braess悖论问题

2009高教社杯全国大学生数学建模竞赛

承诺书

我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.

我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。

我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。

我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。

我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）：

我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：

所属学校（请填写完整的全名）：东南大学

参赛队员(打印并签名) ：1. 孙元61008317

2. 于冰61008322

3. 陈魁东61008327

指导教师或指导教师组负责人(打印并签名)：

日期： 2010 年 7 月 23日

41 交通网络中的Braess悖论问题

摘要：

Dietrich Braess 在1968 年的一篇文章中提出了道路交通体系当中的Braess 悖论。它的含义是：有时在一个交通网络上增加一条路段，或者提高某个路段的局部通行能力，反而使所有出行者的出行时间都增加了，这种为了改善通行能力的投入不但没有减少交通延误，反而降低了整个交通网络的服务水平。在复杂的城市道路当中，Braess 悖论仍然不时出现，造成实际交通效率的显著下降。我们通过局部分析法构建最简路网模型来研究和解决北京二环内（含二环）的城市交通中的Braess 悖论。

对于问题一，我们首先分析得知“日”字形路网是可以导致braess悖论的最简单路网。所以我们通过局部分析法将二环内路网（含二环）划分成多个“日”字形路网并对其中的六个典型的“日”字形路网分析发现部分路网中确实存在braess 悖论现象，由于增开辟了一些路段导致出行时间增加了。

对于问题二，我们将GPS导航功能反应为司机们都可以选择最短行驶时间的路径，进而得出所有车辆所有路径的耗时都相同的结论。这样我们只需要计算得到六个路网的车流量分配结果和平均耗时并与问题一进行了对比，对比发现出行时间确有减少，说明GPS导航确实可以缓解道路交通压力，使系统中的车辆运行总时间减少。

对于问题三，从模型一中的结果可以发现六个路网中只有路网四发生了braess 悖论现象。从模型二中的结果可以发现Q=500时只有路网一和路网四的增设路径增加了出行时间；而当车流量继续增加时（增加至Q=1500时），路网一中的增设路径耗时逐渐接近其他路径，达到减缓道路交通压力的目的，此路径不可以关闭。而路网四恰恰相反，当车流量继续增加时，增设路径耗时比其他路径的耗时越来越多，不可能起到减轻道路交通压力的作用，应该关闭。所以分析得知，应该关闭路网四的S-R路段，以缓解交通堵塞的可行性。其他道路均可以起到减缓交通拥堵的作用。

关键词：局部分析法延时系数判别式用户均衡解 pareto边界

问题重述

问题背景：

近年来，日益严重的堵车问题已成了北京交通的难题。造成交通拥堵的直观原因是城市道路建设速度赶不上机动车增长的速度。如果车量不变，单靠扩充交通网络中道路的通行能力，却不一定能缓解交通的拥挤堵塞。1968 年Dietrich Braess 在他的一篇论文中提出在平衡交通流网络中存在一种看似矛盾的Braess 悖论现象。它的含义是：有时在一个交通网络上增加一条路段，或者提高某个路段的局部通行能力，反而使所有出行者的出行时间都增加了，这种为了改善通行能力的投入不但没有减少交通延误，反而降低了整个交通网络的服务水平。人们对这个问题做过许多研究，在城市建设当中也尽量避免这种现象的发生。但在复杂的城市道路当中，Braess 悖论仍然不时出现，造成实际交通效率的显著下降。回答问题：

要求以北京市二环路以内的路网为问题背景研究解决下面三个问题：

问题一：通过分析北京城市的道路交通情况（自行查询的数据需给出引用来源），建立合理的模型，判断在北京市二环路以内的路网中（包括二环路）出现的交通拥堵，是否来源于Braess 悖论所描述的情况。

问题二：建立模型以分析：如果司机广泛使用可以反映当前交通拥堵情况的GPS 导航系统，是否会缓解交通堵塞，并请估计其效果。

问题三：建立合理的模型，研究临时关闭道路以缓解交通堵塞的可行性。如果可行，请给出具体的关闭方案。城区道路网使用北京市二环路的地图。

问题分析

问题一分析：

解决该问题只需要确定北京二环内（含二环）有无路网出现braess悖论现象。二点之间的线路最简单为双向单线，存在两条线路时将构成一个闭环，分析可知此时始终不会出现braess悖论现象，若在闭环内增设一条路径则可能出现braess 悖论现象，也就是形成“日”字形路网是可以导致braess悖论的最简单路网。所以我们通过局部分析法将二环内路网（含二环）划分成多个“日”字形路网，判断每个局部路网是否出现braess悖论现象。

问题二分析：

我们将GPS导航功能反应为司机们都可以选择最短行驶时间的路径，进而得出所有车辆所有路径的耗时都相同的结论。这样我们只需要计算得到六个路网的车流量分配结果和平均耗时并与问题一进行了对比，观察两种情况下平均行驶时间有无变化即可。

问题三分析：

由于问题二中已经得出了各条路段上的车流量和各条路径的行驶时间，我们可以利用此结果观察查找有无路径的耗时始终增大，而且没有车流量分配到该路径。如果有，则这样的路段是可以关闭的；如果没有，则所有的路段都是可以减缓道路交通压力的，都不可以关闭。

模型建立及求解

模型假设：

1、天气道路质量、拥挤程度和综合路阻等这些可测因素都在后面的延时参数中体现，建模时不再考虑这样的问题。

2、司机对道路是熟悉的，不存在迷路绕远问题，并且能自行选择最短路径。

3、谷歌地图中的路况四种颜色反应为道路上的车距，并认为车距平均分布。

4、不考虑各条道路的车道数量。

5、不考虑车型差异，认为车辆车长一致都是5米。

6、道路的自由通行时间定义为汽车以最大限速速度行驶该路段的时间。

7、司机选择路线时不存在个人嗜好，完全从个人利益出发,选择出行成本最小的路径

8、假设每段道路的行驶时间=自由行驶时间+（延时系数*车流量）

模型准备：

所有合作博弈的解都具有这样的性质:在均衡点处，任何用户收益的增加都必将导致其他用户收益的降低,网络所能调整的全部合作对策解的集合构成了Pareto 边界。从博弈论角度来看,Braess 悖论实质上是非合作网络中Nash 平衡点不满足Pareto 最优性时出现的诡异现象。

问题分析可知：可能出现braess 悖论的最简单路网为“日”字形路网。下面我们针对此类路网进行分析：

（a ）“口”字形路网 （b ）“日”字形路网

由模型假设可得行驶时间计算公式：ij

ij ij ij t a b f =+

其中，ij t 表示汽车在i j 路段上的行驶时间；

ij a 表示汽车在i j 路段上的自由通行时间； ij b 表示i j 路段的延时系数； ij f 表示i j 路段的车流量；

ij ij b f 表示每增加单位车流量时所增加的出行时间；

p q