第1章 绪论
1.1 专用道设置优化研究的必要性
随着世界经济的快速发展，世界范围内的许多国家和区域的城市化进程日益高度化，其导致的一个负面影响是由车辆总量快速增加引起的严重交通拥堵。许多大型城市的交通状况变得越来越糟糕。日益严重的交通拥堵导致了很多的交通运输问题，如低下的运输效率、不可预测的运送时间、交通事故、能源浪费和安全问题。这些问题日益阻碍交通运输以有效、可靠、安全的模式运行。面对这些日益突出的问题，开发新的交通规划方法以支持交通管理者决策变得重要且必不可少。
一种解决上述问题的常用方式是建设新的交通设施，如新修或拓宽现有道路等，以拓展现有交通运输网络，增加其交通网络承载能力。然而，这种方式需要大量的财务和人力成本以及较长的建设周期。同时，它也受限于有限的地理空间资源。因此，通过科学合理的管理方式，有效地分配和充分利用现有交通网络资源来改善交通状况变得日益重要。
近年来，专用道设置策略作为一种灵活有效且经济的交通管理策略，已经被很多国家广泛应用。其核心内涵是在现有城市交通网络中为特殊用户设置一些专用道以满足他们的交通运输需求或改善现有交通系统性能。专用道是通过限制其他车辆的通行为特殊用户提供一个无拥堵和更安全的交通运输环境。例如，公交专用道作为一个广为人知的专用道设置案例，已经被用来提升公交运行效率和准时性，从而增强公交系统的吸引力。另一个例子是高承载车（high-occupancy vehicle，HOV）专用道，它已经被广泛用来鼓励人们通过拼车增加车载人数以减少出行时间。此外，专用道设置策略还被应用于满足大型运动赛事期间特殊的运输需求，如悉尼、雅典及北京奥运会均设置了奥运专用道以满足运动员的快速运送需求。
在一个路段上，若其中某一车道被设置为专用道，为方便起见，本书称该路段上其他车道为普通车道。在交通网络中设置专用道减少了普通车道的总数目，这可能会使普通车道更拥堵，进一步恶化已经严重拥堵的城市交通状况。专用道设置策略*直接的影响就是增加了普通车道上非任务车辆的旅行时间，即导致交通延误。例如，Princeton和Cohens（2011）的研究表明：法国戴高乐机场和圣丹尼之间A1公路中三条车道设置一条公交专用道后，非公交车辆的运行时间增加了约26%。因此，在交通网络中合理地设置专用道以*小化其对其他交通的负面影响是非常必要的。现有专用道设置研究中绝大多数通过运用实证、分析、仿真等方法从微观路段层面上研究了公交专用道设置类型、设置条件和形式及公交专用道的设置效益和影响（Black，1991；Choi D and Choi W，1995；Eichler and Daganzo，2006；Gan et al.，2003；Jepson and Ferreira，2000；陆建，2003；李铁柱等，2010；Viegas and Lu，2004；Viegas et al.，2007；Wei and Chong，2002；Zagorianakos，2004；Zhu，2010）。这些微观路段层面的研究结果可以为交通管理决策者进行专用道决策提供有价值的信息，但是其不能有效指导交通网络层面上的*优专用道决策。
近年来，少量研究从运输网络视角研究满足自动卡车和大规模事件等背景下的特殊运输需求的专用道设置优化问题（Che et al.，2015；Fang et al.，2012，2013，2014，2015；Wu et al.，2013；吴鹏，2013；Zhou et al.，2013，2014），旨于在现有交通网络中合理地选择路段进行专用道设置以满足特殊的交通运输需求。然而，据我们所知，已有研究提出的解决方法未能在合理时间内求解大规模问题，且大多数研究假设路网中路段行驶时间为静态不变的，未考虑路段行驶时间的时变性。此外，公交专用道已被广泛用于提升公交系统的性能和吸引力，但未发现有研究考虑*小化专用道设置影响的公交专用道设置优化问题。因此，研究运输网络视角下的大规模专用道设置优化、时变路况下的专用道设置鲁棒优化及公交专用道设置优化具有重要现实意义。特别值得指出的是，专用道设置优化问题不同于现存的经典交通运输规划问题，如车辆路径问题（vehicle routing problem，VRP）、设施选址问题、*小成本多货物流问题，但是它的特殊情况可以归结为多种经典组合优化问题。进一步深入研究这类新交通运输规划问题具有重要的理论价值。
