《除雪車路徑規(guī)劃系統(tǒng)設計》12000字（論文）

PAGE10-除雪車路徑規(guī)劃系統(tǒng)設計TOC\o"1-3"\h\u22260摘要 I18779第1章緒論 1168871.1課題背景及研究的目的和意義 1132091.2除雪技術(shù)發(fā)展概況 392821.2.1道路除雪技術(shù)的分類 3147921.2.2道路除雪技術(shù)的發(fā)展 4230801.2.5動態(tài)交通分配理論的研究 6204491.4本文的主要研究內(nèi)容 715645第2章基于實時路況信息的除雪車廣義出行成本研究 8208342.1引言 8274182.2除雪車廣義出行成本的影響因素 869202.2.1機械作業(yè)除雪情況下出行成本影響因素 11209722.2.2布撒融雪劑除雪情況下出行成本影響因素 11244282.2.3特殊影響因素的優(yōu)先級加值 12199252.4本章小結(jié) 1330092第3章基于系統(tǒng)最優(yōu)的動態(tài)除雪路線選擇 14160023.1引言 1462713.1.1除雪車出行選擇準則 14195523.1.2動態(tài)網(wǎng)絡加載模型 1525323.2基于雪天實時路況信息的動態(tài)交通分配 16107033.2.1建立模型 16217213.2.2約束條件 16140283.3本章小結(jié) 187535第4章系統(tǒng)設計方案及技術(shù)實現(xiàn)方案 20253484.1系統(tǒng)設計方案 2022964.2數(shù)據(jù)庫規(guī)劃 2018803結(jié)論 2228075參考文獻 23第1章緒論1.1課題背景及研究的目的和意義中國是一個幅員遼闊的國家。自南向北依次跨越熱帶、亞熱帶、溫帶等多個氣候帶。在地處溫帶的北方的大多數(shù)地區(qū)，冬季都常會有雪天出現(xiàn)。東北地區(qū)年降雪天數(shù)可達五十天，歷史上有記錄的雪季長度最多可達二百一十天。在冬季我國北方降雪較多地區(qū)，如果不能及時清掃處理路面積雪，易產(chǎn)生大面積的積雪，持續(xù)的低溫又使得道路積雪轉(zhuǎn)而結(jié)冰，極易發(fā)生交通擁堵甚至引發(fā)交通事故。以哈爾濱市為例，冬天降雪后，路面積雪可達數(shù)毫米、數(shù)十毫米乃至數(shù)百毫米。這樣的路面條件嚴重影響了城市道路交通的安全性和通行能力。因此對于我國中部北部諸多城市，如何快速高效的解決雪后道路除雪任務、恢復道路通行功能是秋冬季節(jié)困擾城市道路交通的疑難問題。如不能處理好雪天道路保通工作，城市道路交通的通行能力、通行效率乃至通行安全性都會受到嚴重威脅。因為晴好天氣和正常路面狀況情況基數(shù)相較于不良天氣狀況和特殊路面狀況基數(shù)過于巨大，此時盡管晴好天氣和正常路面狀況下道路交通事故發(fā)生率不高，其事故總量仍遠大于不良天氣狀況和特殊路面狀況下道路交通事故總數(shù)。因此，此處研究除去所有正常路面情況下以及晴好天氣狀況下的道路交通事故發(fā)生數(shù)據(jù)。觀察分析2005年以來中國全國所有的道路交通安全事故發(fā)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，除去所有正常路面情況下，發(fā)現(xiàn)在所有其它的路面狀況中，發(fā)生在冰雪路面上的交通事故造成的經(jīng)濟損失費用超過其它所有路面狀況，占據(jù)第一位。同時，在我國，除去晴好天氣外，在所有其它的天氣狀況下，雪天時發(fā)生的交通事故總數(shù)也在諸多天氣狀況下位居前列。以2014年為例，雪天發(fā)生的交通事故總數(shù)為3384起，僅次于雨天情況下的54986起（如下表1-1所示）[1]表1-1中國2014年不同天氣的道路交通事故統(tǒng)計天氣類型事故數(shù)量（起）雨天54986雪天3384大霧4722大風271沙塵179冰雹43因此，制定良好的冬季道路除雪方案，有效地清除路面積雪、保證道路通暢，是道路管理部門的重要工作之一，也已成為了冬季道路養(yǎng)護的主要內(nèi)容。對于降雪而言，由于其分布的時效性與地區(qū)性，很難預測其降雪具體情況提前做好完善的除雪計劃。