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应急车辆出行前救援路径选择的多目标规划模型

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第26卷第8期 公路交通科技 Vo1.26 No.8 Aug.2009 2009年8月 JournM of Highway and Transportation Research and Development 文章编号:1002—0268(2009)08—0135—05 应急车辆出行前救援路径 选择的多目标规划模型 刘 杨 ,云美萍 ,彭国雄 (1.同济大学2.同济人学建筑与城市规划学院,j-海200092; 200092) 道路与交通工程教育部重点实验室,上海摘要:针对城市中应急车辆的救援路径优化问题,分析了基于交通信息中心的应急车辆最优路径的多目标属性,给出 了随机网络中各属性的量化计算方法,以最小化出行时间,最大化行程时间可靠度为目标,考虑了通行可靠性、安全 性、道路务件限制等因素,建立了应急车辆出行前最优路径选择的多目标规划模型 模型所求得的解是综合最优路 径,反映了应急车辆路径选择的目标需求,克服了以往直接等同于图论中最短路径的缺陷,给出了算法,通过算例验 证了模型的合理性和有效性 关键词:交通工程;综合最优路径;多目标规划;应急车辆 中图分类号:U491 文献标识码:A A Multi—objective Pr0gramming Model of Route Choice of Emergency Vehicles before Travel LIU Yang ,YUN Meiping;PENG Guoxiong; (1.School of Architecture&Urban Planning,Tongji University,Shanghai 20(02,China; 2.Key Laboratory of R1)ad and Fr ̄c' Engineering of the Miisnt ̄of Education,Tongii University,Shanghai 200092,China) Abstract:To the route optimization of emergency vehicles in cities,a muhi—objective programming model of optimal route choice with minimum travel time and maximum reliability was estblaished.With consideration of the factors such as the capacity relibiality,safety and road condition,the model displays the quantitative numeration of attirbutes in random network based on the analysis of the multi—objective attirbute of the optimization of route choice problem of emergency vehicles in urban traffic information center.The model results in a comprehensive optimal route which can reflect the dive ̄ity feature of information demand for emergency vehicles.The disadvantage which the optimal path WcqS always simplified to the shortest path problem was overcome.The solution algorithm was proposed.The rationality and validity of the model is demonstrated by one example. Key words:trafifc engineering;comprehensive optimal route;muhi—objective programming;emergency vehicle 0引言 路径优化可以在很大程度上减少应急车辆的行程时间 和避免对其他车辆的干扰,同时提高车辆的救援速 度。 应急车辆(Emergency Vehicle)主要包括警车、 消防车、救护车、工程教险车等执行应急救援服务的 车辆,它们是匿要的城市应急服务资源。应急车辆的 收碥}j期:2008—05 27 对于应急车辆的路径优化方法,在以往的研究中 大都是直接等同于图论中的最短路径算法,如Dijk. 会项fj:Ⅲ家 然科学 金资助项¨(70501023) 作 简介:刘畅(1978一),男,}I:苏涟水人,亡学博 博上后,研究力‘f句为交通安全和防灾.(1iuyangits@126.eom) l36 公路交通科技 第26卷 stra算法l卜2,A 算法l ,以及启发式算法E4-5 J。 