文摘

尽管更多的注意力都被吸引到效益评价的智能交通系统(ITS)的部署,其如何影响交通系统,使小被认为是伟大的影响。的一个子系统,本文研究了智能交通管理系统(itm)与道路交通系统的影响机制。首先,itm之间的相关因素,提出了道路交通系统和3正反馈链定义。其次,我们介绍的理论基础图(FD)和交通系统熵来演示itm和反馈之间的相关关系链。分析结果表明,itm,负面反馈因素,具有减震功能的耦合关系3积极反馈链。它表明其部署在北京,itm已经影响了改善道路交通系统的效率和安全性。最后,提出了相关的itm所带来的效益的相关因素,和效果标准确定评估itm综合效益。

1。介绍

1.1。背景

智能交通管理系统(itm)是一种先进的交通控制系统、交通管理、道路交通管理和决策部署。它利用智能交通系统(ITS)的技术和方法来管理城市道路交通系统有效地、系统地、科学地,确保交通系统安全,交通流顺畅,促进环境保护,实现节约能源。itm的研究领域之一,是一种类型的应用程序在道路交通管理。北京的itm于2004年开始部署,成立,并在2008年完全付诸实践。它由1中心和3平台,包括交通管理数据中心,调度和指挥平台集成的操作平台和信息传播平台(如图1)。基于这些中心和平台,99相关的信息化支持系统和应用子系统集成和开发主要功能在指挥调度、交通信号控制、全面监督,提供的信息服务,等等。其部署在北京五环路内,交通拥堵已经有效地缓解,出现一些好处,如提高通行能力,提高服务水平和道路安全,提高应对交通事故,减少环境污染。因此,更多的注意力都被吸引到在北京itm应用程序影响的实证研究。

1.2。相关的工作

分析它的影响一直是一个主题感兴趣的多年;然而,文献主要强调定量或定性评估它的好处。在评价方法和程序,在1),作者建议物理逻辑结构,市场成本,和信息交互结构应根据子系统的建立,以解释和预测社会经济效益之间的关系。海恩斯和李2]介绍了概率多维定标算法评估问卷和部署的子系统。多准则分析的方法也被应用于其影响评价(3]。成本效益分析和数据包络分析(DEA) (4),一种多准则评估,应用于分析车队驾驶系统的社会经济影响。一个可计算的一般均衡(CGE)模型提出了分析其对日本经济的影响(5]。此外,模拟被用来评估其对交通系统的影响(6,7]。Dotoli et al。8)提供了一个由Petri网建模方法分析信息和通讯技术(ICT)的影响,实时管理和操作,以及对联合运输系统的基础设施的影响。王等人。9,10]提出了一种基于模型的数字驱动可靠性分析的方法,它表示一个活动在安全评估的方向,给了一个新的想法如何模型数字驾驶可靠性和安全性。最近,Cantarella [11)提出了一个日常动态模型的应用表明,该建议的方法可以应用于模型的影响都基于用户剩余的价值和它的稳定性。

对其影响和效益,现有研究如(12- - - - - -16)主要集中在其社会经济效益的定量评价,和一些关注安全,例如,(7,17,18]。Farooq et al。19)指出,它不仅影响交通行业,还有其他行业的定量经济分析通过里昂惕夫的投入产出(投入)模型(20.]。全面的影响,包括环境和安全利益,也被认为是在相关的研究中,例如,(21- - - - - -23]。

这些努力已经有限的影响是什么,如何评估他们,但没有提到如何影响交通系统和为什么他们的影响。尽管Newman-Askins et al。24)指出,目前是没有理解其项目之间的因果关系以及他们的影响,它可能不是适当的转移导致空间和时间,他们只提供了一个的实践情况总结的评价方法和影响测量工作,没有关系的定量分析和影响机制。

1.3。动机和贡献

在北京全面评估itm的影响,有必要确定itm对道路交通系统的影响机理,然后定义itm效果的评价内容和评价体系。本文组织如下。在下一节中,我们将讨论itm之间的相关因素和道路交通系统和现在3积极反馈链系统动力学理论。节3根据相关因素,itm的内在影响机理,对道路交通系统研究了基于3积极反馈链,分别。首先,itm旅行速度的影响机制是通过基本照明的图(FD)理论。然后与交通系统的熵理论,itm对道路网络负载不均衡的影响和交通事故调查。因此,机制的影响,带来的影响和好处itm标识和相关评价标准中定义部分4,这将奠定pretheoretical依据综合评价itm系统的好处。节中给出的结论和展望5。

