Calculation of Node Important Degree for Traffic Network Considering Cascading Failure

为有效地找寻和管理交通网络的关键节点,以免网络陷入大规模的交通瘫痪,构建了基于级联失效行为的节点重要度测算方法.首先,基于双层网络提出了一个交通网络级联失效模型,该模型:(1)考虑了上层出行网络与下层道路网络的相互影响;(2)给定节点、边初始容量,初始容量与初始流量无关,而初始流量由初始容量等决定:(3)用出行时间描述边的状态;(4)采用可变的边容量,边的容量随下游拥挤程度的变化而变化.然后,基于节点删除法提出了考虑级联失效的交通网络节点重要度评估方法,用级联失效网络的阻塞程度刻画了节点重要度,设计了能测算所有节点重要度的算法流程.试验分析表明,出行网络结构、出行者行为对节点重要度有重要影响.     

城市群复合交通网络级联抗毁性

为保障城市群交通运输系统运营安全,解决城市群交通运输系统站点或线路故障引起的交通网络瘫痪问题,以"复合"的视角对网络级联抗毁性进行深入研究。针对不同运输方式交通网络节点、连边的差异性,构建基于强度和运输方式分担率的城市群复合交通网络模型,进行网络级联失效分析。考虑节点暂停状态对网络性能的影响,分析节点受损后的负载重分配,构建城市群复合交通网络级联失效模型,并引入基于观测信息模糊度的不完全信息攻击策略,以修正后的测度指标评估级联失效对网络抗毁性造成的影响。以呼包鄂城市群为例进行仿真试验,发现轨道子网的叠加增大了节点的过载承受能力,将大量失效节点转变为暂停节点。同时,容量参数、过载能力调节参数越大网络的级联抗毁性越强,而观测信息模糊度越大,网络级联抗毁性不一定越强,其产生作用的阈值为0.4。结果表明:复合交通网络的构建提高了单一运输方式交通子网的级联抗毁性。城市群交通子网的叠加可以增大节点的过载承受能力,将大量失效节点转变为暂停节点,通过增大节点容量并提高其过载承受能力,能够防止级联失效对复合交通网络产生的不利影响。通过对识别出的关键节点加强防护可以进一步优化复合交通网络的级联抗毁性。     

城市群交通网络级联失效建模与可靠性仿真

为增强城市群交通网络抵抗突发灾害的能力,减少级联失效所带来的危害以提升网络的可靠性,本研究基于城市群交通网络级联失效模型进行研究。首先,构建城市群单种运输方式的交通网络模型,将地理距离较近的节点进行叠加以构建城市群交通网络模型。其次,根据容量-负荷模型以及城市群的特点,在失效节点的负荷分配时考虑了地理距离与节点度的相对重要程度,构建城市群交通网络级联失效模型。并以网络效率作为可靠性测度指标,从而度量级联失效的影响。最后,以呼包鄂城市群为研究对象构建了道路-轨道交通网络模型,就不同的攻击策略、容量系数、地理距离权重与节点度权重对城市群交通网络级联失效现象进行仿真,研究网络可靠性的变化。结果表明:无论是随机攻击或是蓄意攻击,容量系数较大时网络可靠性较低;并且当容量系数均匀增大时,级联失效的影响具有明显突变性。在随机攻击下,容量系数的不均衡性使得网络效率下降较快,级联失效产生的影响较为严重;地理距离权重以及节点度权重影响着网络效率出现跳跃式下降的时刻,地理距离权重越大,出现的时刻越晚;在蓄意攻击下,容量系数存在阈值,当容量系数小于该值时,网络效率的变化趋势相似;地理距离权重与节点度权重存在某特定值使得级联失效的影响较小。     

