需求牵引的响应式交通网络设计方法研究文献综述

 2023-08-24 11:15:09
  1. 文献综述（或调研报告）：

随着我国城市化进程的快速推进和机动化水平的不断提高，交通基础设施呈快速增长的趋势，截止到2019年，中国公路总里程以达484.65万公里，高速公路达14.26万公里，居世界第一。虽然交通覆盖面越来越广，然而由于缺乏统筹规划，使得交通网络的运行效率低下，城市交通问题日益严峻，为城市健康快速发展造成严重困扰。

近年来，关于传统网络设计问题被学者广泛研究，即在给定投资的前提下通过双层规划模型来实现路段容量增强的最优化，其中决策者是预算约束下优化交通系统性能的决策者，而出行者则是在给定的道路网络下优化各自效用的追随者，双层模型则主要集中在上层决策者多样化的目标、约束和决策变量，下层模型中出行者相异的行为决策以及具有差异性的算法这三个方面。在该类问题中，投资通常被看作约束而不是目标函数的一部分[1-4]。投资成本可通过转换因子换算成行程时间，而可达性又作为衡量交通网络便利性的重要指标，因此问题的目标可以是在允许改变候选路段容量的前提下，对这两方面来进行分析研究，即广义行程时间最小化以和可达性最大化。

其中在广义行程时间最小化问题的研究中， Qin等[5]将一个混合交通网络设计问题表示为双层规划模型，利用转换因子将排放转换为货币成本，并考虑了总投资成本最小化的同时减少车辆废气排放问题。张华歆等[6]则是以网络收益和成本之差的最大化为目标，实现了多模式交通网络的随机用户平衡，并最终利用惩罚函数的启发式算法解决。Shi等[7]将环境成本、行程时间成本和投资成本整合到上层规划的目标函数中，其中还包括了交通需求的不确定性。而杨明等[8]则是研究了环境承受力约束下的双层规划模型问题，以大气环境容量限值等作为约束使得系统总消耗时间和费用最小。Bian[9]对于需求不确定的离散交通网络设计提出了最小化投资成本、系统总行程期望时间和标准差的双层规划模型，并利用非支配排序遗传算法II(NSGA II)来生成Pareto解，孙强等[10]则是在离散网络的基础上完成了资金约束下实现所有需求后的消费者剩余最大化。在实践中，决策者还需要提出满足不同利益相关者期望的最佳解决方法，其中Chen[11]在网络设计中，以投资为约束利用目标规划对自定义目标和优先级结构进行建模，并将效率、环境和公平考虑为三个政策目标。Xu[12]则进一步将规划者目标的主观不确定性作为一组模糊变量。Yin[13]则尝试使用目标规划解决通行费定价和容量增强问题，其中包括成本回收、服务质量、环境和公平性等四个问题。Sun[14]则基于警戒线拥堵定价问题提出一个双层规划模型，其中上层为目标规划，包括社会福利总额、环境影响和社会公平，而下层是基于上层道路税模式弹性需求的用户平衡问题。

而从可达性作最大化的角度出发，在以往的研究中相对较少。其中，Wang[15]和Santos[16]等制定了一个双目标的双层规划模型用于可达性最大化的交通网络设计中，其在上层模型中限制了投资预算而将交通分配模型作为下层模型。因感知的出行时间应是一个随机变量，因此随机均衡分配将会变得更加现实。此外，Li等[17]提出了涉及可达性最大化的高速公路网络设计双层模型，其下层模型为交通与土地利用交互的平衡系统。除了使网络可达性最大化外，可达性的公平性问题也关系到可持续发展。交通网络设计的决策还可以通过使某些区域更易到达来影响空间公平性。Mollanejad等[18]提出了一种混合整数线性规划模型，将可达性的公平性隐式地纳入离散交通网络设计问题。Feng等[19]提出了一种双目标的双层优化模型，用来基于可达性的股权最大化和投资成本最小化之间的权衡，其中下层模型是一个传统的用户均衡分配问题。Behbahani等[20]提出了一个考虑可达性公平性的交通网络设计问题的概念框架，最终建议使用七个有关可达性公平性的数学公式来考虑社会公平问题。

