复杂网络理论在城市交通网络分析中的应用

介绍了复杂网络的基本概念并详细分析了城市交通网络的特性。列举了2种将城市交通网络抽象为复杂网络的方法,探讨了各自存在的不足。从网络实证、网络演化机制、网络演化性质、网络动力学和网络结构稳定性5个方面总结了复杂网络理论在城市交通网络分析中的研究进展,指出了目前存在的问题。最后给出了城市交通网络复杂性研究的几个可能方向。     

交通运输网络系统工程

网络化是交通运输系统的自然属性，交通基础设施建设与管理、系统的运营与服务，以及相关配套的政策与管理体制对于系统网络化都有内在需求.本文首先给出了交通运输网络系统工程的定义，并从交通运输网络系统工程中存在的科学问题及未来展望两个角度开展了详细论述.从交通运输系统复杂网络分析、交通运输系统网络化组织运营管理和城市交通系统网络化控制与诱导三个方面介绍了国内外研究与工程实践的最新现状，归纳总结了其中存在且迫切需要解决的科学问题.交通运输系统复杂网络分析的关键科学问题是探索不同交通运输网络拓扑结构与交通动力学时空演化规律、网络承载力、可靠性之间的动态耦合及匹配关系.交通运输系统网络化组织运营管理的关键科学问题是在交通基础设施物理结构为复杂网络的条件下，具有目标异性的多博弈主体(政府、运营企业、乘客等)之间如何实现利益平衡或达到帕累托最优.对于交通运输网络系统工程的未来发展，本文认为重点需要加强对综合交通运输网络系统工程的理论与方法论体系的研究，围绕“综合交通网络的构造演化机理”“城市交通网络供需平衡机理”“多层综合交通网络结构复杂特性及其动力学过程”“出行行为的多样性及可预测性”等问题进行探索.此外，由于新技术环境下的交通系统将出现颠覆性的变革，交通网络运输系统工程的内涵和外延也需要进行根本性的升级改造.具有自驱动、自组织、自决策能力节点的柔性交通运输网络及其共享运行机制，将会是交通运输网络系统工程未来的一个重要研究领域.     

广州市城市交通发展30年回顾与展望

改革开放30年来,广州市交通问题日益突出,亟须探索符合可持续发展的城市交通规划理念。系统回顾了广州市城市交通规划与实践历程：从20世纪80年代交通理论与实践探索起步,到90年代对城市交通整体研究与系统建设,再到21世纪强调交通引导城市发展,城市交通规划的理念随着社会经济的发展与时俱进,也促进了交通建设、实践更加科学。实践表明,在交通方式转型的关键时期,及时做好交通应对措施对于引导城市交通可持续发展具有重要作用。最后,指出广州市城市交通发展的新趋势——更加注重大区域交通,重视轨道交通、交通管理,以及与生态环境相结合。     

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城市是一个高度复杂的大系统,城市布局、城市设计是城市交通出行特性的决定因素,而交通系统网络格局构成城市的机理,并决定城市经济的可达性,影响到城市经济与人民生活的所有层面.过去的十年中,能源基金会可持续城市项目与国家相关部委及城市合作,在可持续城市和交通系统规划、建设中做了大量工作.本次论坛主题为“系统科学与可持续城市交通理论与实践”,从可持续城市项目以及昆明可持续城市规划设计、济南快速交通规划与实践、重庆山城步道规划与应用等方面,共同探讨土地使用与城市交通协调发展的可持续城市交通之路.     

城市交通控制中的数据采集研究综述

过去几十年来，城市交通控制技术为适应不断增长的交通需求和日益复杂的管理目标有了长足发展. 作为城市交通控制策略制定和控制算法设计的基础，交通数据决定了城市交通控制的适用性、可靠性和先进性. 数据采集技术的发展为城市交通控制能力的提升带来了机遇和挑战. 本文回顾交通控制系统中数据采集与参数估计的基本方法，分析评述检测数据方法从固定式无标识数据、移动式检测数据到固定式有标识数据的演变，指出它们给交通参数估计带来的变革. 结合20 世纪末出现的移动式检测技术，分析评述了对应的两种交通参数估计方法，即基于概率论的方法和基于交通流激波理论的方法给交通控制带来的影响. 针对近年来出现的固定式有标识检测数据，分析其对城市交通需求估计及交通控制策略参数估计研究带来的新任务. 最后，分析指出我国未来交通控制研究的三个方向：一是城市交通控制系统的信息范围已扩展到区域和路网层级，二是交通参数估计研究的重点随着数据采集方式的演变已转向提高参数估计的实时性与精度等领域，三是交通参数研究理论与实践存在差异，如何结合我国城市交通系统运行中检测环境差异导致数据误差率的变化，交通流到达规律的变化，道路上不同种类交通流间的交叉干扰等实际应用因素，使方法与模型能有效地指导我国复杂的交通控制实践是重要方向.     

