【摘要】：高速公路網(wǎng)是支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、服務(wù)百姓出行、保障國防安全的戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施,截至2014年底,我國高速公路通車總里程接近11.2萬公里,基本達(dá)到了規(guī)劃的高速公路網(wǎng)規(guī)模,承擔(dān)了全國公路30%以上的客貨周轉(zhuǎn)量。與此同時,百姓安全、便捷機(jī)動化出行體驗、跨區(qū)域出行服務(wù)、極端惡劣氣象頻發(fā)等對大范圍路網(wǎng)的管理與服務(wù)提出了更高的要求,從建設(shè)管理到面向路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測、應(yīng)急處置與服務(wù)的路網(wǎng)運(yùn)行管理成為了必然選擇。為實現(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行管理的功能,發(fā)揮區(qū)域路網(wǎng)的綜合運(yùn)輸潛力、改善跨區(qū)域大范圍服務(wù)體驗并提升突發(fā)狀態(tài)的協(xié)同處置能力,路網(wǎng)運(yùn)行管理部門需要:1)做好監(jiān)測體系規(guī)劃,可靠地估計和預(yù)測網(wǎng)絡(luò)范圍動態(tài)交通狀態(tài);2)做好路網(wǎng)管控體系設(shè)計,應(yīng)急情況下,實現(xiàn)"遠(yuǎn)程疏導(dǎo)、近處分流、關(guān)鍵點段現(xiàn)場控制"的協(xié)同調(diào)度策略;3)綜合利用車載和路側(cè)信息服務(wù)設(shè)施,提供高效信息服務(wù)。由此可見,更好地適應(yīng)區(qū)域路網(wǎng)管控、應(yīng)急處置和公眾服務(wù)的傳感網(wǎng)的設(shè)計成為當(dāng)前亟待解決的問題。與此同時,隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展,路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測方面對斷面交通流檢測設(shè)備的依賴程度有所降低。隨著全國高速公路聯(lián)網(wǎng)不停車收費系統(tǒng)的建成,以專用短程通信技術(shù)(Dedicated Short Range Communication,DSRC)為代表的高速公路車路交互平臺得到了快速發(fā)展;隨著無人機(jī)技術(shù)的日趨成熟和低空領(lǐng)域的逐漸開放,以無人機(jī)為代表的移動傳感技術(shù)在交通管理中取得了一定的應(yīng)用。本論文研究的主要目的是以路網(wǎng)運(yùn)行管理需求為切入點,融合新一代的交通運(yùn)行監(jiān)測技術(shù),協(xié)同布設(shè)多源異構(gòu)傳感器,為路網(wǎng)協(xié)同管控、公眾出行服務(wù)提供更可靠的信息。本論文以最優(yōu)化理論和交通分配理論為基礎(chǔ),以路網(wǎng)管控和服務(wù)能力優(yōu)化提升為目標(biāo),研究了基于均衡配流的關(guān)鍵路段辨識方法,提出了路網(wǎng)可觀可控性的DSRC網(wǎng)最優(yōu)化設(shè)計方法,構(gòu)建了面向網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)檢測的無人機(jī)動態(tài)路線規(guī)劃模型。主要研究成果包括:(1)開展多源異構(gòu)傳感裝備的適用性分析。分析路網(wǎng)運(yùn)行管理主要需求及監(jiān)測要素,分析多源異構(gòu)監(jiān)測裝備檢測參數(shù)類型、數(shù)據(jù)質(zhì)量、成本,及其對路網(wǎng)運(yùn)行管理需求的適用性,為傳感器的布局優(yōu)化及多源異構(gòu)傳感網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計奠定基礎(chǔ)。(2)開展基于均衡配流的路網(wǎng)關(guān)鍵路段集辨識研究。綜合考慮路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、交通需求、出行行為特征等多方面因素,針對多路段失效的聯(lián)合效應(yīng),提出了基于K-短路徑和用戶均衡配流的公路網(wǎng)關(guān)鍵路段評估方法,構(gòu)建了路段失效概率分布的關(guān)鍵路段集辨識模型;進(jìn)一步針對路段抗毀性,以救援恢復(fù)成本為約束,構(gòu)建了基于路段能力可恢復(fù)性的關(guān)鍵路段集辨識模型;并在不同網(wǎng)絡(luò)上驗證了模型的有效性和可行性。(3)開展面向路網(wǎng)可觀可控性的DSRC網(wǎng)最優(yōu)化設(shè)計方法研究。具有雙向通信特征的DSRC路側(cè)設(shè)備,可同步實現(xiàn)交通運(yùn)行狀態(tài)信息的獲取和誘導(dǎo)信息的發(fā)布功能。本論文針對高速公路網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測與管控需求,提出了路網(wǎng)可觀性、可控性框架模型;以建設(shè)成本為約束條件,構(gòu)建了最小化路網(wǎng)旅行時間不確定性及最小化系統(tǒng)總旅行時間為目標(biāo)的可觀、可控性優(yōu)化模型,實現(xiàn)路網(wǎng)范圍內(nèi)DSRC網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化布局;利用高速公路通道對模型進(jìn)行了驗證。(4)開展面向網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)檢測的無人機(jī)動態(tài)路線規(guī)劃模型研究。針對突發(fā)事件快速監(jiān)測以及日常巡查需求,考慮路網(wǎng)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及事件的時空擴(kuò)散性,本論文引入時空地理框架,以最小化無人機(jī)和固定傳感器在時空網(wǎng)絡(luò)上的事件延誤檢測成本為目標(biāo),以無人機(jī)飛行成本和固定傳感器建設(shè)費用為約束,提出了融合固定傳感器的無人機(jī)路線動態(tài)規(guī)劃模型;針對固定交通流傳感器已知和未知兩種情況,分別構(gòu)建了拉格朗日松弛算法,其中,固定交通流傳感器已知情況下,將模型簡化為經(jīng)典的時變最小路徑成本問題;利用不同級別的路網(wǎng)進(jìn)行了模型和算法驗證。
[Abstract]:The expressway network is a strategic infrastructure to support the development of the national economy, to serve the people and to ensure the security of national defense. By the end of 2014, the total mileage of the highway in China is close to 112 thousand kilometers, basically reaching the planned highway network scale and taking over 30% of the passenger and cargo turnover of the national highway. At the same time, the people are safe and convenient. Mobile travel experience, cross regional travel service, extreme weather frequency and so on have put forward higher requirements for the management and service of large-scale road network. From construction management to road network operation monitoring, emergency disposal and service management of road network has become an inevitable choice. Comprehensive transportation potential, improving the service experience across the region and improving the cooperative disposal capacity of the sudden state, the road network operation and management departments need: 1) to plan the monitoring system, reliably estimate and predict the dynamic traffic state of the network range; 2) to set up the network management and control system, and to realize the "remote guidance, the near diversion, the key to the key" in the emergency situation. Point field control "cooperative scheduling strategy"; 3) comprehensive use of vehicle and road side information service