基于复杂网络理论的交通流动态特性研究

摘要

随着社会经济的快速发展，城市道路网络规模越来越庞大，但与此同时，汽车数量也在不断增长。从目前交通状况可以看出，城市交通系统的发展已无法满足当前人们日益增长的交通需求，进而引发的城市交通问题也愈发严重，交通拥堵、交通事故、道路阻塞等问题频频发生。从可持续发展的角度可知，城市规模不可能无限制地扩张下去，土地资源将越来越有限，越来越稀缺，如何在有限的道路资源条件下缓解城市交通拥堵并提高道路网络的交通承载能力已成为相关领域研究的重点和热点问题。
　　为揭示城市交通流的内在机理，深入研究城市基础道路网络及建立在该网络之上的其他复杂系统（如公交系统）的拓扑结构特性，分析道路交通流及网络交通流的动态特性，有助于进一步探索缓解城市交通拥挤及提高城市路网吞吐量的交通诱导控制策略。所以，分析交通网络的拓扑结构复杂性及交通流复杂性对于城市交通问题研究至关重要。
　　为此，本文围绕城市交通网络的结构特征及交通动态路由选择算法展开了深入研究。结合GIS与复杂网络理论，通过引入多粒度的概念系统地研究了城市交通网络的拓扑结构特性，在此基础上针对不同网络结构分析了交通流单向传输控制对整个网络交通过程的影响;深入分析了交通拥塞的产生机理，采用引力场理论实现了对交通流传输过程中节点之间相互作用的描述和定义，进而提出了基于节点引力场的动态路由选择算法。具体来讲，本论文的研究工作与成果主要有以下几个方面:
　　1、结合GIS网络分析方法与复杂网络理论，对复杂交通网络模型的构建原理做了有益的探索并进行了相关统计分析，发现不同尺度下的路网均具有小世界和无标度特性，并通过引入多粒度的概念建立了城市道路多粒度复杂路网模型，进而分析了多粒度复杂路网的拓扑结构复杂性及整个城市道路网络的可靠性。研究发现，多粒度复杂路网模型具有无标度特性，有助于更为准确地分析城市道路网络的鲁棒性及脆弱性。
　　2、为进一步分析城市交通系统的复杂性，针对城市公交系统，从乘客出行站点选择认知的角度出发，引入站点服务区的概念，并采用Voronoi图进行站点服务区的确定。在此基础上，分别针对公交站点网络和公交线路网络定义了公交服务可靠性指标及相应的攻击策略。试验证明，该公交系统可靠性分析方法可以较为准确地描述城市公交系统的鲁棒性及脆弱性。
　　3、分析了实施交通流局部单向传递对整个网络交通状况的影响。分别以连接度和介数为约束条件，定义了两个交通流单向传递约束模型，并通过对ER随机网络、WS小世界网络和BA无标度网络等典型网络模型的交通模拟试验，得出了一个重要结论:对拥塞严重的节点实施交通流单向传递控制可以显著地提高ER随机网络和WS小世界网络的传输能力及缓解其网络拥塞程度，但不能有效地提高BA无标度网络的交通承载能力。该研究成果对实施城市交通（大部分城市交通网络被证实服从幂律分布，即为无标度网络）诱导控制提供了重要的决策参考依据。
　　4、提出利用引力场理论来研究交通流传输过程中节点之间的相互作用，建立对交通引力场的描述，定义具有普适意义的节点引力场方程，定义了任意传输路径对数据包的引力计算公式，即将路径对数据包的引力表达为路径上所有节点对数据包的引力的平均值。在此基础上，提出了一种基于节点引力场的动态路由选择算法，即针对当前数据包的所有邻居节点到目标节点的最短路径，选择最短路径对数据包引力最大所对应的邻居节点作为下一个传输节点。模拟试验证明，该路径选择算法较大地提高了整个网络的传输能力，显著地缓解了网络的拥塞程度。
　　5、为深入探讨基于引力场理论的路由选择策略的交通流动力学特性，引入路径感知深度的概念，定义了在路径感知深度约束下传输路径对数据包的引力计算公式，并给出了相应的引力路由选择算法。试验结果揭示了一个重要的动力学现象:当路径感知深度大于网络平均距离长度时，该路由选择算法可以显著地提高整个网络的传输能力，且网络传输性能将不再随路径感知深度的持续增大而变化，网络传输性能将进入稳定状态。
　　6、从引力均衡的角度，引入标准差的基本思想，认为在节点引力场作用下或许存在一个最佳的临界引力，且在该引力下的路由选择过程更为高效。基于这种假设，建立了一个反映节点引力离散程度的数学模型，且基于该数学模型提出了一种新的引力场路由选择算法。试验结果表明，该路由选择算法显著地提高了网络的传输能力，有效地均衡了网络交通负载，在一定程度上该算法的性能优于上述基于路径节点引力平均值的路由选择算法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 城市交通网络拓扑复杂性研究现状

