城市道路网络结构分析及其对交通流的影响研究

摘要

城市交通网络是一个城市的骨架，是城市中一切社会经济活动的载体，也是保障城市繁荣发展的主要支撑条件。然而，日益严重的交通问题不仅影响了城市的经济建设和运行效率，而且给人们的工作和生活带来了许多不便和损害。解决交通问题已经成为保障城市可持续发展的当务之急。众所周知，城市交通系统是一个典型的、开放的、复杂的巨系统。它的复杂性不仅表现在交通网络的多层次、多样性、规模巨大、结构复杂等方面，更加体现在各种交通现象的动态性、不确定性、自适应性等方面，造成交通运行规律极其复杂。因此，针对这样一个复杂巨系统，缓解城市交通问题、构建和谐交通体系、保证城市功能的正常运行，需要采用系统科学的原理、多学科交叉的理论体系以及复杂系统的研究方法，对城市交通问题的复杂性展开深入的理论和应用研究。
　　近几年发展起来的复杂网络理论为复杂系统研究提供了新视角、新方法。小世界网络和无标度网络的科学发现掀起了网络科学的新革命，引发了众多学科对复杂网络的研究热潮。复杂网络的结构特性及其动力学特性是复杂网络理论的两个核心问题。网络结构决定功能，反过来，网络功能又影响网络结构的演化。城市交通网络是一个典型的复杂网络。采用复杂网络的理论方法，分析交通网络拓扑结构的复杂性，是研究交通网络复杂性的基础。通过研究网络结构，进一步找出网络内部元素的作用力以及对外部作用的驱动力，从宏观上理解交通网络内部功能运行的机理和规律，有助于缓解和预防城市交通拥堵，科学合理规划城市时空结构，防备交通网络遭遇攻击和破坏，提高交通网络的可靠性。鉴于此，本论文将复杂网络理论与交通流理论相结合，从交通网络结构复杂性及可靠性、交通网络的时空复杂性、交通网络结构对交通流影响这三个方面进行了研究分析。具体来讲，本论文的主要研究工作包括以下几个方面:
　　(1)采用复杂网络理论方法，对两种不同布局形态的道路网络结构复杂性进行实证研究。在此基础上，对两种结构的道路网络进行不同破坏方式的模拟实验，分析比较了两种结构的可靠性。
　　(2)根据交通流在相邻路段上交互影响的特点，提出了一种基于交通流的道路网络建模方法。在现有时空相关性指数的基础上提出了一种基于邻接关系的局部时空自相关指数。进而，构建了基于交通流的道路网络模型，并从全局和局部角度对道路网络的时空复杂性进行了研究分析。
　　(3)结合复杂网络理论与交通流理论，采用元胞传输模型，对交通需求、网络结构指数、交通流状态参数三者之间的关系进行了研究，分析比较了不同结构道路网络的交通承载能力。
　　(4)采用元胞传输模型，研究了两种不同布局形态道路网络中交通瓶颈路段的时空特性，包括交通瓶颈路段规模变化、拥堵时长、速度变化等情况。进一步分析了这些瓶颈路段在整个路网中所处的结构地位，并根据瓶颈路段找出路网中的瓶颈交叉路口。
　　(5)采用时空相关性的理论方法，针对四种不同拓扑结构的网络:随机网络、规则网络、小世界网络和无标度网络，从全局角度研究分析了道路网络的时空相关特性。
　　上述研究工作为揭示交通流的运行机理、发现交通拥堵规律、指导道路规划设计、制定交通管理政策等提供参考和帮助。最后，总结了本论文的研究成果，并展望了该方向进一步研究的若干问题。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 复杂网络理论在城市交通系统中的研究现状

1．2．2 城市交通网络的CA模型研究现状

1．3 论文的主要研究内容与框架

2 城市道路网络复杂性研究的理论基础

2．1 图的定义及相关概念

2．1．1 图的集合论定义

2．1．2 图的矩阵描述

2．1．3 图的定量描述指标

2．2 复杂网络的基本理论

2．2．1 复杂网络的定义

2．2．2 复杂网络的统计描述

2．2．3 复杂网络的几种演化模型

2．2．4 复杂网络上的动力学

2．3 交通理论的相关知识

2．3．1 交通拥堵的定义

2．3．2 交通拥堵的空间特征

2．3．3 交通拥堵的类型

2．3．4 交通流参数

2．3．5 元胞自动机

2．3．6 元胞传输模型

2．4 本章小结

3 城市道路网络拓扑特性及可靠性分析

3．1 城市道路网络的抽象与建模

3．1．1 城市道路网络模式分类

3．1．2 城市道路网络的建模方法

3．2 城市道路网络复杂拓扑特性分析

3．2．1 小世界网络特性分析

3．2．2 无标度网络特性分析

3．2．3 随机性分析

3．2．4 中心性分析

3．2．5 算例分析

3．3 城市道路网络的可靠性分析

3．3．1 可靠性的定义与分类

3．3．2 城市道路网络可靠性的影响因素

3．3．3 城市道路网络可靠性评价指标

3．3．4 城市道路网络失效方式分析

3．3．5 算例分析

3．4 本章小结

4 城市道路网络的时空相关性分析

4．1 自相关理论

4．1．1 空间自相关

4．1．2 时空自相关

4．2 基于交通流的城市道路网络建模

4．2．1 网络结构与空间邻接矩阵

4．2．2 考虑交通流影响的空间邻接矩阵

4．3 算例分析

4．3．1 数据来源与预处理

4．3．2 全局时空白相关分析

4．3．3 局部时空自相关分析

4．3．4 基于邻接关系的局部时空自相关性指标的验证

4．4 本章小结

5 城市道路网络结构对交通流的影响分析

5．1 不同拓扑结构的道路网络承载能力分析

5．1．1 相关参数及计算方法

5．1．2 不同拓扑结构的道路网络承载能力分析

5．1．3 实验结果与分析

5．2 道路网络中交通瓶颈路段的时空分布分析

5．2．1 交通瓶颈的定义与分类

5．2．2 交通瓶颈路段的时空分布分析

5．3 不同拓扑结构的道路网络时空相关性分析

5．3．1 全局时空相关性指标

5．3．2 实验结果与分析

5．4 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果

致谢