facilities to provide efficient information services. Thus, it can be seen that better adaptation to regional network management, emergency disposal and public service sensing network design has become an urgent problem. At the same time, along with the development of information and communication technology, road network transportation The dependence degree on cross section traffic flow detection equipment is reduced. With the completion of the national freeway network, the expressway interactive platform, represented by Dedicated Short Range Communication (DSRC), has been developed rapidly; with the increasing number of unmanned aerial vehicles (UAV) technology With the gradual opening up of the mature and low altitude fields, the mobile sensing technology represented by unmanned aerial vehicles (UAV) has been applied in traffic management. The main purpose of this paper is to integrate the new generation of traffic monitoring technology with a new generation of traffic monitoring technology, and to coordinate the network management and control of the road network. On the basis of optimization theory and traffic distribution theory, this paper studies the key link identification method based on equilibrium distribution based on the optimization theory and traffic distribution theory, and puts forward the optimal design method of DSRC network with considerable controllability in road network, and constructs a network oriented operation form. The main research results include: (1) carry out the applicability analysis of multi-source heterogeneous sensing equipment, analyze the main requirements and monitoring factors of road network operation and management, analyze the types of detection parameters, data quality, cost, and the applicability of the requirements for the operation and management of the road network. The layout optimization of the device and the collaborative design of multi-source heterogeneous sensing network are laid. (2) to carry out the identification research on the key section of road network based on balanced distribution, considering many factors, such as road network structure, traffic demand, travel behavior characteristics and so on. In view of the joint effect of multi section failure, the K- short-circuit diameter and the user equilibrium distribution are proposed. The key section evaluation method of road network key section has constructed the key link set identification model of the link failure probability distribution. Further, the key section identification model based on the recoverability of section capacity is constructed for the road damage resistance and the recovery cost of rescue is constrained, and the validity and feasibility of the model are verified on different networks. (3) The optimization design method of DSRC network oriented to the observable controllability of road network. The DSRC roadside device with two-way communication features can synchronize the acquisition of traffic state information and the release function of the induced information. In this paper, the observability and controllability frame model of road network is proposed for the network monitoring and control requirements of the expressway. In order to minimize the uncertainty of road network travel time and minimize the total travel time of the system, the optimal layout of the DSRC network within the network range is realized, and the model is verified with the highway channel. (4) Unmanned maneuver for network running state detection is carried out. In order to minimize the cost of event delay detection of unmanned aerial vehicles and fixed sensors on the space-time network, this paper aims at the rapid monitoring of emergency events and the demand for daily inspection, considering the physical topology structure of the road network and the space-time diffusivity of events. Based on the construction cost of fixed sensor, a dynamic programming model of unmanned aerial vehicle (UAV) with fixed sensor is proposed. According to two known and unknown conditions of fixed traffic flow sensor, the Lagrange relaxation algorithm is constructed respectively. In the case of fixed traffic flow sensor, the model is simplified as the classic time varying minimum path. The cost and the model and algorithm are verified by using different levels of road network.
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP212.9;U495

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本文編號：2156192