2基于p-灰色加权关联分析的城道路交通网络关键节点评价算法.doc

城市道路交通网络关键节点辨识方法研究 郑黎黎1,2,3)；王世广2)；王伟2)；丁同强2)* 吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.吉林大学 交通学院，长春 130022；3.吉林大学 吉林省道路交通重点实验室，长春 130022） 摘要：如何有效辨识城市道路交通网络中的关键节点，是当前城市交通控制和应急管理领域亟需解决的重要技术问题之一。文中综合考虑城市道路网络的拓扑结构特征和交通流特性，建立城市道路交通网络关键节点评价指标体系；设计了基于P-灰色加权关联分析的关键节点辨识方法，利用长春市区域路网进行了实例分析，并和其他方法的排序结论进行了对比，证实本文提出的方法可行、有效。通过进一步数据拟合，给出了节点重要度和相关指标的拟合公式，以期为实际应用提供参考。 关键词：交通工程；关键节点；复杂网络理论U491 引言 城市道路交通网络中，节点和边是其重要的组成部分。本文研究的节点主要是指交叉口，在众多的交叉口中对路网结构安全、可靠及路网整体性能发挥具有重要影响的节点称为关键节点。以路网中的关键节点为核心进行区域交通控制、管理和预防、疏散与救援，将会对交通拥挤的治理和应急管理工作起到事半功倍的效果[1]。因此，辨识城市道路交通网络中的关键节点是当前城市交通控制和应急管理的重要技术问题之一。 就城市交通网络的演化特征而言，网络拓扑对城市交通网络上的流量分布、出行阻抗分布以及其他动力学过程具有潜在的巨大影响[2]。从这一角度，许多学者借鉴其他 领域[3,4,5,6]利用复杂网络理论几何特征指 标对节点重要性评价的思路开展了交通领域的研究。文献[7-9]分别提出最短路径介 数、最小生成树和参数 等作为指标来衡量节点的重要性。文献[10] 提出了一种以路段阻抗为权重、以凝聚度为指标的加权节点收缩方法。另外，从路网的交通流特性角度出发，文献[11]基于节点删除法提出了考虑级联失效的交通网络节点重要度评价方法，认为出行网络结构、出行者行为对节点重要度有重要影响。文献[12]选取行程车速、延误和饱和度等对城市道路交通关键节点进行辨别。 但以上研究更多的是从单一方面来考虑节点的重要性评估，具有一定的片面性。城市交通网络既受静态拓扑结构的影响，也受到动态交通流分布的影响。因此只有综合考虑路网的交通流特性和拓扑结构特征来评估节点的重要性才具有一定的现实指导意义。 基于以上分析，论文综合考虑城市道路网络的拓扑结构特征和交通流特性，提出基于道路等级的节点度、基于行程时间的节点介数和平均路径长度变化率与交通流主要特性指标共同构成关键节点评价体系，并运用主成分分析与灰色加权关联分析相结合的方法来实现城市道路交通网络关键节点的辨识，最后进行了实例分析。 1城市道路交通网络关键节点评价指标体系的构建及优化 1.1交叉口重要度函数 图1 关键节点评价指标体系 定义交叉口重要度是评价指标体系中各参数的一个函数，若设A为复杂网络特性指标集合；B为交通特性指标集合,则有。 1.2 复杂网络特性指标 1）基于道路等级的节点度 结合复杂网络理论中节点度的概念，本文定义基于道路等级的节点度为交叉口所连路段各进口道与出口道车道数之和的均值。 （1 式中，为交叉口进口道数；为交叉口出口道车道数；为交叉口进口道车道数。 通常，度越大代表着该节点在网络中越重要，它描述了节点的连接程度。 2）平均路径长度变化率 基于行程时间的平均路径长度变化率 （2） 表示在自由行驶条件下的平均路径长度，表示任意节点删除后道路交通网络的平均路径长度。 其中，平均路径长度是交通网络中所有节点对之间距离的平均值，即 （）表示道路交通网络中节点的个数，表示从节点到节点的最短距离，表示道路交通网络中的节点集。 通常，平均路径长度变化率越大，表明该节点在交通网络中越重要。 3）基于行程时间的介数 基于行程时间的节点介数可定义为道路交通网络中所有的最短路径中经过该节点的数量比例。节点的介数可由下式计算： （） 是任意连接点和的最短路径的数量，是连接点和且经过点最短路径的数量。此处最短路径是指从到所需行程时间最小的路径，可通过Floyd算法计算出所有节点对之间的最短路径。 依据最短行程时间计算的介数反映了节点在整个交通网络中的作用和影响力，具有很强的现实意义。 对于交通特性指标的详细定义参见相关书籍，限于篇幅在此不再赘述。 1.3 评价指标的优化 对于这一多指标问题，指标间往往存在一定的相关性，直接纳入分析不仅复杂、变量间难以取舍，而且可能因多元共线性而无法得出正确结论。为了提高算法的精度和效率，选取主成分分析法（principal component analysis）来确定关