resulting from the experiment illustrates that the adaptation of traveler individuals and the evolution process of traveler flow assignment in the network system are well expressed through the multi-agent model.
文章首先从乘客个体行为与网络客流分配之间辨证关系的角度,系统地分析了问题的研究对象,指出本问题和道路网中交通分配的联系和区别;其次,本文反思了传统的基于静态和还原方法论的路网配流理论之局限性。文章根据复杂系统理论分析了本问题的复杂性特征,指出均衡理论的缺陷和乘客路径选择行为的适应性,并且提出了基于多主体建模系统仿真的定量研究思路;之后,根据城市轨道交通网的特点,本文构建了三层结构的网络系统表示模型——分别反映路网的规划、基础设施和行车组织,并设计了相应的多路径搜索算法和路径信息获取算法;本文建立了基于路径效用函数的乘客主体路径选择决策模型、基于强化学习的乘客主体适应性学习模型和基于多种类主体之间交互的出行过程模型;最后,作者以计算机程序实现了系统仿真,并进行了仿真实验和结果分析。计算机仿真实验的结果显示,所构建的系统仿真模型有效地模拟了系统的运行,乘客个体的适应性行为和网络客流分配状态的演化过程得到了良好的表现。
Along with the rapid development of urban mass transit (UMT), the complexity based on the networking is universal among all the advanced UMT systems. How to cope with the complex system in an effective way has become a tough issue, and the study on traveler behavior in UMT network is one of the key points. Conventional methods of train operation management are oriented to the traveler flow volume on individual lines. In order to explore the traveler behavior in network system, the studies on traveler's path-choose mechanism is necessary. Traveler behavior and network operation management influence each other; moreover, crowd effect adds the nonlinear factors in path-choose behavior. Therefore, it is very difficult to describe the dynamic and complex mechanism of the target issue. Based on the understanding of the complex nature of the study issue, this thesis tries to research the traveler behavior in network from the angle of the evolution of complex systems and to simulate the system through multi-agent modeling.
This thesis systematically analyses the target issue from the perspectives of both individual traveler and traveler flow respectively and in a dialectical way, indicating the similarities and differences between this issue and the traffic assignment on road network. After reflecting on the limitations of the conventional network assignment theories which are based on static and reductive methodologies, this thesis reveals the complex nature and describes the characteristics of this academic issue. The limitation of common equilibrium theories and the adaptation of traveler behavior are also analyzed, meanwhile, the multi-agent simulation method is chosen as the quantity research approach. With regard to the special attributes of UMT network, a three-layer structure network model is built, depicting the network system from the layers of planning, infrastructure and train operation in details. The multi-path-search and path information algorithms are designed in line with that network model as well. A path-chose model of individual traveler is built on the basis of utility function theory. The adaptation and travel process of traveler agent are modeled using enforced learning method and interaction rules among model objects respectively. At last, the computer program of the system simulation model is developed, and the simulation experiment is carried out using a case of a supposed UMT network system. The data resulting from the experiment illustrates that the adaptation of traveler individuals and the evolution process of traveler flow assignment in the network system are well expressed through the multi-agent model.
引文
[1]孙章,何宗华,徐金祥.城市轨道交通概论.北京:中国铁道出版社,2000.
[2]陈菁菁.城市轨道交通网络运营可靠性研究:[博士学位论文].上海:同济大学,2007
[3]方蕾,庞志显.城市轨道交通客流与行车组织分析.城市轨道交通研究,2004,(5):42-44
[4]袁博晖,王英涛.针对断面客流量差异的行车组织适应性探讨.城市轨道交通研究,2004,(5):32-33
[5]杜士敏.市域快速轨道交通线的开行交路问题研究:[硕士学位论文],上海:同济大学,2005,2
[6]徐瑞华,陈菁菁,杜世敏.城轨交通多种列车交路模式下的通过能力和车底运用研究.铁道学报,2005,Vol.25(4):56-64.
