基于网络拓扑和交通拥堵分析的公交网络生成优化模型与算法研究

In order to ease the influences of urban traffic congestion on the public transit system, this project makes the urban transit network as topology. It applies Complex Network Theory, Systems Engineering Theory, Graph Theory etc. to study public transit network generation optimization model and algorithm. Firstly it analyzes the impact mechanism of traffic congestion on the public transit network from the angle of underlying network topology. With emulation, determine the best network capacity under different bus demand conditions and The optimal robustness network topologies and characteristic parameter values. Determine the preferential attachment probability formula on the base of analyzing the differences between BA network and bus network. Then propose complex transit network generation algorithm based on the gravity -driven. Analyze residents travel strategy when traffic congestion happening, apply complex network theory to build Public transport network optimization model based on residents travel strategy, and then solve model parameters and propose model algorithm. Make the urban public transit system of Changchun, Jilin etc. as platform to verify the validity of the models and algorithms. This study can enrich urban public transit planning theory system, improve the response capacity when the urban public transit network facing traffic congestion. Therefore it has high theoretical value and practical significances.

为缓解城市交通拥堵对公交系统的影响，本项目将城市公交网络抽象为拓扑结构，综合运用复杂网络理论、系统工程理论、图论等理论和方法，对公交网络生成优化模型与算法进行深入研究。首先从底层网络拓扑结构角度，分析交通拥堵对公交网络的影响机理，并据此通过仿真，确定不同公交需求条件下的网络容量最优和鲁棒性最优的公交网络拓扑结构及其特征参数值。在分析BA网络与公交网络差异基础上，确定偏好连接概率公式，提出基于引力驱动的复杂公交网络生成算法；通过对交通拥堵时的居民出行策略进行分析，应用复杂网络理论，建立基于居民出行策略的公交网络优化模型，并对模型参数进行求解，提出公交网络优化算法，以长春、吉林等城市公交系统为平台验证模型与算法的有效性。该研究可丰富城市公共交通规划理论体系，提高城市公交网络对交通拥堵的应对能力，具有很高的理论价值和实际意义。

随着我国汽车产业的蓬勃发展，道路资源极度短缺，交通拥堵现象日益严重，如何对城市公共交通尤其是常规公交网络进行合理生成和优化，使其有效应对交通拥堵，最大限度发挥其优势，已成为一个十分重要的问题。本项目针对公交网络应具有的网络拓扑结构特征，基于复杂网络理论和交通拥堵分析，考虑交通拥堵对公交系统和居民出行需求的影响，对城市公交网络生成与优化相关方法进行研究。首先基于分形理论对公交站点的需求特征进行了分析，对城市公交网络生成与优化的基础问题进行研究,并在此基础上分析了城市公共交通线网规划的规划目标和约束条件，设计了基于站点容量限制的城市公交效率网络生成算法。以Barabasi和Albert提出的经典BA模型为基础，基于增长机制和偏好机制提出两个复杂公交网络生成算法：基于效率驱动的复杂公交网络生成算法和基于引力驱动的复杂公交网络生成算法，比较了两个模型的异同点，由于后者充分考虑站点之间阻抗以及站点能力等因素，规划设计的网络会更加符合实际。随后通过分析居民出行策略和拓展边介数，引入相关参数以模拟居民在交通拥堵时的出行策略变化，从而构建基于边介数的城市公交网络优化模型及其求解算法，并对模型参数进行了标定。为结合数学模型和经验设置站点的优势，提出二步骤法计算实际站间距，对城市公交站间距优化进行了研究。第一步根据模型假设，建立了站间距最优模型，计算理想条件下的最优站间距；第二步通过分析站间距影响因素，将其归为五个综合因素，从而建立站间距修正模型。本项目的研究成果可拓展复杂网络理论的应用范围，丰富城市公共交通规划理论体系，提高城市公交网络对交通拥堵的应对能力，促进城市公交系统健康有序的发展，具有较高的理论价值和实际意义。