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近年来,随着我国的国民经济的提升,城市化范围不断扩大,私家车数量急剧增加,交通拥堵问题日益严重。为长远地缓解交通拥堵问题,交通管理手段必不可少。本文拟在城市交通系统中引入高承载率车道(HOV车道),通过将高承载率车辆优先的概念引入城市交通系统,在道路网中修建最优化的HOV车道,建设与管理双管齐下,从而提高交通出行效率,使整个交通系统的运营得到优化。为了实现HOV车道科学规划与布局,本文以双层规划模型作为理论基础,对城市路网中HOV车道的优化设计问题进行了研究。考虑HOV车道的规划布局与出行者出行路径选择行为之间的互相影响,本文将该问题视作一个双层规划模型来进行进一步的研究。上层模型以路网系统效益最优为目标进行HOV车道的优化布局,下层模型针对单独驾驶的小汽车、多人合乘的小汽车、公交车和客车分别建模,结合设置HOV车道的路段上的流量特性,提出了基于HOV车道路网的道路阻抗函数,并构造了下层交通相应的配流模型。分别使用Frank-Wolfe算法和遗传算法对下层流量分配模型和双层规划模型进行求解设计。最后,本文以两个案例分析验证了方案的可行性,分别是经典的Sioux Falls网络为基础的算例分析和以北京市海淀区的实际路网作为案例的实例分析,对双层规划模型进行了应用。算例分析结果验证了建立模型的可行性和算法的有效性;案例分析结果表明,将双层规划模型应用于HOV车道设计的相关研究和方案选择时,可以达到提升路网整体通行能力、并缩短系统内整体车流的运行时间,同时,也可以使整个路网系统的能源消耗和污染物排放量达到可控制范围内的较低值,可谓一举多得。研究HOV专用车道的设置优化方案,是实现整个交通系统中拥堵减轻、浪费缓解的行之有效的手段,也是从城市规划的整体角度上,减轻交通拥堵这一“城市病”症状的优良方法。