2。itm之间的相关因素和道路交通系统

众所周知,城市的社会经济加速发展,车辆维修数量迅速增加,各种类型的交通需求大大扩大。这些因素都导致了道路交通流量的增加和减少的速度旅行,然后增加了交通事故的发生,提高道路网络负载不均衡。相反,交通事故的增加和网络负载不均衡,进一步影响旅行的下降速度。我们考虑这些因素并分析其相互作用的系统动力学理论。然后我们可以获得3积极反馈链如下:(1)机动车数量的增长交通流量的增加数量减少旅行速度,(2)机动车数量的增长交通流量的增加数量增加网络负载不均衡减少旅行速度,(3)机动车数量的增长交通流量的增加数量交通事故的增加减少旅行速度。

以上因素之间的关联和互动细节如图2。

基于上述分析,我们引入itm系统这一关联框架研究的影响。毫无疑问,itm的部署将发挥重大影响控制行驶速度,减少交通事故,减少道路网络负载不均衡。在所有3积极反馈链,itm扮演了一个负面反馈的作用因素,如图3。

根据图中所描述的itm影响机制3,我们将收集北京的城市道路交通数据分析这三个反馈链在下一节。

3所示。影响机制的itm道路交通系统

3.1。积极的反馈链:

我们itm的影响引入到反馈链,如图4。作为一个负面反馈因素,我们可以发现,itm发挥作用抑制旅行速度的降低。

为了进一步研究itm对城市交通系统的影响,我们将分析交通流量和速度的变化对机动车辆的增长。

根据图5,发现虽然机动车数量增加迅速从2000年到2010年在北京,交通流量的增长速度不维护符合相应的机动车增长的速度。特别是,我们可以观察到,自2004年以来itm开始在大规模部署的时候,尽管汽车数量的快速增加,交通流量的增长速度逐渐放缓,有一个明显的减少在2008年北京举办了奥运会。此外,递减率环形路的平均速度没有跟上机动车的增长速度。自2004年以来,平均速度的下降速度也慢下来。虽然在2007年的平均速度环公路近年来降至最低,在2008年,它开始反弹,并增加itm连续被付诸实践。

进一步解释了这一现象,从环道路交通数据收集的基础上北京,我们使用FD理论来描述旅行速度和交通流之间的关系(如图6)。根据FD理论曲线的预测,一旦交通流量达到饱和值,将会有一个突然的平均速度下降;然而,北京的真实数据的环形道路,我们发现在交通流量达到饱和值1800 veh / h,没有平均速度骤降,但保持在一定范围内,我们叫它速度保持现象。

同样,我们分析平均交通流量和车辆密度之间的关系(如图7)。我们还发现,当veh /车辆达到100公里的密度饱和值,实际交通流在北京不一样迅速下降FD理论预测的,但保持在一定范围内,我们叫它流量保持现象。

基于以上实证分析的数据4,5,6抽象地说,我们可以考虑,itm作为一个负面反馈因素,具有阻尼作用的耦合关系积极反馈链。来描述这个阻尼函数,我们提出的概念速度保持能力和流量保持能力。标识的定义如下。

3.1.1。速度保持能力

速度保持能力意味着低于饱和交通流的临界速度,速度与速度的交通流量样本维护现象对整个人口。它表明多少交通流能保持在一定的速度范围内没有突然下降后交通流量达到饱和值。被证明是 在哪里是临界速度时的交通流量吗。在这里,,可以定义的方法提出的我们的一个authors-Guan和他(25];显示速度的增量;交通流的样本大小;总人口是什么时候。

3.1.2。流量保持能力

流量保持能力是一个交通流的速度和样品流速保持现象对整个人口在车辆临界密度。这反映了一定程度的交通流的数量能保持在一定的流量范围内没有突然下降,因为车辆的密度大于饱和值。被证明是 在哪里临界密度,当交通流的数量吗。在这里,可以定义为25];演示了体积的交通流量增加;是当车辆密度样本大小和交通流量;总人口是什么时候。

在本节的其余部分,我们将计算和由以上方程,基于交通流数据的第二,第三,和4环道路所收集的远程交通微波传感器(RTMS)设立在北京,并对计算结果进行了分析。在计算之前和提前已经预处理,数据异常值的方法提出了关、他(26]。这里的变化影响不考虑道路的条件。

