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绿色共享下的交通行为建模与系统优化

交通出行是能源消耗、污染排放的重要来源,也是推动绿色发展、形成绿色生活方式的关键领域。近年来,在以移动互联、大数据技术为代表的新技术革命背景下,以大数据技术为基础、资源高效匹配为特征的共享出行已经成为交通领域创新活跃、发展迅猛的方向,在推动绿色出行、促进绿色生活方式方面发挥着日益重要的作用。本专栏收集2020-2021年发表在《系统工程理论与实践》上关于绿色共享下的交通行为建模与系统优化方面的论文。

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  • 论文
    田丽君, 陈金凤, 徐淑贤
    系统工程理论与实践. 2021, 41(9): 2355-2366. https://doi.org/10.12011/SETP2019-2944
    交通管理策略能够调整交通流量在多种出行模式间的分配从而实现系统最优.本文研究可交易电子路票与鼓励合乘组合管理策略对通勤者出发时间和出行模式选择的影响,分析交通管理策略参数(如鼓励合乘系数,电子路票收取数额和高承载率车道通行能力占比)的协同优化设计问题.研究表明,实施组合管理策略后,电子路票均衡价格可以唯一确定;实施单一策略时,政府鼓励合乘的力度越大,电子路票收取额的可行域越宽;系统最优解在HOV车道通行能力占比等于某个特定值,政府收取的电子路票数额和政府鼓励合乘的力度满足某一特定关系时获得;实施时变策略能够获得更高的系统成本改善但执行难度较大.本研究可以为政府管理部门实施有效的交通管理策略提供理论参考.
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    彭向, 胡天宇, 孙俊芳, 张勇
    系统工程理论与实践. 2021, 41(7): 1806-1818. https://doi.org/10.12011/SETP2019-2609
    面向网约车平台、司机和乘客三方,利用生灭过程理论及排队论描述了网约车平台中司机状态(空闲-繁忙)转化过程;将网约车价格及平台和司机间的收入分成作为决策变量,建立了司机愿意运营、乘客愿意乘坐的网约车供给与需求函数.在此基础上,面向静态定价策略和动态定价策略,从政府监管角度建立了社会福利最大化模型及其求解算法.为了确保模型能指导或监管网约车平台定价及分成,证明了网约车平台市场均衡的存在性,对比了静态和动态2种定价策略在不同市场规模下的社会福利值.研究结果表明,当市场规模有限时,基于动态定价策略的社会福利始终大于等于静态定价的社会福利;当市场规模趋于无限大时,这2种定价策略的社会福利是相等的.本文所建模型不仅能求解网约车平台的静态和动态最优定价及其分成系数,还能揭示平均乘车时间、司机和乘客选择网约车行为对平台定价策略的影响,从而为网约车平台定价及其监管提供理论依据.
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    朱玲, 卢晓珊
    系统工程理论与实践. 2021, 41(7): 1819-1827. https://doi.org/10.12011/SETP2019-2554
    本文同时考虑了自动驾驶汽车与普通汽车在行车与停车两方面的行为差异,研究了两者共存时瓶颈交通走廊的早高峰出行行为.考虑了以下三种情形:1)自动驾驶汽车仅提高道路通行能力;2)自动驾驶汽车仅降低出行时间价值(VOT);3)同时影响道路通行能力与VOT.分析了每种情形下所有可能的均衡出行模式,并推导发现,晚出发的出行方式具有更低的均衡出行成本.最后通过数值算例,分别讨论了自动驾驶汽车渗透率对走行、延误和空驶等成本的影响,以及通行能力、VOT的变化对系统总成本的影响.
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    邓连波, 段科屹, 汪晴, 史丰收
    系统工程理论与实践. 2021, 41(6): 1486-1495. https://doi.org/10.12011/SETP2019-1526
    摘要 (1226) PDF全文 (582)   可视化   收藏
    从降低列车运行能耗、利用再生制动能角度,提出了城市轨道交通时刻表节能优化问题.考虑区间运行时分、交路运行总时间、开行间隔等约束条件,通过基于区间运行曲线集的区间运行时间分配策略,以及合理安排列车始发时刻的供电分区内列车间的再生制动能利用策略,建立城市轨道交通列车节能时刻表优化模型,设计了基于遗传算法的求解方法.以广州地铁八号线节能时刻表编制为例,验证优化方法的有效性.结果表明:优化后的列车时刻表再生制动能利用率增加12.2%,总能耗降低10.9%,具有良好的节能效果.