基于CML的级联失效下异质多层交通网络节点抵抗特性研究

为了有效刻画拟合实际的多层交通网络级联失效过程，识别多层网络中对整体韧性安全影响显著的对象，提升交通网络抵抗失效的能力，建立一种基于耦合映象格子（Coupled Map Lattice， CML）的级联失效模型。首先，将交通管控措施赋予交通网络节点额外的容纳能力引申为节点抵抗特性，通过为CML添加抵抗参数H，形成考虑抵抗特性的级联失效（HCML）模型，沿常值-拓扑关联-时变拓扑关联的路径深化H的表征方式，并在小世界（Small World， SW）网络上对比3类表征方式的优劣；其次，应用Space H方法建立异质3层公共交通网络，对比度值与介数2种时变拓扑指标关联的抵抗效果，探究不同交通层抵抗系数对网络失效的影响程度；最后，在6组不同的网络结构上进行HCML模型与传统模型的对比，讨论建网方法、网络规模等不同网络性质的差异对模型有效性的影响，并结合实际客运数据验证HCML模型优越性。研究结果表明：3类表征方式中时变拓扑关联可以兼顾其余2类的优点；同等条件中网络在介数关联的抵抗特性作用下失效增速更缓，模型识别得到的对网络整体失效影响更大交通方式符合客流量实际；HCML模型在多种不同类型的多层交通网络中均可以有效实施，相比于传统模型，HCML模型的最终失效比例平均下降了5.78%，与实际交通级联失效过程更加拟合。     

基于复杂网络的城市交通堵塞载荷再分配控制

近年来,城市交通堵塞是困扰城市经济发展建设的一个重要问题,给人们的生产、生活带来诸多不便,但由于城市规划、人口密度、交通设施等多种因素,交通堵塞的情况不可避免,应对交通堵塞,使堵塞的载荷合理分配,避免大规模级联堵塞现象发生具有现实研究价值。针对城市交通网络堵塞问题,为交通网络中的每个节点设置了初始载荷。根据各个节点的载荷量是否超过其阈值判断节点是否失效,提出了一种失效节点载荷再分配的非线性模型,分析了该模型触发级联失效的条件。对齐齐哈尔市城市交通网络分别进行随机攻击和蓄意攻击,运用Matlab编程方法对堵塞节点引发的级联失效进行了仿真,选择更容易理解的网络抗击毁性测度方法判断了攻击对齐齐哈尔市交通网络的破坏性。结果表明:合理调节失效节点载荷的再分配策略能够有效提升网络抗击毁性,降低交通网络级联失效引发的失效节点数量,避免大规模级联失效现象发生;在容量系数较小时,蓄意攻击比随机攻击对网络的破坏性更强,但现实生活中由于种种条件限制,容量系数不可能过大。因此,需要适当调节交通堵塞载荷的分配系数,使得堵塞载荷合理分配,进而有效减少失效节点数量,避免城市交通大规模级联失效现象的发生。     

中欧集装箱海铁复合运输网络脆弱性分析

中欧贸易运输涉及多个港口和车站,构成复杂的运输网络,网络枢纽节点受到自然灾害、安全事故等影响失效,导致网络仅局部连通,进而影响全局效率。为量化分析中欧集装箱运输网络在枢纽节点失效后的网络功能变化程度,基于中欧班列和海运航线网络构建海铁复合运输网络。在此基础上结合负荷-容量级联失效模型提出1种网络脆弱性仿真模型,模型考虑到节点容量、攻击方式及负载分配策略3类影响因素,并设定网络连通性及网络效率为脆弱性测度指标,仿真实验分析影响该网络脆弱性的因素与演化规律,并通过网络效率变化曲线判断了关键节点。结果显示,中欧集装箱海铁复合运输网络共计167个节点,网络具有无标度和小世界特性,度相关性系数为0.13,网络体现弱同配性,度值相近的节点倾向于互相连接;针对枢纽节点的蓄意攻击相比随机失效的网络更脆弱,失效节点数为3时,蓄意攻击下的网络连通性和效率对比随机失效时,分别下降20.15%和37.19%。从影响因素看,基于地理距离对失效节点负载进行重新分配的策略会加剧网络崩溃,节点容量的增加使网络更为鲁棒,当容量冗余系数增到0.2后,脆弱性指标达到临界阈值,外界干扰不再对整体网络产生影响;海港失效对网络效...     