中国城市交通问题、对策与理论需求

近30年中国在综合交通运输领域取得长足进步,城市交通也得到快速发展,但面临严峻的交通拥堵、交通污染、绿色出行环境差和停车难等困境。通过分析中国城市交通问题的特性与成因,指出新型城镇化对城市交通发展的新要求和制定交通政策的新导向。基于旧城改造中优质公共交通系统建设、交通需求管理、城市内外衔接交通设计等典型案例探讨现实问题的对策。从城市居民合理需求的满足和城市整体运行效率提升角度,引导学术界关注城市交通学的理论研究。最后,重点讨论大数据环境下城市交通网络构建和运行、特大及超大中心城市都市圈交通网络协同优化,以及城市交通需求管理应用3个研究方向。     

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随着我国城市化、机动车化的进程不断加快,城市交通问题日益突出,特别是大城市的交通拥堵,为城市经济、居民生活和环境带来了巨大的影响。“交通7+1论坛”第二次理事会会议围绕城市交通规划、建设与管理主题,以北京市为案例,分析了北京城市交通的现状、问题与趋势,阐述了构建新北京交通体系的目标和战略措施。针对城市交通结构、公交优先、信息技术、需求管理等问题,探讨了应用复杂系统理论方法解决交通问题的思路与应用前景。     

城市轨道交通换乘分析

城市交通是一个系统网络，多种交通方式并存是城市交通的必然。各种交通方式之间的相互协作是城市交通网络效应发挥的关键。本文系统地分析了城市轨道交通换乘方式以及轨道交通与其他常规交通换乘的协调关系和辅助配套措施，提出了保证换乘协调等相关措施。     

城市道路交通承载力研究综述

多年来，广泛的应用场景和领域使交通承载力的基础理论和量化研究方法等成为学术界的热点研究问题。作为城市交通可持续发展的重要指标，交通承载力向上与城市交通规划，向下与机动车需求管理融合，可以得到多个延伸的科研选题。在特定的时空网络中，一定的资源和环境约束条件下，城市道路交通承载力就是道路网络或基础设施现有或未来的承载状态，即交通资源达到最优配置、交通环境稳定时，道路交通设施单元或系统的承载能力或阈值。本文通过系统梳理城市道路交通承载力的国内外研究现状，从基础理论、量化研究方法和实践应用这3方面提出存在问题和发展建议。现有城市道路交通承载力研究存在理论体系不完善，评价量化方法有效性难以保证，评价指标选取缺少标准化，复杂系统承载力缺乏综合的内外部耦合协调分析，以及应用技术方法落后等问题。首先，未来可以建立较完善的交通承载力理论体系；其次，标准化评价指标，建立有效评价模型和耦合协调模型，研究交通系统内外部的耦合协调机制，提出协同优化策略；最后，改进应用技术方法，拓展自身及交叉领域应用。为城市道路交通承载力研究提供理论保障，为促进我国交通可持续文明发展建设进程提供有力支撑。     

多智能体在交通控制系统中的应用

城市交通的重要性、系统复杂性以及传统交通控制策略与方法固有的局限性使得城市交通控制面临机理变革与更新的挑战。在前人理论的基础上,将多智能体(Multi-Agent)这一新的概念应用于交通控制系统,讨论了其应用的可行性和前景。     

复杂网络在城市公交网络分析中的应用

网络的拓扑结构分为规则网络、随机网络和复杂网络。复杂网络是大量真实复杂系统的拓扑抽象,通过运用复杂网络的研究方法,对城市公交线路网络和公交站点网络进行分析,结合这两个网络的性质讨论城市公交网络的几何性质,得出公交线路网络具有小世界特性所需要满足的条件。研究结果对于优化公交线路具有一定的参考价值。     

基于仿真分析的中国航空网络鲁棒性研究

鲁棒性研究有助于了解航空网络抗干扰能力,保证航空运输安全高效的开展.通过采集中国航空网络的数据信息,测算其统计特征;设计了＂随机干扰＂和＂蓄意攻击＂两种仿真系统,通过仿真实验,结果表明中国航空网络针对随机干扰具有较强的鲁棒性,而在面对蓄意攻击时鲁棒性较差的基本规律;不同通航城市对网络鲁棒性的影响差异极大,目前的中国航空网络高度依赖40余个核心城市.     