目前我國采取的主要措施有人工除雪、機械除雪、融雪劑除雪、電熱法除雪等方法。[2]無論采用何種方法，除雪優(yōu)先級和除雪順序是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。因為受限于人力物力財力，城市道路管理部門很難做到快速清除全城道路積雪，因此確定城市交通癥結(jié)，優(yōu)先處理城市關(guān)鍵道路和關(guān)鍵節(jié)點的道路積雪積冰問題是對保障城市交通大有裨益的。除去優(yōu)先級劃分以外，合理的路線規(guī)劃也可以協(xié)助提升道路保通工作效率，加速恢復全城道路通暢。通過利用GIS技術(shù)處理交通流量數(shù)據(jù)獲得實時交通流量。然后綜合道路等級、實時交通量、路旁關(guān)鍵設施和雪情及除雪難度得出搶險保通優(yōu)先級。并利用GIS技術(shù)和城市路網(wǎng)信息規(guī)劃得出不同優(yōu)先級道路的最優(yōu)作業(yè)線路規(guī)劃。如此便可及時有效的完成冬季雪天搶險除雪任務，有利于改善冬季道路積雪、結(jié)冰的問題，對我國冬季交通運輸?shù)恼＿\行有積極的意義。通過GIS技術(shù)處理實時的交通流量數(shù)據(jù)，可將交通流量數(shù)據(jù)與城市路網(wǎng)地圖中的每條街道一一對應的聯(lián)系起來，增強了交通量信息的可讀性、實時性，便于城市管理部門應用。通過綜合道路等級、實時交通量、路旁關(guān)鍵設施和雪情及除雪難度得出搶險保通優(yōu)先級（以道路阻抗形式保存在GIS技術(shù)中），可匯總為城市雪天道路狀況信息。方便城市交通管理部門找出雪天道路交通的薄弱節(jié)點，方便通過規(guī)劃、改造等手段改善城市道路交通抗冰雪能力。通過綜合上述數(shù)據(jù)，利用GIS技術(shù)處理得到保通優(yōu)先級，并迅速計算生成合理的除雪路徑，最大化人員設備的工作效率，第一時間完成除雪除冰任務保障城市道路安全高效運行。在冬日冰雪天氣下為社會公眾提供安全、便捷、舒適、高效的出行服務，充分發(fā)揮其經(jīng)濟效益和社會效益，滿足社會公眾對現(xiàn)代交通的高質(zhì)量需求。1.2除雪技術(shù)發(fā)展概況現(xiàn)階段我國道路交通除雪技術(shù)作業(yè)主要包括了三種不同的技術(shù)手段，分別是人工與機械作業(yè)除雪法、融雪劑除雪法和加熱除雪法三種除雪方法。不同的技術(shù)手段各有優(yōu)劣、各有其獨特的特點，適合應用于不同的場合。對于現(xiàn)階段我國冬季城市市政的相關(guān)道路職能部門來說，降雪天氣下的除雪任務基本采用的是人工與機械作業(yè)結(jié)合的方法以及布撒融雪劑融雪的方法，將二者結(jié)合，做到雪前、雪中、雪后的全時段應急處理，以保證城市道路網(wǎng)絡的通暢運行。1.2.1道路除雪技術(shù)的分類正如同前文所述，目前我國道路交通除雪技術(shù)作業(yè)主要包括人工與機械結(jié)合、布撒融雪劑和加熱除雪三種不同的方法。人工與機械作業(yè)除雪法主要是針對降雪天氣接近尾聲及雪停之后的道路除雪保通的作業(yè)手段。具體流程是首先進行人工除雪，主要為了將道路上四散分布的積雪積冰初步清理并集中堆積，第一時間基本完成道路通行功能的恢復并為之后機械設備徹底完成積雪清除做準備。同時人工除雪應注意機械作業(yè)難以處理的角落的積雪，避免出現(xiàn)少量積雪殘留，導致后續(xù)融化流淌至道路中心區(qū)域以及二次結(jié)冰導致路面濕滑，成為道路交通的安全隱患。在人工除雪完成之后，便可承接機械設備除雪作業(yè)，可以大范圍、高效率地清掃道路表面的浮雪并將人工除雪階段堆積形成的雪堆收集、運輸并最終集中處理，完成積雪的收尾處理工作。人工與機械作業(yè)在作業(yè)過程中會導致道路徹底喪失通行功能，并且需要消耗大量人力，布撒融雪劑除雪法則是在雪前、雪中、雪后三個階段均可實行的有效的防止路面積雪產(chǎn)生、堆積并處理已經(jīng)積存的路面積雪的技術(shù)手段。顧名思義，布撒融雪劑除雪就是通過在道路表面布撒一定量的融雪劑來降低冰雪的熔點以使道路表面的冰雪融化通過城市排水系統(tǒng)排出來保障道路表面沒有濕滑的積雪導致影響城市道路通行效率和安全性的手段。