首先,通过回归分析,不难发现,车辆数量和交通流量的两个参数是高度耦合,相关系数是0.96(如图8),这意味着每辆车在北京有近一次旅行在2日,3日,或平均每天四环。

其次,根据城市高速公路交通流的识别阶段25在北京,我们可以定义阿明费/ h是40 km / h。因此,当公里/小时,速度保持能力 环形路的计算如下:(我)当公里/小时,;(2)当公里/小时,;(3)当公里/小时,。

这意味着,例如,在流量达到最大值(阿明费/ h)的样本数据之间的速度是25公里/小时40 km / h占总人口的近90%。它反映了超过90%的交通流还能旅行很顺利没有停止状态后突然变换交通流量达到饱和值。

第三,当阿明费/公里(阿明费/ h)交通流保持能力 环形路的如下:(我)当阿明费/公里,;(2)当阿明费/公里,。

这意味着当密度大于临界密度(阿明费/公里)的示例数据流量veh veh / h / h - 2000在1500年占总人口的47%,和样本数据的流量veh veh / h / h - 2000在1200年占总人口的83%。计算结果表明,虽然密度临界值,相当大量的交通流保持在一定的流量范围内没有突然下降。

因此,我们可以得出一个结论,itm,负面的反馈系数,具有阻尼作用在正反馈耦合关系链。

3.2。积极的反馈链:

在积极的反馈链,我们还介绍了itm因素(如图9)。

同样的,我们需要学习的作用和性质itm耦合关系的正反馈链。在这里,熵系统科学理论的介绍来分析itm影响这个正反馈链如下。

的熵是一个状态函数来表示的速度吸收热量温度对物质在可逆过程(鲁道夫·克劳修斯于1865年)。它是一个参数用来反映系统的紊乱程度。熵越大,系统越混乱。的熵 一个开放的系统包括两个部分:一个是熵增加熵产生 这是在系统本身引起的不可逆过程;另一个是熵交换熵流 是由交换之间的能源和物质系统和外部。总熵变打开系统的总和熵产生和熵流,也就是说,

在交通流的研究领域,介绍了熵理论研究交通系统的特点及在不同情况下应用。例如,建模研究,交通系统模型建立了基于热力学熵来反映的交通状况27]。Karmakar和Majumder28)提出了熵最大化技术最大化流量在给定连续交通流,以说明汇流关系。此外,李et al。29日]认为旅行分配问题可以建模为熵最大化模型与二次成本约束,他们提出了一个熵最大化机会约束模型,证明了凸。陆et al。30.Lighthill-Whitham-Richards]构造熵的解决方案(轻水反应堆)交通流模型与分段二次流密度的关系,这可能是用于预测交通或作为一种诊断工具来测试数值方案的性能。最新研究熵是一个熵空间方法是基于一个3 d空间建立在flow-packet水平Velarde-Alvarado et al。(31日]。他们的网络流量建模通过使用高斯混合和极端广义分布。这个模型通过整合Anomaly-Based入侵检测系统,交通可以很容易地发现和早期的反常行为。Ngoduy和马赫(32]提出努力找到全局最优参数的二阶宏观交通模型使用交叉熵方法。在entropy-based应用在交通系统,Montemayor-Aldrete et al。33]介绍了熵产率的一个新概念由于交通流。使用这样的一个概念,油耗率的百分比增加由于对交通流速度波动可以很容易地确定。Tapiador et al。34)提供了一种新的测量联合熵来描述高速火车站(hst)和改善他们的联运的性能。这个变量也可以被集成到模型的区域可达性考虑通道间的hst在一个全面的评估。Murat et al。35)使用香农熵的方法来处理黑点的交通安全水平的决心。此外,熵的应用在交通分配问题(29日,36,37)和交叉熵方法被用来优化信号(38]。气等。39)认为,每个单元的交通子网O-D流表包含一个弹性需求函数,然后提出了一种结合最大entropy-least广场(ME-LS)估计,由O-D流分布在子网,旅行分布熵最大化,而需求函数参数估计实现的平方之和最小的估计错误。尽管上述entropy-based方法和模型是不同的在不同的研究中,他们都表明,熵的本质可以用来反映系统的特性是一种有效的方法。

这里,基于耗散结构理论,我们评估道路网络负载的不平衡的秩序的变化程度的开放交通系统由系统熵值(40]。(1)如果,它表明交通系统熵增加和订单系统将减少,这表明道路网络负载的不平衡将会提高;(2)如果,它反映了外部环境提供了负的熵流系统,如果,系统熵的减少和秩序度会增加,这意味着道路网络负载的不平衡将会减少;(3)如果,它表明订单程度的系统,也就是说,道路网络负载不均衡,本质上是不变的。

