基于复杂网络的交通拥堵与传播动力学分析

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.60，No.5(2011)050701*基于复杂网络的交通拥堵与传播动力学分析1)2)3)1)2)4)李树彬吴建军高自友林勇傅白白1)(北京交通大学交通运输学院，北京100044)2)(山东省科学院自动化研究所，济南250014)3)(轨道交通控制与安全国家重点实验室(北京交通大学)，北京100044)4)(山东建筑大学建筑城规学院，济南250014)(2010年7月6日收到;2010年7月28日收到修改稿)本文运用改进的中观交通流模型，研究了网络拓扑结构对交通拥堵的影响，进而分

2、析复杂网络上的交通传播动力学特征和传播规律.结论有助于提出消除交通拥堵的有效控制策略以及交通规划的合理方案.关键词:复杂网络，交通流，交通拥堵，传播特性PACS:07.05.Tp，46.40.Cd，47.90.+a，89.75.Fb础.从图论的角度来看，城市交通网络是由线与点1.引言以及它们之间的关系组成的，线是指交通网络中的路段，点是指交通网络中连接路段的节点，包括道复杂性科学是系统科学和非线性科学的进一路出入口，交叉口等.随着我国城市化进程的飞速步发展、充实和深化，是系统科学研究的最新、最前加快，城市的规模以及结构发生

3、了巨大的变大，主沿的领域.近几年发展起来的复杂网络方法，为我要体现在两个方面:第一，网络节点和路段数的不们研究系统复杂性提供了一个新视角、新方法.1998断增多;第二，网络节点与路段之间的相互作用变和1999年Nature和Science上分别发表了两篇复杂得更为复杂.同时交通网络又是一个受环境影响的［1，2］网络文章，其中的小世界效应与无标度特性的开放系统，交通问题涉及到人、车、路、环境四者之科学发现掀起了对复杂网络结构及其动力学行为间的关系，又与政策、法规、管理和控制等密切相［3—9］［10］的研究热潮，提高了人们对现

4、实世界的科学认关，使得城市交通运行规律变得极其复杂.近几识.随着研究的深入，对于复杂网络的探讨已经渗年来，复杂网络的兴起为交通运输系统的研究提供透到包括生物学、物理学、经济学、计算机机科学以了一个崭新的研究视角，国内外学者应用复杂网络及交通运输等各领域中.特别是随着学科之间的相理论对铁路、城市交通、航空等网络进行了大量的互交叉和融合趋势不断加强，促进了对复杂网络共实证研究，结果表明它们都具有无标度或小世界特有特征和性质的揭示.城市交通系统是一个复杂巨性，除了大量的实证研究外，利用复杂网络理论，在系统，它的一个重要特点是具有

5、时空复杂性，从理交通网络动力学行为分析、交通网络级联失效、交论上分析城市交通网络时空分布复杂性及其上流通阻塞传播以及交通网络演化建模等方面也取得量演化的动力学行为，是研究复杂交通网络的关键了一定的研究成果.研究复杂网络理论的实际目的所在，同时也是城市交通网络研究的关键性基础理是通过研究实际复杂系统的特殊结构形式，为掌握论问题之一.其上的动力学行为及运行机理提供科学支持.以前众所周知，交通运输系统是一切交通活动的载的工作主要是交通的增长如何驱动网络结构的演体，是整个交通活动赖以存在和发挥效能的物质基化，另一些工作则研究不同种

6、类的网络拓扑结构如*国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号:2006CB705500)，国家自然科学基金(批准号:70801005，70871009)，北京市自然科学基金(批准号:8102029)，公安部应用创新计划项目(批准号:2007YYCXSDST057)，中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:2009JBM053)和山东省自然科学基金(批准号:Y2008F14，ZR2009FM038)资助的课题.通讯联系人.E-mail:zygao@center.bjtu.edu.cn2011中国物理学会Chines

7、ePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn050701-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.60，No.5(2011)050701何影响发生于其上的交通动力学.因此，对于城市是车辆的平均长度，ρjam是为拥挤密度;m是t=0交通系统来说，研究不同网络拓扑结构对交通流运时刻在考察的车辆与队列末端车辆之间正在运行行的影响就有着非常重要的意义.的车辆数.实际上是先于该被考察车辆加入队列的虽然应用复杂网络理论对城市交通网络进行车辆数.了相关的研究，但就搞清交通网络的复杂性机理还值得注意

8、的是:该模型的适用条件是0