然而目前常用的融雪劑很難在低破壞性、環(huán)保、成本和融雪效果三個方面均取得優(yōu)異的評價，因此仍有待后續(xù)發(fā)展。而加熱除雪法則是通過外加電源，依據(jù)歐姆定律（即）來加熱道路表面的混凝土以提高地表溫度。這種方法不受地形、天氣和交通條件的影響，同時除雪即時性很強，但要持續(xù)消耗大量電能，考慮到我國目前的發(fā)電構(gòu)成，這種加熱方法并不節(jié)能、環(huán)保，成本也比較高，應用也十分有限。1.2.2道路除雪技術(shù)的發(fā)展目前，除了人工除雪以外，各種除雪方法均有其各自的發(fā)展。機械除雪不同的機械除雪設備采用著不相同的除雪原理，主要包括五大類型，分別為推移式、拋投式、碾壓式、鏟剁式和錘擊式5種。目前廣泛使用的除雪機主要有犁板式、旋切式、掃滾式等。對于不同的雪情，目前業(yè)界采用不同的除雪機械。對于剛剛鋪于路面上的新雪，犁板式除雪車、螺旋式除雪車、轉(zhuǎn)子式除雪車和吹風式除雪車都能很好的勝任除雪任務。而對于已經(jīng)冰結(jié)起來的陳雪和道路上由于行人、車輛經(jīng)過而行成的冰轍，需要先使用犁板式除雪車將其打散成浮雪、浮冰而后由各類除雪設備除雪。對于高速公路、機場等對通行條件要求更為苛刻的場合，通過利用不停旋轉(zhuǎn)的除雪刷來講路面積雪如同吸塵器一樣清掃掉的清掃式除雪車，則可進行無殘雪的除雪作業(yè)。融雪劑除雪目前融雪劑除雪的發(fā)展主要依賴于不同的融雪劑種類。傳統(tǒng)上融雪劑以氯鹽為主，包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂和氯化鉀。歐美發(fā)達國家早在上世紀三十年代開始，便陸續(xù)使用此類氯鹽類融雪劑和另外兩類（乙酸鎂鈣和尿素，此二類由于低效、高耗費、效果差而使用有限）用來處理冬季城市道路和城際公路的積雪問題。與我們一衣帶水的鄰國日本則在六十年前開始使用氯化鈉融雪，在二十五年前逐步使用氯化鈣融雪。在我國，融雪除雪的使用呈現(xiàn)了拋物線型的發(fā)展規(guī)律。從四十年前我國開始使用氯化鈉融雪起，到本世紀伊始逐步開始使用氯化鈣、氯化鎂和氯化鉀，我國的融雪劑用量持續(xù)升高，一直到2011年前后達到鼎盛，之后則又逐步轉(zhuǎn)入以機械除雪為主，融雪劑等其他除雪方式為輔的除雪策略上來。加熱式除雪加熱式除雪是利用各種能量來提升道路表面溫度已達到融化降雪并防止路面結(jié)冰的技術(shù)手段。具體而言可根據(jù)能量來源分為地熱融雪、電熱融雪、紅外線融雪、太陽能融雪等不同種類。目前世界上加熱式除雪僅歐美發(fā)達國家有少量的實際應用范例，并不廣泛。由于其成本較高、技術(shù)性較強同時對路面性能尤其是耐久度有比較大的影響，我國國內(nèi)暫時還沒有此類技術(shù)的具體應用?？偟脕碚f，我國冬季道路交通除雪發(fā)展已經(jīng)進入機械化除雪時代，在北京、哈爾濱等城市機械化設施除雪占比已經(jīng)超過90%，冬季除雪作業(yè)采用以機械除雪作業(yè)為主，人工除雪與融雪劑除雪為輔的綜合除雪作業(yè)模式。1.2.5動態(tài)交通分配理論的研究動態(tài)交通分配分為動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)分配和動態(tài)用戶均衡分配。動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)模型是通過一定的手段來使路網(wǎng)系統(tǒng)中所有的交通參與者的出行成本總和最小。從本質(zhì)上講這是交通管理者從全局的角度出發(fā)，調(diào)控整體交通以取得整個道路交通網(wǎng)絡最優(yōu)的分配方法。而動態(tài)用戶均衡模型則是每個交通參與者從自身的角度出發(fā)，獨立的選擇對自己最有利的出行策略，這些個體的決策整體來看就構(gòu)成了動態(tài)用戶均衡分配。動態(tài)交通分配主要由出行路徑選擇準則和動態(tài)網(wǎng)絡加載模型兩部分組成。其中出行路徑選擇準則就是分配機制，具體決定了如何將出行路徑依據(jù)所確定的出行成本分配給交通參與者以進行出行。