[7]徐瑞华,徐浩,宋健.城市交通列车共线运营的通过能力和延误.同济大学学报(自然科学版),2005,Vol.33(3):301-305
[8]徐瑞华,马兴峰,宋健.上海轨道交通明珠线共线运营方案.同济大学学报,2003,Vol.31(6):682-686
[9]牛新奇,潘荫荣.轨道交通系统中清分算法的研究.计算机时代,2005,(2):45-51
[10]黄胜,孟世聪,胡幼华.轨道交通系统票务清分算法.计算机应用研究,2004(6):104-106
[11]陆春江.城市轨道交通网络“一票通”换乘的票款分配比例模型.现代城市轨道交通,2004(5):33-42
[12]顾磊.城市轨道交通统一票务收入结算分配算法与方案.计算机工程,2006,Vol.32(15):239-244:
[13]马艺芳.城市轨道交通开行快慢车的相关问题研究:[硕士学位论文].上海:同济大学,2007
[14]刘遥.城市轨道交通跨站停列车开行方案的相关问题研究:[硕士学位论文].上海:同济大学,2007
[15]张国宝,傅嘉,刘明姝.城轨列车非站站停及派生的越行问题研究.都市快轨交通,2005(5):76-82
[16]朱沪生.上海城市轨道交通网络化运营管理思考.现代城市轨道交通,2007,(4):10-13
[17]季令,张国宝.城市轨道交通运营组织.北京:中国铁道出版社,1998
[18]何宗华,汪松滋,何其光.城市轨道交通运营组织.北京:中国建筑工业出版社,2003
[19]陆化普,朱军,王建伟.城市轨道交通规划的研究与实践.北京:中国水利水电出版社,2001
[20]叶霞飞,顾保南.城市轨道交通规划与设计.北京:中国铁道出版社,1999
[21]谷江河.城市轨道交通系统客流分配研究:[硕士学位论文].上海:同济大学,2006
[22]朱自刚.网络运营条件下城轨交通乘客出行路径的研究:[硕士学位论文].上海:同济 大学,2007
[23]Heinz Spiess,Michael Florian.Optimal strategies:a new assignment model for transit networks.Transportation Research Part B,1989,2313(2):83-102
[24]Sang Nguyen etc.Implicit enumeration of hyperpaths in a logit model for transit networks.Transportation Science,1998,32(1):54-64
[25]DeCea J.and Fernandez E.Transit assignment for congested public transport system:An Equilibrium model.Transportation Science,1993,27:133-147
[26]Wu J.H.,Florian M.and Marcote P.Transit equilibrium assignment:A model and solution algorithm.Transportation Science,1994,28:193-203
[27]William H.K.Lam,Jing Zhou,Zhao-han Sheng.A capacity restraint transit assigament with elastic line frequency.Transportation Research Part B 36(2002):919-938
[28]Agostino Nuzzolo,Francesco Russo,Umberto Crisalli.A Doubly Dynamic Schedule-based Assignment Model for Transit Networks.Transportation Science,2001 informs,2001,Vol.35(3):268-285
[29]M.H.Poon,S.C.Wong,C.O.Tong.A dynamic schedule-based model for congested transit networks.Transportation Research Part B,2004,VOl.38:343-368
[30]C.O.Tong,S.C.Wong.A predictive dynamic traffic assignment model in congested capacity constrained road networks.Transportation Research Part B,2000,Vol 34:625-644
[31]杨群,关伟,张国伍.基于合理多路径的路径选择方法的研究.管理工程学报,2002,Vol.16(4):42-45
[32]杨群,张国伍.基于“节点删除”的多路径获取方法研究.北方交通大学学报,2002,Vol.26(2):77-81
[33]李志纯,黄海军.随机交通分配中有效路径的确定方法研究.交通运输系统工程与信息,2003,Vol.3(1):28-32
[34]谭国真,张永强,高文.考虑网络流量的最优路径求解模型和算法.小型微型计算机系统,2003,Vol.24(11):45-51
[35]苏海滨,王继东.交通网络中多路径优化选择算法的研究.公路交通科技,2007,Vol.24(9):109-115
[36]李枫.城市轨道交通系统分析.铁道学报,2000,Vol.22(5):36-40
[37]顾保南,曹仲明.城市轨道交通路网结构研究.铁道学报,2000,Vol.22(5):25-29
[38]王忠强,高士廉.城市轨道交通路网形态分析方法.城市轨道交通研究,1999,(1):33-36
[39]王忠强,黎青松,陈旭梅.轨道交通路网基本图式研究。西南交通大学学报,2000,Vol.35(3):288-292
[40]张译,张毅,胡坚明.城市公共交通网络的拓扑性质分析.交通运输系统工程与信息.2006,vol6(4):57-60.
