一种非均衡居民出行市场调节方法

技术领域

本发明涉及城市交通供求关系调控技术领域，尤其涉及一种非均衡居民出行市场调节方法。

背景技术

城市交通系统是一个复杂巨系统，影响交通供求因素众多且时刻变化，致使交通供求关系普遍处于非均衡状态。交通供求关系在时间空间上的失衡是交通拥挤的根本原因，因此，研究交通供求关系的调节方法具有重要意义。

在交通供给管理方面，提高城市道路网络的整体供给能力是缓解交通供求关系的主要措施。具体包括两方面，一是扩大道路网络规模，优化道路网络结构；二是根据交通需求时空分布规律，动态调节网络供给能力。城市土地资源的有限性决定了不断扩大道路网络规模具有不可持续性，因而优化道路网络结构成为提高网络供给能力的有效办法。网络设计(network design)理论与方法为优化城市道路网络结构提供了有力的支撑[1-3]。在动态调节网络供给能力方面，可变车道(reversible lane)和匝道调节(ramp metering)等是优化网络供给能力的有力措施，能够有效缓和道路资源闲置与交通拥挤并存的尴尬局面[4-6]。

在交通需求管理方面，抑制道路网络交通需求规模的增长，调节交通需求在时间空间上的合理分布是需求管理的主要目的。鉴于交通需求的派生性，随着城市规模的扩大和经济的发展，交通需求规模将呈不断增长之势，因此，理想的抑制措施是能够让交通需求产生明显的出行方式转移。在众多的需求管理措施中，拥挤收费(congestion pricing)、停车收费(parking charge)是调节居民出行意愿和出行方式转移的有力举措，能够有效降低拥挤道路或区域的交通密度[7-9]。另外，车速限制(speed limit)并非只是保障交通安全的有效措施，同时也是一种需求管理措施。因为，行驶时间随车速的变化而变化，限制车速意味着出行时间或成本的增加[10-11]。

值得指出的是，上述交通供求管理措施的研究一般都是针对交通需求或供给独立的开展，没有考虑交通需求与交通供给间的相互影响，因而不能定量分析各种交通供求管理措施对供求关系的调节能力。

从经济学的角度来看，网络设计、可变车道以及匝道调节等交通供给管理措施提高了道路网络的供给能力，本发明将这类供给管理措施称为数量调节；拥挤收费、停车收费以及车速限制等交通需求管理措施提高了出行者的出行成本，本发明将这类需求管理措施称为价格调节。显然，在实际的城市交通规划与管理工作中，价格调节和数量调节方法已得到广泛的应用。需求和供给是经济学中的核心概念，关于供求关系的研究是贯穿经济学发展始终的基本问题。为了能够在市场背景下研究交通供求关系，文献[12]以道路网络为研究对象，将道路网络中潜在的出行者视为需求方，道路网络本身视为供给方，将每一OD对间的交通出行视为一个出行市场，研究了单一市场中价格和数量调节对交通供求关系的影响，文献[13]运用最大似然估计方法对非均衡居民出行双市场模型参数进行估计，文献[14]研究了路径出行时间和路径剩余容量对居民出行选择行为的影响，建立价格—数量调节网络交通流演化模型。

到目前为止，关于调节交通供求关系的研究基本停留在概念和理论层面，鲜有成果涉及到具体应用。

发明内容

本发明的目的就在于为了能够在市场背景下研究交通供求关系，分析动态交通供求管理措施对交通供求关系的调节能力，需构建居民出行市场。由此而提供一种非均衡居民出行市场调节方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：本发明将在文献[12]研究成果基础上进一步开展理论和仿真研究。理论研究方面，建立非均衡居民出行双市场模型，研究双市场中最优价格—数量调节机制；仿真研究方面，针对获得的最优价格—数量调节机制，将价格调节和数量调节分别视为出行市场中的出行时间调节和通行能力调节，出行时间调节通过车速调节间接实现，通行能力调节通过入口匝道调节直接实现，研究价格—数量调节方法在实际交通管理中的应用。

本发明包括以下步骤：

S1：定义交通服务的需求方为需要从起始节点r到终讫节点s的所有出行者，则整个出行市场可能存在多个需求方；

S2：设道路交通管理者均不向交通需求方收取费用，定义交通服务的供给方为短期内能够给OD对(r,s)间的需求方提供出行路径的道路交通管理者，则整个出行市场可能存在多个供给方；

S3：居民出行双市场由两个单一出行市场聚合而形成，各市场之间存在交通量的转移，构建双市场模型；

S4：构建基于双市场模型，寻求交通供求偏差、价格调节幅度和数量调节幅度综合最优的调节方法。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种非均衡居民出行市场调节方法，与现有技术相比，本发明将道路网络视为一个经济系统，建立城市居民出行双市场模型，利用动态规划方法得出双市场最优价格—数量调节律，并将其推广至多出行市场。研究了价格—数量调节机制在道路交通管理中的应用，仿真结果显示价格—数量调节机制在不同供求状态下均能有效地减小交通供求偏差，避免因价格调节幅度和数量调节幅度过大而导致出行市场激荡，实现供求均衡。