而動態(tài)網(wǎng)絡加載模型就是流量傳播模型，描述了交通參與者在道路交通網(wǎng)絡中的移動。交通參與者的出行選擇準則決定了分配模型的不同。早在1952年Wardrop提出了靜態(tài)情形下的交通網(wǎng)絡平衡。[11]其中，用戶均衡（UserEquilibrium）滿足Wardrop第一原則，系統(tǒng)最優(yōu)（SystemOptimal）滿足Wardrop第二原則。[11]動態(tài)交通分配同樣滿足Wardrop的網(wǎng)絡平衡原則。其同樣可以根據(jù)出行選擇準則的差異分為動態(tài)用戶均衡和動態(tài)用戶最優(yōu)兩種。[12]動態(tài)用戶均衡以實際的路段阻抗作為其廣義出行成本，而該成本需要在交通參與者結(jié)束交通行為時才可測得，因此一般采用感知路徑阻抗代替。感知路徑阻抗是綜合過往歷史和現(xiàn)在的路網(wǎng)信息估算而得的。而動態(tài)用戶最優(yōu)則利用實時的路段阻抗作為廣義出行成本，該成本依據(jù)過去的交通參與者在路網(wǎng)中行動的結(jié)果產(chǎn)生。動態(tài)用戶均衡模型則是每個交通參與者從自身的角度出發(fā)，博弈地選擇對自己最有利的出行策略，任何獨立的交通參與者不能僅通過改變自身而降低自己的出行成本。動態(tài)用戶最優(yōu)分配則與此二種動態(tài)用戶均衡大相徑庭。動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)模型是通過一定的手段來使路網(wǎng)系統(tǒng)中所有的交通參與者的出行成本總和最小。從本質(zhì)上講這是交通管理者從全局的角度出發(fā)，調(diào)控整體交通以取得整個道路交通網(wǎng)絡最優(yōu)的分配方法。從另一個角度也可將出行選擇模型根據(jù)其決策內(nèi)容分為三類。具體包括選擇出發(fā)時間、選擇出行路徑和同時對二者進行選擇。動態(tài)網(wǎng)絡加載模型通過交通分配中的出行成本控制交通網(wǎng)絡的發(fā)展，刻畫了交通參與者在交通網(wǎng)絡中的行為。優(yōu)秀的動態(tài)網(wǎng)絡加載模型能更加貼合實際的描繪交通網(wǎng)絡的實時狀態(tài)。一般情況下包含路段子模型和節(jié)點子模型兩個子模型。[12]動態(tài)網(wǎng)絡加載模型可以分為宏觀、中觀和微觀三個層次。不同的模型有著不同的研究著眼點。宏觀層次通過交通流三參數(shù)（速度、密度和交通量）確定網(wǎng)絡狀態(tài)。微觀模型則著眼于每個交通參與者，包括其在道路上的變速、變道和跟馳等行為。中觀模型則結(jié)合了上述二者，分別在宏觀和微觀上描述車輛和交通流。1.4本文的主要研究內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容主要是關(guān)于冬季雪天情況下，城市道路雪后除雪保通工作中考慮實時路況信息的條件下按照道路在路網(wǎng)中發(fā)揮作用的關(guān)鍵程度和附近設施在城市生活中的不同作用劃分優(yōu)先級，然后對按照小隊進行除雪作業(yè)路徑順序進行規(guī)劃，以及整個系統(tǒng)的設計。主要包括針對實時路況信息下的除雪作業(yè)的廣義出行成本模型的構(gòu)建、基于上述廣義出行成本的動態(tài)交通分配的選擇和系統(tǒng)的設計方案。第2章基于實時路況信息的除雪車廣義出行成本研究2.1引言為了衡量雪天事實交通環(huán)境下不同道路的不同除雪優(yōu)先級，需要首先確定一個廣義出行成本模型，來完成對不同道路的除雪重要程度和作業(yè)難度的評價，以方便合理規(guī)劃作業(yè)順序、作業(yè)方法。目前，各個城市冬季除雪作業(yè)時對于優(yōu)先等級的劃分是比較粗糙的。我們以哈爾濱市為例。雪季時候哈市除雪作業(yè)任務包括全市的2671條主干道、次干道和支路，其除雪作業(yè)任務的面積總計7249萬平方米。哈爾濱市政管理的相關(guān)職能部門從經(jīng)驗主義出發(fā)，跟據(jù)不同街道在城市生活服務功能和交通路網(wǎng)中的不同表現(xiàn)分成了A類、B類和C類三個大類。而又將主要包括城區(qū)主干道的A類區(qū)域細分為AA類、AB類兩類。