城市自行车网络设计问题及其全局优化算法研究

Urban bicycle network construction is of great significance to urban infrastructure system and the development of bicycle traffic mode. Under a limited budget, how to give full play to the macro-leading role of the government and optimize the design of public bicycle transport network, so as to maximize the total social utility, is one of the key issues in the field of bicycle traffic planning and management. Based on the existing studies, the project will firstly have a deep analysis on the influence of bicycle users’ travel behavior on network design and modeling. A bi-level bicycle network design model with Path-Size Logit (PSL) will be then developed. Considering the mixed traffic flow problem, the project will secondly analyze the interaction between bicycle flow and car flow and then explore the effect of the division of bicycle lanes on the traffic flow in road network and the traffic demand of different modes. A tri-level bicycle network design model will be developed for the mixed traffic flow situation. Thirdly, a global optimal solution algorithm will be proposed for bicycle network design problem with PSL to make sure the exact solution be obtained. Fourthly, the response surface model based solution algorithm will be enhanced for bicycle network design problem to improve the solution accuracy and efficiency for large-scale network. Finally, case studies will be carried out to check the effectiveness of models and solution algorithms; besides, the proposed models and solution algorithms will be applied in practical study. The project will help to develop the bicycle network design theory and promote the steady development of green and low-carbon sustainable transport systems.

城市自行车路网建设对完善城市基础设施建设和推动低碳环保的自行车交通发展具有重要意义。在有限预算下，如何充分发挥政府的宏观先导作用，优化设计公共自行车交通网络，以最大化社会总效用，是目前自行车交通规划管理领域研究的关键问题之一。本项目将在已有研究工作基础上，深入分析自行车用户出行行为对网络设计建模的影响，建立基于PSL的自行车网络设计双层优化模型；针对机非混行问题，考虑混合交通流下自行车和机动车用户出行的相互影响，分析自行车道的划分对路网交通流以及不同模式交通需求的弹性影响，提出混合交通下自行车网络设计三层优化模型；设计基于PSL的自行车网络设计模型的全局优化求解算法，求解模型的准确解；改进基于反应曲面模型的启发式算法，提高大网络求解的精度和速度；最后开展算例检验及应用研究。项目成果将提升自行车路网设计优化理论，推动绿色低碳可持续交通的稳步发展。

本项目计划致力于自行车网络设计问题的模型构建与算法设计。通过考虑自行车用户的出行行为，优化自行车交通网络设计，提升自行车网络的连通性、可达性和安全性，从而促进自行车交通模式发展。在执行过程中，项目调整了部分研究计划，主要研究了以下问题：1）基于PSL的分隔的城市自行车道系统网络设计问题研究；2）电动汽车动态无线充电设施部署与收费协同优化研究；3）考虑出行者异质的多类型充电设施部署优化；4）电动公交车与司机整合调度优化研究。主要研究结果和贡献包括：1）基于政府规划层面研究了城市自行车道的网络设计问题，提出了一个混合整数非线性模型，使用PSL模型来描述自行车骑行者的路线选择行为，并提出了一种全局优化方法和一种新的数学启发式方法来求解模型。Anaheim大网络的测试结果表明，所提出的数学启发式方法可以提供较好的解决方案，同时与全局优化方法相比，可以将计算时间减少96.49％。2）以新兴的动态无线充电技术作为切入点，研究提出了在有限投资预算约束下的动态无线充电设施部署与收费策略的协同优化双层规划模型，提出了代理模型算法（SO-MI）求解动态无线充电设施部署与收费策略的协同优化问题。Sioux-Falls网络结果表明，SO-MI算法的最优解可以使目标函数比GA算法降低5.49％，且SO-MI算法的计算时间比GA少2/5；电动汽车的充电延迟减少了43.97％，社会总成本降低了14.25％。3）考虑新型的兼容插电式充电与无线充电的电动汽车，以及路网中具有不同时间价值的出行者，构建了多类型充电设施部署优化模型，提出了改进的混合整数代理模型优化算法（MSO-MI）。研究表明，时间价值高的出行者倾向于选择动态无线充电设施。4）在考虑电动公交车里程约束与司机连续工作时间和总工作时间约束的基础上，研究单条公交线路的电动公交车与司机整合调度问题，并设计基于列生成启发式方法求解。算例随机选取合肥市3条公交线路检验提出算法的有效性。