为了计算熵的值在交通系统中,以下将介绍的定义信息。信息是一个测量系统不确定性的程度。对于一个给定的随机变量事件的概率是,那么self-information 事件的被定义为,41), 在哪里是一个常数。

1948年,克劳德•埃尔伍德•香农介绍了熵的概念信息。和熵 离散随机变量被确定为 在哪里是一个常数。

它可以发现熵是一种统计概率加权平均的self-information的(3.4)和(3.5)。的self-information 和熵 是概率的函数和变量的值无关。

根据上述定义,我们使用的概念交通熵估计道路网络负载的不平衡。的交通熵 证明是,42), 在哪里是道路交通系统的熵,是一个常数;路段的重量吗,;拥堵偏差分布9,;是交通拥堵路段的偏差;表示平均拥挤度,交通流的速度在部分能力;和是交通拥堵的阈值。

然后我们将说明的意思交通熵通过计算熵二环城公路的北京在2004年和2008年,分别。第二环形公路图所示10标有24节,。

基于经验数据,我们估计第二环形公路交通熵在2004年和2008年(3.5)。比较这两种熵图所示11。

图11显示,2008年的交通熵不增加,但减少略与2004年相比,这意味着订单程度增加和道路网络负载不均衡下降尽管汽车数量的快速增长。因此,我们可以得到一个结论,itm,负面的反馈系数,具有阻尼作用的耦合关系积极反馈链。

3.3。积极的反馈链

同样,我们引入itm影响到积极的反馈链,如图12。

统计日期,2008年的交通事故的数量从5425年到1960年与2004年相比下降(如图13),减少事故约占2004 62.03%;虽然汽车的数量日益增长,道路总长度的延长从4064公里到6186公里,总面积6417万米的道路²到8940万米²。它表明,城市交通的安全系统已经改良,itm部署和应用。所以我们可以得出一个结论,itm阻尼函数正反馈的耦合关系链作为一个负面反馈的因素。

4所示。福利和评价标准的itm道路交通系统

基于以上分析,可以得到一个结论:在北京itm的部署,对旅游的负面影响速度、道路交通安全、网络负载的不平衡引起的交通流量的增加已经有效地削弱了。itm影响提高道路交通效率,缓解交通拥堵,提高道路服务能力。根据影响机制,itm带来的好处可以在4个方面:社会经济效益、能源资源和环境效益,交通安全,和管理效率。

对于每个利益方面,我们确定评估标准itm的好处。社会经济效益的评价标准主要是来自旅行速度的增加,主要包括(1)减少车辆的运营成本,(2)减少旅行时间,和(3)投资节约土地资源和交通基础设施(如图14)。和能源资源和环境效益的标准包括(1)降低交通噪音,(2)减少汽车尾气排放,温室气体排放(3),(4)减少能源资源,和(5)改善能源消费结构,也带来了主要是因为增加的旅行速度(如图14)。

交通安全评价标准的好处,因为交通事故的减少和改善车辆安全,它们可以用(1)减少车辆损失,(2)损失车辆被盗或抢劫,(3)减少个人伤亡损失,和(4)的社会公共机构服务损失(如图15)。道路管理部门管理效率可以通过增加响应时间表示报警(如图15)。

5。结论

总结,本文以调查itm对道路交通系统的影响,我们引入了3 itm之间的正反馈链分析相关因素和道路交通系统。结果表明,itm阻尼函数的耦合关系3积极反馈链,,作为一个负面反馈的因素。这表明其部署在北京,itm显著影响提高道路交通效率,缓解交通拥堵,提高道路服务能力。因此,这种影响机制而言,itm部署所带来的好处已经提出和相关评价标准的确定,它提供了一个综合评价子系统的框架。这种分析将为其效益评价提供更丰富的信息。事实上,一些政策因素,如交通规则和限制车辆使用2008年奥运会期间,不考虑在分析影响机制。但是我们的论文提出一个方法来研究其影响从一个新的角度。得到更多的数据,未来的工作将重点考虑上述政策因素和量化的影响效益。

确认

这项研究是由国家支持的主要中国基础研究发展计划(973计划)(批准号2012 cb725403-5),关键中国国家自然科学基金项目(批准号71131001 - 2),中央大学的基础研究基金(批准号2011 jbm062)。