基于复杂网络的城市公交演化机制研究

论文摘要

复杂网络是近几年来新兴的研究热点,它是大量真实复杂系统的抽象,其理论广泛应用于社会的各个领域。城市公共交通作为一种开放的复杂系统,具有复杂网络的结构特性。本文结合济南市公交数据,以复杂网络理论为指导,以Matlab为建模工具,分别建立了基于Space L’和Space P方法的公交站点网络模型和公交换乘网络模型,并分别计算了这两种模型的基本统计参量,如平均路径长度、聚类系数、度分布等。对济南市公交网络从定量和定性两个方面来分析了其所具有的复杂网络的统计特性。实证研究结果表明,济南市公交站点网络是一种度分布服从幂率分布的无标度网络,而公交换乘网络的度分布则具有指数分布特性,聚类系数较大且平均距离长度较小,是一种小世界网络。城市公交系统的发展变化要受到城市空间结构、城市规划以及各方经济利益等多方面因素的制约,是一个不断变化着的网络。抽象来说,公交网络中的节点和边都在时刻发生变化。网络的拓扑结构对网络的功能及动力学行为有着很大的影响。结合复杂网络的理论,在研究分析了济南市公交网络的实际数据的基础上,提出了一种度分布服从泊松分布的公交网络增长算法。并基于这种算法,构造出了一种基于站点局部择优的公交网络模型。在对此模型设定了相关参数后,生成了一种虚拟的公交网络模型。模拟的结果与实际的公交网络拓扑特性基本相吻合,证实了此公交模型可以较好的反映以济南市为代表的城市公交网络的生成和演化机制。城市公交系统的形成、发展以及演变是由公交系统内外部要素共同作用的结果。内外部要素对公交系统的影响不同,因此其所起的作用也各不相同。对城市公交发展的组织机制的分析表明,城市公交系统的发展既取决于系统内部的自组织机制,自组织机制对公交系统的发展起着决定性的作用。同时也受到系统外部的他组织机制的影响,是自组织和他组织的双重组织机制共同作用的结果。公交网络结构的优劣在很大程度上影响着整个公交系统运输效率的高低,不同的公交站点在公交网络中所起的作用也不尽相同。通过不同的节点删除策略来分析节点的变化对公交系统换乘次数、点介数的变化以及公交网络最大连通分支中节点数量变化的影响,从而得出公交网络对于随机故障具有较强的鲁棒性,而对于以最大度为目标的节点删除则会导致网络效率的下降,甚至导致网络的瘫痪,这说明了最大度节点在公交网络起着重要的作用。通过对公交网络结构可靠性的分析,本文对现有的公交线网结构提出了优化建议,得出适合我国城市公交发展的规划策略。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 公交网络复杂性研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 本文组织结构
• 第2章 复杂网络理论简介
• 2.1 复杂网络的起源
• 2.2 图论相关知识
• 2.3 本文用到的复杂网络的基本概念
• 2.3.1 平均路径长度（Average Path Length）
• 2.3.2 聚类系数（Clustering Coefficient）
• 2.3.3 度与度分布（Degree and Degree Distribution）
• 2.3.4 介数（Betweenness）
• 2.3.5 度度相关性
• 2.3.6 簇度相关性（Clustering-degree Correlations）
• 2.4 复杂网络的模型
• 2.4.1 规则网络
• 2.4.2 随机网络
• 2.4.3 小世界网络模型
• 2.4.4 无标度网络模型
• 2.4.5 其他复杂网络模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 城市公交网络的模型与分析
• 3.1 城市公交网络的建模
• 3.1.1 公交网络的抽象方式
• 3.1.2 公交网络模型的基本属性
• 3.2 城市公交网络模型的分析
• 3.2.1 公交站点连接网络的无标度特性
• 3.2.2 公交换乘网络的小世界特性
• 3.3 本章小结
• 第4章 城市公交网络的演化机制研究
• 4.1 基于 POSSION局部择优的公交网络演化模型
• 4.2 公交系统的组织机制
• 4.3 本章小结
• 第5章 公交网络的弹性分析
• 5.1 公交网络的可靠性
• 5.2 公交网络规划
• 5.2.1 合理布局公交站点，优化调整公交线网
• 5.2.2 推进公交优先战略，加快建设公交专用车道
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文研究内容总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