随着ITS技术的发展,城市综合交通信息中心可 以把实时的道路交通信息集成到紧急事件管理中心。 本沦文任此背景下,研究綦于交通信息中心的应急车 辆最优路径选择的多目标规划模型,为应急车辆提供 最优路径选择的参考和支持。 由于应急车辆的出行时间一般较短,而交通流预 测有一定的周期,并往往超过了应急车辆的出行时 间,因此,本义将重点放在J、 急车辆f“行前的路径优 化 1 符号定义 本沦文中的符号定义如下:A为城市交通网络中 路段a的集合;R为起始点集合;S为终迄点集合;r 代表一个起始点,r∈R;s代表一个终迄点,s∈S;k 为连接OD埘r— 的所有出行路径集合;K 为满足道 路条件限制的连接OD对r—s的出行路径集合;Il=为连 接OD对r S的一个出行路径;畦 为0—1变量,如果 路段a在连接OD对r—s的第 条路径上,其值为1, 合则为0;t 为应急车辆出行后获得的第 条路径上 实际的行程时间;t 为根据历史交通信息预测的连接 OD对r— 的第k条路径的行程时间,是随机变量;t 为根据历史交通信息和实时交通信息预测的OD对r— s的第 条路径的行程时间,由行程时间t 。和误差 2组成; .1为根据历史交通信息预测的连接OD对 r—S的第k条路径的行程时间分布的均值; .。为根据 历史交通信息预测的连接OD对r—s的第 条路径的 行程时问分布的方筹;P 为连接OD对r—s的第k条 路径的通行可靠度; 为路段a通行的概率; 为第 条路径的行程时问可靠度; 为路径 的安全度;715 为y等级事件对应的最大反应时问; 为路径 经 过的交义L_J的安全度;m 为路径 经过的交叉[11数 ;c 为平行、垂直、反向交通、信息复杂对应的冲突 指数;N为应急车辆平均乘坐人数。 2路径选择的多目标规划模型 2。1最优路径属性分析 应急乍辆的路径选择的特点和常规车辆有一定的 区别,廊急车辆出行的目的是为了到达现场进行救援 活动,在以往的研究Ef1,一般认为快速性是出行的唯一 属性。应急4==辆路径选择的属性包括快速性、安全性、 可靠性,女}1 1所示。根据sP调查,应急车辆路径选 择的属性包括快速性、安伞性、可靠性_6 。 r__ 图1应急车辆路径选择的属性 Fig.1 The attribute ofthe route choice of emergency vehicle 2.2目标函数的确定 (1)行程时间仃丁靠性 在进行应急车辆的路径优化时,行程时间的预测 是基于历史数据、实时数据两方面的信息。本文采用 随机交通网络模型来描述道路网中的运行状态。将历 史数据作为先验信息,把实时数据作为后验信息,得出 行程时问的预测过程。 结合贝叶斯的分析方法,如果把根据历史数据得 出的行程时间作为先验信息,把预测的行程时间作为 后验信息,则构成了贝叶斯分析过程 一: 贝叶斯分析过程在选择项为无限的情况下的计算 是较为困难的,从理论上来说,应急车辆的可以选择的 路径是无限的,但是在现实中,应急车辆的出行路径是 个有限路径的集合,因此町以采用贝叶斯分析方法 进行研究。 应急车辆行程时间的可靠性定义为应急车辆出行 的时间不超过某一规定值715,根据贝叶斯分析,tk,2服 从均值为 ,。,方差 , =、/ , +r , 的正态分布,r— 的第 条路径的行程时间预测值t . 的可靠度可以 定义为式(1): :<耻 (警): ( )c (1) 假定通过应急车辆的出行可以获得第k条路径 上实际的行程时间,记为t ,通过更新后,相应的行程 时间可靠性可以表示式(2): r'k:Pr( ,2<715): ( )。(2) (2)通行可靠性 本文定义的应急车辆的通行可靠性可以表示为: 在规定的时间内,规定的条件下,路网单元能够使得应 急车辆通行的可能性,其概率测度为通行可靠度。 OD对r—S的第k条路径的通行可靠度可以表示 为式(3): 第8期 刘畅,等:应急车辆出干亍前救援路径选择的多目标规划模型 137 P :1 l r 艿 . (3)路径安全性 (3) 原因。尽管应急车辆不受交通信号的限制通过交叉 口,但是却留下发生事故的隐患。图2表示通过无信 G 号控制交叉口应急车辆产生的冲突。从图中可以看 一一 应急车辆在出行过程中的安全性也足路径优化必 须考虑的方而 从事故发生的原『大J看,交义口发生的冲突是主要 I叶J,应急车辆的行驶方向和相冲突的交通流量是影响 应急车辆通过交叉口的主要因素。 一 一 一 , m I ; I ∥\ _.l— \, ====一 ] 一≥ /≯ 茎 /一i 一一 (a)应急车辆左转冲突点示意图 例:——+应急车辆…Ibt应急车辆直行冲突点示意图 {c)应急车辆右转冲突点示意图 +机动车一-—+自行车——+行人 ·冲突点 图2应急车辆和常规车辆冲突示意图 Fig.2 The conflict in intersection of emergency vehicle with other vehicles 由于以事故为基础的直接评价法很难实现,采用非事故间接评价法来进行。路径 通过m 个交叉 0—1变黾;约束(4)式保证优化路径集满足道路条 件的限制。 口,路径 的安伞 季示Jj,iQ(4、) i8-、9:: ” 2.3模型的建立 s, =∑SI. =N∑∑CI (4) 3模型求解算法 应急车辆出行前救援路径优化方法的逻辑框图如 图3所示 f输入山行起迄点 路网数据库 基于城市交通信息ffl心的应急车辆}iJ行前最优路 径的确定足受多种因素的影响,是多因素联合作用下 的结果。