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    肖玲玲, 吴玉雪, 郭名
    系统工程理论与实践. 2021, 41(6): 1496-1506. https://doi.org/10.12011/SETP2020-3085
    本文构建了基于活动的拼车通勤模型,考虑通勤者可选择自驾、拼车司机和拼车乘客三种出行角色,即选择两种出行方式:自驾和拼车,研究早高峰通勤过程的动态用户均衡问题.在活动链中,假设通勤者在家和工作地都会产生效用.同时,将拼车障碍成本,其它货币成本和费用补偿成本引入通勤模型.高峰期内,通勤者可通过出发时间选择和出行模式选择,实现其出行效用的最大化.在用户均衡状态下,每类通勤者都不能通过单方面改变自己的行为选择而使其出行效用变得更大.此外,本文从消除排队的角度出发,推导了系统最优下的动态收费用户均衡.最后,通过一个数值算例对本文的结论进行验证和分析.
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    戴庆, 林正奎, 曲毅, 张佳佳
    系统工程理论与实践. 2021, 41(6): 1507-1520. https://doi.org/10.12011/SETP2020-0486
    在出行行为研究中,早高峰家庭出行行为一直以来都是一个研究热点.近几年,由于汽车的高拥有成本以及限购策略等,家庭成员共享一辆车出行的现象变得越来越普遍.典型的家庭通勤表现为通勤者必须先开车送孩子上学然后再去工作.在本文中,首先,从活动效用角度出发,对早高峰家庭通勤者出发时间决策问题进行分析.其次,考虑家庭出行负效用与家庭成员在家、学校和工作地点的活动效用,构建了家庭出行净效用函数.再次,利用家庭出行净效用函数建立了早高峰期间的家庭通勤均衡模型.最后,基于均衡模型,可以得到最优的动态收费策略,进而提出了一阶段最优拥挤收费策略.应用本文所提出的模型探讨了工作与学校期望到达时间间隔对系统总效用,收费水平以及收费时间段的影响,从而使交通管理者可以通过设置最佳的时间间隔来最大化系统总效用.
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    李得成, 陈彦如, 张宗成
    系统工程理论与实践. 2021, 41(4): 995-1009. https://doi.org/10.12011/SETP2019-1371
    随着电动物流车的日渐普及,越来越多物流企业的配送业务由传统燃油车和电动物流车共同完成.针对燃油车与电动车混用的情形,综合考虑两者在最大载重、最大行驶里程、运营成本的差异,以及电动车的充电行为,研究了带时间窗的电动车与燃油车混合车辆路径问题.构建了该问题的整数规划模型,并基于Dantzig-Wolfe分解原理将所建模型重构为主问题和子问题模型.就问题较小规模和较大规模两种情形分别设计了能快速获得初始解的启发式规则和遗传算法.以此为基础,设计分支定价算法获取最优解,并通过与CPLEX的对比,验证模型和算法的正确性.最后,就车型配比、载重、电池容量、充电率等因素对配送系统总成本的影响进行了灵敏度分析,并提出了相应的管理建议.
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    徐红利, 刘煜昊, 徐薇, 宋晓豆
    系统工程理论与实践. 2021, 41(4): 1010-1017. https://doi.org/10.12011/SETP2019-1177
    本文针对随机网络的出行情境,分析了出行者路径选择中的惯性行为及其影响因素,提出了可变的可靠性价值系数以描述出行者的决策惯性,进而定义了随机网络中考虑决策惯性与风险规避的路径选择决策,并给出了相应的数学表达.通过分析发现,本文建立的考虑决策惯性的路径选择决策模型具有一般性,能考虑多种有限理性因素对出行者路径选择的影响;并且,通过特定的参数设置,能表示为文献中现有的多种随机网络路径选择决策模型.随后,定义了随机网络考虑决策惯性的用户最优均衡,并给出了等价的非线性互补问题,对模型的解的存在性和解集的性质进行了讨论.本文还构建了算例,对用户最优均衡模型的性质进行了分析和说明.
