一种多感染阈值、多传播并存的拥堵网络化传播模型制造技术

一种多感染阈值、多传播并存的拥堵网络化传播模型，包括：(1)城市交通系统扩展复合网模型；(2)网络拓扑性质对交通拥堵网络化传播影响分析模型：(3)动态组网运算模型。本发明专利技术的优点是：针对传统的SIS等传播动力学模型对城市交通呈多形态的拥堵蔓延传播存在局限的问题。现行的解析和仿真模拟的方法往往需要相对严格的假设条件，致使实际的交通系统复杂性被简化，难以刻画城市交通拥堵网络化传播的真实状态。建立多感染阈值、多传播并存的拥堵网络化传播模型，以解决传统传播动力学模型对城市交通拥堵传播过程中因路段、路口等交通节点拥堵程度、状态多样，导致拥堵传播蔓延呈多形态的问题。

A congestion network propagation model with multi-infection threshold and multi-propagation coexistence

【技术实现步骤摘要】
一种多感染阈值、多传播并存的拥堵网络化传播模型
本专利技术属于智能交通系统
，涉及一种多感染阈值、多传播并存的拥堵网络化传播模型，用于城市公交拥堵蔓延分析。
技术介绍
近年以来，伴随社会经济的飞速发展，交通需求快速上升，城市道路交通拥堵已成为世界各大城市所面临的共同问题。交通拥堵发生的本质是由突发事件、路网通行能力、环境条件或交通需求波动引发的交通瓶颈。当拥堵发生时，由于路段的物理连接属性，拥堵会逐渐向多个邻接路段蔓延传播，若无有效的拥堵消散机制，则会形成拥堵的网络化传播。因此，建模分析城市道路交通网络中复杂的交通拥堵蔓延的时空传播特性，发现拥堵网络化扩散的机理，并在此基础上预测交通拥堵扩散的动力学行为，具有十分重要的意义和实际应用价值。城市交通系统网络是一个复杂系统，由交通流、交通监测及控制系统以及不同等级的道路(快速路、主干路、次干路、支路等)通过路口、路段连接成的路网组成。在路网中，不同等级的道路承担不同的功能，由于道路物理属性的不同，导致不同等级道路上交通流的特征具有显著差异，尤其是快速路的连续流(无信号控制)和主干路、次干路的间断流(信号控制)差异巨大。交通拥堵传播和消散，在一定的信号控制机制下主要由道路上游和下游的车流决定，因此不同等级道路的拥堵传播和消散的能力具有差异。交通拥堵由点拥堵向线拥堵、继而向面拥堵蔓延的过程中，除了受道路自身交通能力的影响外，道路间连接的出入口或辅路对交通拥堵传播和消散也具有十分重要的影响，如果出入口或辅路与道路的交通流不匹配，相对于实际交通需求消散能力弱，则拥堵会通过路口向邻近道路传播。可见，出入口或辅路对交通流集散的能力与交通拥堵的传播和消散具有密切的关系。再者，交通拥堵类型也会对拥堵的传播和消散产生影响，由道路交通事件本身(如交通事故、违规驾驶、交通管控等)引起的拥堵，在道路空间网络上随机出现，其传播和消散过程一般具有短时间、近邻域的特征；而因交通需求与路网能力不匹配导致的常发型拥堵(如早晚高峰、路网设计不合理等)，其传播的空间范围往往更大，影响的时间更长。由此可见，交通拥堵的传播是一个涉及多类要素(道路、路口、车流、控制信号等)复杂相互作用的异质传播过程，导致交通拥堵传播和消散的机理十分复杂。目前，交通拥堵传播的研究主要分为基于交通流理论的模型和基于复杂网络的模型。宏观模型以交通流整体作为研究对象，研究交通流中所有车辆的群体平均行为，使用交通流量、密度和速度描述交通现象，不关注单个车辆的运动特征。流体力学模型LWR模型是最主要的宏观交通模型。它建立了密度，流量，交通流的平均速度等交通流特征之间的关系。冲击波模型是基于流量守恒定力提出的描述车流中不同交通状态相互转化过程的模型，以水波的起伏变化类比车流的集聚与分散。但由于各路段在道路物理设施、与拥堵路段交通流交换量等因素各不相同，交通拥堵向相邻路段的传播必然具有异质性，因此，路段间的相互作用、路段与路口间的相互作用对交通拥堵的传播具有重要影响，虽然现行的宏观模型在各自的约束条件下能够较好地把握道路网络中交通流的整体变化特征，但各类约束或假定简化了实际城市交通网络的复杂度，对于考虑各类道路段之间、路段与路口之间的相互影响作用以及各类影响因素影响下的日益复杂化的城市交通系统具有一定的局限。从图论角度看，道路网络是由路口(节点)、路段(边)以及它们之间的连通关系组成的，道路网络上的车流、人流与道路相互作用，产生复杂的动力学行为，拥堵的产生可视为网络上节点或连边的失效，拥堵的蔓延扩散可视为因节点或连边失效而导致网络由点、线的失效到面的级联失效，因此将复杂网络理论引入到交通拥堵研究得到了大量研究者的关注。