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五一建模20242024
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2024-05-01
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五一建模20242024
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2024 年五一数学建模竞赛 B 题参考思路
B 题 未来新城背景下的交通需求规划与可达率问题
交通需求指从特定起点出发,到达指定终点的交通量(车辆数)。以图 1 中
的交通网络 1 为例,假设(起点,终点)对(1,4)的交通需求为 100 辆,其中 40 辆分
配到路径 1-2-4,60 辆车分配到路径 1-3-4,该过程称为交通需求分配。在道路
完全通畅的情况下,从起点 1 到达终点 4 的交通量比例(以下称为“可达率”)为
(40+60)/100=100%。而一旦产生突发状况,例如路段 1-2 发生了交通事故导致
该路段无法通行,那么原本选择通过 1-2-4 路径的交通需求将无法满足。此时,
只有通过路径 1-3-4 的交通需求才能够被实现,交通需求可达率为 60/100=60%。
图 1 交通网络 1
综上可以写出相关计算公式:
(1)交通需求可达率(Accessibility Rate, AR):
给定一个起点和终点对(s, t),交通需求可达率是从起点 s 到终点 t 的已分
配交通量中,能够实际到达目的地的交通量比例。计算公式为:
其中 R (s,t)是从起点 s 到终点 t 的所有可能路径的集合,Fr 是分配到路径
r 上的交通量,T (s,t)是(起点, 终点)对 (s,t) 的总交通需求量。
假设每个(起点,终点)对之间使用的路径数不超过 5(各路段长度均为单位 1,
优先选择距离短的路径)。做题过程中不能遗漏的约束条件。假设交通网络中所
有车辆均为无人驾驶车辆,并且所有车辆都服从系统预先规划的路径进行出行。
不需要考虑会额外出现的交通事故。注意:本题的图 2 和图 3 中的路段为双向
路段,即路段 2-3 和路段 3-2 是两条不同的路段。也就意味着计算交通需求可
达率的时候不需要考虑逆向路段,仅需考虑路径中包含出现交通事故的路段,
这一点是对题目的简化。在本题中,不要求交通流量值取整数,即交通流量值
可以为任意的非负实数。对结果的说明。请依据附件 1~3,建立数学模型,完
成以下问题:
问题 1:图 2 为一个小型交通网络。各(起点,终点)对之间的交通需求见附
件 1。
请建立数学模型,给出各(起点,终点)对之间交通需求分配到对应路径上的
交通量,使得网络中任意 1 条路段出现突发状况时(每个路段出现突发状况概率
相同),网络中所有交通需求的期望可达率最大。在表 1 中填入指定(起点,终点)
对规划的路径,以及对应分配的交通量(若规划路径数不足 5 条无需填满表格)。
图 2 交通网络 2
表 1 问题 1 结果
(起点,终点)
规划路径
(依次给出经过的所有节点,例如:1-2-3-6-9)
分配交通量
(1,9)
(3,7)
由于每个路段出现突发状况的概率相同,且假设这些事件是独立的,那么
EAR 可以通过计算所有可能的突发状况下可达率的平均值来得到。
(2)交通需求的期望可达率(Expected Accessibility Rate, EAR):
在交通网络中,假设每个路段出现突发状况的概率为 P,并且这些事件是
独立的。对于给定的(起点, 终点)对 (s,t),其交通需求可达率 AR (s,t) 取决于
网络中各路段的状态。
首先,定义 R (s,t)为(起点, 终点)对 (s,t) 的所有可能路径的集合。对于每
一条路径 r∈R (s,t) ,定义 Fr 为分配到路径 r 上的交通量,T(s,t)为(起点, 终
点)对 (s,t) 的总交通需求量。
在没有任何路段失效的情况下,交通需求可达率 AR (s,t)为 1,因为所有分
配的交通量都能到达目的地。但是,当某个路段失效时,只有那些不经过该路
段的路径上的交通量能够到达目的地。
为了计算交通需求的期望可达率 EAR (s,t) ,需要考虑所有路段可能的状
态组合,并计算每种状态下(起点, 终点)对 (s,t) 的可达率。由于每个路段出
现突发状况的概率为 P,不出现突发状况的概率为 1−P,我们可以使用概率论
中的期望公式来计算 EAR (s,t)。
对于(起点, 终点)对 (s,t),其交通需求的期望可达率 EAR (s,t)可以用以
下公式表示:
其中,e∈r 表示路径 r 上的所有路段,∏ e∈r (1−P) 是路径 r 上所有路段
都不出现突发状况的概率。这个公式计算了每条路径 r 在不出现任何路段失效
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dream_eyas
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