城市交通拥堵的时空传播规律实证研究

Congestion propagation is fundamental for understanding and improving the reliability of future comprehensive transportation systems. Congestion propagation is one of the typical diffusion processes on networks, where the tempo-spatial propagation law is the central question therein. While previous studies mainly focus on the static statistical analysis with modeling method, the spatial path and temporal feature of congestion propagation in the real city traffic have rarely been touched. Based on the empirical congestion record in city traffic, this project will focus on the tempo-spatial properties of congestion propagation. We divide the whole process into 3 parts including congestion emergence, congestion evolution and congestion dissipation, and will formulate the corresponding quantification framework. We will analyze the topological and temporal features, explore the underlying relation between the traffic percolation and congestion propagation, and develop corresponding theoretical models. Our findings will help to understand the connection between function and failure of complex networks, and to promote the management development of congestion prediction and mitigation in the future intelligent transportation.

拥堵传播是理解并提高未来综合交通系统可靠性的重要基础问题。城市交通拥堵的传播是一种典型的网络传播过程，传播的时空规律是其中的核心问题。以往研究主要以建模方法为主，集中研究了拥堵传播的静态统计性质，对城市交通实际运行过程中的拥堵传播空间路径和时序特点关注较少。本项目将从实际交通网络拥堵过程出发，围绕拥堵的时空传播特点开展研究。我们将从拥堵涌现、拥堵演化以及拥堵消散三个方面，形成体现拥堵传播时空特征的量化框架，分析拥堵传播的拓扑特征和时序特点，挖掘交通流的渗流组织与拥堵传播特征之间的内在联系，建立拥堵传播的理论模型。项目研究成果将对理解复杂网络功能和故障之间的关系有着重要的理论意义，也将对未来智能交通中的拥堵预测和缓解等管理能力的构建有一定的应用价值。

作为交通系统的核心故障，城市交通拥堵是一种典型的网络传播过程，传播的时空规律是其中的核心问题。以往研究主要以建模方法为主，集中研究了拥堵传播的静态统计性质，对城市交通实际运行过程中的拥堵传播空间路径和时序特点关注较少。本项目从我国特大城市实际交通网络拥堵过程出发，围绕拥堵的时空传播特点开展研究，从拥堵涌现、拥堵演化以及拥堵消散三个方面，形成了体现拥堵传播时空特征的量化框架，分析了拥堵传播的拓扑特征和时序特点，挖掘了交通流的渗流组织与拥堵传播特征之间的内在联系，建立了拥堵传播的理论模型。项目成果在拥堵传播的量化框架（EPJ Data Science）、拥堵传播的时空特征挖掘（2篇PNAS）、交通渗流对拥堵传播的影响分析（1篇PNAS）、拥堵传播的理论建模（IEEE Transactions on Reliability）等方面获得了突破性进展，研究成果获德国德累斯顿工业大学Marc Timme教授、澳大利亚莫纳什大学的Hai L. Vu教授等人在PNAS、Nature Communications、TRC、RESS等顶刊正面引用，成果支撑对北京市等我国特大城市开展交通健康评估。我们基于交通实际运行数据，考虑网络功能和故障之间的矛盾与联系，发现了具有不同拥堵传播能力的渗流临界模式，进一步建立了反映拥堵传播正反馈故障机制的系统可靠性模型，形成了一套从特征挖掘到态势感知的城市交通拥堵时空传播分析框架，将支持未来智能交通中的拥堵预测和缓解等管理能力构建。