基于攻击策略的城市群复合交通网络脆弱性研究

为了提高城市群交通网络抵抗突发灾害的能力,以复合这样一种全新的视角探索城市群交通网络的脆弱性。首先,基于复杂网络理论,对城市群复合交通网络结构进行了深入分析,采用站点映射法构建了城市群复合交通网络模型。其次,针对城市群复合交通网络结构,确定了脆弱性测度指标和攻击策略。最后,以呼包鄂城市群为例进行了实证研究,构建了道路-轨道复合交通网络模型,对复合交通网络的拓扑特征和脆弱性进行了分析,识别了路网中的关键站点和线路。结果表明:城市群复合交通网络的构建可以降低单一运输方式交通网络的脆弱性,通过对识别出的关键站点和线路的加强防护,可以进一步降低城市群复合交通网络的脆弱性,减小突发灾害造成交通网络瘫痪的风险。     

基于路网有效通行效率的路段重要度评价方法

现多数学者以社会指标、出行需求等为基础建立了交通单元的重要度评价方法,这类方法大多未以交通网络结构为评价根本。实际上,当交通事故发生时,某一路段通行能力一般不是全部失效,而是部分失效。文中以此为基础,通过计算任意路段通行能力部分失效对整个网络通行效率的影响程度,判定该路段在该交通网络中的重要度。通过实例分析,不同路段通行能力下降时,网络通行平均有效效率下降不一致,普通路段交通拥堵时交通网络具有鲁棒性,但关键路段通行能力下降会使得交通网络平均有效通行效率下降明显。     

突发拥挤条件下城市道路网脆弱性识别

为了量化突发拥挤导致的城市路网的脆弱性变化,首先采用原始法对路网进行了拓扑,选取连通度与网络效率等路网特性指标从中观层面完成了路网的鲁棒性分析,进而生成了对路网鲁棒性有显著影响的改进路网。然后考虑改进路网中突发拥挤路段的排队容量限制,以路网总阻抗变化量为脆弱性识别指标,构建了含通过能力约束的交通网络配流模型。最后设计了Lagrange乘子算法并进行了算例验证。结果表明:基于脆弱性指标的模型能有效识别路网脆弱性,而突发拥挤导致的路段失效将直接导致路网总阻抗的变化并影响整个路网的鲁棒性;与无约束条件下完成的网络配流结果相比,该模型降低了对城市路网络脆弱路段误判的可能性,效果良好。     

随机交通网络中依赖信息的路径优化问题研究

针对交通网络中路径通行时间具有与时间相关的随机分布特性，将研究在此类交通网络上依赖信息的路径选择问题。在路径选择过程中引入交通信息，在随机交通网络上最优路径选择原则为下一节点的选择将依赖于已实现的路段时间及当前节点的出发时间，通过期望最小值方法，按照路径通行时间期望值最小原则，建立一种通过所获得交通信息来进行路径选择的优化模型，给出了模型的求解算法。并在简单交通网络上对模型进行实现。     

城市多模式交通网络的复杂网络特性与鲁棒性研究

为深入分析城市多模式交通网络的复杂特性,促进多模式交通的协同发展.采用原始映射法构建了包括小汽车网络、地面公交网络和轨道交通网络三者叠加而成的城市多模式交通网络模型.结合城市交通网络的实际运行情况,综合考虑客流量和运行时间的影响因素,对传统加权方式进行改进,方便建立更加准确、贴近现实的城市多模式加权交通网络模型.利用复杂网络的分析方法,应用Pajek和Ucinet这2种网络分析软件,对哈尔滨市多模式加权交通网络及3个单一模式子网络的复杂网络特性进行实证对比分析.提出城市多模式交通网络鲁棒性分析指标,对比研究交通网络受到攻击时的稳定性.结果 表明,相比单一模式的子网络,叠加后的城市多模式交通网络聚类系数增加,节点间紧密度有所增强,具有典型的小世界特性,表现出对随机攻击的鲁棒性和对蓄意攻击的脆弱性.      