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    镇璐, 吕文雅, 诸葛丹, 王帅安
    系统工程理论与实践. 2021, 41(2): 345-357. https://doi.org/10.12011/SETP2020-1092
    邮轮产业的蓬勃发展带来了一系列的海洋环境问题,邮轮运营及船上乘客皆会产生不定量的废弃物,通常废弃物总量远大于其承载容量,需要在航线的多个港口处理废弃物并向港口缴纳一定费用.因此,与哪些港口签订长期合同,在哪个港口排放多少废弃物等决策将会影响邮轮公司的运营成本;这些决策需要通过一些优化模型进行科学地计算和分析.本文基于系统工程的思维对上述决策问题背景进行了分析,并运用数学规划的理论与工具,先后构建了确定性模型、适用于排污量参数服从任意概率分布的随机规划模型和适用于不确定参数区间的三阶段鲁棒优化模型.随后,本文结合上述问题与模型的特征,设计了定制化的禁忌搜索算法和粒子群算法分别求解随机模型和鲁棒模型中的大规模问题;并通过一些基于实际问题规模和数据特征的实验,验证了本文所构建的决策模型的有效性和所设计算法的求解效率.本文研究所提出的邮轮废弃物排放决策方法论对当前全球绿色航运事业的推广与发展具有一定应用价值和指导意义.
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    张瑞友, 王朝鸣, 王德成
    系统工程理论与实践. 2021, 41(2): 370-377. https://doi.org/10.12011/SETP2020-1533
    随着单程站点式共享电动汽车的迅速发展,用户需求定向性等因素导致的车辆分布时空不平衡日益凸显.对一个考虑充电调度的单程站点式共享电动汽车的调运问题进行了研究,其中以调运总成本为优化目标,考虑车辆的续航里程,员工工作时间等限制,同时对车辆的调出、调入站点以及参与的员工进行决策,使得车辆在站点间实现平衡且需要充电的车辆停放于有充电桩的站点.建立了一个0-1非线性规划模型.为更好地求解数学模型,针对员工的同质性提出了针对单一调运以及针对整条调运路径的共3个有效不等式以消除各解之间的对称性.基于随机生成的算例验证了上述描述的有效性.结果表明3个有效不等式均能改善模型的求解,3个有效不等式联合使用能缩短中大规模算例的求解时间50\%以上.
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    周鲜成, 周开军, 王莉, 刘长石, 黄兴斌
    系统工程理论与实践. 2021, 41(1): 213-230. https://doi.org/10.12011/SETP2020-2300
    摘要 (1475) PDF全文 (1645)   可视化   收藏
    随着绿色物流的发展,绿色车辆路径问题(green vehicle routing problem,GVRP)已引起学界的广泛关注,但关于GVRP最新研究进展的综述文献较少.首先,简要介绍GVRP基础模型和油耗/碳排放的主要测度方法;其次,根据GVRP环境效益优化目标及目标函数的构成,将GVRP模型分为油耗/碳排放最小化VRP、综合成本最小化VRP和多目标VRP三种类型,并从优化目标、油耗/碳排放的影响因素和测度模型,以及约束条件等方面进行分类综述;然后,简要介绍求解GVRP模型的精确算法、启发式算法和元启发式算法,并对应用较为普及的主要元启发式算法进行分析;最后,阐述了即时物流配送、冷链物流配送、电动车物流配送和共同物流配送等GVRP新的应用领域,指出了GVRP理论和方法的发展趋势.
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    永贵, 黄海军, 许岩
    系统工程理论与实践. 2020, 40(12): 3210-3219. https://doi.org/10.12011/SETP2020-0144
    在地铁公交和道路驾车两种出行方式并存且竞争的交通系统中,将出行者分为有小汽车和无小汽车两类,有小汽车的出行者可以选择驾驶小汽车或乘坐地铁出行,无小汽车的出行者只能乘坐地铁出行.在瓶颈道路最优收费下,考虑地铁车厢拥挤成本,分析了拥挤费收入返还给公共交通出行者的五种方案,给出了兼顾个人出行成本公平与道路交通出行效率的拥挤费收入分配比例,并通过数值算例验证了理论结果.
