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考虑环境污染控制的城市交通网络的优化模型与算法

黄柯  
【摘要】:随着经济的发展和生活水平的提高,交通机动化程度加剧,引起的大气污染、噪声污染成为影响城市环境质量的主要污染源之一。另一方面,城市交通网络设计必须考虑降低交通污染这一不容忽视的问题。因此,从系统和全局的角度将环境污染控制和交通网络设计有机融合,是解决环境问题最迫切最有效的方法之一,也是本文将两者结合研究的主要原因。 本文首先从宏观角度分析交通网络中的环境污染控制机理,提出了基于“共生效益”和“均衡供需”的环境污染控制手段,构建了共生理论视角下的交通环境承载力的测度模型和评价模型,为中观角度的研究提供指导思想和理论依据。而后为更精确控制交通环境污染,本文从中观角度研究了城市交通网络中的尾气排放控制策略和噪声污染控制策略。其主要原理是通过分析城市某区域的车辆运行与环境污染的关系,采取某些措施和手段,以提高交通运行效率,缓解交通环境污染。本文研究范畴仅限于以静态交通分配固定需求为基础的交通网络中环境污染管理和控制措施,采用数学规划类方法、智能算法、计算机模拟仿真相结合的方法来分析和解决问题。研究的主要内容如下: (1)首先对国内外研究现状进行了分析,包括考虑环境因素的道路网络优化方法,尾气排放模型、噪声预测模型、环境污染控制方法和粒子群算法,在此基础上归纳和总结了当前研究存在的问题。并据此确定了本文研究的范围、方法、内容和技术路线。 (2)分析了城市交通网络领域和环境污染控制领域的理论和方法,包括城市交通网络平衡分析、双层规划模型、尾气排放模型、噪声预测模型,为构建复杂的优化模型打下坚实的理论基础。 (3)针对求解复杂交通网络优化问题的粒子群算法研究,主要通过引入免疫选择、混沌搜索、多种群演化、自适应繁殖等策略对粒子群算法改进,提出基于免疫选择的自适应繁殖混沌粒子群算法(ICPSO算法)。通过交通网络优化算例和针对交通网络特征的性能仿真,证明改进算法在加快收敛速度、增强粒子多样性、防止早熟现象等方面的有效性,为构建复杂交通网络的优化模型提供便捷的求解途径。 (4)将共生理论和供需平衡原理引入交通网络的环境污染控制中,分析了由共生单元、共生模式、共生环境三要素构成的城市交通共生网络,提出了基于“共生效益”和“均衡供需”的环境污染控制手段,阐述了其概念和作用范围、目标和实现方式。利用DPSIR模型从驱动力、压力、状态、影响、响应环节筛选出环境压力的关键因子:土地利用、能源消耗、尾气排放、噪声污染,据此从共生理论视角定义了城市交通环境承载力的内涵和外延,构建了交通环境承载力的测度模型和评价模型,为从宏观角度控制城市机动车规模提供了决策依据,同时也为城市交通网络的优化模型中约束条件所参照的环境阈值提供了量化手段。 (5)在共生效益思想指导下,采取多种手段组合优化的策略来控制城市交通网络中的尾气排放。首先构建了考虑行驶工况和信号配时的尾气排放模型,分析了路段能力增量和信号配时对怠速时间和阻抗函数的影响,在此基础上构建了道路拓宽费用调节下的双层规划模型,利用ICPSO算法求解并进行算例仿真分析,最后是所做工作总结和针对性措施。 (6)在共生效益思想指导下,构建了考虑重车比例和临街建筑物布局类型的噪声污染模型,据此构建了噪声分区控制思想下的双层规划模型,利用ICPSO算法求解并进行算例仿真分析,最后是所做工作总结和针对性措施。 希冀上述研究能为制定科学合理的交通管理和控制措施提供决策依据,为交通规划方案设计考虑环境污染控制提供定量方法,为衡量ITS智能交通系统是否先进合理提供主要手段。


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