基于复杂网络的城市交通拥堵传播及控制策略研究

摘要

城市交通网络是城市繁荣的基础，它的正常、高效运行对居民正常生活、物流运输和经济发展都具有重要意义。然而，随着城市的发展，城市交通网络的已有供给水平逐渐不能满足新的交通需求，伴随而来的交通拥堵问题严重影响着人们的生活水平，制约着城市的发展，并由此引发了一系列社会和环境问题。为了预防和缓解城市交通拥堵，需要从整个交通网络的角度来认识交通拥堵的形成、传播和消散的规律，进而指导交通规划、交通管理和交通控制。
　　城市交通系统的实际运行受到多方面因素的共同作用，是一个开放的复杂巨系统。以往的研究大多以简单的规则格子网络为基础，运用交通流相关理论对网络上的交通运行进行模拟，但其并不能充分反映出城市交通网络的复杂特性。新兴的复杂网络理论侧重于分析网络的结构与其动力学行为之间的相互影响关系，为研究城市交通拥堵提供了一个新的角度。然而在应用复杂网络相关理论研究城市交通问题时，现有研究大多采用静态的用户均衡配流，这并不能反映出网络拥堵状态间的动态演进过程，不利于发掘交通拥堵的传播机理。
　　因此本文结合交通网络的实际特点，以复杂网络理论为基础构建城市交通网络模型，通过对经典元胞传输模型进行调整，模拟了不同供需结构下交通流在网络上的演进过程，分析了网络拥堵的时空特征和传播规律，进而提出了一种有效的拥堵控制策略。具体来说，本论文的研究内容主要包含了以下几个方面：
　　（1）根据城市交通的实际特点，将城市交通网络分成了上层的需求网络和底层的道路网络。根据上、下两层网络形成的特点，比对典型复杂网络的演化特征，选择适应度模型生成无标度网络作为上层需求网络的模型；分别选择规则网络、小世界网络、随机网络和格子网络作为底层道路网络的模型。上层和底层网络互相结合能较好地反映出实际交通网络的运行特征。
　　（2）根据研究需要对元胞传输模型进行调整，通过对车辆起讫点的设置将上层节点间的需求关系映射到路网交通流的加载，实现了需求网络与底层路网的有机结合。模型车辆路径的选择根据动态的交通路况进行，同时考虑了交通流在实际运行中存在的回滞现象和交叉口渠化，使车辆的加载和运行与实际情况更贴近。
　　（3）采用节点车辆产生率反映交通需求强度，结合上层需求网络和底层不同结构道路网络的拓扑特征，运用元胞传输模型研究了各路网上常发性交通拥堵的拥堵规模和拥挤延误随需求强度的演变关系；仿真分析了不同强度的交通需求下，各路网路段交通量的分布特征及交通拥堵的形成、发展和消散过程；分析了各路网上瓶颈路段的演化过
　　程和时空分布特征。
　　（4）通过分析网络拓扑结构和交通流演化的关系，定义并分析了路段累积需求介数强度与路段相对交通量的关系。分析表明路段累积需求介数强度能在一定程度上对路段交通量的变化进行预测，进而提出了用于交通拥堵控制的介数保护策略。策略通过引入累积需求介数强度对路段交通阻抗进行调整，使交通流在网络上的分布更加均匀，以避免路段对交通需求的过度吸引、减小拥堵的形成范围和传播速度。通过对策略进行仿真实验，验证了介数保护策略的有效性。

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1．绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容、方法及技术路线

2．复杂网络与城市交通

2.1 复杂网络的基本概念

2.2典型的复杂网络及其演化模型

2.3 城市交通网络拓扑结构

2.4 本章小结

3. 交通流元胞传输模型

3.1 元胞传输模型原理

3.2 元胞传输模型

3.3 元胞传输模型的仿真

3.4 本章小结

4. 交通拥堵的传播规律研究

4.1 交通拥堵概述

4.2 不同需求强度下网络拥堵特性分析

4.3 拥堵的形成与消散分析

4.4 交通瓶颈的演化分析

4.5 本章小结

5. 交通拥堵控制策略的研究

5.1 交通控制策略概述

5.2 交通拥堵控制的介数保护策略

5.3 介数保护策略仿真分析

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果