预防交通网络级联失效的重要路段与节点扩容策略

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1、第一章绪论摘要城市道路网络是特殊的复杂网络，级联失效作为城市道路交通网络的重要特征，已逐渐引起研究人员的关注。建立城市道路交通网络级联失效模型，分析级联失效的传播过程，探寻级联失效预防与控制措施，提高城市道路交通网络的运行安全性、可靠性，具有重要的理论及实际意义。本文研究城市道路交通网络级联失效的预防策略，通过对重要路段与重要节点进行扩容，可以预防级联失效的发生，主要研究工作包括：（1）考虑级联失效的动态重要路段（节点）识别模型研究。基于城市核心道路的主要特点，将这些干路划分为两个主要分类，包括车流稳定的道路和持续变化的道路两个分类。基于删除法，

2、提出考虑级联失效的动态重要路段（节点）识别方法，认为边（节点）删除后引发的级联失效后果越严重，说明该边（节点）越重要，从而可以有效的选择动态重要路段（节点）。（2）考虑级联失效的重要路段与重要节点扩容策略。现有研究认为对重要路段与重要节点扩容有利于预防级联失效，但是仍处于定性的层面。这其中需要解决两个关键问题：（1）可以通过扩容哪些路段与哪些节点来预防级联失效，该部分内容前一章以得到基本解决；（2）路段与节点扩容多少更有利于减轻级联失效的后果。因此提出了定量化的重要路段与重要节点扩容策略，即首先确定需扩容的重要路段与重要节点，然后对扩容量进行试算

3、，进而求得最佳扩容倍数，给出了具体的算法及流程，并通过试验分析，验证了该算法的有效性，解决了问题二。（3）考虑级联失效的路口路段联合扩容策略。道路交通网络是通过路段和路口连接的整体，单独的路口扩容策略、路段扩容策略往往不能有效的提高整个路网的通行能力（或提高路网的抵抗级联失效的性能）。因此，提出了联合路口路段的扩容策略，即首先选定需扩容的整体单元集，然后分别对整体单元中的路段和节点的扩容量进行试算，求得整体扩容量。选取整体扩容量最小的整体单元为最佳扩容整体单元，其对应的扩容量为最佳扩容量，给出了具体的算法及流程，并通过试验分析，验证了该算法的有效

4、性。关键词：城市道路交通网络复杂网络级联失效重要路段与重要节点预防13第一章绪论第一章绪论1.1研究背景及意义近些年来，我国城镇居民不断的增加，促进了城镇化的发展。城镇中的道路建设发展的速度需要紧跟我国城镇化的需要，因此，城镇中道路的建设和发展就成为了关系其能否快速发展的关键。近年来，随着社会经济的快速发展和科学技术的不断进步，城市道路交通网络，为生产生活、经济的发展等都带来极大的便利，大大提高了人们的生活质量、运输效率以及生产效率等。然而，随着交通网络复杂性的不断增加，网络的安全性和可靠性都受到严峻的考验。在城市道路交通网络是通过路段和交叉口紧

5、密相连而形成的整体，因恶劣天气、交通事件等事件的发生，导致某些道路，甚至是城市的主要核心道路发生严重的堵塞现象，进而由于路段、路口间的相互关联引起其它路段或路口发生故障，形成连锁效应，最终导致交通网络局部或全部崩溃的现象，这就是所谓的交通网络级联失效。交通网络例如2004年7月10日北京市遭受暴风雪的袭击，多条道路遭受积雪，造成交通严重阻塞；2010年9月10日因一场小雨竟又导致北京市140多条路段出现严重拥堵；2007年7月18日受暴风雨的袭击，导致济南市整个交通网络的崩溃，造成严重的恶劣影响。级联失效属于复杂网络的重要特性，级联失效最初是在电

6、力网络的研究中提出的，它是指在复杂网络中，起初由于少数节点或边受到攻击（这种攻击可能是蓄意造成，也可能是随机发生的），然而这些节点的失效，可能会通过网络中节点和边的关联引起其他节点或边的失效，从而形成连锁效应，引发大面积的网络失效，甚至整个网络的崩溃。级联失效在复杂网络中极为常见，且往往造成较大的不良影响。如在互通网中，我们不断的发现很多典型的现象，如某些关键的路由一旦受到人为破坏或者自身故障的影响，从而无法正常运转的时候，其自身的传输线路被打断，引起其他线路需要传输的数据过多，严重时造成“雪崩效应”。在电力网络则更为常见，大规模的停电则大多是由

7、级联失效引发，例如，最为典型的就是2003年8月的北美大停电事件，其最初只是3条高压线路因为过载被烧断，最后竟导致北美电网的大崩溃，造成几百亿美元的经济损失。13第一章绪论城市道路交通网络是混合型的复杂网络，其级联失效不同与一般复杂网络。首先，城市道路交通网络结构的复杂性，它是一个由道路网络、出行网络组成的双层复杂网络，这比电力网络、计算机网络等单层网络更为复杂；其次，城市道路交通网络网络中参与者是高级智能体-人，出行者根据路段的出行时间及其阻塞程度选择出行路径，这显然不同与计算机网络与电力网络，如计算机网络信息包的传送，其路径选择完全由事先设定

8、的路由算法来控制，其本身没有路径选择，且信息包在路由上等待时间过长，就会自动消失；而对于交通系统的人来说，如果路段过于阻塞，就会选择其他