本书力图为上述运输网络视角下（即宏观网络层面上的）专用道设置优化问题开发新的和有效的优化方法，以满足特殊的交通运输需求和提升公交系统性能，同时尽可能减少专用道设置的负面影响。
1.2 专用道设置研究概述
本节首先综述了专用道设置策略的现实应用现状。其次综述了有关专用道设置策略的理论研究现状，包括微观路段层面和宏观网络层面上的专用道设置研究，指出了现有研究存在的不足以及本书的主要研究问题。*后分别阐述了求解单、多目标组合优化问题的常用方法，并对求解本书所研究问题方法的基本思想和原理进行了介绍。
1.2.1 专用道设置应用研究概述
随着机动车辆数量的急剧增加，交通拥堵已经成为世界各地许多城市的常见现象。与传统的通过修路、拓路方式拓展现有交通网络容量的策略相比，合理的交通管理策略对缓解城市交通拥堵扮演着更加重要的角色。近些年来，作为交通管理策略之一，专用道设置策略广泛应用于现实中，如公交专用道、HOV专用道、满足特殊事件的临时专用道（如奥运会专用道）及自动卡车专用道。
1. 公交专用道
众所周知，公交专用道作为一个重要的公交优先策略，已经在许多国家广泛实施。其主旨思想是在一些特定时段（如早、晚高峰）将一些普通车道转化为公交专用道。设置公交专用道的目的是提升公交运输的性能以增加公交系统吸引力和促进旅客由私家车转向公交出行，从而达到缓解城市交通拥堵的目的。世界上第一条公交专用道可以追溯至1940年的美国芝加哥。随后，欧洲国家（如法国、英国）也开始建设公交专用道。之后，亚洲国家也开始实施公交专用道设置策略以促进公交优先。中国于1997年在北京长安街建设了第一条公交专用道。如今，在全世界范围内通过实施公交专用道设置策略来促进公交优先已经变得越来越流行。在中国，许多城市（如北京、西安、昆明、广州、成都等）已经实施了公交专用道设置策略。公交专用道可以避免公交车陷入交通拥堵，从而实现快速而准时的公交运输服务。
近几十年来基于公交专用道的快速公交（bus rapid transit，BRT）系统已经在北美洲、拉丁美洲、欧洲、亚洲广泛实施。其中一个*成功的例子是哥伦比亚波哥大的BRT系统，它每天高峰期运输超过198 000个旅客，公交运输的平均速度由15千米/小时提升至27千米/小时（Walteros et al.，2013）。Hidalgo和Gutierrez（2013）的报道指出：全球范围内120个BRT系统包含了4 300千米的公交专用道，它们每天约服务28 000 000个旅客。
2. HOV专用道
另一个著名的专用道设置策略应用实例是HOV专用道，它通常在高峰期设置以供HOV使用，从而减少其运行时间。HOV是指装载多个成员的车辆，有代表性的车辆有拼车车辆、公共车辆、公交车。与公交专用道一样，HOV专用道通常也用特殊的标志标识加以区分。
通过HOV专用道，HOV能够快速地通过高峰期拥堵的区域。因此，它吸引出行者，特别是通勤者，转向拼车出行。正如Turnbull（1990）所述，HOV专用道主要目的在于增加每个车辆的人数。Turnbull（2005）、Machemehl等（2001）指出20 世纪60年代的北美开通了世界上第一条HOV专用道。1980~1990年，HOV专用道也进入了快速发展的阶段，洛杉矶、纽约、旧金山、西雅图及华盛顿等城市已经广泛实施。据Turnbull 和DeJohn（2000）的报道，已经有约3 701.49千米的HOV专用道在美国28个大都市实施。Maclennan（1995）、Schijns（2001）报道HOV专用道已经不仅广泛实施于北美洲的40多个城市，还在其他国家（如英国、西班牙、澳大利亚及荷兰）实施。HOV专用道鼓励出行者拼车，从而避免高峰期的交通拥堵，有助于用更少的车辆装载更多的人。因此，HOV专用道设置策略已经被认为是一种有效提升路段使用率、缓解交通拥堵、减少碳排放及节约能源的交通管理方式。更多有关HOV专用道的应用信息可以参考Fang等（2013）的研究。
