论文总字数：31808字

摘 要

本文基于可达性和主观福祉两方面，提出了两种双层模型来优化交通网络设计，从而促进交通系统的高质量发展。为了实现可达性的最优化，本文在第二章中介绍了一种新的双层模型系统，其上层从可达性的角度来优化交通系统的运行状况，其下层是能反馈交通系统平衡状态的四阶段模型。该模型中，该系统的目的地通过多项Logit模型决定。为了求解该双层模型，本文设计了一种高效的Dirichlet分配算法。为了实现主观福祉的最大化，本文在第三章阐述了一种新的双层模型系统，其上层用于实现给定投资预算后出行者的主观福祉最大化，下层是Nested Logit模型和用户均衡模型之间的反馈过程。该模型中，我们使用Nested Logit模型来表示出行选择和目的地选择, 而道路网路的交通流则通过用户均衡模型来分配。最后，本文采用了一种模拟退火算法来求解该双层模型。文中所提出的两个双层模型均通过Nguyen-Dupuis网络进行仿真测试。结果表明，两种双层模型结构均是可行的，故其可以成为决定城市开发政策的宝贵工具。

关键词：交通网络设计，可达性，主观福祉，双层模型

Abstract

Based on the two aspects of accessibility and subjective well-being, two new bi-level models are propoesd to optimize the design of traffic network, so as to promote the high-quality development of traffic system. In order to realize the optimization of accessibility, a novel bi-level model is proposed in chapter 2, where the upper-level aims at optimizing transport system performance in terms of accessibility, and the lower-level is a four-step model with the feedback of the transport system equilibrium. The destination is decided through a multinomial logit model. To solve the bi-level model, we designed an efficient Dirichlet allocation algorithm. In order to maximize the subjective well-being, a novel bi-level model is established in chapter 3, where the upper-level aims at maximizing subjective well-being under an given investment budget, and the lower-level is a feedback procedure between nested logit model and user equilibrium model. We use the Nested Logit model to describe travel choices and destination choices, while the user equilibrium model applies to the traffic assignments of the road network. We designed a simulated annealing algorithm to solve the proposed model. Numerical experiments using Nguyen-Dupuis network are conducted, which demonstrates that the proposed bi-level model systems are effective. The modeling framework is operational which can be a valuable tool in determining urban development policies.

KEY WORDS: traffic network design, accessibility, subjective well-being, bi-level model

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 研究目的和意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 可达性方面的交通网络研究现状 1

1.2.2 主观福祉方面的交通网络研究现状 2

1.3 研究内容 3

1.3.1 基于可达性的城市多中心发展控制方法 3

1.3.2 基于主观福祉最大化的交通网络设计方法 4

1.4 研究方法 4

第二章 基于可达性的城市多中心发展控制 6

2.1 双层模型系统 6

2.1.1 上层模型：多中心开发规划的土地利用分配最优化 6

2.1.2 下层模型：交通系统平衡 8

2.2 求解算法 10

2.3 仿真研究 12

第三章 基于主观福祉最大化的交通网络设计 16

3.1 双层模型系统 16

3.1.1 下层模型：交通系统平衡 17

3.1.2 上层模型：主观福祉最大化 22

3.2 求解算法 23

3.3 仿真研究 24

第四章 结论 27

参考文献 28

取得的科研成果 32

致 谢 35

引言

研究目的和意义

一直以来，政府曾提出多种政策来缓解交通运输业的外部影响，包括交通拥堵、废气排放和交通事故等等。然而，以往的研究工作大多集中在交通政策上，如交通网络设计、公路收费制度、信号优化和车速限制等。随着城市的发展和个人意识逐渐增强，曾经被忽略的很多问题开始显现出其重要性。

首先，尽管设计者知道交通与土地利用之间存在着相互作用，但在设计土地利用时，交通系统的性能却很少得到满足。交通系统的目标之一是改善个体的可达性或提高达到预期活动、目的地和服务的容易程度。为实现城市智能增长，决策者通常面临的挑战是如何协调多个城市中心的土地利用开发来优化可达性。为此，本文希望建立一种新的模型来研究土地利用开发的优化控制与网络可达性的关系。

其次，在以用户为中心的交通政策设计研究中，虽然交通网络设计已经在消费者剩余最大化方面进行了大量研究，但它们都只是在总体水平而非用户体验上进行的研究。本文希望提出一种优化交通网络设计的方法，该方法能实现在给定投资预算的情况下，最大化出行者的主观福祉。

通过实现可达性最优化和主观福祉最大化，我们便能进一步实现交通网络系统的高质量优化设计。若我们能成功构建一个具有可操作性的模型结构，那么就未来应用于其他现实世界的大规模交通网络而言，该模型可作为规划人员和决策者制定城市开发政策的宝贵工具。

研究现状

1.2.1 可达性方面的交通网络研究现状

虽然人们都知道交通与土地利用之间存在相互作用，但土地利用政策却很少在交通系统性能的研究中被探讨。交通-土地利用相互作用模型可以从其理论基础上加以分类，包括微观经济理论、空间相互作用模型、随机效用理论和优化模型等。优化模型通过考虑空间中的相互作用，为寻找活动的最佳位置提供了一个支援工具，且其对于设计最佳解决方案也大有帮助^[1]。一体化优化模型（TOPAZ模型）是二十世界七十年代发展起来的一种极具代表性的技术，它使用数学程序设计技术决定了城市地区的土地利用方式。TOPAZ是一种线性规划模型，它考虑到城市系统是通过不同组成部分（如一组活动、定位这些活动所需的适宜区域以及将它们连接起来的路线）之间的相互作用组成的。墨尔本地区曾使用了最简单版本的TOPAZ，将交通费用与城市发展费用相结合所产生的总费用降到最低。然而，由于没有考虑区域间出行行为的规则，TOPAZ模型是不现实的。因此，最近许多研究人员采用了双层优化模型，其上层模型用来实现与交通和土地利用有关的不同目标，而其下层模型则表示出行行为^[2-4]。

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