  • 论文
    周城溪, 肖玲玲
    系统工程理论与实践. 2020, 40(12): 3220-3229. https://doi.org/10.12011/SETP2019-2672
    早高峰出行行为一般包括:通勤和通学.随着私家车拥有率的提高,在早高峰期间,家庭成员乘坐同一辆车,从居住地出发到达多个目的地的现象越来越普遍,如:通勤者开车先将小孩送到学校,继而前行去往工作地上班.本文基于Y型道路汇流网络,考虑个人通勤和家庭通勤两类出行者,构建高峰期出行选择均衡模型,分析通勤者的出发时间选择.在用户均衡状态下,每类通勤者都不能通过单方面改变自己的行为选择而使其出行成本变得更小.最后,通过数值算例对理论结论进行了验证和分析.
  • 论文
    姬杨蓓蓓, 成枫, 张小宁
    系统工程理论与实践. 2020, 40(11): 2934-2945. https://doi.org/10.12011/1000-6788-2019-2968-12
    本文提出在办公建筑物的私有停车场附近设置共享停车位以缓解城市中心停车位不足的矛盾.研究首先建立了同时包含私有停车场和步行距离可接受的共享停车场的瓶颈经济学模型,设计迭代算法求解出行者的平均出行成本、平均排队时间、系统总成本和停车盈利.研究表明,在毗邻私有停车场设置共享停车位可以有效降低出行成本和缓解交通拥堵,但是过多地建设反而会降低系统的出行效率,造成新的拥堵;从系统总出行成本最优角度,管理者应采取鼓励共享停车的政策;从企业总停车盈利角度,共享停车位应依据私有停车位收费标准进行合理定价.因而,设立共享停车位可作为有效的交通管理手段,通过优化共享停车位数量和价格,最终达到有效的管理目标.
  • 论文
    镇璐, 诸葛丹, 汪小帆
    系统工程理论与实践. 2020, 40(8): 2037-2050. https://doi.org/10.12011/1000-6788-2019-2943-14
    摘要 (1396) PDF全文 (1151)   可视化   收藏
    港口与航运运营活动已经引起严重的环境问题.为了实现港口与航运业减排的目标,系统地分析如何构建绿色港口和绿色航运运营系统显得尤为重要.本文从绿色港口、绿色航运和绿色海事政策三个方面对港口与航运业节能减排的相关文献进行了总结.绿色港口问题包括港口管理和港口技术;绿色航运问题包括航运管理和航运技术;绿色海事政策问题包括一些现有的政策和措施及其对航运业和环境的影响.本文也提出了一些未来的研究方向,包括绿色港口导向的研究、绿色航运导向的研究和排放政策导向的研究.
  • 论文
    邓瑶, 李志纯
    系统工程理论与实践. 2020, 40(8): 2076-2089. https://doi.org/10.12011/1000-6788-2019-2612-14
    Vickrey于1969年应用确定性排队理论,首次提出了一个能导致所有出行者具有相同交通费用的内生出发时间选择模型,即著名的瓶颈模型.50年前,Vickrey提出的瓶颈模型以出行作为分析单位,没有考虑出行与活动之间的相互关联.近年来,出现的基于活动的瓶颈模型考虑了时变活动效用对通勤者出发时间选择的影响.瓶颈处的排队延误纯粹是一种社会损失,拥挤收费是消减瓶颈排队延误的有效的经济手段,而瓶颈模型是研究拥挤收费的强有力工具.本文回顾了瓶颈模型的研究进展,介绍了经典的瓶颈模型和基于活动的瓶颈模型的基础理论,分析和比较了两类模型最优动态收费和最优阶梯收费下的解及其消除排队延误的效率.
  • 论文
    赵道致, 杨洁, 李志保
    系统工程理论与实践. 2020, 40(5): 1229-1241. https://doi.org/10.12011/1000-6788-2018-2092-13
    针对网约车和出租车的出行服务竞争,用等待时间刻画影响需求的服务质量,考虑网约车服务质量高于/低于出租车服务质量两种情景,探讨两种服务共存的条件及均衡定价策略.研究结果表明:当总网络外部性为正时,两种服务需较高差异化才能实现共存;而当总网络外部性为负时,无需其他条件约束,两种服务皆可共存.通过算例分析,分析了网约车服务等待时间对消费者剩余的影响以及参数对两种服务共存条件的影响.此外,借鉴参照依赖理论描述出租车司机在竞争市场中的获利感知,提出基于服务质量差异的网约车管制措施.研究结论为网约车服务定价和监管策略提供了一定的管理启示.