在全城范圍里，AA類包括81條道路，947萬平方米的作業(yè)面積；AB類包括169條道路，1875萬平方米的作業(yè)面積；B類包括520條道路，1964萬平方米的作業(yè)面積；C類包括1901條道路，2465萬平方米的作業(yè)面積（如下表2-1）。這樣的劃分沒有考慮雪天道路的具體情形，是孤立的、靜態(tài)的劃分，并不能完全客觀的指導冬季除雪作業(yè)任務。為此本文探討了基于實時路況信息的除雪車除雪作業(yè)的廣義出行成本模型。作業(yè)面積（萬平方米）道路數(shù)量（條）AA類94781AB類1875169B類1964520C類24651901表2-1哈爾濱市街道除雪等級劃分情況2.2除雪車廣義出行成本的影響因素為了更好更科學的確定雪季執(zhí)行除雪作業(yè)任務時，城市不同區(qū)域不同道路的作業(yè)順序，構(gòu)建一個合理的、科學的針對除雪車作業(yè)時的出行成本模型是非常有必要的。根據(jù)除雪車作業(yè)的特點，該模型應包括不同道路在城市道路交通網(wǎng)絡中的重要程度衡量，也應包括基于實時路況信息的道路通行狀況。即首先根據(jù)城市路網(wǎng)對道路進行分級，然后在每個等級內(nèi)給出除雪車的實時廣義出行成本。作業(yè)時按優(yōu)先級從高到低，在每個等級內(nèi)進行動態(tài)交通分配，所分配路徑即為除雪車作業(yè)路徑。城市道路的本質(zhì)功能是幫助交通參與者從一個地點移動到另一個地點，而城市路網(wǎng)包括了大量的、交錯的、復雜的不同道路。依據(jù)城市路網(wǎng)這樣的復雜的網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以抽象出包含了大量的出行起訖點對（可簡稱為OD點對）。同時，不同于常態(tài)下在城市道路交通中，交通參與者往往采用OD對之間的距離耗費最短路徑或者時間耗費最少路徑；在雪天及雪后道路通行恢復初期的情況下，由于積雪清除需要調(diào)配人力物力財力而除雪工作也需要相應的時間，不能僅考慮其中距離最短路徑或者時間耗費最少路徑，其可替代的路徑選擇也應納入考量研究范圍。而針對每個OD點對，其中往往包含了多條不同的可行的路徑。這將使對該抽象出的網(wǎng)絡圖的研究變得非常的復雜，處理起來要消耗大量的時間和算力。為此，本文考慮針對獨立路徑（IndependentPath）進行研究。[3]城市道路的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中包含兩種要素，交叉口（節(jié)點）以及路段（?。?。假定所有的道路都可以雙向通行（忽略單行道），進行研究時可以將其抽象成帶權(quán)重的無方向網(wǎng)絡圖，每個路段的權(quán)重即代表該路段的長度。我們以簡單道路網(wǎng)絡為例（如下圖2-1簡單道路網(wǎng)絡示意圖所示）。圖2-1簡單道路網(wǎng)絡示意圖圖中，從節(jié)點1至節(jié)點五共有三條獨立路徑，分別是1-2-5；1-3-5和1-4-5。而其他路徑諸如1-3-2-5。但是其與路徑1-2-5共同包含了“S12”路段，因此并不屬于獨立路徑。而一對OD點間可存在的最大的獨立路徑的數(shù)目是受限制的（見公式1-1）。公式2-1任意OD點對間的最大獨立路徑數(shù)目限制在此公式中，n（i，j）表示i，j兩點間最多存在的獨立路徑數(shù)目；di，dj分別表示與此兩點相關(guān)聯(lián)的邊的數(shù)目；而mc（i，j）表示節(jié)點i和節(jié)點j之間的最小割。事實上，現(xiàn)實生活中城市道路網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)大多是非完全圖，因此考慮獨立路徑上限時可忽略兩節(jié)點間的最小割而只比較二者的度。利用Ip和WangDingwei的獨立路徑方法可以高效的找出路網(wǎng)中的獨立路徑。[4]至此，可以利用上述的獨立路徑，來更普遍、更科學的為所有需求除雪作業(yè)的城市進行城市道路網(wǎng)絡中各路段的優(yōu)先級劃分，以實現(xiàn)更科學、更高效、更快速、更安全的雪后城市道路網(wǎng)絡保通任務。