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原文传递基于复杂网络的交通网络复杂性研究

论文题名：	基于复杂网络的交通网络复杂性研究
关键词：	交通运输网络;复杂网络;无标度网络;轴辐射;用户均衡;交通流分配;拓扑统计
摘要：	很多现实生活中的系统都可以抽象为节点和边组成的网络系统。全球化经济和信息技术的发展使得各种网络规模在不断迅速扩大，网络复杂程度在不断增强，网络内各个节点相互作用日益复杂，对复杂的大规模网络系统的研究，已经成为学术界关注的热点和国际研究前沿领域。交通运输网络作为典型的复杂巨系统，是社会经济发展的重要基础。从理论上全面系统深入地研究交通网络系统的内在运行规律和机制，充分掌握交通网络在微观和宏观不同层面上的复杂性，提高交通网络系统的设计和管理水平，已经成为我国社会经济发展中的重大需求。　　本文基于复杂网络理论，综合管理科学、计算机仿真、交通流分配模型等学科技术对交通网络复杂性进行研究，旨在分析大规模交通网络具有的普遍拓扑特性，揭示微观和宏观层面之间的内在联系，探索交通网络复杂运行规律和机理，为未来交通网络的设计和管理提供新的视角和决策依据。　　全文遵循认识事物的一般研究思路，按照从实证研究到理论建模分析的先后次序，紧紧围绕交通网络的特性，由浅入深地对复杂交通网络的拓扑性质、内在机理进行深入系统的研究。论文首先针对现实中主要的三种类型交通网络：航空、道路、航海网络进行实证研究，发现这些交通网络虽然类型、功能、规模大相径庭，却拥有相同的无标度网络的特征。接着通过演化模型研究这些拓扑统计特征形成的内在原因，发现和交通网络上出行者基于成本的选择有关。然后反向研究交通网络底层的拓扑特性对交通网络上出行者行为的影响，提出了评价交通网络的效率指标。最后，对交通网络中的服务者--提供交通服务的公司组成的交通服务供应链进行了研究，阐述了未来交通服务供应链研究的前景和内容。　　本文主要完成了如下几项工作：　　一、实证证明航空网络、城市道路网络、航海网络这三种交通网络尽管类型、功能、规模都各不相同，但却具有相似的复杂统计拓扑性质。它们的点度分布都服从幂律分布，具有小世界网络性质。而且都存在一些关键的节点，破坏这些节点很容易破坏整个网络的连通性。这样的拓扑结构特性，尤其是航空网络和航海网络的“富者俱乐部”现象，和交通业普遍采用的轴辐射运营结构有很直接的关系。　　二、研究交通网络的动态形成演变过程，提出了两种加权交通网络演化模型。第一个由乘客的中转行为驱动的加权网络演化模型，根据航空网络中常见的乘客选择中转路线的行为，提炼出了简单的行为规则，模拟交通网络动态演变过程。得到了理论解析解，仿真模拟结果和理论解非常符合。第二个基于成本驱动的加权网络演化模型，进一步根据乘客选择行为背后的经济原因：规模经济和拥挤效应，提炼出网络演变规则，通过仿真模拟得到了符合现实航空网络截尾幂律分布。通过这两个模型，说明乘客的中转还是直达的选择以及背后的深层经济成本的原因使得交通网络动态演变成具有特定拓扑特性的网络结构。　　三、研究交通网络的效率评价问题，提出了交通网络整体效率评价模型和节点效率评价指标。中国航空网络和长江三角洲机场群的实证研究说明，该指标和其他文献已有的评价指标相比，更能反映交通网络中的节点实际地位。航空网络效率评价，对评价网络结构和调节控制变量促进整体网络效率的提高，能起到一定的辅助决策作用。　　四、研究交通网络拓扑结构特征对其上的出行者均衡状态和网络效率的影响。基于经典交通流用户均衡模型，通过对不同拓扑结构的网络仿真计算，发现平均最短路长度和极化度指标可以在一定程度上直观反映交通网络性能，并将其应用于著名的Braess悖论。　　五、对交通服务商构成的交通服务供应链网络进行初步探索，对可能的应用方向和前景进行了阐述。尤其对于竞争合作的复杂适应性，采用基于主体的建模方法进行了仿真模拟，发现在交通供应链中采取“竞合”策略的企业相对于单纯的竞争或者合作策略带来的表现要好，反映了目前经济中企业之间既竞争又合作的复杂环境和现状。
作者：	胡一竑
专业：	管理科学与工程
导师：	朱道立
授予学位：	博士
授予学位单位：	复旦大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文