城市交通网络在交通拥堵中相关研究综述

城市交通网络在交通拥堵中相关研究综述

石路源

（重庆交通大学交通运输学院，重庆400074）

摘要：首先概述了复杂网络的统计量在城市交通系统中的含义，进而对城市交通网络的特征、复杂性等做了描述。梳理、总结了城市交通网络的拓扑性质研究与交通拥堵特性关系之间的国内外研究现状，这对于预测城市交通网络中拥堵的产生与加强城市交通网络的建设来承受交通拥堵都具有积极作用。最后提出了一点未来研究的趋势展望。

关键词：城市交通网络；交通拥堵

引言

城市拥堵问题已经成为社会发展与经济建设的巨大障碍，同时对人们的生活和工作带来了巨大的不便。城市交通网络作为经济发展的有力保障，也是人们日常交通活动的物质基础。而解决大城市的拥堵问题，通过对某一段面的局部数据进行分析、预测，是远远不够的。必须要将路线及网络作为研究对象，系统的进行合理的规划管理，才能达到缓解拥堵的目的。因此，在充分了解交通网络拓扑特性的基础上，研究城市交通网络的演化特性，建立符合实际城市交通拥堵传播特性的模型，探讨网络中节点在传播中度量的重要性，分析不同网络拓扑结构特性对拥堵传播的影响，从而提出有效的缓解和预防交通拥堵的治理及控制策略，成为了一个具有重大科学意义的课题。

1城市交通网络简介

应用复杂网络理论，从理论上分析城市交通网络拓扑结构的复杂性，是研究复杂城市交通网络的关键所在，同时也是城市交通网络研究的基础理论问题之。

1.1城市交通网络的特征

城市交通网络具有绝大多数复杂加权网络的特征。

（1）网络行为的可统计性：对于特大型及大型城市来说，网络节点数很大，从而可以确定大规模性的网络的可统计的特性。

（2）网络连接的稀疏性：一个具有N个节点的全局耦合结构网络，节点数为o（N2），而实际存在的大型网络的连接数目通常为o（N）。

（3）连接结构的复杂性：现实世界中大多数大型网络的连接结构是介于规则与随机之间的。既非完全规则也非完全随机。

（4）网络具有时空复杂性：复杂网络的演化通常是一个复杂的过程，其中包括时间与空间上的复杂性。

1.2城市交通网络的复杂性

城市交通网络作为一个与城市功能、社会、经济、环境相关的复杂大系统，具有如下的特征。

（1）系统中的主要参与者—人，具有智能性，能够对周边的环境转换做出回应，还具有一定的自适应，自组织的特点。

（2）网络中运动的人—车流之间的作用十分强烈。并且不是简单的线性作用，而是较为复杂的非线性作用。

（3）城市交通本身具有动态性和随机性，是一个不断运动的系统。

（4）人、车、路、环境、交通工程及控制设施众多，相互之间的联系紧密。

2与交通拥堵相关研究

与交通拥堵相关的研究，主要集中在两个方面，分别是交通网络特性与交通拥堵特性的研究。国内外学者对这两方面的内容，都进行了一定的研究，而国内的研究目前较多比较偏向于交通网络的结构对于拥堵的影响，而目前国外的研究主要是对于拥堵特性在实际网络上的实证研究。

