潘大為
(江蘇省揚州市公路管理處,江蘇 揚州225000)
協(xié)同是指復雜系統(tǒng)中各組成要素之間,各子系統(tǒng)之間在運行過程中的合作與協(xié)調(diào),在宏觀上表現(xiàn)為整個系統(tǒng)的有序化。車輛出行誘導系統(tǒng)與交通控制系統(tǒng)作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分,兩者的協(xié)同是實現(xiàn)路網(wǎng)交通流優(yōu)化均衡、解決交通擁擠問題的重要方法。車輛出行誘導系統(tǒng)通過多種信息發(fā)布方式向出行者提供道路、交通環(huán)境等信息,推薦優(yōu)化出行路徑,誘導出行者通過最便捷的路徑到達目的地,促進道路資源的有效利用;交通控制系統(tǒng)借助計算機軟件和控制理論,對路網(wǎng)交通流進行優(yōu)化管理與控制,實現(xiàn)路網(wǎng)交通流有序運行,實現(xiàn)道路的通暢。
車輛出行誘導系統(tǒng)與交通控制系統(tǒng)具有許多共同點,主要包括:1)共同的目的:縮短行程時間、減少延誤、提高路網(wǎng)通行能力;2)相同的調(diào)整對象:以路網(wǎng)交通流為調(diào)整對象,只是車輛出行誘導調(diào)整路網(wǎng)交通流空間分布,交通控制調(diào)整路網(wǎng)交通流時間分布;3)互為輸入和輸出約束:對于交通控制系統(tǒng),進行實時優(yōu)化控制需要依據(jù)交通流量數(shù)據(jù),而流量情況很大程度決定于出行者的行駛路徑;另一方面,對于車輛出行誘導系統(tǒng),誘導策略的制定需要確定各路段的行駛時間,而這些行駛時間是由交通控制系統(tǒng)所決定;4)需要共同的子系統(tǒng)支持:包括地理信息系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以及信息處理系統(tǒng)等,這些子系統(tǒng)都是交通控制系統(tǒng)和出行誘導系統(tǒng)運行所必須的。
以上共同點說明,車輛出行誘導系統(tǒng)與交通控制系統(tǒng)之間不是孤立的,是密切關(guān)聯(lián)、相輔相成的,因此,二者有必要也有可能通過協(xié)同合作的方式實現(xiàn)共贏。車輛出行誘導系統(tǒng)與交通控制系統(tǒng)的協(xié)同過程具有一定的規(guī)律性,對于兩個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)演化過程進行研究,將有助于更好地制定決策方案。
以車輛出行誘導系統(tǒng)的效益增長為例,建立單系統(tǒng)效益增長模型,假設(shè)特定發(fā)展階段內(nèi),系統(tǒng)效益的平均增長率保持穩(wěn)定,且系統(tǒng)效益是交通狀態(tài)系數(shù)的連續(xù)、可微函數(shù)。建立模型如下
式中:g為車輛出行誘導系統(tǒng)的效益;s為交通狀態(tài)系數(shù),該系數(shù)綜合考慮車輛平均行程時間和道路長度,為某個交通數(shù)據(jù)采樣時段內(nèi)單位道路長度上車輛的平均行程時間s=T/d=1/v,其中d為道路長度,v為采樣時段車輛平均行程速度;kg為車輛出行誘導系統(tǒng)效益的平均增長率;γ為對系統(tǒng)的投入及管理力度,投入越多、管理力度越大則數(shù)值越高;gmax為一定的人口、用地規(guī)模的城市在理想的道路、交通環(huán)境下車輛出行誘導系統(tǒng)的最大效益。
單系統(tǒng)效益增長模型中的γ反映了投入及管理對于系統(tǒng)效益增長的促進作用,為了提高系統(tǒng)的效益增長速度,應(yīng)當加大對于系統(tǒng)的投入并對系統(tǒng)進行有效的管理;1-g/gmax反映了系統(tǒng)效益的提高不是無限制的,隨著自身效益的增長,消耗了大量的有限資源,從而阻滯自身效益的增長。效益增長曲線如圖1所示。
圖1 單系統(tǒng)效益增長曲線
圖1中,效益增長曲線1不含系數(shù)γ,效益將無限制增長;效益增長曲線2考慮資源投入有限性,系統(tǒng)效益最終將趨于穩(wěn)定值gmax,效益增長曲線2比曲線1更符合實際。
在單系統(tǒng)效益模型的基礎(chǔ)上,針對車輛出行誘導系統(tǒng)與交通控制系統(tǒng),建立雙系統(tǒng)協(xié)同效益模型,模型如下
