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城市轨道交通网络演变的复杂网络特征值研究

戎亚萍  张星臣  许得杰  
【摘要】:随着城市交通拥堵问题的日益突出,大力发展公共交通已经成为共识。轨道交通以其大容量、快速、准时的特点,成为公共交通建设的终点。在我国,正掀起建设轨道交通的热潮,据了解,我国目前已有35个城市拥有或启动了城市轨道交通系统的规划和建设。轨道交通建设投资巨大,影响深远,研究如何针对其交通网络特性,对轨道交通的合理规划和运营具有重要意义。复杂网络研究是近些年兴起的一股热潮,它从网络架构方面来研究一个系统,主要强调系统的拓扑特性。到目前为为止,国内外学者已经运用复杂网络理论对交通网络进行了大量实证研究。Sienkiewicz和Holyst选取了波兰21个城市的公共运输网络作为研究对象,将其抽象为复杂网络模型,发现它们都是无标度网络或者小世界网络。Sen等研究了印度铁路网络的复杂网络特征,结果表明该网络为小世界网络,作者研究了网络的集聚系数、特征路径长长度和平均度等复杂网络参数。Latora和Marchiorill主要从网络的全局效率和局部效率两个方面对波土顿的地铁网进行了特性分析,发现该地铁网的全局效率较高,说明网络在正常情况下的运营质量比较好,但是其网络的局部效率比较低,因此系统在遇到攻击行为时表现比较脆弱。就国内而言,虽然复杂网络的研究起步较晚,但基于复杂网络的公共交通网络实证研究也取得了一些进展。Han C和Liu L运用复杂网络理论实证研究了我国十大主要城市的轨道交通系统的拓扑结构,结果表明所有轨道线网的度分布都服从泊松分布,并且大部分不具备小世界网络的典型特征。王云琴以北京市轨道交通系统为例,将其抽象为复杂网络模型,研究了其复杂网络特性。王焱和杨超运用复杂网络理论对上海市轨道交通网络拓扑结构进行分析,分别在L空问和P空间中对网络的一些基本特征值进行计算。刘志谦和宋瑞采用space L方法对广州轨道线网进行了拓扑建模,计算分析了节点度、聚类系数、特征路径长等指标及其分布规律。顾前等对北京、上海和杭州3个城市的公共交通网络研究了复杂网络特征。本文运用复杂网络理论,采用space L方法对轨道交通网络进行拓扑建模,从度分布、聚类系数和特征路径长度等参数来研究北京、上海、广州、东京、伦敦、圣保罗六个城市在轨道交通网络演化过程中网络特征值是如何变化的,以及不同城市轨道交通网络特征值的比较,从而为研究轨道交通网络演化机理奠定了基础。全文主要内容如下:1、阐述了在L空间中,度分布、特征路径长度和聚类系数等网络特征值的计算方法和物理意义;2、同一城市不同发展阶段的比较(纵向比较)。统计分析北京、上海、广州、伦敦、东京、圣保罗各城市轨道交通网络在逐步形成的过程中,网络特征值是如何变化的,属于何种复杂网络类型(随机网络、无标度网络和小世界网络)。3、不同城市在不同时期的比较(横向比较)。统计分析轨道交通在开通运营后的不同时期(成网前、骨架网和稳定网络),不同城市的网络特征值有何差异。本文结构共分为五部分。第一部分为引言,主要介绍利用复杂网络研究城市轨道交通拓扑特性的国内外研究现状和存在的问题,引出研究城市轨道交通网络演变的复杂网络特征的重要意义;第二部分为复杂网络特征值计算和分析,分别介绍了度分布、特征路径长度和聚类系数的计算方法和物理意义,按照网络拓扑特征值划分,将复杂网络分为随机网络、无标度网络和小世界网络三类,每种网络都有其特征和性质。第三部分为纵向比较,分别统计北京、上海、广州、伦敦、东京、圣保罗各城市轨道交通网络在逐步形成过程中的网络特征值;第四部分为横向比较,分析六个城市在开通运营后的不同时期(成网前、骨架网和稳定网络),不同城市的网络特征值的差异;最后一部分为结论,总结不同城市轨道交通演化过程中的网络特征值特点,以及不同城市轨道交通网络特征值的差异,从而为轨道交通的合理规划和运营提供理论依据。

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