一种政务网信息交换与共享新模型

针对电子政务建设过程中出现的政务信息交换模型进行分析,在此基础上,提出新的政务信息交换C-D模型有机地整合了集中式、分布式和目录服务模型所具备的优势,并结合政务网络的特点,利用复杂网络理论对C—D模型的有效性进行了论证。该模型中的目录信息临接交换技术能够有力地提高各政务部门之间信息交换与共享的效率和可靠性。     

一种双重时滞多重边复杂公交网络模型的同步研究*

在传统的建模方法的基础上,建立一种新的城市公交网络模型。根据4种不同的公交路线,通过引入时滞,将两重边复杂公交网络拆分为两个性质不同的子网络。进而研究具有双重时滞两重边复杂公交网络的全局自适应同步,给出自适应同步的一般条件。以 Lorenz系统为例,验证该方法的有效性。     

混合时滞四重边复杂网络的自适应同步及在常规公交调度中的应用

研究了一类混合时滞四重边复杂网络模型,它既包含节点时滞和耦合时滞,又可以拆分成多个性质不同的子网络.基于Lyapunov稳定理论,设计简单的同步控制器,给出网络的全局同步准则.利用网络拆分的思想,建立一个具有4重边双重时滞的城市公交线路网络模型.最后以Lorenz系统为例进行数值模拟,同时分析公交车辆之间的控制强度和时滞时间对公交运营的影响.     

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提出了一种复杂网络模型的新机制，在网络生长的过程中新节点的加入是使其预期的效用最大。其中，效用不仅考虑其连接的利益，同时也考虑建立连接的地理信息。我们深入分析了地理位置信息引入对网络度分布、簇系数和匹配方式的影响。仿真结果表明，该建模机制能够得到各种不同拓扑结构的复杂网络，包括随机网络、小世界网络、无标度网络等。并且地理信息对网络的匹配方式有重要的影响。     

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结合复杂网络理论与城市交通网络配流方法,研究了不同网络拓扑与个体出行行为在城市交通网络上的相关动力学行为。发现对于不同的城市交通网络拓扑,用户均衡效率损失不仅是有界的,而且是有序的。进一步研究表明,无论是用户均衡还是系统最优,最小支撑树上的流量占系统总流量的比值接近一常数,且交通阻塞与流量之间存在某种共同的幂律关系。     

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以全国281个城市货运站间的货运量为依据,分析了城市年货运吞吐量与GDP之间的协同增长关系以及城市间货运量的统计分布规律,研究发现铁路货运量分布具有明显的幂率特性. 最后结合复杂网络理论,对铁路货运量进行了拓扑映射,形成了包含铁路货运站和货运量信息的有向复杂网络,并对所构建的网络的静态统计特征进行了分析. 同时采用货流临界值的方法进行控制产生不同的网络结构,研究发现对于不同的货流临界值,可以产生具有无标度特征和小世界特性的网络拓扑结构,这为我们研究铁路货流分布的复杂性及货运站场在网络中的重要性提供了一种新的研究方法.     

公交—地铁复合网络构建及网络特性分析

公交和地铁是城市公共交通系统中最主要的两个组成部分,在大力推行公交优先政策的今天,我们却发现公交分担率并没有得到明显改善.本文运用Space L和Space P方法分别构建了北京市公交—地铁复合网络及其子网络.实证研究了公交—地铁网络的基本拓扑性质并对复合网络及其子网络的网络特性进行比较,从整体的角度,综合性地分析城市公共交通运输网络的特性及换乘状况.结果表明,北京市公交—地铁复合网络具备小世界和无标度网络特性,同时也证明了地铁及公交各自特点的充分发挥,二者高效的相互配合、衔接,是整个公共交通运输系统发挥最大效能的基础.     

复杂供应链网络中牛鞭效应的评估

牛鞭效应的存在严重影响了供应链网络的运作效率和管理复杂度.本文首先构建了供应链网络中库存状态的系统动力学机制,基于线性定常策略中的订货点策略,通过客户节点需求扰动导致供应商与中间商的库存波动对牛鞭效应进行了刻画,提出一种复杂供应链网络牛鞭效应的评估方法;随后考虑到供应链网络具有复杂网络的结构特征,本文对无标度供应链网络和随机网络中的牛鞭效应进行了量化分析.通过案例研究发现,节点库存波动与演化时间存在指数函数的关系,可以定量分析牛鞭效应对节点的影响程度,网络拓扑结构的变化对牛鞭效应的影响有限,但网络规模对牛鞭效应具有显著影响.