如此，考慮優(yōu)先級的前提下進行除雪保通作業(yè)任務可以在人力、物力、財力有限的情況下更合理的完成雪后城市道路網(wǎng)絡除雪保通。在該模型中，每個交叉口間的路段的重要性由包含該路段的獨立路徑數(shù)量定量表示。參照城市道路等級劃分標準及比例，決定按照1：2：3：6的比例劃分為四個不同的優(yōu)先級。在按照Nij降序排列后，為每個路段賦予序號Gij，而后最關(guān)鍵的1/12路段被劃分為第一優(yōu)先級，次關(guān)鍵的1/6路段被劃分為第二優(yōu)先級，次不關(guān)鍵的1/4路段被劃分為第三優(yōu)先級，最不關(guān)鍵的1/2路段被劃分為第四優(yōu)先級（具體如下公式2-2）公式2-2式中：Nij表示包含路段Sij的獨立路徑總數(shù)；Gij表示按照Nij降序排列后路段Sij的序號； M表示在該道路交通網(wǎng)絡中路段的總和數(shù)目?？紤]到目前國內(nèi)城市道路除雪基本只包括人工與機械作業(yè)配合除雪和布撒融雪劑除雪兩種方法，而這兩種方法又有著截然不同的除雪原理，對執(zhí)行除雪作業(yè)時道路環(huán)境要求也大不相同。因此，分別對這兩種除雪方法構(gòu)建廣義出行成本模型是很有必要的。2.2.1機械作業(yè)除雪情況下出行成本影響因素在考慮人工與機械作業(yè)在作業(yè)過程中會導致道路徹底喪失通行功能，并且需要消耗大量人力的情況下，其更適合在道路交通量不多，便于封閉且封閉后對城市道路交通網(wǎng)絡功能影響不大的區(qū)域首先展開除雪作業(yè)。具體清理步驟是首先進行人工除雪，主要為了將道路上四散分布的積雪積冰初步清理并集中堆積，第一時間基本完成道路通行功能的恢復并為之后機械設備徹底完成積雪清除做準備。同時人工除雪的重點目標是后續(xù)機械設備難以清掃的道路、綠化帶和路緣石角落的積雪，避免出現(xiàn)少量積雪殘留，導致后續(xù)融化以及二次結(jié)冰導致路面濕滑，成為道路交通的安全隱患。在人工除雪完成之后，便可承接機械設備除雪作業(yè)，可以大范圍、高效率地清掃道路表面的浮雪并將人工除雪階段堆積形成的雪堆收集、運輸并最終集中處理，完成積雪的收尾處理工作。如此便可十分徹底的清除城市道路表面的積雪。為了考慮道路交通網(wǎng)絡的實時狀況，更好的指導除雪作業(yè)任務的本文采用與該路段Sij所有相鄰的路段Siy及Sxj的交通量的平均值為廣義交通成本。（如下公式2-3所示）（公式2-3）2.2.2布撒融雪劑除雪情況下出行成本影響因素布撒融雪劑除雪法可以在雪前、雪中、雪后三個階段均可實行的有效的防止路面積雪產(chǎn)生、堆積并處理已經(jīng)積存的路面積雪的技術(shù)手段。布撒融雪劑除雪就是通過在道路表面布撒一定量的融雪劑來降低冰雪的融點以使道路表面的冰雪融化再通過城市排水系統(tǒng)排出，來保障道路表面沒有濕滑的積雪導致影響城市道路通行效率和安全性的手段。布撒融雪劑車輛作業(yè)時，融雪劑本身并沒有產(chǎn)生熱量或移動積雪的能力。而車輛通過道路時輪胎與地面摩擦生熱及汽車本身運行均會產(chǎn)生一定的熱量。因此融雪劑布撒在交通較繁忙街道時擁有更加出色的除雪效果。因此，其更適合在交通更大的路段進行除雪作業(yè)。對于相同濃度的同款融雪劑，環(huán)境溫度不僅會影響其融雪效率，也會影響在溫度再次降低時二次結(jié)冰時的冰晶形態(tài)。具體而言，周圍的溫度越低，路面積雪二次結(jié)冰時形成的冰越致密，其中的小孔和縫隙越少，形成的冰塊強度越高。[5]所以，為了體現(xiàn)道路交通網(wǎng)絡的實時狀況，更好的指導除雪作業(yè)任務的本文采用與該路段Sij所有相鄰的路段Siy及Sxj的交通量的平均值為廣義交通成本。考慮到交通量越大越適合布撒融雪劑除雪，特取其倒數(shù)為廣義交通成本（如下公式2-4）。公式2-4式中，C融雪劑表示布撒融雪劑情況下除雪車輛的廣義出行成本，QSij表示Sij路段上的交通量（根據(jù)實時交通量統(tǒng)計信息每五分鐘更新一次）表示與Sij相連接的所有路段總數(shù)（包括Sij本身）但是使用融雪劑除雪尤其是醋酸鹽等有機鹽類融雪劑除雪時，因為其作用效果有限，因此可能并不能徹底除雪，有發(fā)生二次結(jié)冰現(xiàn)象的概率。