1．2．2 城市交通流复杂性及动态路由算法研究现状

1．2．3 目前存在的问题

1．3 论文研究的目标、内容与方法

1．3．1 论文研究目标

1．3．2 论文主要研究内容

1．3．3 论文研究方法与技术路线

1．4 论文的组织结构

第2章 基础理论知识

2．1 复杂网络的定义

2．2 复杂网络理论的基本统计特征量

2．2．1 度与度分布

2．2．2 平均路径长度

2．2．3 聚类系数

2．2．4 节点介中心

2．3 四种典型的网络模型

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

2．4 本章小结

第3章 城市交通系统拓扑结构复杂性研究

3．1 问题的提出

3．2 城市道路网络结构复杂性

3．2．1 道路网络的对偶拓扑表达

3．2．2 路网拓扑统计特性

3．2．3 不同尺度路网的度分布

3．3 城市道路多粒度复杂路网模型

3．3．1 城市路网失效形式

3．3．2 多粒度复杂网络模型

3．3．3 关联转换

3．3．4 城市道路多粒度复杂路网及相关统计特性

3．3．5 路网失效传播分析

3．3．6 路网可靠性分析

3．4 城市公交系统复杂拓扑特性

3．4．1 乘客出行站点选择认知

3．4．2 公交站点网络

3．4．3 公交线路网络

3．4．4 公交服务可靠性指标

3．4．5 攻击策略与可靠性分析

3．5 本章小结

第4章 交通流局部单向传输对网络拥塞的影响研究

4．1 问题的提出

4．2 实施交通流局部单向传输的流向约束模型

4．2．1 基于度的流向约束模型

4．2．2 基于介数的流向约束模型

4．3 网络交通流模型

4．4 交通流局部单向传输对不同网络拓扑结构传输性能的影响

4．4．1 有序状态参数

4．4．2 网络传输能力分析

4．4．3 网络节点BC值分布情况

4．4．4 节点拥塞程度分析

4．5 本章小结

第5章 基于引力场理论的动态路径选择策略研究

5．1 问题的提出

5．2 引力约束模型

5．3 引力场理论

5．4 动态交通过程中节点的引力场描述

5．5 交通引力场模型

5．6 基于引力场理论的路径选择算法

5．6．1 路径选择原理

5．6．2 引力场路由算法描述

5．6．3 节点介中心的定义

5．6．4 算法性能分析

5．7 本章小结

第6章 路径感知深度约束下的引力场路径策略研究

6．1 问题的提出

6．2 路径感知深度的基本概念

6．3 路径感知深度约束下的路由选择算法

6．3．1 路由选择原理

6．3．2 算法性能分析

6．4 本章小结

第7章 顾及引力均衡的路径选择策略研究

7．1 问题的提出

7．2 顾及引力均衡的路由选择算法

7．2．1 路由选择原理

7．2．2 算法性能分析

7．3 本章小结

结论与展望

结论

研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果