网络结构对城市交通流运行的影响分析

论文摘要

众所周知,交通拥堵已经成为制约我国大城市繁荣、有序和高速发展的主要瓶颈之一。如何制定合理的交通规划、控制策略以缓解城市交通拥堵问题已经成为交通界学者高度关注的热点问题之一。同时,城市交通系统又是一个典型的、开放的、复杂巨系统,使得城市交通运行规律变得极其复杂。尽管国内外许多学者从不同角度对城市交通拥堵及其传播规律做了大量的研究,但就网络结构对其影响还缺乏足够的研究。近几年来,随着复杂网络理论的兴起与发展,为我们研究系统复杂性提供了一个新视角、新方法。目前,复杂网络理论已经在社会学、生物学、物理学、经济学、计算机科学以及交通运输等领域的得到广泛的应用。国内外交通学者结合复杂网络理论,对城市交通系统复杂性做了大量的相关研究,但这些研究成果很多都是建立在静态交通平衡配流的基础之上,没有考虑交通流在网络上的动态过程。因此,本文通过引入了模拟交通流在网络中动态演化的元胞传输模型(CTM),此模型能够清晰地描述排队的物理效应,可以较好地模拟出激波、排队形成、排队消散及多路段间的相互影响等交通动力学特性,来分析网络的结构特性对交通流运行的影响。本论文结合复杂网络理论及元胞传输模型,研究了网络结构与城市交通流运行之间的影响关系。具体来讲,主要工作有以下几个方面：(1)以规则网络、小世界网络、随机网络以及具有不同重连概率的小世界网络为底层网络拓扑,研究了不同需求水平下交通流的运行特征。发现在随机网络结构中,交通流的运行效率较高。(2)分析了不同网络中交通拥堵的演化、交通拥堵瓶颈的时空分布等特性。发现随机网络可承受的交通需求是最大的。在相同需求水平下,随机网络中不易产生交通拥堵瓶颈,一旦产生拥堵瓶颈,随机网络的拥堵消散时间最短。因此,随机网络对于抵抗交通拥堵具有较好的性能。(3)以路段平均行程速度为衡量指标,利用空间相关性理论,研究了路段之间的Moran’sⅠ系数,分析了不同网络结构中路段的空间相关特性。发现在小世界网络中,相邻路段的平均行程速度相似性最明显。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 复杂网络在城市交通运输中的应用
• 1.2.2 元胞传输模型
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 基础知识
• 2.1 交通拥堵相关知识
• 2.1.1 交通拥堵的定义
• 2.1.2 交通拥堵的分类
• 2.1.3 交通拥堵的评价指标
• 2.1.4 交通拥堵产生的原因
• 2.2 元胞传输模型
• 2.2.1 符号及变量意义
• 2.2.2 K短路算法
• 2.2.3 CTM路段模型
• 2.2.4 CTM节点模型
• 2.2.5 基于CTM的网络交通流传播模型
• 2.3 复杂网络
• 2.3.1 图的定义及相关概念
• 2.3.2 三种典型网络演化模型
• 2.3.3 城市交通网络复杂性
• 2.4 小结
• 3 不同网络拓扑结构下交通流运行特征
• 3.1 交通流运行状态的度量及计算方法
• 3.1.1 系统平均行程速度
• 3.1.2 系统总阻抗
• 3.1.3 系统总延误
• 3.2 三种典型网络拓扑结构下交通流运行特性
• 3.2.1 模拟参数确定
• 3.2.2 模拟结果及分析
• 3.3 具有小世界网络效应的交通流运行特性
• 3.3.1 需求固定情况下模拟结果分析
• 3.3.2 需求随机情况下模拟结果分析
• 3.4 小结
• 4 不同网络拓扑结构下交通拥堵时空分布特性
• 4.1 交通拥堵演化分析
• 4.2 交通拥堵瓶颈概述
• 4.2.1 拥堵瓶颈的定义
• 4.2.2 拥堵瓶颈产生的根源
• 4.3 拥堵瓶颈的全局时空分布特性
• 4.3.1 网络交通拥堵瓶颈的特性度量
• 4.3.2 模拟结果及分析
• 4.4 拥堵瓶颈的局部时空分布特性
• 4.4.1 小世界网络上交通拥堵瓶颈的分布特性
• 4.4.2 随机网络上交通拥堵瓶颈的分布特性
• 4.4.3 小世界网络与随机网络中交通拥堵瓶颈的分布特征比较
• 4.5 小结
• 5 不同网络拓扑结构下路段平均行程速度的空间相关性
• 5.1 空间自相关理论
• 5.1.1 空间自相关简介
• 5.1.2 空间权重矩阵
• 5.1.3 Moran's Ⅰ系数的建立
• 5.2 数值模拟
• 5.2.1 模拟参数的确定
• 5.2.2 模拟结果及分析
• 5.3 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集