国家重点基础研究发展计划(973)

项目编号：2006CB705504

项目名称：

城市交通系统的时空复杂性与结构瓶颈演化

首席科学家：汪秉宏

第一承担单位：中国科学技术大学

一、项目简介：

在对城市交通系统的时空复杂性与结构瓶颈演化进行系统分析的基础上，结合城市交通系统本身的演化特性，构建符合实际的道路－网络交通拥堵传播模型。研究不同的网络拓扑结构对拥堵传播的影响，讨论网络节点在传播中重要性的度量，同时在这种度量机制下设计有针对性的网络交通流的控制算法，考察城市交通运输系统、互联网、万维网和下一代信息网络的结构、动力学与功能的相互作用和关联性及不同复杂网络之间的共性。探索小世界网络和无标度网络的生长特征和连接的偏好性，根据城市交通系统的时空复杂性与结构复杂性，分析考虑真实交通条件下各种网络结构的瓶颈效应。把复杂网络理论、动力系统理论和现代控制理论三者有机地结合起来，并融合我国城市交通系统的运行特点，从道路交通流状态（局部）、网络交通流机理（整体）与城市交通网络结构（演化）综合进行系统的科学研究，深入探讨我国城市交通拥堵形成及演化机理，提出有效的缓解和预防城市交通拥堵控制策略，并应用于交通实践。本项目从2006年到2010年共有106篇论文发表在国际和国内重要期刊上，其中SCI检索88篇，其他18篇。

二、项目重要成果：

1、           基于网络结构和行为科学的城市交通系统承载能力分析

课题组基于复杂网络及交通出行者行为科学的相关理论，建立了不同路网拓扑结构(无标度、小世界、随机网、规则网)与交通流量之间的相关关系，分析了四种典型路网拓扑结构的交通承载能力，进而从另一个角度解决了网络拓扑与流量承载力的关系难题。提出了基于空闲能力的流量分配策略，并研究了不同网络拓扑的动态交通拥堵，研究发现交通拥堵和临界流量产生率与网络拓扑及网络规模存在密切的相关关系，无标度网络上的临界流量产生率要比随机网络上大，进一步验证了无标度网络可以承载更大的交通流量这一科学结论，从而给出了网络拓扑与的临界流量产生率之间的关系。在上述研究的基础上，结合复杂网络理论与出行行为科学理论，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，着重探讨了不同网络拓扑结构上的用户均衡效率损失上界，对城市交通网络的承载力和可能的交通瓶颈做了进一步的分析。此外，基于复杂网络的有关理论，结合交通出行行为，通过寻找最小支撑树和最小支撑聚类对交通网络瓶颈进行识别。在找到交通瓶颈的基础上，寻找更为方便、经济和可行的方案提高交通网络的承载能力，为有效缓解交通拥堵，为科学进行交通网络规划与设计提供理论依据。成果目前已得到国际上许多著名学者的广泛关注与引用。相关成果发表在《Physical Review E》、《Europhysics Letters》、《Physica A》、《Modern Physics Letters B》、《Science in China Series E》、《Journal of transportation systems engineering and information technology》、《Chinese Physics Letters》等国际期刊上。

2   城市交通系统级联失效模型、失效机理及防控策略研究

复杂网络负载中的级联失效对其抗毁性有着重要影响，其本质是一种相关失效，而城市交通系统中路段由于拥堵而产生的相关失效行为一直是一个非常棘手的问题。课题组建立了一种具有无标度特征的社区网络结构演化模型，并分析了这种网络结构上的级联失效动力学行为。研究了考虑阻塞效应和不同的去除策略时城市交通网络上的级联失效问题，建立了一系列级联失效动力学模型，探讨城市交通网络的抗攻击能力，以及拥挤效应和簇效应对交通网络级联失效的影响。在上述研究的基础上，提出了对智能体进行有效导航、非均匀的容忍参数以及基于收益函数的能力匹配模型与策略来避免大规模网络失效的控制技术，给出了更为有效的导航策略，从而缓解拥堵，降低级联失效的风险，并以真实的北美电力网络作为实例对此模型进行了验证，结果表明所提出的模型能够很好地提高网络的有效性，对合理进行网络设计以减少级联失效带来的损害是非常重要的。进一步构建了交通网络中抵御级联失效引起网络堵塞模型，通过对具有高负载和高度数的节点分配更多的容错资源，发现在同样的容错资源情况下，新模型比以往的模型具有更好的交通性能。并应用这一模型，对北京、上海两个实际的城市交通网络进行了验证。相关成果发表在《Physical Review E》、《Physica A》、《Chinese Physics B》、《Europhysics Letters》、《The European Physical Journal B》等国内外刊物上。