因此使用融雪劑除雪后也應注意安排機械除雪，保證路面徹底除雪，防止融雪劑導致路面濕滑，反而使道路通行能力和安全性進一步降低。[6]后續(xù)補充的鏟雪作業(yè)應當考慮到融雪劑發(fā)揮作用所需要的時間，否則過于短暫的時間可能導致布撒融雪劑被積雪連帶清掃離開路面，難以對后續(xù)降雪發(fā)揮作用。因此布撒過融雪劑的路段應將優(yōu)先級調(diào)至額外的第五優(yōu)先級，來確保路面暢通。也應注意如果累計降雪深度超過30mm，降雪天氣的時間超過240分鐘，則應考慮再次布撒融雪劑，或者及時安排機械作業(yè)除雪，以防止被雪稀釋的融雪劑減弱乃至喪失效果。[7]2.2.3特殊影響因素的優(yōu)先級加值為了預防城市的緊急情況出現(xiàn)時應急管理部門等相關(guān)職能部門的相應應急處理措施不會因為城市道路交通網(wǎng)絡條件的限制而導致居民的生命財產(chǎn)安全遭受重大損失，對于警局、消防部隊、醫(yī)院附近的路段應當上調(diào)優(yōu)先級。具體而言，應使警局、消防部隊、醫(yī)院附近一千米路段歸入第一優(yōu)先級。2.4本章小結(jié)本章首先利用獨立路徑的概念對城市交通網(wǎng)絡中所有路段按照1：2：3：6的比例劃分了四個優(yōu)先級，又設置了屬于布撒融雪劑后的路段的第五優(yōu)先級。然后又根據(jù)布撒融雪劑和機械作業(yè)的不同特點，利用每五分鐘更新一次的實時性較強的動態(tài)交通流量信息，分別構(gòu)建了二者的廣義出行成本的模型，為后續(xù)的動態(tài)交通分配打下了基礎。第3章基于系統(tǒng)最優(yōu)的動態(tài)除雪路線選擇3.1引言本文已經(jīng)完成城市道路交通網(wǎng)絡中的不同道路的優(yōu)先等級和對于除雪車的廣義出行成本的構(gòu)建。接下來利用動態(tài)交通流分配理論按照將各個除雪車作業(yè)隊伍分配至相應城市的路段上，所分配的路段即為其所需完成除雪任務的路段。選擇動態(tài)交通分配在交通分配過程中考慮了道路交通狀況隨時間變化的實際情況。尤其是在開始降雪后，隨著雪情的變化城市道路交通狀況也會迅速變化。如果采用靜態(tài)的交通分配，無法真實客觀的反映降雪后城市道路網(wǎng)絡的狀態(tài)，很容易因為沒有抓到主要矛盾導致無法快速高效的恢復道路交通網(wǎng)絡的通行功能。而動態(tài)交通分配能更好更實客觀的反映降雪后城市道路網(wǎng)絡的狀態(tài)，相比靜態(tài)交通分配有更廣泛的實用性和適用性。[8]動態(tài)交通分配分為動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)分配和動態(tài)用戶均衡分配。動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)模型是通過一定的手段來使路網(wǎng)系統(tǒng)中所有的交通參與者的出行成本總和最小。從本質(zhì)上講這是交通管理者從全局的角度出發(fā)，調(diào)控整體交通以取得整個道路交通網(wǎng)絡最優(yōu)的分配方法。而動態(tài)用戶均衡模型則是每個交通參與者從自身的角度出發(fā)，獨立的選擇對自己最有利的出行策略，這些個體的決策整體來看就構(gòu)成了動態(tài)用戶均衡分配。動態(tài)交通分配主要由出行路徑選擇準則和動態(tài)網(wǎng)絡加載模型兩部分組成。其中出行路徑選擇準則就是分配機制，具體決定了如何將出行路徑依據(jù)所確定的出行成本分配給交通參與者以進行出行。而動態(tài)網(wǎng)絡加載模型就是流量傳播模型，描述了交通參與者在道路交通網(wǎng)絡中的移動。3.1.1除雪車出行選擇準則交通參與者的出行選擇準則決定了分配模型的不同。早在1952年Wardrop提出了靜態(tài)情形下的交通網(wǎng)絡平衡。[11]其中，用戶均衡（UserEquilibrium）滿足Wardrop第一原則，系統(tǒng)最優(yōu)（SystemOptimal）滿足Wardrop第二原則。[11]動態(tài)交通分配同樣滿足Wardrop的網(wǎng)絡平衡原則。其同樣可以根據(jù)出行選擇準則的差異分為動態(tài)用戶均衡和動態(tài)用戶最優(yōu)兩種。