成渝区域高速公路网络节点抗毁性研究

基于复杂网络理论构建成渝区域高速公路网络,对高速公路网络静态拓扑指标进行定量分析;利用级联失效理论,分别对网络中节点进行随机攻击和蓄意攻击,研究面对不同攻击情况时成渝区域高速公路网络的抗毁性.结果表明,适当增加节点容忍系数可提升网络抗毁性;成渝区域高速公路网络在随机攻击下抗毁性较高,在蓄意攻击下表现出脆弱性.     

通行能力约束下的弹性需求交通投影动态演化模型

利用投影动态系统理论建立了具有路段通行能力约束的弹性需求交通网络动态演化模型.通过分析节点路段处交通流量与出行阻抗关系,揭示了出行者在网络局部对出行路线进行调整的决策过程,并分别建立了有通行能力约束的路段流量更新方程和弹性交通需求下的节点最短行程时间估计方程.通过在整个网络上整合上述两类方程,得到最终的交通网络投影动态...     

基于Petri网的地铁车站系统脆弱性评价研究

为了评价地铁车站系统的脆弱性,研究了地铁车站系统脆弱性评价的计算方法,确定了地铁车站系统的脆弱性评价指标体系并提出了基于Petri网的地铁车站系统脆弱性评价模型.根据各个子系统的工作运行过程,分析并确定子系统的脆弱性评价指标,通过确定的脆弱性评价指标构建各个子系统的脆弱性评价模型,考虑子系统之间的相关性原则,整合得到地铁车站系统的脆弱性评价模型.通过脆弱性影响因素对系统脆弱性水平的影响方式,确定脆弱性水平的计算方法.案例表明,该地铁车站的脆弱性水平一直保持缓慢增长的状态,脆弱度从1.6386增长至37.1370.该地铁车站系统中脆弱度较高的影响因素为冷水机组、乘车码的获取、开关控制模块、输出模块和控制中心通讯系统;冷水机组占空调与通风系统脆弱度的26.45%;乘车码的获取占自动售检票系统的42.17%;开关控制模块和输出模块分别占通信与广播系统脆弱度的31.47%和35.83%;控制中心通讯系统占设备与环境监控系统脆弱度的72.42%.通风与空调系统、自动售检票系统、供电系统、通讯与广播系统和设备与环境监控系统分别占车站系统脆弱度的23.14%,20.44%,23.85%,23.29%和9.28%.      

城市道路交通网络的双维度脆弱性分析

针对交通运输网络脆弱性问题,拓展以往单一脆弱性指标的构建,将路网脆弱性划分为拓扑脆弱性和运行脆弱性两个维度,分别确立涵盖多种因素的综合性指标。为验证指标的合理性,算例网络中的路段以正常状态、部分失效和完全失效三种情形模拟现实路网中的突发事故及交通管制等行为对路网的影响。算例结果表明:部分失效和完全失效两种情况下,拓扑脆弱性和运行脆弱性会发生变化,从而证明本文提出的脆弱性指标可以系统反映交通路网脆弱性,弥补了仅依据物理拓扑结构属性或运行特征识别路网脆弱性存在的局限性。此外,通过双维度脆弱性指标寻找路网中的关键路段,对提高交通效率和优化路网配置的作用尤其显著。     

