引用本文

陈伟哲, 李乡儒. 基于复杂网络的封闭小区交通开放策略探究. 自动化学报, 2018, 44(11): 2068-2082. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160819

CHEN Wei-Zhe, LI Xiang-Ru. Research on Traffic Opening Strategy of Closed Communities by Complex Network. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2018, 44(11): 2068-2082. doi: 10.16383/j.aas.2017.c160819

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.2017.c160819

关键词

封闭小区，复杂网络，相继故障，网络效率 

摘要

封闭小区降低了城市路网密度和可达性，如何开放封闭小区成为一个热点问题.本文对若干中国大型城市的道路网络进行实证研究，发现这些网络的度分布具有无标度性质.基于此性质提出了一个适用于封闭小区开放问题的城市道路复杂网络模型.该模型使得城市道路网络包含小区路网，且道路信息易于查询与筛选，这有利于制定并比较不同的小区开放策略.利用该模型，研究了网络效率的计算和相继故障过程的建模问题，以比较不同的开放策略对城市路网的影响.最后，针对效率和稳定性两个因子，分析城市道路网络的优化特征.结果表明，开放位于非中心地区的小区，开放程度最大，新开交叉口位于连接数不多的道路时，网络效率及稳定性最佳.

文章导读

随着我国经济快速发展, 城市规模不断壮大, 汽车数量也日益增多. 2000年至2009年, 我国城镇化率由36.2%提高至46.6%, 年均增长约1.2%;北京、上海、广州、深圳、成都和杭州等城市的机动车保有量先后超过百万量级, 全国民用汽车保有量从1 609万辆增至6 281万辆, 年均增长16.3% [1].然而, 我国许多地区居住模式主要为封闭式小区, 封闭小区在上海占总居住小区的83%, 广东省的封闭小区覆盖了70%以上的城乡面积及80%以上的人口[2].封闭式小区具有封闭性和自我完善性, 小区内部道路系统呈现出内向型树状结构, 多为断头路[3], 仅有一两条主要道路(下称主道路)与城市道路网络连接.这些封闭小区切断了城市道路网络的"毛细血管", 使得交通流集中在少数的干道上.导致一旦干道出现交通拥堵, 就很容易引起交通系统出现区域性瘫痪.

2016年国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》, 提出"新建住宅要推广街区制"和"已建成的住宅小区要逐步打开", 引起强烈的社会反响.小区从封闭走向开放, 需要解决许多问题.封闭小区该不该开放, 应该开放哪些小区, 如何开放能使不良影响较小且效益更大, 以及开放后小区应该如何设计管理等诸多细节, 不一而足.

目前关于封闭小区交通开放的相关研究主要集中在探讨该不该开放[3-4]以及开放后街区式住区的布局设计[5-6], 而关于开放哪些小区、具体如何开放则讨论较少.正如文献[4]所言, 为推进系统性改革, 需要差异化地推行小区开放政策, 对于什么类型、地点、面积、条件的小区需要开放, 如何开放及开放后的问题如何解决, 都要有不同的保障方案.本文利用复杂网络理论, 从不同封闭小区开放策略对城市道路网络的效率及稳定性影响的角度探讨小区该不该开放、开放哪些小区以及如何开放的问题.

复杂网络理论从拓扑结构的角度对网络进行分析, 把微观和宏观性质联系起来, 能预测复杂系统丰富的整体行为.若把复杂网络理论的研究方法应用到道路网络, 需要进行实证研究, 说明城市道路网络具有复杂网络特性.文献[7]对具有不同形态和历史背景的6个城市的道路交通网络进行了拓扑分析, 发现这些网络均为无标度网络[8], 并且表现出小世界特性1.文献[9]对美国40个城市道路网络进行了大范围的分析, 也发现类似的性质. Crucitti等[10-11]研究了世界18个城市1 km2地面街道网络, 发现自组织城市的街道符合幂律分布, 具有无标度性质.国内对无锡市新区整体城市道路网络进行的实证研究分析[12], 发现是典型的小世界网络[13].

¹小世界特性指具有低平均路径长度、高聚类系数

关于利用复杂网络理论对封闭小区开放问题进行分析的相关工作有文献[14].詹斌等使用网络节点度方差作为评价指标, 基于不同策略对城市路网与小区路网进行拼接, 从城市道路网络脆弱性角度比较了小区交通开放策略, 发现小区路网接入节点越多, 接入节点度越小, 小区路网结构越复杂, 城市道路网络脆弱性越低[14].

小区道路网络与城市道路网路是局部与整体的关系, 但对二者进行拼接则假设它们为并列关系, 因此对该问题的建模有待进一步改进.封闭小区交通开放行为对应于在道路网络中打开一些交叉口以连接小区道路与市政道路.

