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Journal Pre-proof
选择和安排大型网络中城市交通基础设施项目的可持续方法：伊斯法罕的案例研究。
伊朗拉齐耶·哈亚米姆、赛义德-穆罕默德雷扎·侯赛尼纳萨布、赛义德-纳德·谢塔布-布谢里布、哈迪·卡里米
PII: S2210-6707(19)31580-X
DOI: https://doi.org/10.1016/j.scs.2019.101981
型号： SCS 101981
现刊登于：可持续城市与社会
收到日期：2019年6月3日
修订日期：2019年10月18日
受理日期：2019年11月18日
请引用本文为：Khayamim R，Hosseininasab S-Mohammadreza，Shetab Boushehrib S-Nader，Karimi H，大型网络中城市交通基础设施项目选择和时间安排的可持续方法：伊朗伊斯法罕可持续城市与社会案例研究（2019），DOI: https://doi.org/10.1016/j.scs.2019.101981
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copy; 2019 Published by Elsevier.
大规模城市网络环境下一个城市交通基础设施项目选择与时间选择的可持续方法：以伊朗伊斯法罕市为例
拉齐耶·哈亚马、赛义德-穆罕默德·侯赛尼纳萨布 mhosseininasab@araku.ac.ir 赛义德-纳德·谢塔布-布谢赫里巴、哈迪·卡里米奇
a 伊朗伊斯法罕工业大学运输工程系
b 伊朗阿拉克大学工业工程系
c 伊朗伊斯法罕工业大学工业和系统工程系
*联系作者：电话： 98 86 32625900; 传真: 98 86 32625000
强调：
考虑多目标多周期网络设计问题
提出一种具有多个候选项目的大型网络的求解方法
该方法在实际城市网络中已实现
摘要：
交通基础设施项目决策，特别是发展中城市，是城市交通规划的重要问题之一。交通主管部门需要一个系统的方法来确定哪些项目应该从哪一组候选项目中选择，以及何时应该执行选定的项目。
本文中，提出了一种同时进行城市交通项目选择和配时的新方法。提出了一种双层数学规划模型，并建立了two-phase 混合求解办法。
该方法有两个显著特点。首先，它能够考虑具有许多候选项目的大型运输网络。第二，它基于可持续期刊预检进行选择和计划项目。
为验证建议方法的有效性，选择伊斯法罕交通网络作为案例研究，31个项目（建设和拓宽）以及12个快速公交（BRT）项目计划在10年规划期内（2016-2026年）。
研究结果表明，该方法能有效地解决多项目大型交通网络的网络发展规划问题。
关键词：交通，项目选择，进度计划，网络设计，可持续发展
- 介绍
货物和旅客运输是社会的重要需求之一。
由于城市交通网络设计的内在复杂性，城市交通网络的发展已被认为是交通领域最具挑战性的问题之一。交通网络的优化扩张不仅能提供高效的交通运输，其是经济持续增长的关键，而且能带来最大的投资回报。因此，对于运输管理系统来说，最重要的问题之一是如何评估、确定优先次序和选择投资项目，以达到最佳的网络扩展。这种运输问题被称为是网络设计问题（NDP）。
NDP被定义为在资源约束下改善或扩展运输网络以优化某些目标的问题。当局不断遇到几个可供交通网络选择的发展项目，由于目的和限制不同，对这些项目进行评估和优先排序是一个复杂的过程。
交通项目的评价和排序会直接影响到公众的生活，因此必须正确考虑项目的各种影响，避免交通网络的恶化导致社会不满。因此，可以推断，交通网络的扩张是非常敏感、关键的。可持续交通方法寻求当前和未来环境、社会和经济质量之间的平衡。
良好的运输计划必须负责维护预证明经济、社会和环境的可持续性。然而，随着交通基础设施的发展，出现了许多环境问题，如土地占用、噪音污染和空气污染。
根据城市可持续发展标准，发展交通基础设施，推动城市走向社会公平、理想环境和经济发展的方向。Mahmoudi等人确定了38项与城市交通网络相关的可持续标准。交通研究人员都承认NDP本质上是一个复杂的问题。有些事情会增加这种复杂性，包括扩大网络规模、增加项目数量和扩展标准（目标）。因此，在考虑各种标准的众多候选项目的大都市中，网络设计比通常的NDP要复杂的多。
