模拟交通网络拥堵传播的级联失效模型

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【摘 要】随着时代的进步和社会经济的发展,我国城市化进程越来越快,人们生活质量的提高,对城市环境也提出了更高的要求.在城市基础设施中,非常重要的一个组成部分就是城市交通网络,它对于城市经济发展以及城市环境保护和出行畅通等都有着直接的影响,需要引起人们足够的重视.本文简要分析了模拟交通网络拥堵传播的级联失效模型,希望可以提供一些有价值的参考意见.

【关 键 词 】复杂网络；交通网络；级联失效

0 前言

随着时代的发展,近些年来,越来越多领域的专家都开始研究复杂网络,如数学领域、物理领域以及计算机领域等,他们发现复杂网络特性从实际网络中也可以体现出来.经过实证研究,交通网络在复杂网络的结构特性方面等同于其他网络.于是,越来越多的人们开始研究公共交通网络级联失效模型.

1.复杂网络的级联失效

一是,复杂网络级联失效的定义：网络上的级联失效是交通网络和网络上传播行为的一个相似之处；在实际网络中,如果有故障发生于一个节点或者少数几个节点,那么在节点之间耦合关系的影响下,就会导致故障发生于其他节点,发生联锁反应,除了导致一部分节点出现故障之外,严重的话,整个网络都可能因此而崩溃；我们用级联失效来形容这种现象.

二是,复杂网络级联失效的研究意义：随着时代的发展,人们越来越重视关乎国计民生的复杂网络的安全性和可靠性,虽然在此领域内进行了深入的研究和努力,但是依然还会出现一些大规模的级联失效故障.比如,在二十一世纪初期,因为有过载烧断问题出现于美国俄亥俄州克里夫兰市,之后导致了北美出现大范围停电事故,影响到了数千万人的正常生活和工作,造成了数百亿美元的损失.因此,我们就需要深入的研究级联失效的发生机理,以此来采取措施有效的预防和控制级联失效.

2.复杂网络级联失效的动态模型

一是,沙堆模型：在上个世纪八十年代,美国三个物理学家进行了研究,他们假设将砂子不停的堆设于一个平面上,沙堆的逐渐变大,会增加坡面陡度,那么新添加的砂子,就会增大砂崩的可能性.那么我们用自组织临界状态来描述砂崩前的临界状态.科学家通过研究发现,本沙堆模型的雪崩规律分布,具有幂律特性,1.5是它的大概指数.

二是,OPA模型：有专家提出了一个模型,是电网从初始状态向自组织临界状态转化,我们将其称之为最优潮流方法模型,电网状态演化过程中的各个过程,如增加用户负荷、改变电网容量以及修复故障等,都可以利用本模型来进行建模分析.他们认为,电网状态要想发展为自组织临界状态,非常重要的一个动因就是对各种小型故障的防护性工程反应.也就是说,在简单防护和避免小型停电事故,其实就是积累了一次大规模的相继故障.

3.城市交通网络的级联失效研究

一是,城市交通拥堵的形成与传播机理：要想促使城市能够更好的发展,就需要深入研究城市交通网络的鲁棒性和可靠性.目前,随着社会经济的发展,城市规模越来越大,城市人口越来越多,并且私家车数量也在呈较大速度的上升趋势,城市交通需求越来越大,但是交通系统建设和发展却严重跟不上这个速度,对城市的可持续发展起到了较大程度的制约作用.城市交通拥堵问题的出现,不仅在很大程度上损失了经济利益,还对人们的时间造成了极大的浪费,交通事故也因此而增大,环境污染问题日益严重.因此,在目前的城市交通研究中,就需要将城市交通拥堵作为研究的重点,需要结合实际情况,进行城市交通拥堵传播模型的构建工作,同时,对传播过程中网络节点重要性进行探讨,对拥堵传播受到不同拓扑结构的影响进行分析和研究,然后提出科学的道路规划和控制策略,来对交通拥堵问题进行有效的缓解和预防.

通常情况下,主要会有三种方式造成城市交通拥堵,分别是暂时的故障、网络本身通行能力较低以及在网络中某一个特定地区,需求随机波动,这样就会导致排队延伸.不管是是哪一种方式造成的,都可以对拥堵的后续发展和传播过程进行预见,在对城市交通拥堵的形成和传播机理进行研究时,需要对下面这两种情形进行充分注意：

首先是排队传播：我们在开始时,选择某区域中心附近某处的第一个路障,有交通事故发生,在分岔过程中,会有路段间排队的延伸产生,然后在各个路段的交叉口,都会有新的分岔产生于每一个排队上.刚开始的时候,我们可以用简单树的形状来看待分支的拓扑结构,但是,经过时间的推移,会沿着一个街区的四周,排队越来越长,之后首尾交接,形成一个封闭的环.然后这样的情况发生于其他地方,导致更多封闭环的出现,因此,拓扑结构就会发生变化,成为网格形态.

其次,量化交通拥堵严重程度：我们可以量化模型中总旅行时间和因拥堵而造成的延误时间.主要有两种度量方法,第一种度量方法的主要对象是路障导致的市区交通堵塞形成的时间,另外一种方法则是在任何特定时刻,拥堵范围内拥堵节点及路段数量的形成都可以表示为整体交通拥堵增长和消散的速率.

再次,城市交通网络中交通枢纽或Hub点的确定：自从911恐怖袭击发生之后,各国科学家都已经将复杂网络的相关理论应用起来,以此来对城市基础设施可能遭受到的攻击进行预防,以此来促使国家和城市的安全得到保证.要想解决这个问题,非常关键的一个环节就在于将网络中的Hub点给找出来.通过确定城市交通网络的Hub点,就可以有效预防那些蓄意性攻击,有效解决交通网络设计问题,提高资金的使用率,将其更加有效地在网络改扩建或新建工程中应用.有学者在这个方面已经进行了研究,他们依据北京公交网络的无标度特性,将公交网络平衡配流理论和方法给应用了过来,提出了一种方案,来对公交网络集散点进行有效寻找,以此来利用无标度网络理论来对现实的交通网络的规划设计工作进行有效地指导.

4.结语

通过上文的叙述分析我们可以得知,随着时代的发展,我国交通拥堵问题日益严重,城市交通网络是一种重要的城市基础设施,它的正常运行,会对城市经济发展以及城市可持续发展产生直接的影响,因此,就需要将复杂网络理论给应用过来,深入研究城市交通网络的级联失效,以此来更好的指导于城市时空结构,对交通拥堵产生的内在机理进行解释,对交通网络合理设计,针对交通拥堵,提出一系列的缓解措施和预防措施.本文简要分析了模拟交通网络拥堵传播的级联失效模型,希望可以提供一些有价值的参考意见.

【参考文献】

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[责任编辑：程龙]