[12]動態(tài)用戶均衡以實際的路段阻抗作為其廣義出行成本，而該成本需要在交通參與者結(jié)束交通行為時才可測得，因此一般采用感知路徑阻抗代替。感知路徑阻抗是綜合過往歷史和現(xiàn)在的路網(wǎng)信息估算而得的。而動態(tài)用戶最優(yōu)則利用實時的路段阻抗作為廣義出行成本，該成本依據(jù)過去的交通參與者在路網(wǎng)中行動的結(jié)果產(chǎn)生。動態(tài)用戶均衡模型則是每個交通參與者從自身的角度出發(fā)，博弈地選擇對自己最有利的出行策略，任何獨立的交通參與者不能僅通過改變自身而降低自己的出行成本。動態(tài)用戶最優(yōu)分配則與此二種動態(tài)用戶均衡大相徑庭。動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)模型是通過一定的手段來使路網(wǎng)系統(tǒng)中所有的交通參與者的出行成本總和最小。從本質(zhì)上講這是交通管理者從全局的角度出發(fā)，調(diào)控整體交通以取得整個道路交通網(wǎng)絡最優(yōu)的分配方法。這類模型可以參考Ziliaskopoulos、Nie、Shen、Zhao提出的模型[13-16]從另一個角度也可將出行選擇模型根據(jù)其決策內(nèi)容分為三類。具體包括選擇出發(fā)時間、選擇出行路徑和同時對二者進行選擇。而本文采用了選擇出行路徑的動態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)（DynamicSystemOptimal）模型。因為針對除雪車而言，被規(guī)劃的交通參與者就是各個進行除雪作業(yè)的工作組，其數(shù)量十分有限。而對于每個工作小組，根據(jù)隨時更新的道路交通量信息和已知的靜態(tài)的城市道路交通網(wǎng)絡信息，其廣義出行成本（即路段阻抗）也是實時可知的。因此作為除雪作業(yè)的策劃者和指揮者，采用系統(tǒng)最優(yōu)模型可以使整體的效率達到最高。而對于工作小組而言，他們在開始除雪任務之后就需要出動開始進行除雪任務，因此并無需選擇出行時間，只需規(guī)劃出行路徑。3.1.2動態(tài)網(wǎng)絡加載模型動態(tài)網(wǎng)絡加載模型通過交通分配中的出行成本控制交通網(wǎng)絡的發(fā)展，刻畫了交通參與者在交通網(wǎng)絡中的行為。優(yōu)秀的動態(tài)網(wǎng)絡加載模型能更加貼合實際的描繪交通網(wǎng)絡的實時狀態(tài)。一般情況下包含路段子模型和節(jié)點子模型兩個子模型。[12]動態(tài)網(wǎng)絡加載模型可以分為宏觀、中觀和微觀三個層次。不同的模型有著不同的研究著眼點。宏觀層次通過交通流三參數(shù)（速度、密度和交通量）確定網(wǎng)絡狀態(tài)。微觀模型則著眼于每個交通參與者，包括其在道路上的變速、變道和跟馳等行為。中觀模型則結(jié)合了上述二者，分別在宏觀和微觀上描述車輛和交通流。3.2基于雪天實時路況信息的動態(tài)交通分配3.2.1建立模型考慮[0,T]內(nèi)的動態(tài)交通分配。路段上的交通量用表示（如下公式3-1）（公式3-1）其中表示t時刻時路段a上的交通量。表示t時刻沿路段a流向節(jié)點n的交通載荷對于除雪車的除雪作業(yè)交通規(guī)劃，其目標函數(shù)應使其廣義出行成本C最低（如下公式3-2）（公式3-2）其中J表示[0,T]時間段內(nèi)系統(tǒng)總出行成本表示除雪車在t時刻在路段a上的廣義出行成本3.2.2約束條件模型的約束條件包括三部分路段的狀態(tài)方程（公式3-3）節(jié)點流量平衡方程（公式3-4）（3）路段流出函數(shù)（公式3-5）其中表示t時刻流入路段a內(nèi)的車輛總數(shù)。（公式3-6）其中表示t時刻流入終點n的車輛總數(shù)。不妨令二者都取0，則有（公式3-7）所以根據(jù)FIFO規(guī)則可得（公式3-8）因為實時交通信息更新頻繁，每次處理動態(tài)交通分配時系統(tǒng)運行時長有限，而雪情狀況下路段流出率隨時間變化并不明顯，因此可將公式3-8推導為（公式3-9）公式3-9即為本模型中的定義。（4）非負約束（公式3-10）