[41]R.Balcombe.The demand for public transport:a practical guide,TRL Limited, 2004
[42]Ziyou Gao,Huijun Sun,Lian Long Shan.A continuous equilibrium network design model and algorithm for transit systems.Transportation Research Part B,2004,Vol.38:235-250
[43]四兵锋,高自友.城市公交网络均衡配流模型及算法的研究.公路交通科技,1998,Vol.15(3):78-85
[44]宋一凡,高自友.连续平衡网络设计问题的双层规划模型及其求解算法,公路交通科技,1999,Vol.16(1):67-73
[45]姜虹,高自友.用遗传算法求解拥挤条件下的公共交通随机用户平衡配流.公路交通科技,2000,Vol.17(2):46-52
[46]杨明.基于GIS的城市常规公交网络配流技术研究:[硕士毕业论文].南京:东南大学,2003
[47]倪西钧.城市公共交通网络客流分配技术的研究:[硕士学位论文].大连:大连理工大学,2004
[48]周刚,王炜.地铁线路客流分配方法与算法研究.广东公路交通,2001(4):32-35
[49]吴祥云,刘灿齐.轨道交通客流量均衡分配模型与算法.同济大学学报(自然科学版),2004,Vol.32(9):198-206
[50]雷全胜,唐祯敏.城市公交平衡配流研究的几个关键问题综述.系统工程学报,2003,Vol.18(1):62-70
[51]杨清华,贺国光,马寿峰.对动态交通分配的反思.系统工程,2000,Vol.18(1):49-54
[52]黄海军.城市交通网络动态建模与交通行为研究.管理学报,2005,Vol.2(1):18-22
[53]高自友,赵晓梅,黄海军等.复杂网络理论与城市交通系统复杂性问题的相关研究.交通运输系统工程与信息,2006,Vol.6(3):41-47
[54]魏明,杨方廷,曹正清.交通仿真的发展及研究现状.系统仿真学报,2003,Vol.15(8):1179-1183.
[55]王飞跃,汤淑明.人工交通系统的基本思想与框架体系.复杂系统与复杂性科学,2004,Vol.1(2):52-59
[56]王飞跃,戴汝为,张嗣瀛等.关于城市交通、物流、生态综合发展的复杂系统研究方法.复杂系统与复杂性科学,2004,Vol.1(2):60-69
[57]黄海军.交通行为建模——问题与机会.交通运输系统工程与信息,2002,Vol.2(1):24-29
[58]顾珊珊,陈禹.复杂适应性系统的仿真与研究——基于CAS理论的交通模拟.复杂系统与复杂性科学,2004,Vol.1(1):82-88
[59]Wardrop,J.G.Some Theoretical Aspects of Road Traffic Research.Proceedings of the Institute of Civil Engineers,Vol.2,pp.325-378,1952.
[60][美]萨缪·鲍尔斯.微观经济学:行为、制度和演化.江艇,洪福海,周业安译.北京:中国人民大学出版社,2006
[61][美]约翰·H·霍兰隐秩序:适应性造就复杂性.周小牧,韩晖译.上海:上海科技教育出版社,2000
[62]方美琪,张树人.复杂系统建模与仿真.北京:中国人民大学出版社,2005
[63]孙晋文,李明树,鄂卓茂.基于Agent的智能交通体系及仿真.计算机仿真,2002,Vol.19(3):46～49
[64]严飞,潘明阳,曹晓东.Agent技术在交通仿真中的应用.电脑开发与应用,2003,Vol.16(8):31～33
[65]赵龙文,侯义斌.Agent的概念模型及其应用技术.计算机工程与科学,2000,Vol.22(6):76～79
[66]刘运通,石建军,熊辉.交通系统仿真技术.北京:人民交通出版社,2002
[67]熊光楞.连续系统仿真与离散系统仿真.北京:清华大学出版社,1991
[68][南非]保罗·西利亚斯.复杂性与后现代主义——理解复杂系统.曾国屏译.上海:上海科技教育出版社,2006
[2]陈菁菁.城市轨道交通网络运营可靠性研究:[博士学位论文].上海:同济大学,2007
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[61][美]约翰·H·霍兰隐秩序:适应性造就复杂性.周小牧,韩晖译.上海:上海科技教育出版社,2000
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[67]熊光楞.连续系统仿真与离散系统仿真.北京:清华大学出版社,1991
[68][南非]保罗·西利亚斯.复杂性与后现代主义——理解复杂系统.曾国屏译.上海:上海科技教育出版社,2006