此外，如果在国家发展计划中也考虑到项目的时间安排，其复杂性将显著增加。本文以大规模的城市网络为研究对象，提出了一种新的方法，即在预算和实施方面收到可持续发展限制的情况下，优先安排城市交通项目。
论文的组织结构如下：第二部分对文献进行了回顾，揭示了现有的研究空白。第三部分介绍了问题描述、数学公式、模型求解障碍分析以及由模型特性驱动的求解方法。第四部分报告了在伊朗伊斯法罕实际道路网络中实施该方法的结果，并通过该方法证明了该方法在大型道路网络和许多项目中的适用性。第五部分对全文进行了总结，并提出了今后的研究方向。
- 文献综述
近几十年来，高效的城市网络发展吸引了许多交通领域的研究者。已发表的研究按不同方面分类，例如：连续/离散、单目标/多目标、精确/近似和选择/实际。基于这一分类，以下将对这些研究进行叙述。
2.1 连续/离散形式
基于模型中使用的连续或离散决策变量，NDP可分为三类：连续网络设计问题（CNDP）处理网络中现有联络的最优容量扩展，离散网络设计问题（DNDP）处理向运输网络添加新链路，同时包含离散和连续决策变量的混合网络设计问题（Yang 和 Bell, 1998）。DNDP和MNDP的组合型使得它们比CNDP复杂都多，这就是为什么CNDP被更多地使用的原因。读者可参考Farahani et al.(2013) 查看这些领域的研究摘要。
2.2 精确/近似解
Leblanc(1975) 采用分枝定界（Bamp;B）算法求解双层DNDP这种精确解的主要缺点是下限不足。Farvaresh 和 Sepheri (2013)提出了一种确定Bamp;B算法下限的方法。与LeBlanc相比，他们的方法在大多数低级计算测试中显示了优越性。
由于NDP固有的困难，即使对于小型网络也很难找到双层NDP的最优解。因此，文献中提出的大多数解决方案都近似于评估解决方案的准确性和速度之间的权衡。Poorzahedy amp; Rouhani(2007) 将这些方法分为八类。
2.3 单目标/多目标
由于其简单性，大多数采用NDP的研究者将城市网络发展视为一个单一目标，而这一问题的本质是多目标的，利用单目标优化会导致次优解。
多目标网络设计问题最早由Friesz 和 Harker(1983)提出。他们采用了多目标的CNDP，并用盖夫林交换法来解决这一问题。后来，Ahern 和 Anandarajah(2007)通过最小化一个多目标函数来解决这个问题，该多目标函数将不同因素的综合乘以相应的权重。 Avineri 等人（2000）定义了多个目标的非补偿性决策规则，并利用加权模糊均值函数将多目标问题建模为考虑预算约束的背包问题。
多目标交通基础设施项目选择问题（MTIPSP）是基于零和一个多目标背包问题的多目标优化问题，由Teng和Tzeng(1996)首次提出，其中二元决策日志预先证明：制造变量（0和1）被用来表示不同的投资选择。
Iniestra和Gutierrez(2009)改进了Teng和Tzeng(1996)的建模，并提出了选择交通基础设施项目的多为问题，作为一个0和1的多目标背包问题，但有一些额外的限制。
Zhang和Gao(2009)提出了一个MNDP模型，该模型既包括链路的扩展，也包括向网络中添加新链路，其上层目标函数被视为三个不同目标函数的权重。然后，将提出的双层模型转化为一层等价问题，采用基于梯度的方法和penalty函数求解。Miandoabchi等人（2013）提出了一个多目标DNDP模型，以寻找单向和双向街道的最佳组合、双向街道的线路配置、新道路建设以及现有街道的线路添加。他们的研究目标是网络服务能力优化和两个时间相关指标。此外，还提出了三中原启发式算法来求解所定义的问题。Haas 和 Bekhor(2017) 旨在尽量减少网络中的旅行时间，并最大限度地提高网络设计的安全性。为此，他们提出了一种多目标遗传算法。正在研究的网络是一个真正的网络，有许多候选项目要添加到网络中。Kolak等人（2048）将网络优化问题作为一个具有可持续视角的多层多目标模型。这项研究之设计加强现有联系的能力（不增加新的联系）。
2.4 选择/时间
多数NDP研究考虑没有时间的项目选择。由于预算和技术限制不允许同时执行许多项目，项目的时间安排成为国家发展计划的一个重要特征。
