论文总字数：44856字

摘 要

交通网络的结构是否合理、功能是否完备、容量是否充足均决定了城市是否能健康、可持续的运行。随着经济的快速发展以及时间价值的不断提升，人们越来越追求路网服务质量的稳定性及可靠性。路径冗余性（route redundancy）指的是交通网络中任意两个小区之间的有效路径数，较高的路径冗余性可为拥挤状态下或者事件状态下出行者的替代路径转移提供可能。因此，采用路径冗余性对破坏性事件发生前的交通网络储备水平进行刻画，对交通网络的规划和运营管理具有较为显著的意义。

本文首先明确路径冗余性的概念，并对有效路径进行定义。现有Bell型有效路径数计算方法采用三层矩阵迭代的思想，计算复杂度高，存在大量冗余计算，在大规模交通网络的应用中存在局限性。受到经典Logit模型的Dial算法的启发，本文提出一种Dial型有效路径数计算方法。该方法不需要枚举有效路径，具有更低的计算复杂度，能够更加高效地评估大规模交通网络中的路径冗余性。本文对Dial型有效路径算法进行了编程与测试，通过多个算例网络验证了算法的正确性，并对Dial型算法与Bell型算法的计算效率进行了比较。

基于路径冗余性，本文进一步对交通网络关键要素（关键节点和关键路段）进行识别，其核心是计算经过任一网络要素的OD间有效路径数。在OD对层面，经过要素的有效路径数量越多，该要素就越关键，可采用要素使用概率（即OD对间经过该要素的有效路径数与OD对间总有效路径数的比例）予以刻画。在网络层面，考虑到一个网络包含大量的OD对，每个要素都对应一个使用概率分布，本文提出用均值-超量重要度(MECP)指标去描述概率分布“尾部”的特征，同时根据出行者的实际选择行为，将归一化的OD需求量作为加权去识别网络中的关键要素。最后以Winnipeg交通网络为案例，验证本文提出的算法在大规模真实交通网络中的可用性。

关键词：交通网络，路径冗余性，有效路径，Dial算法，关键节点，关键路段

Abstract

The structure rationality, complete functionality and sufficient capacity of transportation network are vital to the healthiness and sustainability operation of a city. With the rapid economic growth and people’s increasing time value, people are increasingly pursuing the stability and reliability of transportation network service. Route redundancy refers to the number of effective paths between any two nodes in a transportation network. Higher route redundancy offers more alternative paths to reroute travelers under congestion or disaster conditions. Redundancy characterizes the level of network pre-disaster preparedness and has significant implications for network operation management and optimization.

In this paper, route redundancy and effective path are defined firstly. On this basis, the existing Bell-type algorithm for counting the number of effective path is explained and analyzed. Inspired by the classical stochastic user equilibrium loading algorithm, a Dial-type algorithm for counting the number of effective paths is proposed. This method has lower computational complexity, and can evaluate the route redundancy in a complex traffic network more efficiently, without enumerating the network routes. Coding and testing of the Dial-type algorithm is then carried out. The algorithm is validated by three transportation network examples, and the computational efficiencies of the Dial-type algorithm and the Bell-type algorithm are compared.

Route redundancy is then applied to identify critical elements (critical nodes and critical links) of transportation networks. At the origin-destination pair level, the critical elements are defined as those elements which are included by more efficient paths (i.e., route diversity redundancy) of different origin-destination (O-D) pairs in a network. At the network level, considering the different criticality degrees of an element with respect to different O-D pairs, Mean-Excess Criticality Probability (MECP) is introduced to describe the tail of probability distribution. To further consider the travelers’ actual choices, the linearly normalized O-D traffic flow is used as an adjustment or weight for identifying critical elements in transportation networks. Finally, the Winnipeg traffic network is used to verify the applicability of the proposed algorithm in a large-scale real traffic network.

KEY WORDS: transportation network, route redundancy, effective path, Dial-type algorithm, critical node, critical link

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 2

1.4 技术路线 3

1.5 本章小结 4

第二章 路径冗余性评价指标与算法设计 5

2.1 路径冗余性概念 5

2.2 有效路径定义 5

2.3 Bell型有效路径数计算方法 6

2.3.1 构建子网络 6

2.3.2 计算有效路径 7

2.4 Dial型有效路径数计算方法 8

2.4.1 第一步：初始化 8

2.4.2 第二步：有效路径检查 8

2.4.3 第三步：前推 8

2.4.4 第四步：后推 9

2.4.5 算法修正说明 10

2.5 算例 10

2.6 本章小结 13

第三章 Dial型有效路径算法编程与测试 14

3.1 测试条件 14

3.1.1 硬件环境 14

3.1.2 编程语言 14

3.1.3 开发环境 14

3.2 网络描述 14

3.2.1 网络输入文件 15

3.2.2 网络输出文件 18

3.3 主要程序 18

3.3.1 读取文件程序 19

3.3.2 最短路程序 20

3.3.3 主程序 20

3.4 网络测试结果 20

3.4.1 Sheffi网络测试 20

3.4.2 两种算法比较 21

3.5 本章小结 22

第四章 基于路径冗余性的交通网络关键要素识别 23

4.1 交通网络关键节点识别 23

4.1.1 OD层面关键节点 23

4.1.2 网络层面关键节点 23

4.2 交通网络关键路段识别 25

4.1.1 OD层面关键路段 25

4.1.2 网络层面关键路段 25

4.3 本章小结 26

第五章 Winnipeg网络分析 27

5.1 数据来源 27

5.2 路径冗余性分析 28

5.3 关键节点分析 29

5.4 关键路段分析 31

5.5 本章小结 33

第六章 结论与展望 34

6.1 成果总结 34

6.2 研究展望 34

致谢 35

参考文献 36

附录A Dial型算法主要程序代码 37

附录B Bell型算法主要程序代码 51

第一章 绪论

1.1 研究背景

随着我国经济的快速发展，随之而来的交通问题日益凸显，有关交通网络性能的研究也逐渐成为广受关注的热点问题。近年来我国各大城市机动车保有量增势迅猛，交通需求量成持续上涨趋势。截至2016年底，全国汽车保有量达1.94亿辆，其中有49个城市的汽车保有量超过一百万辆，18个城市超过两百万辆，6个城市超过三百万辆^[1]。就上海市而言，至2017年年末，上海市拥有各类民用汽车361.02万辆，比上年增长11.8%。其中，私人汽车274.41万辆，增长13.1%。机动车的逐年攀升导致城市交通需求的迅猛增长，从而对交通网络提出了更高的要求。

对于交通系统而言，突发性异常事件造成的损害是极其严重的。2001年9月11日，美国纽约遭到恐怖袭击事件，致使世贸大厦周边道路被破坏，部分道路封闭；我国南部于2008年冬发生严重的雪灾，使得道路结冰、高速公路封闭，交通严重受阻；2016年5月，上海中环高架被破坏，导致周边交通受阻，“一场车祸影响半座城”，造成了严重的损失。对于城市交通网络而言，日益增长的交通需求导致在高峰时期出现非均衡、超饱和等现象，这种常发性拥堵为居民的出行造成了不便，城市中心区域交通拥堵的蔓延甚至可引起交通系统瘫痪，带来巨大的经济损失。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：44856字