基于多方式广义费用模型的超级交通网络需求预测技术应用

针对综合交通网络规划各方式缺乏有机融合问题，通过建立以虚拟概化线连接的铁路、公路、水运、民航各方式交通线网和火车站、港口、机场等枢纽节点一体衔接的超级交通网络模型，运用广义费用函数计算客货在路网、枢纽及虚拟概化线上流动产生的广义费用，实现各方式交通网络融合。考虑公路客货运周转量占全方式总量比例高，但客货运平均运距短，以县级行政单元为基础将全国划分为2 540个综合交通小区，获取2018年各运输方式全年客货运起讫点（OD）数据，通过聚合、拆分等方法，将各方式OD表叠加形成现状综合交通小区客货运输量OD表；采用总量预测、自上而下分层控制的技术路线，对2050年全国总量、分区域总量和综合交通小区客货运发生吸引量进行预测，计算2050年综合交通小区客货运输量OD，实现各方式运输需求融合。基于Fisk模型，构建组合出行情况下多方式、多类别随机用户均衡分配模型（SUE），采用连续权重平均（MSWA）法对模型进行求解，并通过算例验证了模型和算法的有效性。结果表明：模型能够体现“宜铁则铁、宜公则公、宜水则水”的规划理念，实现乘客组合出行和货物多式联运，预测精度较高。研究成果可应用于宏观交通趋势判断，为实现综合交通网络规划中各方式有机融合提供借鉴，并成功应用于国家综合立体交通网规划研究中。     

城市混合交通网络系统优化模型及其算法

针对中国城市混合交通网络的特点,考虑影响出行者交通选择的主要因素,分析了城市混合交通网络中出行者的交通选择行为(包括交通方式选择和路径选择);从交通需求的角度出发,基于BPR公式构造了城市混合交通网络的路段阻抗函数,提出了城市混合交通网络流量分离及分配的变分不等式模型.在此基础上,以城市交通网络系统总阻抗最小为目标,以城市交通管理的政策为手段,采用双层规划方法构造了城市混合交通网络的系统优化模型,并设计了其求解算法.最后通过数值算例,分析了不同交通需求条件下,各种出行方式的流量变化情况以及应采取的系统优化策略.计算结果表明:无论在拥挤条件下还是在非拥挤条件下,优先发展公共交通都是降低网络总费用的有效手段.     

基于GIS的城市交通网络数据模型研究

针对城市交通需求预测中交通网络数据建模的特点和难度,提出了一个基于GIS的交通网络数据模型,并设计了模型的具体内容包括数据库表结构、交通网络拓扑结构表示法等。数据库表按节点、路段、转向、OD对以及交通区这5种网络基本要素分类设计。城市交通网络拓扑结构包括节点-路段和路段-转向两部分,前者采用邻接表来表示,后者则采用邻接表的拓展形式-路段邻接表。该模型集拓扑数据、空间数据和属性数据于一体,充分发挥了GIS和数据库技术的优点,并可表示出完整的节点-路段-转向拓扑关系,为计算机辅助城市交通需求预测奠定有效、详细的数据基础。     

面向出行时间可靠性的最优路径规划

目前城市道路交通普遍存在交通拥挤、交通出行困难等问题。尤其是一些大城市,交通拥挤问题已成为制约城市进一步发展的重要问题。因此,提高出行者的出行效率和可靠性对解决交通拥挤问题具有重大意义。城市道路交通网络是一个典型的动态随机网络,网络中弧和节点的耗费是随机的,且随时间变化。其最优路径问题可以转化为图论网络中的最短路径问题。提出一种基于蒙特卡罗模拟和遗传算法的动态随机网络最短路径算法来解决城市道路交通网络的最优路径问题,并提出基于出行时长95%可靠性的最优路径选择方法来保证出行时间的可靠性。实验表明该算法可以很好地解决城市道路交通网络出行时间可靠性的问题,可以很好地运用到交通出行的路径规划中去。     

基于复杂网络的城市群铁路网络节点重要度研究

基于复杂网络理论,测算天山北坡城市群网络指标特性值,分析节点层和网络层的数据特征;根据节点重要度模型,采用改进熵权法对模型相应指标赋权,计算得到各城市节点重要度;通过系统聚类分析方法,对节点城市划分重要等级。结果表明:石河子市、乌鲁木齐市、沙湾县和奎屯市节点重要度分别为1.87、1.46、1.16和1.14。聚类得到三个重要度等级,并对城市节点进行划分。说明在重点完善关键城市节点交通网络外,需同时兼顾其他城市的交通基础设施建设,为各地交通往来提供便利。