附图说明

图1是本发明的快速路网示意图；

图2是本发明的D

图3是本发明的D

图4是本发明的D

图5是本发明的D

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

定义交通服务的需求方为需要从起始节点r到终讫节点s的所有出行者，则整个出行市场可能存在多个需求方。

假定OD对(r,s)间的出行需求D

D

式中，τ

当出行需求D

假设道路交通管理者均不向交通需求方收取费用，定义交通服务的供给方为短期内能够给OD对(r,s)间的需求方提供出行路径的道路交通管理者，则整个出行市场可能存在多个供给方。

假定OD对(r,s)间的出行供给S

S

当OD对(r,s)间的交通流量减小时，最小出行费用τ

需指出的是，供给函数不等同于通行能力，OD对(r,s)间所有路径上的通行能力之和等于供给方的最大供给能力。

文献[12]对居民出行单一市场的调节机制进行了分析，本发明以此为基础主要对居民出行双市场的调节机制进行研究。居民出行双市场是由两个单一出行市场聚合而形成的，各市场之间存在交通量的转移(溢出效应)。参照经济学领域相关研究成果，构建双市场模型

式中，D

理想需求和理想供给模型为

式中，X

为更好地调节城市交通供求关系，拟基于双市场模型，寻求交通供求偏差、价格调节幅度和数量调节幅度综合最优的调节机制。

令交通供求偏差Z

其中

Z

以D

综合式(3)(4)(5)(16)，得

进一步，可知

式(18)减去式(17)，得

同理可得

综合式(19)(20)，得

其中

令

令外生变量X

即

将式(25)代入式(10)，有

Z

其中，

取二次目标函数为

其中，H＝diag(q

假定1-a

其中

V为Riccati矩阵方程(-V+H+A

对于其他三种供求状态，同样可以得到形如式(28)的最优价格—数量调节律，只是式(29)中的K

需指出，短边规则在讨论双市场调节机制时，需划分四种供求状态，并在不同状态下建立相应的调节律。当出行市场个数增多时，研究其调节机制需分别在多种供求状态下进行讨论。供求状态的增多大大增加了讨论的复杂性，例如r个出行市场时需要考虑2

模型仿真：

测试路网及市场模型：

为分析本发明所提出的双市场价格—数量调节机制在道路交通管理中的应用，需要将理论模型中的价格和数量调节变量与具体的交通管理手段对应起来。模型中的价格调节对应道路上车辆的行驶时间调节。在给定道路网络的情况下，车辆行驶时间可以借助可变信息牌对车辆速度进行调节得以实现。同样，将模型中的数量调节对应道路通行能力调节，可通过道路入口匝道调节率来实现。

给定一快速路网如图1所示，(r

假定(r

理想需求

理想供给

有效需求D

有效供给S

市场二的

模型计算及调节过程展示：

为体现价格—数量对交通供求关系的调节作用，下面将针对双市场的四种供求状态进行模型计算。

表1行驶时间与匝道调节率的初始值

注：P

假定H＝diag(1,1)，R＝diag(200,2,200,2)，调节期数k∈[0,25]，调节步长为1h，行驶时间P

1)市场状态(D

表2最优价格—数量调节指标

如图2所示D

2)市场状态(D

表3最优价格—数量调节指标

如图3所示D

3)市场状态(D

表4最优价格—数量调节指标

量；图4D

4)市场状态(D

表5最优价格—数量调节指标

图5 D

仿真结果分析：

不难看出价格—数量调节机制在不同供求状态下均能有效地减小交通供求偏差，且由图2～图5可得，在经过一段调节期数后，双市场供求关系均趋于均衡状态。相对状态(D

对比表3和表2可知，由于市场二的入口匝道调节率减小，使得市场二供求状态由供不应求脱变为供过于求。对比表4和表5可知，由于市场二的车辆行驶时间增大，使得市场二供求状态由供不应求脱变为供过于求。由此可知，价格调节变量或数量调节变量的大幅变化均可能引起交通供求关系的改变，考虑并加以利用其影响能够使交通供求关系更好地趋于均衡状态，这也从侧面反映价格—数量调节机制能够定量分析交通管理措施对供求关系的调节能力。

结论：

本发明将道路网络视为一个经济系统，建立城市居民出行双市场模型，利用动态规划方法得出双市场最优价格—数量调节律，并将其推广至多出行市场。研究了价格—数量调节机制在道路交通管理中的应用，仿真结果显示价格—数量调节机制在不同供求状态下均能有效地减小交通供求偏差，避免因价格调节幅度和数量调节幅度过大而导致出行市场激荡，实现供求均衡。

交通供求关系的非均衡是城市交通问题的根源，本发明以经济学非瓦尔拉斯均衡理论为基础，研究交通供求非均衡的调节机制，提出有效的应对措施，将进一步丰富和完善交通供求关系的分析理论，促进城市交通规划理论与交通管理方法的发展。考虑出行时间、预期交通量对路径选择行为的影响将是下一步研究方向。

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以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。