因此, 使用对偶映射将城市道路映射为网络中的节点, 交叉口映射为网络中的边, 利用Barabási-Albert (BA)模型[8]对市政道路网络建模, 并验证其具有无标度特性.再根据小区的连接偏好特性加入小区道路模块, 建模城市道路网络, 使得封闭小区交通开放这一变化对应于在网络中添加一些边, 以连接小区路网中的节点与市政路网中的节点.

本文首先对若干中国大型城市的道路网络进行实证研究, 发现这些网络的度分布具有无标度性质.然后, 基于复杂网络理论提出一个城市道路网络模型, 使得城市道路网络包含小区道路网络.进而, 考虑小区在城市中所处位置、小区的开放程度及新开交叉口所处位置等因素, 制定不同的小区开放策略并应用这些开放策略对城市道路网络进行优化.然后, 采用网络效率[15]作为度量指标, 比较不同开放策略下网络效率的变化情况.同时, 为考察网络稳定性, 对开放后的城市道路网络进行攻击仿真研究, 并使用 Crucitti-Latora-Marchiori (CLM)模型[16]对城市道路网络在发生故障后的相继故障过程建模.最后, 针对效率和稳定性这两个因子, 分析城市道路网络的优化特征, 并据此提出封闭小区交通开放建议.

本文的主要贡献包括:发现中国大型城市的道路网络具有无标度性质; 提出一个城市道路网络模型; 提出利用相继故障过程比较不同策略对城市道路网络稳定性的影响; 针对效率和稳定性这两个因子, 分析城市路网的优化特征.具体为:

1) 发现了使用对偶表示的交通网络具有无标度特性, 并基于北京、上海、广州和深圳等典型城市的真实网络数据对此做了实证研究.对北京、上海、广州及深圳等城市的道路网络进行分析, 发现这些网络的度分布具有无标度性质.

2) 提出一个城市道路网络模型, 使得生成的网络中包含小区道路网络模块.该模型的优点包括: a)小区周围道路的统计指标 (如度数)及小区内的道路数量等信息可以被方便地访问, 从而在制定不同开放策略后能迅速找到符合条件的小区; b)小区内道路数量、道路拓扑结构及小区在城市中的位置可根据不同城市的小区道路情况"因地制宜".

3) 基于上述模型, 提出利用相继故障过程比较不同策略对城市道路网络稳定性的影响; 同时, 利用网络效率比较不同策略对城市路网效率的影响.

4) 针对效率和稳定性这两个因子, 分析城市道路网络的优化特征, 为封闭小区开放规划提供参考建议.

本文结构安排如下:第1节介绍基本定义与概念; 第2节对中国大型城市道路网络的无标度特性进行实证研究; 第3节给出一个包含封闭小区模块的城市道路网络模型; 第4节介绍网络效率的计算; 第5节阐述用于描述相继故障过程的CLM模型; 第6节进行实验从网络效率及稳定性两方面比较不同小区开放策略的优劣, 针对效率和稳定性这两个因子, 分析城市道路网络的优化特征, 最后进行收敛性分析.

图 1  原始法

图 2  对偶法

图 3  北京道路网络示意图

本文首先对若干中国大型城市的道路网络进行实证研究, 发现这些网络的度分布具有无标度性质.然后, 基于复杂网络理论提出一个描述城市道路网络的模型, 该模型适用于封闭小区的开放问题.与拼接城市道路网络和小区路网的已有做法相比, 该模型使得城市道路网络包含了小区道路网络, 且道路信息易于查询与筛选, 这有利于制定与比较不同的小区开放策略.基于该模型, 从网络效率及稳定性的角度研究了不同封闭小区开放策略的优劣.其中, 开放策略考虑的因素有小区在城市中的位置、小区开放程度及新开交叉口的位置.结果表明, 封闭小区应该开放, 且开放位于非中心地段的小区, 小区内道路完全开放, 新开交叉口位于连接数较低的道路时, 网络的效率及稳定性综合提升最优.

由于该问题较新, 相关数据缺乏, 本文模型中参数的设定有待进一步改善.将来可通过收集某城市市政道路数、小区数量及小区道路数, 更精准地对城市道路网络建模.此外, 以后的工作中, 在统计道路节点度分布前进行路段合并时, 若能获取道路横截面信息, 结合两种路段合并方法更佳.

作者简介

陈伟哲

美国印第安纳大学博士研究生.2018年在华南师范大学数学科学学院获得学士学位.主要研究方向为数据挖掘与计算机视觉.E-mail:cosmo_chan@126.com

李乡儒  

华南师范大学教授.2006年获得中国科学院自动化研究所博士学位.主要研究方向为数据挖掘与计算机视觉.本文通信作者.E-mail:xiangru.li@gmail.com