基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的交通流動(dòng)態(tài)特性研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越龐大，但與此同時(shí)，汽車數(shù)量也在不斷增長(zhǎng)。從目前交通狀況可以看出，城市交通系統(tǒng)的發(fā)展已無法滿足當(dāng)前人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的交通需求，進(jìn)而引發(fā)的城市交通問題也愈發(fā)嚴(yán)重，交通擁堵、交通事故、道路阻塞等問題頻頻發(fā)生。從可持續(xù)發(fā)展的角度可知，城市規(guī)模不可能無限制地?cái)U(kuò)張下去，土地資源將越來越有限，越來越稀缺，如何在有限的道路資源條件下緩解城市交通擁堵并提高道路網(wǎng)絡(luò)的交通承載能力已成為相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。

2、
　　為揭示城市交通流的內(nèi)在機(jī)理，深入研究城市基礎(chǔ)道路網(wǎng)絡(luò)及建立在該網(wǎng)絡(luò)之上的其他復(fù)雜系統(tǒng)（如公交系統(tǒng)）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，分析道路交通流及網(wǎng)絡(luò)交通流的動(dòng)態(tài)特性，有助于進(jìn)一步探索緩解城市交通擁擠及提高城市路網(wǎng)吞吐量的交通誘導(dǎo)控制策略。所以，分析交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性及交通流復(fù)雜性對(duì)于城市交通問題研究至關(guān)重要。
　　為此，本文圍繞城市交通網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征及交通動(dòng)態(tài)路由選擇算法展開了深入研究。結(jié)合GIS與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，通過引入多粒度

3、的概念系統(tǒng)地研究了城市交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析了交通流單向傳輸控制對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)交通過程的影響;深入分析了交通擁塞的產(chǎn)生機(jī)理，采用引力場(chǎng)理論實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通流傳輸過程中節(jié)點(diǎn)之間相互作用的描述和定義，進(jìn)而提出了基于節(jié)點(diǎn)引力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)路由選擇算法。具體來講，本論文的研究工作與成果主要有以下幾個(gè)方面:
　　1、結(jié)合GIS網(wǎng)絡(luò)分析方法與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建原理做了有益的探索并進(jìn)行了相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不

4、同尺度下的路網(wǎng)均具有小世界和無標(biāo)度特性，并通過引入多粒度的概念建立了城市道路多粒度復(fù)雜路網(wǎng)模型，進(jìn)而分析了多粒度復(fù)雜路網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性及整個(gè)城市道路網(wǎng)絡(luò)的可靠性。研究發(fā)現(xiàn)，多粒度復(fù)雜路網(wǎng)模型具有無標(biāo)度特性，有助于更為準(zhǔn)確地分析城市道路網(wǎng)絡(luò)的魯棒性及脆弱性。
　　2、為進(jìn)一步分析城市交通系統(tǒng)的復(fù)雜性，針對(duì)城市公交系統(tǒng)，從乘客出行站點(diǎn)選擇認(rèn)知的角度出發(fā)，引入站點(diǎn)服務(wù)區(qū)的概念，并采用Voronoi圖進(jìn)行站點(diǎn)服務(wù)區(qū)的確定。在此基礎(chǔ)上，分

5、別針對(duì)公交站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和公交線路網(wǎng)絡(luò)定義了公交服務(wù)可靠性指標(biāo)及相應(yīng)的攻擊策略。試驗(yàn)證明，該公交系統(tǒng)可靠性分析方法可以較為準(zhǔn)確地描述城市公交系統(tǒng)的魯棒性及脆弱性。
　　3、分析了實(shí)施交通流局部單向傳遞對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)交通狀況的影響。分別以連接度和介數(shù)為約束條件，定義了兩個(gè)交通流單向傳遞約束模型，并通過對(duì)ER隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)、WS小世界網(wǎng)絡(luò)和BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)等典型網(wǎng)絡(luò)模型的交通模擬試驗(yàn)，得出了一個(gè)重要結(jié)論:對(duì)擁塞嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)實(shí)施交通流單向傳遞控制可以顯著地

6、提高ER隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)和WS小世界網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力及緩解其網(wǎng)絡(luò)擁塞程度，但不能有效地提高BA無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的交通承載能力。該研究成果對(duì)實(shí)施城市交通（大部分城市交通網(wǎng)絡(luò)被證實(shí)服從冪律分布，即為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)）誘導(dǎo)控制提供了重要的決策參考依據(jù)。
　　4、提出利用引力場(chǎng)理論來研究交通流傳輸過程中節(jié)點(diǎn)之間的相互作用，建立對(duì)交通引力場(chǎng)的描述，定義具有普適意義的節(jié)點(diǎn)引力場(chǎng)方程，定義了任意傳輸路徑對(duì)數(shù)據(jù)包的引力計(jì)算公式，即將路徑對(duì)數(shù)據(jù)包的引力表達(dá)為路徑上所有節(jié)

7、點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)包的引力的平均值。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于節(jié)點(diǎn)引力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)路由選擇算法，即針對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)包的所有鄰居節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最短路徑，選擇最短路徑對(duì)數(shù)據(jù)包引力最大所對(duì)應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)。模擬試驗(yàn)證明，該路徑選擇算法較大地提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，顯著地緩解了網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。
　　5、為深入探討基于引力場(chǎng)理論的路由選擇策略的交通流動(dòng)力學(xué)特性，引入路徑感知深度的概念，定義了在路徑感知深度約束下傳輸路徑對(duì)數(shù)據(jù)包的引力計(jì)算公式

8、，并給出了相應(yīng)的引力路由選擇算法。試驗(yàn)結(jié)果揭示了一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象:當(dāng)路徑感知深度大于網(wǎng)絡(luò)平均距離長(zhǎng)度時(shí)，該路由選擇算法可以顯著地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，且網(wǎng)絡(luò)傳輸性能將不再隨路徑感知深度的持續(xù)增大而變化，網(wǎng)絡(luò)傳輸性能將進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。
　　6、從引力均衡的角度，引入標(biāo)準(zhǔn)差的基本思想，認(rèn)為在節(jié)點(diǎn)引力場(chǎng)作用下或許存在一個(gè)最佳的臨界引力，且在該引力下的路由選擇過程更為高效?；谶@種假設(shè)，建立了一個(gè)反映節(jié)點(diǎn)引力離散程度的數(shù)學(xué)模型，且基于