参考文献：

  1. Baskan, O. Determining Optimal Link Capacity Expansions in Road Networks Using Cuckoo Search Algorithm with Levy Flights. J. Appl. Math,2013.
  2. Baskan, O. Harmony search algorithm for continuous network design problem with link capacity expansions. Ksce Journal of Civil Engineering ,2014,18, 273-283.
  3. Chiou, S.W. Bilevel programming for the continuous transport network design problem. Transp. Res. Pt. B-Methodol. 2005, 39, 361-383.
  4. Xu, T.Z., Wei, H., Hu, G.H. Study on continuous network design problem using simulated annealing and genetic algorithm. Expert Systems with Applications 36, 1322-1328.2009.
  5. Qin, J., Ni, L.L., Shi, F. Mixed Transportation Network Design under a Sustainable Development Perspective. Sci. World J., 2013, 8.
  6. 张华歆,周溪召. 多模式交通网络的拥挤道路收费双层规划模型[J]. 系统工程理论方法应用(6):546-551.
  7. Shi, H.P., Xu, P.F., Yang, Z.Z. Optimization of transport network in the Basin of Yangtze River with minimization of environmental emission and transport/investment costs. Adv. Mech. Eng, 2016,8, 10.
  8. 杨明, 卢青, 苏标. 基于环境承载力的连续型交通网络设计双层规划模型与算法[J]. 长沙理工大学学报：自然科学版, 2015(12):28.
  9. Bian, C.Z. A Nondominated Genetic Algorithm Procedure for Multiobjective Discrete Network Design under Demand Uncertainty. Math. Probl. Eng., 2015, 8.
  10. 孙强, 王庆云, 高咏玲. 不确定需求条件下多阶段区域综合交通网络设计的双层规划模型[J]. 交通运输系统工程与信息, 2011(06):115-120.
  11. Chen, A., Xu, X.D. Goal programming approach to solving network design problem with multiple objectives and demand uncertainty. Expert Systems with Applications 2012,39, 4160-4170.
  12. Xu, X.D., Chen, A., Cheng, L. Stochastic Network Design Problem with Fuzzy Goals. Transportation Research Record, .2013,23-33
  13. Yin, Y., Li, Z.C., Lam, W.H.K., Choi, K. Sustainable Toll Pricing and Capacity Investment in a Congested Road Network: A Goal Programming Approach. Journal of Transportation Engineering ,2014,140, 10.
  14. Sun, X., Liu, Z.Y., Thompson, R.G., Bie, Y.M., Weng, J.X., Chen, S.Y. A multi-objective model for cordon-based congestion pricing schemes with nonlinear distance tolls. J. Cent. South Univ. 2016,23, 1273-1282.
  15. Wang, J., and Lu, H. 'Multi-objective optimization model for highway network design.' Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science and Engineering), 2009, 33(5), 888-891.
  16. Santos, B. F., Antunes, A. P., and Miller, E. J. 'Interurban road network planning model with accessibility and robustness objectives.' Transp. Plan. Technol., 2010.33(3), 297-313.
  17. Li, T., Sun, H., Wu, J., Gao, Z., Ge, Y. E., and Ding, R. 'Optimal urban expressway system in a transportation and land use interaction equilibrium framework.' Transportmetrica A: Transport Science, 2019.15(2), 1247-1277.
  18. Mollanejad, M., and Zhang, L. 'Incorporating spatial equity into interurban road network design.' Journal of Transport Geography, 2014.39, 156-164.
  19. Feng, T., and Zhang, J. 'Multicriteria evaluation on accessibility-based transportation equity in road network design problem.' Journal of Advanced Transportation,2014. 48(6), 526-541.
  20. Behbahani, H., Nazari, S., Jafari Kang, M., and Litman, T. 'A conceptual framework to formulate transportation network design problem considering social equity criteria.' Transportation Research Part A: Policy and Practice, 2019,125, 171-183.

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