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原文传递基于高阶网络模型的城市公共交通网络鲁棒性研究

论文题名：	基于高阶网络模型的城市公共交通网络鲁棒性研究
关键词：	城市公共交通网络;高阶网络模型;重要节点识别;鲁棒性特征;客流分配
摘要：	城市公共交通网络作为城市交通系统服务功能的主要载体，担负着城市居民出行和城市交通运输的重要责任。但是城市公共交通系统不可避免的受如极端恶劣天气、恶性交通事故等诸多外部因素影响，直接和间接的导致巨大社会经济损失。分析和研究城市公共交通网络抵抗这些外部异常干扰的能力，对城市公共交通网络规划和优化具有重要意义。目前，对于城市公共交通网络级联失效及其鲁棒性的研究大部分是针对单一交通方式开展的。但在现实中，城市公共交通系统是一个包含了多种交通方式的多关系复杂系统。因此，如何构建能准确描述实际城市公共交通系统的复杂网络，并通过构建的复杂网络研究城市公共交通系统的鲁棒性，成为本文的研究重点。　　高阶网络模型可以引入不同的信息来扩展传统模型，形成高阶复杂网络模型。其中，多子网复合复杂网络模型是一种重要的高阶复杂网络模型。本文基于该模型构建包含常规公交网络和地铁网络的城市公共交通复合物理网络。在此基础上，考虑出行阻抗和边的方向性，构建城市公共交通复合服务网络。利用北京市和青岛市的公共交通数据分析物理网络和服务网络的拓扑特征，发现复合物理网络具有小世界（WS）和无标度（BA）的特性，复合服务网络的边权概率分布集中，二者节点度的概率分布不一致。城市公共交通复合网络的构建为后续模型方法研究以及仿真分析提供了基础空间。　　基于信息传播理论，研究复合网络中不同关系强度及关系之间的相互影响程度对物质扩散的影响，提出基于物质扩散的城市公共交通复合网络中重要节点识别算法（IMD）。利用IMD算法与其他五种经典算法分别对青岛市城市公共交通复合网络的前20和前500重要站点进行识别，并通过对比分析各算法计算结果相互之间的覆盖率、与实际客流对比以及删除重要节点后对网络影响等角度验证了IMD算法的有效性和准确性。重要节点识别为后续级联失效分析和鲁棒性评价提供了分析对象。　　建立城市公共交通复合网络节点故障的客流分配模型。基于此模型，研究复合物理网络中各子网的拓扑结构、子网节点平均度、初始客流负载可调参数和节点重要性等网络结构特征对鲁棒性的影响。发现不一致的子网拓扑结构对应的关系强度越高、平均度最小的关系的强度值越大、可调参数?越大、?越小时，网络鲁棒性越强。运用仿真模拟分析青岛市和北京市城市公共交通复合网络遭受随机攻击和局部攻击干扰后的鲁棒性特征。发现在一定的破坏强度范围内，随着破坏强度增大，网络平均出行时间反而减小，并通过OD需求分析解释了这一反常现象发生的原因。同时发现，随机攻击比局部攻击更容易造成网络完全崩溃。　　进一步提出城市公共交通复合物理网络级联失效模型，将级联失效模型化为分析网络鲁棒性的问题，利用青岛市城市公共交通复合网络研究了模型中外部干扰强度、容差度、节点和边耦合强度以及重要节点等参数对级联失效过程和鲁棒性的影响规律。在此基础上，研究级联失效在城市公共交通复合物理网络及城市公共交通复合服务网络上的时空传播特征。发现在复合服务网络上级联失效由多中心以近似圆环的形式传播，失效节点的分布呈现多“山峰”的形式。　　最后，基于构建的复合网络模型，从优化和管理的视角进行提升网络鲁棒性的应用研究。提出根据网络节点复合度重要性优化城市公共交通复合网络换乘站点的方法，以此确定青岛市城市公共交通复合网络换乘站点设置的数量和位置。针对失效站点客流情况，以出行时间最小化和常规公交运营成本最小化为目标，提出客流应急疏散模型和求解算法，得到青岛市李村地铁站故障后客流疏散的最优路径、车次安排和疏散时间。　　本文构建了更符合实际的城市公共交通复合网络，并基于此进行了鲁棒性的相关研究。研究的成果可为城市多模式公共交通网络规划以及交通政策的制定提供理论指导，同时也能为网络应急管理提供切实可行的应对手段。
作者：	杨海华
专业：	交通运输规划与管理
导师：	安实;要甲
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021