3、        城市交通网络结构与道路交通流状态关系研究

道路交通流的非线性特性是时空复杂性的重要特征。国际上采用较多的研究方法是应用元胞自动机模型及跟驰理论分析车辆在道路上的时空分布特征。课题组成员突破这种方法的限制，首次另辟新径地开创了以复杂网络方法研究道路交通流状态复杂性的新思路，揭示了交通流演化机理及规律，解决了如何应用复杂网络理论来研究道路交通流这一重要问题，发展了研究交通科学问题的新方法。

课题组提出了通过演化交通流状态来构建复杂网络的思想，研究了所构建网络的度分布和标度特性。结果发现在中等密度条件下，交通流状态存在着无标度特性。进一步分析得到了交通流某些复杂时空特性与特定的复杂网络结构之间存在一定联系的结论。在此基础上，根据Kerner 提出的三相交通流理论，堵塞流分为宽运动堵塞流和同步流两种状态。采用上述能够反映交通流演化特性的网络模型，在不同交通状态下构造复杂网络，分析表明不同的交通状态确实对应着不同的网络结构，而且实测数据也验证了这一结论。为了研究其时空演化复杂性，课题组建立了能够反映交通流演化特性的网络模型，并针对一维道路交通流和二维路网交通流的演化特性的不同，研究了两种情况下交通流演化特性的差异。进一步研究了基于交通流演化的加权网络，将交通状态认为是网络中的节点，并引入了加权机制，将不同交通状态之间演化时的交通量认为是边上的权重。通过理论分析和数值模拟，研究了节点强度和度数之间的非线性关系。上述相关成果发表在《Physical Review E》、《Europhysics Letters》、《Physica A》、《International Journal of Modern Physics C》等国际刊物上。

4、        一般交通输运网络时空演化建模分析

   尽管复杂网络建模工作已经取得了大量的研究成果，但是在构建更加符合输运网络实际特点的模型方面，尚有很大的研究空间。课题组分别考虑局部作用、合并机制以及交通驱动作用等不同的演化规则在加权网络中的作用，构建了相应的网络模型并分析其统计规律。此外，通过结合交通网络上的出行行为特点，建立并发展了一系列用以描述一般输运网络的时空演化动力学模型，考察了交通运输系统的时空分布特征及其流量演化机制，分析了其上的级联失效动力学行为并探讨了不同均衡状态下各类网络拓扑上的流量分布特征及其一般性规律，进而验证了结构影响功能这一重要科学结论。城市公交网络的结构特征分析在城市交通系统分析中占有重要地位。城市交通的建设者和管理者出于土地使用、营运成本等多种因数考虑，一般要求能以尽量少的公交线路满足尽可能多的出行需求。不同的学者对城市公交网络的映射空间分类多有不同。如以公交线路和站点为两类节点的混合网络空间是一种二分图，称为B-space，它直观地表示了公交线路的站点和重合度信息。基于B-space的城市公交网络模型，充分考虑经济效率的这一因素，分析了新线路与原系统重合度对城市公交网络演化模型的影响。分别用平均场和主方程方法求出了线路数的度分布，并得到了新线路与原系统重合度与平均场法求解的度分布结果误差的影响关系式。仿真了杭州和南京两个城市的城市公交网络网络，并对网络特征参数进行分析，模型数据更接近这些网络的实证数据。相关成果发表在《Journal of Physics A》、《Physica A》、《International Journal of Modern Physics C》、《Chinese Physics Letters》、《Chinese Physics B 》等国际刊物上。

5、        交通运输供需网络上的输运优化研究

以往的研究中，输运网络通常被当作同质网络处理，即每个节点都有相同的功能，同时提供和接收资源。然而，一些真实的网络，比如电力格子网络和供需网络显示极其不同的特点，在那里节点被分为两类：供应方节点提供资源，而需求方节点接收资源。针对这些供需网络，我们提出一种普适传输模型，并且给出衡量节点传输能力的测量方法。对于这种异质的供需网络，其传输能力强烈依赖供应方在网络中所处的位置。我们提出了供需网络上的普适的运输模型和评价网络运输能力的标准。通过使用模拟退火算法，我们得到了对应于最大网络运输能力的接近最优的供应节点位置。与随机构型，贪婪算法所找到的构型，按度放置的构型以及按介数放置的构型等比较，新算法显著加强城市供应网络之传输能力。这一成果开辟了城市交通供需网络传输优化研究的新方向。相关成果发表在《Physical Review E》国际刊物上。