项目的时间安排包括根据项目的优先次序，在一个规划期内将可用资源分配给各个项目，以便获得最大的投资回报。
很少有研究设计项目的时间安排。Weng 和 Qu(2009)提出了道路建设项目的时间安排模型。在该模型中，假设道路建设项目已提前确定，所需的是在不同规划期内的建设实践。他们通过考虑预算限制，以单目标规划模型的形式解决了这一问题，其中目标函数是通过减少网络期刊郑重中的起终点距离，使其效益最大化来修造新道路。
本研究中一个更简单的假设是，每条道路的建设时间等于一个规划期。Szeto (2010), Miandoabchi (2015), Kim(2008)和Hosseininasab 和 Shetab Boushehri(2015)考虑了在网络中添加新街道及其时间的问题。Szeto等人的研究（2010）和Miandoabchi等人（2015）将道路建设和拓宽项目的选择和时机选择问题作为一个双目标DNDP，并提出了两个多目标进化算法来求解该模型。他们假定这些项目不需要超过一年（一段时间）。这种假设通常是不现实的，因为Hosseininasab和Shetab Boushehri(2015)批评了考虑项目固定工期的假设。他们认为，一个项目的进展取决于技术和预算限制，即如果为一个项目拨出更多（更少）资金，它可能会更早（更晚）运作。基于这一假设，他们开发了一个新的单目标DNDP模型，用于继承城市道路建设项目的选择和调度，其中每个项目的工期不是预先定义为一个参数，而是通过求解该模型来确定。Hosseininasab等人（2018）通过制定与空间公平和用户满意度相关的两个新标准，将Hosseininasab和Shetab Boushehri(2015)的工作扩展到多目标形式。他们提出了两种多目标进化方法（交互和后验）来求解模型。他们在一个大型网络上实现了所提议的方法，但有几个项目，由于算法复杂度高，无法满足大规模网络中大量项目的需要。
- 文献综述结论
NDP是一个具有吸引力、实用性和广泛性的研究领域，涉及到各种复杂的问题。因此，从不同角度对这一领域进行研究的文献很多。其中一个方面是运输项目的选择和时间安排的集成，成为与时间相关的NDP或multi-Journal Pre-poof period NDP.到目前为止，这方面已经做了一些研究。这些研究中的一些不足可以指出如下：由于问题的复杂性，大多数模型不可避免地在项目数量优先的小型网络或大型网络上实现。
除两项研究外，其他研究认为每个项目的固定和预定义持续时间是不显示的假设。大多数研究忽视了城市的可持续发展。
本文的主要目的是消除上述缺点。研究考虑道路建设及拓宽等各类交通网络发展项目的选择及时机，考虑到城市可持续发展的要求，通过制定切实可行的方法，改善城市的未来，快速公交（BRT）和大型网络的地铁线路有许多候选项目。因此，本文的主要创新之处在于，针对具有多个项目的大型网络，提出一种求解多目标多周期DNDP的方法。
方法，在这一部分，数学规划模型的问题是指定和描述。在此基础上，提出了一种在多个工程的大型网络中解决该问题的整体结局办法。最后给出了具体的求解方法。
3.1 建模
如第二部分所述，文献中提出了多周期DNDP的几种模型。在这些模型中，Hosseininasab和Shetab Boushehri(2015)提出的模型假设每个项目的持续是可变的。
因此，本文提出的模型基于Hosseininasab 和 Shetab Boushehri(2015)提出的模型。该模型是一个双层DNDP，其中上层问题代表网络管理机构选择和调度可添加到网络中的项目的决策问题，下层问题代表了网络用户在基于上层确定的解决方案选择指定网络链路上的流量的旅行路线时的行为。下层问题称为确定性用户平衡Journal Pre-proof(适当)交通分配问题。由于这个问题是众所周知的，为了简洁起见，省略了它的公式。
上层问题的数学模型如下：
上层问题是多目标的。因此，方程（1）中的fv是L个不同目标的向量。
为了实现一个可持续的城市，这些目标应适当涵盖可持续发展的所有方面。因此，目标选择是建立模型的重要步骤。lt;
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