基于复杂网络的城市公共交通网络生成与优化

摘要

随着经济的发展和科学技术的进步机动车成为家庭所必备的交通工具，人们的出行次数也随之增加，交通拥堵日益加重。早期一线城市道路资源开始出现短缺，慢慢地扩展到二线城市，现在城市交通拥堵问题已经成为全世界的一大难题。公共交通出行是缓解城市交通拥堵问题行之有效的方法，随着城市轨道交通和城市快速公共交通的发展，一部分道路资源被释放出来从而缓解了交通拥堵。大力发展城市公共交通是城市发展的一大重心所在，而发展城市公共交通的关键在于是提高公共交通对居民出行的吸引力。居民出行所关注的是出行的方便、高效和快捷，所以必须合理安排城市公共交通网络以满足以上要求。
　　城市道路网络是复杂网络的一种，复杂网络理论是复杂系统性科学研究一个比较重要的分支。复杂网络起初是用来描述自然和社会科学以及工程技术中相互关联的理论，后来在其他领域也得到了广泛的应用成为许多学科前沿研究的热点问题之一。就简单的拓扑统计规律而言，道路网络具有规则网络的一些特性，可根据不同的拓扑表示方式对其进行抽象。在动力学行为和特征上，道路交通网络具有明显的复杂特性，例如交叉口的流量产生和转移、路段上交通流的形成传播以及消散等。城市公共交通网络作为城市道路网络的一个子系统，其本身也具有明显的复杂特性。
　　文章运用复杂网络相关知识理论，结合近现代发展起来的智能算法对城市公共交通网络进行生成和优化处理。城市公共交通网络的优化主要是为了方便居民出行和城市发展，从拓扑结构进行入手，通过分析节点之间公共交通出行交通量所构成的相互吸引关系，结合遗传算法中的变异思想和禁忌搜索算法中的相关禁忌原则来进行网络线路的搜索，对备选线路的择优选择进行定线。在整体优化处理过程中对节点度和路段复线条数过高的地方进行分流处理，最后得到满足城市发展和居民出行需求的城市公共交通网络。
　　在公共交通网络的生成与优化中，通过理论分析和实例验证，所完成的成果如下:
　　(1)根据居民公共交通出行的交通量，在城市道路网络上构建节点之间基于交通量的相互吸引力，在确定起讫点的情况下，通过力学分析来进行线路走向选择，通过这种方式使得生成网络能够使得网络容量最大。
　　(2)在公共交通线路生成阶段，运用遗传算法中的变异思想和禁忌搜索算法思想搜寻整体最优线路。
　　(3)在公共交通线网优化阶段，文章采用逐步优化方法。首先运用定义的线路相似系数来对路线重复较多的线路进行合并删减处理，之后针对节点度和路段复线条数较大的节点和路段进行交通流量的分流处理，使其避免交通拥堵的发生。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的目的与意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．3．3 研究中存在的问题

1．4 主要研究内容与技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2 基础理论

2．1 图论

2．1．1 图论及相关理论

2．1．2 节点的度

2．1．3 网络路径和图的连通性

2．1．4 图的矩阵表示

2．2 复杂网络理论

2．2．1 复杂网络概念

2．2．2 复杂网络的分类

2．2．3 复杂网络的统计指标

2．2．4 复杂网络中的无标度网络

2．3 算法基础

2．3．1 启发式算法

2．3．2 禁忌搜索算法

2．3．3 遗传算法

2．4 本章小结

3 城市公共交通网络生成研究

3．1 问题的提出及研究目标

3．1．1 提出问题

3．1．2 研究目标

3．2 城市公共交通网络生成及其约束

3．2．1 设计目标

3．2．2 约束条件

3．3 公共交通网络的数学描述

3．4 基于节点吸引力的公共交通网络生成

3．4．1 节点引力模型

3．4．2 基本流程

3．4．3 公共交通网络生成算法

3．5 本章小结

4 基于节点度和路段复线条数的公共交通网络优化

4．1 网络节点度的相关特性

4．2 公共交通网络优化方法

4．2．1 公共交通线路的初步调整

4．2．2 对枢纽点和重要路段的处理

4．3 公共交通网络优化模型

4．3．1 优化目标

4．3．2 约束条件

4．4 优化模型的分析与实现

4．5 本章小结

5 实例研究

5．1 新城区的公共交通网络生成

5．1．1 城市路网构建

5．1．2 公共交通出行OD及其交通流量分配

5．1．3 城市公共交通网络生成

5．1．4 城市公共交通网络优化

5．2 老城区公共交通网络的整改

5．2．1 城市路网构建

5．2．2 公共交通出行OD及其交通流量分配

5．2．3 城市公共交通网络生成

5．2．4 城市公共交通网络优化

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 论文总结

6．2 不足之处与研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果