双层耦合网络上交通动力学和可靠性1.PDFVIP

中国力学大会-2013 双层耦合网络上的交通动力学和可靠性1 *,2 + * * 胡茂彬 ，凌 翔 ，姜锐 ，吴清松 * + （中国科学技术大学工程科学学院，合肥 230026 ） （合肥工业大学交通工程学院，合肥 230009) 摘要：现实的交通系统往往包含多重网络，各个网络相互耦合和影响。本文建立了双层耦合网络上的交通模拟模 型，实例如城市交通中的路面交通网络与轨道交通网络。该模型中，上层网络代表地面交通网络，而下层网络代 表轨道交通网络，两层网络之间通过耦合节点互相连接和影响。出行者在此双层耦合网络上采用加权最短路径旅 行。下层网络具有较短的距离和较高的运量。模拟得到了从畅行相到堵塞相的转换条件。畅行相下，出行时间等 于路径长度，并且方差很小，表明系统很可靠；接近堵塞相时，出行时间增加，并且方差增大，表明系统可靠性 下降。统计发现 OD 对之间出行者旅行时间的分布大致为指数衰减，这与一般交通分配理论中的假设不同。 关键词：耦合网络，交通，相变，旅行时间，可靠性 随着城市化进程的加快，我国的一些大城市，尤其是北京、上海、广州、重庆等特大城市相继出现了 交通拥堵等“城市病”。据统计，目前我国有 102 个超百万人口的大城市，其中超过 400 万人口的城市有 10 个（不算暂住和流动人口）。由于交通负荷大，在城市中心区域，地面交通有时甚至处于半瘫痪状态。 拥挤程度越高的城市，交通系统越容易崩溃。为了应对和解决交通出行问题，北上广等城市都已经大量建 设轨道交通系统，而青岛、长沙、合肥、武汉等城市也在开始建设轨道交通网络。随着轨道交通的大规模 建设，城市居民的出行次数和出行距离大大提高，出行行为和出行方式将发生深刻变化。深入研究城市综 合交通系统的运行特征，探索系统提高抗干扰的能力和可靠性，研究应对突发事件的措施，无疑是具有重 要的理论和现实意义的[1-5] 。 城市交通系统在运行过程中时，常常受到交通事故、恶劣天气、大型活动等随机因素的干扰。这些随 机因素增加了出行者出行过程中的不确定性。在日常生活中，为了准确合理地安排行程，人们不仅关注出 行时间的长短，还关注出行的可靠性。道路网络可靠性可分为路网连通可靠性，行程时间可靠性和路网容 量可靠性[6-16] 。连通可靠性是描述路网之间任意一对OD 点（Origin-Destination ）在给定时刻连通的概率。 连通可靠性仅考虑路网的连通或者不连通两种状态，不考虑网络上交通流运行状况。因此，连通可靠性适 合分析极端（例如地震）情况下的交通网络。行程时间可靠性和路网容量可靠性考虑了网络上交通流运行 状况。行程时间可靠性定义为出行者在给定的时段内到达目的地的概率，路网容量可靠性定义为路网能够 以一定的服务水平承担一定的交通需求的能力。在行程时间可靠性框架下，人们研究了行程时间可靠性对 出行行为的影响，从而提出了考虑行程时间可靠性的交通分配方法，如Lo 和 Tung 提出的 probabilistic user equilibrium (PUE) 要求路径平均行程时间相等且行程时间方差在给定范围之内[8] ；Lo 等将 PUE 推广，认为 行程预算时间(travel time budget)是期望行程时间(expected travel time)和预留行程时间(travel time margin)之 和，要求路径行程预算时间相等[9] ；Shao 等提出了类似的 Reliability-based stochastic user equilibrium (RSUE) 方案[10] 。人们还开展了考虑可靠性的路网优化和交通管理等方面的研究[11-16] 。 大城市交通系统是多种网络的集合，包括地面道路网、公交网、高架和快速路网、地铁轻轨网等。一 般来说，轨道交通的运量大，速度快，是城市交通出行负荷的主要分担者，也是大部分出行者的首选。但 是，轨道交通系统也有建设周期长，投资大，站点较少等问题，需要与地面交通系统例如公交网络配合， 才能更大地发挥城市交通系统的作用。城市交通系统可以抽象为多种交通网络之间通过某些节点和连边互 相耦合和关联，一个网络的行为可以影响另外一个网络的行为，网络之间形成了复杂的互动关系。最近， 研