基于复杂网络的城市公交网络特性分析及优化应用研究

摘要

随着城市规模不断扩大与城市群的快速集聚扩张，机动车保有量及道路交通量呈稳步增长态势，机动化在推动城市经济发展带来巨大社会效益的同时，也引发了诸如交通拥堵、事故频发、大气污染等一系列制约城市可持续发展的交通问题，严重影响城市居民的生活质量。城市公共交通集约高效、廉价便捷，是切实提高道路空间利用率、改善城市交通运行环境的一条根本途径，优先发展公共交通作为政府的战略决策已成为国内外学术界的共识。城市公交系统是一个开放的、典型的复杂系统，其组织结构和演化规律极其复杂，而作为近年来兴起的研究复杂系统的复杂网络理论，为城市公交系统的研究提供了一种崭新的方法和视角。本文建立了公交站点网络和公交换乘网络模型，基于Gephi和Matlab软件，展开了复杂网络理论对于城市公交网络的特性分析及优化应用三个方面的研究。 首先，针对不同的公交网络模型抽象方法，介绍了复杂网络统计指标相应的现实意义，以黄石市公共交通为案例，构建了黄石市公交站点网络和公交换乘网络模型，运用Gephi网络数据可视化软件分析其复杂性。结果显示：（1）L及P空间网络度分布在双对数坐标系中不呈线性，未表现出明显的无标度特征；（2）公交换乘网络具有较大的聚集系数和较短的平均路径长度，表现出小世界特性；（3）L及P空间网络中心性指标较高，黄石市公共交通网络的换乘枢纽站点少且功能不完善；（4）网络节点的介数和接近度指标呈正相关性。 其次，为了解决L及P空间网络中相同节点对之间最短路径所对应公交出行链不相同的问题，提出了一种基于出行时间阻抗的网络模型最短路径优化算法，并引入直达距离矩阵的概念在Matlab平台上给出了该算法的程序实现。根据黄石市公交出行特征的实际调查数据完成目标函数中阻抗权重的参数标定，通过网络实例验证了该优化算法的有效性，结果表明：黄石市公交站点网络和换乘网络的平均路径长度指标同比分别增加了16%和34%。 最后，给出了复杂网络在城市公共交通的一个应用方向，即公交换乘枢纽的辨识。在特征量网络效率中沿用了基于路径时间阻抗的最短路径长度定义标准，选取模拟节点失效后网络效率的变化率作为其重要程度的评价指标，设计出一种基于网络最短路径的公交换乘枢纽选址方法，从而为枢纽场站的布局与建设提供参考。结合黄石市公交网络案例，通过对比辨识结果与规划布局方案发现：该方法对位于城市地理中心的黄石市内换乘枢纽辨识度较高。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 网络科学理论发展简史

1.2.2 基于复杂网络的交通网络实证分析

1.2.3 城市公交网络最短路径算法

1.2.4 复杂网络重要节点挖掘方法

1.3 研究目的及意义

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究意义

1.4 研究内容

1.5 研究方法及技术路线

第2章 复杂网络基本理论

2.1 复杂网络概述

2.1.1 复杂网络的定义

2.1.2 复杂网络的特性

2.2 复杂网络的静态几何特征量

2.2.1 平均路径长度

2.2.2 聚集系数

2.2.3 度及度分布

2.2.4 介数

2.2.5 接近度中心性

2.3 网络机制模型

2.3.1 规则网络

2.3.2 随机网络

2.3.3 小世界网络

2.3.4 无标度网络

2.3.5 其他复杂网络模型

2.4 本章小结

第3章 基于复杂网络的城市公交网络特性分析

3.1 城市公交网络模型

3.1.1 城市公交网络特征

3.1.2 城市公交网络抽象方法

3.1.3 网络特征统计指标

3.2 公交网络建模

3.2.1 研究对象

3.2.2 假设条件

3.2.3 建模方法

3.2.4 分析软件介绍

3.3 黄石市公交网络实证分析

3.3.1 公交站点网络特性分析

3.3.2 公交换乘网络特性分析

3.3.3 网络分析结论

3.4 本章小结

第4章 考虑出行时间阻抗的公交网络最短路径算法

4.1 城市公交出行路径分析

4.1.1 公交出行行为链

4.1.2 网络模型路径长度衡量标准

4.2 黄石市乘客公交出行特征调查分析

4.2.1 调查对象基本信息

4.2.2 公交出行时耗分布

4.2.3 乘客出行心理特征

4.2.4 公交系统发展建设

4.3 基于时间阻抗的网络模型最短路径算法

4.3.1 时间阻抗函数

4.3.2 算法执行过程

4.3.3 网络实例分析

4.4 本章小结

第5章 基于网络最短路径的公交换乘枢纽辨识方法

5.1 城市公共交通枢纽概述

5.1.1 公共交通枢纽的基本概念

5.1.2 公共交通枢纽的分类及功能

5.2 基于网络最短路径的城市公交换乘枢纽辨识方法

5.2.1 节点删除思想

5.2.2 网络连通性评价指标

5.2.3 枢纽站点辨识研究思路

5.3 黄石市公交换乘枢纽辨识

5.4 公交换乘枢纽辨识结果评价

5.4.1 黄石市公交换乘枢纽规划方案

5.4.2 公交换乘枢纽选址对比分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要研究成果

6.2 创新点

6.3 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果及参与科研项目

附录A

附录B