  • 论文
    尚华艳, 王闪, 黄海军, 郭仁拥
    系统工程理论与实践. 2020, 40(3): 679-690. https://doi.org/10.12011/1000-6788-2018-2046-12
    如何快速消除公交枢纽瓶颈的制约,是居民通勤的老大难问题.本文结合瓶颈模型与基于活动的方法来研究公交枢纽晚高峰居民通勤行为,以解决通勤者在其活动和出行之间的时间分配问题.以瓶颈模型为基础,考虑公交内部拥挤,将出行行为与活动相关联.通过引入公交内部拥挤成本,根据不同的效用函数选择出发时间,建立了动态出行均衡模型.并由此得出均衡条件下的相关性质,来解释晚高峰通勤者在瓶颈入口前排队的交通现象.研究发现,与传统瓶颈模型相比,基于活动瓶颈模型乘客动态更加丰富,出发时间选择更为复杂.算例结果表明,通勤者对公交车内部拥挤的敏感度越高,越会尽量地避开高峰出行.为了使净效用更大,通勤者会选择在工作地滞留较长时间,晚高峰时段推迟.
  • 研究论文
    刘凯, 周晶
    系统工程理论与实践. 2020, 40(2): 415-425. https://doi.org/10.12011/1000-6788-2018-1392-11
    通过分析交通信息对出行者路径选择行为的影响,构建了一个同时考虑惯性出行者和非惯性出行者路径选择行为的混合用户均衡模型.随后,提出了求解混合用户模型的算法,通过算例对模型和算法的合理性进行验证,并探讨当出行者路径选择存在惯性行为时,交通信息是否能够缓解交通拥堵.研究发现交通信息虽然可以影响出行者的路径选择行为,但是可能会增加整个系统的总出行时间.而合适的信息渗透率有助于显著地减少整个系统的总出行时间,使得系统趋向于最优化.
  • 研究论文
    徐国勋, 李妍峰, 金大祥, 李军
    系统工程理论与实践. 2020, 40(2): 426-436. https://doi.org/10.12011/1000-6788-2018-0884-11
    共享单车具有随取随放的优点,但用户的租还车使站点之间经常出现供需不平衡现象.为了有效缓解运营商调度压力,提出了一种顾客参与调度的共享单车调度方式.将某些闲置的共享单车设置为红包车,鼓励用户将红包车骑到需求旺盛的区域,用户完成调度后可以获得红包奖励.以运营商运输成本,红包奖励支出以及未满足站点需求的惩罚成本最小为目标建立了混合整数规划模型,并设计了混合禁忌搜索算法对模型进行了求解.数值实验表明:红包车机制可有效减少运营商总成本;混合禁忌搜索算法可以有效求解大规模问题.
  • 论文
    谭卫民, 龙建成, 卢晓珊, 郭宁
    系统工程理论与实践. 2020, 40(1): 210-218. https://doi.org/10.12011/1000-6788-2018-0258-09
    动态共乘系统是一种新兴的智能出行系统,它通过实时动态地将司机和乘客进行匹配,达到有效整合路网运力资源、缓解交通拥堵和减少环境污染的目的.用户体验的优劣对动态共乘系统的可持续发展至关重要,传统的系统设计只重视运行效率,而忽略了用户心理.为此,本文引入实时反馈、优先权分配以及不动匹配对移除三大机制,提出了一个新的考虑用户体验的动态共乘系统.系统的决策过程分为三个阶段:1)建立基于优先权分配的最大权重双向图匹配模型,以确定当前最优匹配方案;2)基于实时反馈机制,将匹配结果告知出行者;3)基于不动匹配对和最晚出发时刻,进行方案评估.最后,通过数值算例将提出的动态共乘系统与传统系统进行了对比.结果表明,本文提出的系统可以大幅度缩短用户的等待时间,改善用户体验,同时有效地提高系统的运行效率.