（1）交通网络的研究，主要是针对交通网络自身的拓扑结构或者结构特性对于交通拥堵的影响。通过研究网络拓扑结构的某些特性，得出不同网络拓扑结构对于拥堵的承受能力等，从而从网络拓扑结构的特性入手，优化网络结构。目前国内相关文章较多，而国外较少。如Sun等把交通网络看做一个整体，分析了三种网络（常规、小世界、随机网络）在不同的需求系数下，平均行程时间、系统总损失、总延误时间、拥堵从开始到消散的持续时间、总延误时间的变化情况、讨论了路网的抗拥堵情况。并且把把网络分为多个群体结构，以研究群体结构与拥堵之间的联系。刘有军等针对较为规则的路网，即方格型路网和环形路网进行研究。指出了两种路网状态下瓶颈路段的演化，方格路网初始瓶颈产生在四周，而环形路网主要集中在内环上。并且当交通拥堵时，继续加载交通流，方格式路网的规模增加要高于环形路网。Wang等通过建模、仿真，讨论了在不同的网络拓扑结构、节点车辆产生率、不同边的承载能力、不同节点度情况下的车辆不平衡系数与拥堵的情况。说明了拥堵于方向不均衡系数之间的关系。还深入讨论了道路车辆负载与道路车辆驶离的关系。基于此对网络拥堵的缓解与预防拥堵提供了建议。杨国菁等在网络的拓卜结构和网络性能中引入了树性和圈性的概念来研究不同圈性结构网络条件下路网承载能力的变化。基于城市不能不断扩张的情况，对已经给定路网条件下的交通网络结构，进行优化研究。

（2）交通拥堵的特性研究，主要是研究拥堵形成与传播的机理、拥堵的动态性特征、形成拥堵的临界值等。将交通网络作为载体，来验证提出方法的效率或者是可行性。这一类的研究，人们最初采取的算例网络，是经典的四顶点五路径网络，后来发展到复杂拓扑网络（如无标度网络、小世界网络等），随着研究的深化，人们开始将模型应用于实际的路网。目前国内外都有对相关问题进行研究。Li等自主开发了一款动态交通仿真软件，使用了优化的交通流模型，在双向的网格网络中，研究了交通状态与拥堵的传播。Yi提出了一种自适应机制，节点可以所处的拥堵情况修正他的接收概率。并且分别使用静态和动态交通找寻模型，来验证自适应机制的效率。并且讨论了在网络拓扑结构三种主要特性：度分布、平均路长、聚类效应与交通拥堵之间的关系。Petter等在BA模型的无标度网络中，采用符合每个节点一次只有一个粒子的粒子跳跃模型，采用随机行走、绕过阻塞、等待拥堵三种动态模式，描述了介数与占有率的关系，明确解释了一个点的占有率与社区最大占有率之间的关系。发现高聚类加强了介数的分布，而高介数形成了拥堵中心，从而延缓了动态性。Albert等基于复杂网络中出现的关键现象，提出了一个理想化模型，并且应用于意大利米兰的实际路网。在实际拥堵开始之前，预测了拥堵的发生。

3展望

从城市交通网络出发，研究交通拥堵问题，是一种有效的思路。结构和功能是复杂网络理论研究的两个核心问题，而复杂网络理论作为城市交通网络理论的基础，已经受到了重视。对未来研究方向的展望，还可以从以下几个方面展开。

1、将网络中节点与边作为主角的研究，转向网络上粒子的研究。

2、是否存在通用的城市交通网络结构，是否具有可持续性的发展模式。城市网络的结构是否与该国家的文化背景、民族特征等具有相关性。

参考文献

[1]高自友,赵小梅,黄海军,等.复杂网络理论与城市交通系统复杂性问题的相关研究[J].交通运输系统工程与信息,2006,6(3):41-7.

[2]吴建军.城市交通网络拓扑结构复杂性研究[D];北京交通大学,2008.

[3]刘涛,陈忠,陈晓荣.复杂网络理论及其应用研究概述[J].系统工程,2005,23(6):1-7.

[4]高自友,吴建军.出行者博弈、网络结构与城市交通系统复杂性[J].复杂系统与复杂性科学,2010,07(4):55-64.

[5]陈关荣.复杂动力网络的研究—新世纪科学技术前沿的战略性课题之一[J].复杂系统与复杂性科学,2015,12(2):

[6]卢守峰,杨兆升,刘喜敏.基于复杂性理论的城市交通系统研究[J].吉林大学学报(工),2006,36

[7]刘有军,田聪.不同路网形态下城市交通拥堵特性分析[J].中国公路学报,2013,26(1):163-9.