6、        灾难情况下人员疏散的行为及其时空演化模型

借助于交通工程中常用的备用能力概念，对多出口逃生问题的元胞自动机模型进行了改进。改进后的模型能够更好的反映非均值人群分布的路口选择行为。模型还对逃生房间几何形状和参数设定进行了讨论。此外，把社会力模型中的力概念引入到格气模型中，构造了一种“多重网格模型”的新的基于格气的离散模型，研究了行人试图从只有一个门的房间逃逸撤离出去的情形，并分析了相互作用力和人潮流对于逃逸时间的影响。研究成果对快速疏解灾难人群具有重要意义。相关成果发表在《Journal of Physics A》和《Physics A》上。

7、        对于高速公路实测数据及城市公交网络拓扑特征的实证研究

   对美国US101 高速公路实测数据进行实证研究，验证了微观道路交通流状态与复杂网络之间的内在关系。此外，课题组还对中国十大城市公交网络的拓扑特征进行了实证分析，通过分析拓扑参数，发现城市公交网络具有小世界特征。对于城市公交网络的交通运输效率的定量分析表明：它们都具有较高的局部性效率和较低的全局性效率。进一步研究了城市公交网络中效率与网络拓扑性质之关系。发现城市公交网络对于随机的攻击表现出鲁棒性，但对于全局性规模的恶意攻击相当脆弱。城市公交网络效率与网络中的三角形模块之间存在一定的关联关系。相关成果发表在《Physical Review E》、《Chinese Physics Letters》等国内外著名期刊上。

8  智能车辆多通道选择的各种预测反馈策略的提出

基于实时信息交通流动力学及多通道选择决策之实际交通需要，提出了智能车辆双通道和多通道选择的车辆数反馈策略、车流量反馈策略、车流平均速度反馈策略、信息预测反馈策略、加权阻塞系数反馈策略等多种智能车辆选择策略，应用于实际的双通道和多通道选择交通系统，并作相互比较，指出什么情况下应该采用什么最佳策略。新的信息反馈策略具有显著高的交通效率。并研究了交通瓶颈对于采用平均速度信息反馈策略双通道方式之影响，给出双通道系统中不遵循所示信息反而可以增加交通流量的观察。相关成果发表在Physics Letters A 374 (2010) ； International Journal of Modern Physics C 21-5（2010），C 21-8（2010）；Physica A 388(2009)；389 (2010) ; Science in China 53-10 (2010) ；Chinese Science Bulletin 54-8 (2009); Chinese Physics Letters 27 (2010) 等期刊。

9 三相交通流理论研究及新的交通流模型的提出

构建了可以验证Kerner 三相交通流理论框架的交通流元胞自动机模型，并研究了三相交通流模型中自由流到同步流之非连续相变。基于相继车辆的车头距、速度差及堵塞集团大小对于随机慢化的不同影响，对于Kerner三相交通流元胞自动机模型进行了推广，显示了交通流中的反常滞后效应及相变。基于对通常的最佳速度模型、广义力模型及完全速度差模型的推广，提出了“非对称完全速度差交通流模型”。相关成果发表在《Phys Rev E》、《Physica A》、《Chinese Physics B》、《Chinese Physics》等期刊上。

10 城市交通系统的拓扑瓶颈结构及堵塞相变

我们用元胞自动机模型研究了带有两个上匝道的高速公路的通行能力。通过考虑两个上匝道和主干道的相互作用，研究了如何分配两个上匝道的交通流可以改进交通系统通行能力。在实际的城市交通中，调节信号灯是控制城市交通的一种重要手段。通过对于BML模型中红绿灯周期加倍推广的研究，我们发现交通灯变化周期之延长将引起城市交通流中自由流相与堵塞相之共存，即存在所谓相分离的现象。 我们用元胞自动机模型研究信号灯控制下的单个T形交叉口的交通流。当每条路都是双道时，在T形交叉口只存在三个冲突点。引入三相信号灯和两种信号灯控制策略：固定的相顺序和自适应的相顺序，来控制交叉口的交通。通过数值模拟，给出两种策略下系统的相图、流量和平均行驶时间，并对两种策略进行相互比较。结果表明自适应信号灯策略优于固定相顺序策略。  我们构建低速十字路口交通流模型相图。考虑实际道路十字路口交通中的车辆更新方式：在有交通灯管制下和无交通灯管制下的并行更新，分别遵循时间优先原则，时间相同下的就近原则，和随机原则。采用局部占有概率方法，我们绘出十字路口交通流相图，给出相图中的各部分区域的流量表达式。相关成果发表在Computer Physics Communications 181 (2010)，Physica A 388 (2009).，International Journal of Modern Physics C 21-3 (2010)；Acta Phys. Sin. 59 -9 (2010) 上。