应急车辆 出行前最优路径的选择准则方而 表现出多闩标性以及多属性的特点,【大1此出行前最优 路径的选择是一个对于上述多f]标进行优化的问题。 建立的应急车辆出行前救援路径优化模型见式(5): PA≥a.1li , S ≥ _『1, (5) 交叉口控制 和管理 ∈{0,1 , ∈K , 式中, i 为最小安全度;0 ̄rtlin为最小通行可靠度; = I或0,当选择路径 时为1,否则为0。 对于常规车辆,出行前路径选择的子日标一般包 括路径理解阻抗的最小化、路径行驶距离最小化、路 径拥挤程度最小化等lIO。而应急车辆m行是为r到 图3路径优化逻辑流程框图 Fig.3 Flow chart of the optimization of route choice 在实际路径优化中,不可能只选择一条最优路 径,在路径优化中往往需要找出多条优化路径,因此 需要运用 则路径规划算法。路径优化方法的求解 顺序如下所示: 达事件现场进行救援活动,出行路径优化的日标函数 选择为最小化出行时问,最大化行程nCf ̄l可靠度。约 束(1)式是路径的通行可靠性约束;约束(2)式是 (1)确定合理路径 应急车辆行驶中道路方面的限制主要有:①荷载 路径的安全性约束;约束(3)式保证决策变量 是 l38 公路交通科技 表1路段特征数据表 Tcab.1 Characteristics of the road network 第26卷 的要求。如果应急车辆对路面产生的荷载超过了交通 设施的最大荷载的限制,会引起交通设施的破坏。尤 其是在桥梁、隧道等交通控制点中;②净高的要求。 应急车辆的高度不能超过桥梁、架空线、交通标志 牌、树木、路灯等对道路净高引起的限制;③宽度的 要求。所选择的路径的宽度应该大于应急车辆的宽 交叉口 交叉【J车行道宽度/m通行可靠度 预测行程时间分布 度,使得车辆能够通行;④转弯半径的要求。应急车 辆的最小转弯半径需要小于所选择的需要转向的交叉 口的转弯半径。 应急车辆所选择的路径必须满足这些道路条件的 限制,本文称满足这 条件的路径为合理路径。删去 道路条件不满足要求的路段,重新生成路网拓扑图。 在此基础L,生成后则最短路径。 (2)路径通行性 根据生成的 则最短路径,计算路径通行性, 删去通行 靠性不满足要求的路径,对 则最短路 2 2 3 3 4 4 5 6 7 8 8 9 9 m m¨n 径进行更新。 (3)路径快速性和可靠性 2 8 3 6 4 7 5¨ 9 m 9"m B¨ 比较各路径的行程时问均值和可靠度,选择可靠 度高,均值小的路径,得到备选路径。 (4)路径安全性 对路径可靠性和快速性满足要求的路径计算安全 度,进行安全评价。 (5)交叉L1控制和管理 O 0 O O O 0 O O O 0 O O O O O O O O 0 O O 0 O O O O O O 8 8 8 7 8 9 9 8 7 8 7 8 9 6 8 7 9如果没有满足行程时间可靠性和安全性的路径, 则需要通过交叉口控制和管理对路径进行改善。 4算例 出行起始点为1,出行终点为20,路网拓扑结构 列 ¨ 列 纠纠 纠 ¨¨刚_如图4所示,路网特征数据如表1所示。 图4路网拓扑结构 Fig.4 The topology structure of road network 路段6—7、13—14、14—15、15—16的宽度小于 车辆通行宽度。 H "悸 加 加 加 (1)确定合理路径 删去宽度不满足要求的路段,重新生成路网拓扑 图,如图5所示。在此基础上,生成 则时间最短路  7 8 9 9 8 9 8 8 8 7 径,见表2。 I二 b L!J l寸 =_ 们” ¨ 图5合理路径路网拓扑图 Fig.5 The topology structure of the rational road network 表2备选路径表(1) Tab.2 The detail of links in scheme(1) (2)路径连通性 根据生成的 条最短路径,计算路径连通性, 删去连通可靠性不满足要求的路径。对 条最短路 他  8_ 第8期 刘杨,等:应急车辆出行前救援路径选择的多目标规划模型 139 径进行更新,见表3。 表3备选路径表(2) Tab.3 The detail of links in scheme(2) (3)路径快速性和可靠性 比较各路径的行程时问均值和可靠度,选择可靠 度高,均值小的路径。得到备选路径,见表4。 表4备选路径表(3) Tab.4 The detail ofliIll‘s in scheme(3) (4)路径安全性 对路径计算各交叉口的安全指数,进行安全评 价,得到优化路径:1—2—3—4—11—15—20,见表 5。 表5备选路径安全-眭评价表 Tab.5 The safety evaluation of selected links 5结论 (1)救援路径的优化问题在以往的研究大都简化 为图论中的最短路径算法。 (2)论文通过实际调查,得出应急车辆救援路径 优化的属性:通行性、快速性、可靠性、安全性,并 分析了道路条件对路径的限制。 (3)在中心导行式的路径决策背景下,对随机网 络中应急车辆的4个属性进行量化计算。 (4)以快速性和可靠性为目标,建立了出行前路 径优化模型,并给出计算方法,为应急车辆的出行提 供参考依据。 (5)应结合实际对模型参数做进一步的标定。 参考文献: References 朱霁平,苟永华,廖光煊.城市火灾扑救调度最佳路 径分析[J].火灾科学,2002,11(4):201—205. ZHU Jiping,GOU Yonghua,LIAO Guangxuan.Optimal Path of Dispatch in Urban Fire Fighting l J j.Fire Safety Science, 2002,11(4):201—205. 任少云.消防车辆出动的最短路线优化算法[J].灭 火指挥与救援,2005,24(5):629—630. PEN Shaoym1.Optimizing the S}10n Path Algorithm Off Steering Vehicle of Fire Fighting[J].Fire Science and Technology, 2005,24(5):629—630. [3] 臧华.城市快速道路交通异常事件管理系统救援资源 的分布及最佳救援路径确定问题的研究[D].上海: 同济大学,2004. ZANG Hua.An Study on l ocation of Service Facility and Rout— ing of Response Units in Incident Management of Urban Ex— pressway lDj.Shanghm:Tonal U versity,2004. [4] 谢红薇,张晓波,袁占花,等.基于遗传算法求解应 急决策系统中的最优路径[J],计算机应用,2005,25 (4):737—738. XIE Hongwei,ZHANG Xiaobo,YUAN Zhanhua,et a1.Best Path Analysis of Emergency Decision System Based on Im— pmved Genetic Algorithm[J].Computer Applications,2005, 25(4):737—738. [5] 陈壁峰,陆吴娟,黄樟灿.车辆导航系统的动态最优 路径搜索模型及算法[J].武汉理工大学学报:信息 与管理工程版,2002,24(3):46—48. CHEN Bifeng,LU Haojnan,HUANG Zhangcan.A Model and Its Algorithm to Search the Best Route in a Vehicle Navigmion System lJj.Journal of wUT:Information&Management En— gineefing,2002,24(3):46—48. [6] 彭国雄,刘杨,沈海州,等.上海市高层建筑火灾紧 急救援方案研究[R].上海:同济大学,2005. PENG Guoxiong,HU Yang,SEHN Haizhou,et a1.Study on Shanghai High—rise Building Fire Rescue[R].Shanghm: Toni University,2005. [7] [美]BERGER J O,著.统计决策论及贝叶斯分析 [M].贾乃光,译.北京:中国统计出版社,1998. BERGER O.Statistical Decision Theory And Bayesian . sis lM J.JIA Naigumlg,translated.Beijing:China Statistics Press,1998. [8]LOUISELL C,COLLURA J,TEODOROVIC D.A Simple wl0rk Sheet Method to Evaluate Emergency Vehicle Preemption and the hnpaest on Safety lC]//TRB(Annual Meeting CD—ROM). [9 J IDUISEEL C,COuJLIRA J,TIGOR S.A Proposed Method to Evaluate Emergency Vehicle Preemption and the Impacts on Safety:A Field Study in Northern Vi哂nia[C]//TRB(An— nual Meeting CD-ROM).2003. [1O]宗传苓,李相勇,王英涛.出行前路径选择的多目标 规划模型[J].交通运输系统工程与信息,2005,5 (6):58—61. ZONG Chuanling,H Xiangyong,WANG Yingtao.A Multi— objective Programming Model of Route Choice before Travel [J].Journal of Transportation Systems Engineering and Infor— mationTechnology,2005,5(6):58—61. 

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