3. 满足特殊事件的临时专用道
专用道设置策略也被应用于一些大规模特殊事件，如大型运动会（如奥运会、大型博览会）。如今，这些大型特殊事件频繁地在各国的大城市里举办。在2009年约70场大型运动赛事在世界各地举办（Zhou，2014）。这些运动赛事通常要求组织者以快速、安全及可靠的方式将特定人员和物资从运动村运送至各比赛场馆。例如，2010年广州亚运会承诺将运动员在30分钟内运送至各分散的体育场（Wu et al.，2009）。此外，2000年悉尼奥运会、2004 年雅典奥运会、2008年北京奥运会都实施了专用道设置策略。为了满足这些特殊的交通要求，组织者临时在某些路段上设置专用道以供运动会期间专用。
4. 自动卡车专用道
除以上应用之外，随着计算机技术和先进驾驶辅助系统（advanced driver assistance system，ADAS）的发展，自动驾驶进入我们的日常生活（Shladover，2010）。自动卡车有着显著的优点，如其能够提高运输安全性和运输效率、减少驾驶员的压力及燃料消耗。为实现高效、可靠、经济和安全的货物运输，自动卡车运输将会是一个可行的解决方案。在货物运输中使用自动卡车的关键问题之一是保障运输安全。与手动驱动的普通卡车相比，自动卡车必须有能力检测可能的危险并及时和正确响应。因此，确保安全和时间有效的自动卡车运输是必需的。为自动卡车提供优良的运输环境（如设置自动卡车专用道）十分必要。然而，虽然自动驾驶是当前热点话题之一，但是距离其广泛应用还有一段时间。
通过分析现有专用道设置应用现状可以发现：①公交专用道和HOV专用道等专用道设置策略已经被广泛应用于提升交通系统性能以达到减少交通拥堵的目的，并取得了良好的效果；②近年来，满足奥运会专用道等特殊事件的临时专用道在现实生活中有着广泛的应用，但主要集中在大型城市中，如北京、悉尼等；③虽然目前自动卡车专用道在现实生活中尚无应用，但是自动卡车专用道的设置能够灵活保证自动卡车的运输安全，促进自动驾驶和运输的发展，对其进行前期研究具有重要意义。
1.2.2 专用道设置理论研究综述
综上所述，专用道设置策略有多种应用，包括公交专用道、HOV 专用道、满足特殊事件的临时专用道、自动卡车专用道。由于专用道设置策略在现实中的广泛应用，在文献中也有了一系列有关专用道设置问题的理论研究。这些研究大致可以分为两类：一类关注单个路段层面专用道设置研究，另一类则关注交通网络层面专用道设置研究。接下来，本节将分别进行阐述。
1. 单个路段层面专用道设置研究综述
如上所述，为促进公交优先和缓解交通拥堵，公交专用道设置策略已经广泛应用于现实生活中。为了充分发挥公交专用道的价值，已经有大量的文献通过运用实证分析、仿真等方法从微观路段层面上研究了公交专用道设置类型、设置条件和形式，以及公交专用道的设置效益和影响。
公交专用道通常有两种类型：永久型和间隔型。因为永久型公交专用道独占一条车道，其他非公交车辆任何时间均不允许通过，它永久地减少了非公交车辆的路段可使用容量，这可能会对非公交出行带来严重的交通压力。因此，很多研究者建议实施间隔型公交专用道策略来提升路段车道的使用效率（陆建，2003；李铁柱等，2010；Viegas a
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