式中:c為交通控制系統(tǒng)的效益;kc為交通控制系統(tǒng)效益的平均增長率;σ為對交通控制系統(tǒng)的投入及管理力度,投入越高、管理力度越大則數(shù)值越高;α為實施協(xié)同后,交通管理系統(tǒng)效益的提高對車輛出行誘導系統(tǒng)效益提高的增長系數(shù);β為實施協(xié)同后,車輛出行誘導系統(tǒng)效益的提高對交通管理系統(tǒng)效益提高的增長系數(shù);cmax為一定的人口、用地規(guī)模的城市在理想的道路、環(huán)境條件下交通控制系統(tǒng)的最大效益;式(2)中,αc/cmax以及βg/gmax體現(xiàn)兩系統(tǒng)協(xié)同后,自身效益的提高對于對方效益提高的促進作用。當α=β=0時,兩系統(tǒng)間無協(xié)同,模型退化為公式(1);γ,σ體現(xiàn)投入與管理對于系統(tǒng)效益提高的促進作用,當γ=σ=0時,兩系統(tǒng)缺少投入與管理,系統(tǒng)將耗費更多的時間由無序狀態(tài)自我調(diào)整至有序狀態(tài);1-g/gmax,1-c/cmax體現(xiàn)由于自身效益的增長對有限資源的損耗而導致自身效益增長的阻滯效用。
為了研究系統(tǒng)協(xié)同效益隨時間變化的趨勢,需要對式(2)的平衡點進行穩(wěn)定性分析。令dg/ds=0,dc/ds=0得
依據(jù)常微分理論,得到方程組的四個平衡點,通過平衡點對系統(tǒng)穩(wěn)定性條件進行分析
p1(0,0),p2(gmax/(1-γ),0),p3(0,cmax/(1-σ)),記Δ=1-γ-σ+γσ則
圖形分析如下:
表1 系統(tǒng)平衡點及穩(wěn)定性
圖2 協(xié)同系統(tǒng)演化發(fā)展
1)系統(tǒng)協(xié)調(diào)后效益值為正值,因此,分析區(qū)域為RA≥0且RB≥0的區(qū)域;
2)通過φ=0、ψ=0曲線,劃分為四個區(qū)域,分別為zone1,zone2,zone3,zone4兩條曲線的交叉點為平衡點P4且處于穩(wěn)定狀態(tài);
3)P4周圍區(qū)域較接近穩(wěn)定狀態(tài),以較平穩(wěn)演化速度向P4方向發(fā)展,如圖2中的L1、L2、L3、L4;
4)由于系統(tǒng)存在擾動,遠離P4區(qū)域時,先往L2或L4方向演化,以保持兩個系統(tǒng)收益的相對平衡,其次,沿著L2或L4方向往穩(wěn)定狀態(tài)P4演化,如圖2中的L5、L6、L7、L8,這一演化過程可以表示為:不穩(wěn)定狀態(tài)點→zone2或者zone4→穩(wěn)定狀態(tài)點。
在建立單系統(tǒng)效益模型的基礎(chǔ)上,考慮協(xié)同系統(tǒng)之間相互作用的影響,建立車輛誘導系統(tǒng)與交通控制系統(tǒng)的協(xié)同模型。通過常微分方程求解模型的平衡點以及穩(wěn)定條件,通過分析協(xié)同演化規(guī)律,有助于在制定車輛出行誘導和交通控制策略時,更好地將路網(wǎng)交通運行狀態(tài)引導至穩(wěn)定狀態(tài),使得交通網(wǎng)絡(luò)中的車輛更快捷、高效的出行,路網(wǎng)效率達到最優(yōu)。
[1] 潘大為,鄧衛(wèi),季彥婕 .基于協(xié)同理論的停車誘導信息系統(tǒng)誘導策略優(yōu)化模型研究[D].南京:東南大學,2012.
[2] 楊兆升 .智能運輸系統(tǒng)概論[M].北京:人民交通出版社,2003.
[3] 保麗霞 .基于信息集成的城市交通流誘導與交通控制協(xié)同的關(guān)鍵理論及技術(shù)研究[D].長春:吉林大學,2006.
[4] 徐巖宇,馮蔚東,賀國光.VRGS與交通控制系統(tǒng)的一體化研究[J].公路交通科技,1997(3):24-28.
[5] 李瑞敏,史其信 .基于多智能體系統(tǒng)的城市交通控制與誘導集成化研究[J].公路交通科技,2004(5):15-19.
[6] 鄢飛 .物流服務(wù)供應(yīng)鏈協(xié)同運作機理分析[J].統(tǒng)計與信息論壇,2009,24(8):53-58.
[7] 謝海濤,宋奇文 .基于交通仿真的區(qū)域交通協(xié)同優(yōu)化控制系統(tǒng)[J].交通科技與經(jīng)濟,2014,16(3):4-7.