Moreno等研究了BA无标度网络模型中的点拥堵和边拥堵的传播过程，并讨论了路网的自组织时间、排队时间、内部噪声强度的临界值等问题；高自友等引入易感-感染-恢复(Susceptible-Infected-Recovered，SIR)模型研究了小世界网络的交通拥堵传播模型，发现交通系统中系统成员的行为类似与病毒传播过程中的病毒平均感染率和平均恢复率，同时这些行为与网络的拓扑结构也直接相关；随后，他们又引入易感-潜伏-爆发-恢复(Susceptible-Exposed-Infected-Recovered，SEIR)病毒传播模型研究了交通拥堵时路网的平均感染率和平均恢复率。吴建军等提出了一种新的动态交通模型用以研究人们对车辆路径的选择行为，并发现交通流网络的拓扑结构和动力学特性对交通拥堵传播产生的影响；他们还研究了城市道路交通平衡网络上的级联失效模型，模拟不同OD流量条件下引发的相变，发现级联失效可分为快速区、慢速区和稳定区。郑建风等研究了不同容量分布和OD需求对复杂网络拥塞与效率的影响，同时通过引入拥塞效应研究复杂网络中拥塞和效率。与宏观模型类似，目前基于复杂网络的交通拥堵传播模型研究主要通过解析和仿真模拟的方式，解析和仿真模拟往往需要相对严格的假设条件，即对实际的交通进行大量的简化，难以体现交通拥堵受多因素间的相互作用，其次，仿真模拟之前须提前制定好车辆路径或初始化传播参数，但是实际道路上交通流的产生和演变极其复杂，具有时空异质性，仿真模拟的方式很难刻画城市级网络交通流传播的真实状态。随着物联网技术和智能交通系统的快速发展，大规模交通数据为研究交通拥堵提供了新的机遇与挑战。从公交车与出租车的GPS记录、磁感线圈等传感器采集的交通流量等真实数据有望挖掘出拥堵模式、研究拥堵机理，对预测拥堵乃至调控拥堵有重要的指导作用。在此背景下，基于交通大数据驱动的拥堵蔓延的发现、分析及预测成为交通拥堵建模与分析的一个研究热点。Zhao等通过分析浮动车辆数据，得到城市路网中每个网格交通量流入和流出的状态，基于相邻网格间交通状态的相互影响，分析拥堵在网络上的传播。Liu等将交通网络划分成了若干区域，采用似然比统计量从出租车GPS轨迹中提取拥堵蔓延模式。Nguyen等先依据平均旅行时间选择拥堵的道路，然后按照时间顺序识别拥堵蔓延模式，最后基于Aprori算法挖掘拥堵蔓延的频繁模式。Mohammadrezad等通过时空维度对城市交通网络的聚类问题进行研究，将路网划分为若干同质子网，将异质性作为主要目标函数进行混合整数线性规划，形成相似拥堵级别的链路，进而识别和模拟拥堵蔓延的模式。Wang等基于出租车GPS数据、道路和POI等多源数据提取拥堵信息和道路功能，通过若干分类器训练，证明了交通拥堵蔓延具有方向性和可传递性，并发现了一些拥堵模式。Xiong等建立了基于pro-图学习拥堵频繁模式，并根据拥堵时空图预测拥堵蔓延。Ramezani等采用历史交通时序数据，基于概率推理模拟和机器学习方法预测后续交通状态。上述研究为基于交通大数据挖掘提取交通拥堵发生和传播、消散的特征和模式提供了很好的尝试，但目前此类方法对交通拥堵与相关环境要素(道路、路口、车流、控制信号等)的深层次作用机理缺乏相应的研究，对于当前复杂的城市交通拥堵网络化蔓延的机理研究与预测还有距离。通过上述分析不难发现，从实测的交通大数据中挖掘提取拥堵的特征和模式，以及影响拥堵传播消散的各类交通因素和环境因素的相互作用关系，将其作为参数和状态加载到道路复杂网络上，拓展已有的复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多感染阈值、多传播并存的拥堵网络化传播模型，其特征在于，包括：（1）构建城市交通系统扩展复合网模型：在交通复合网基础上，针对交通拥堵蔓延状态受路段或路口属性、天气的影响，且不同路口路段拥堵蔓延状态大多表现为非一致性和非均衡性的特征，构建影响交通拥堵传播和消散的多类要素子网，定义各个子网节点与边的相关属性，给出要素子网的形式化描述；基于复合复杂网络动态组网运算工具，将交通热点子网、传感器子网等交通要素子网与路口、路段等多类道路子网通过加载运算进行复合，构建城市交通系统复合网模型；（2）网络拓扑性质对交通拥堵网络化传播影响分析模型：分析不同环境条件下不同拓扑对拥堵发生的影响或相关性、对拥堵蔓延的影响；结合复合网性质分析，通过对交通网络中路段、路口节点上的状态变化的大数据分析研究，提取不同网络拓扑结构和网络环境条件下的交通拥堵传播和消散机理规律；（3）动态组网运算模型：将多个子网通过给出条件构建成一个复合网，为了实现城市交通分析预测的快速动态组网需求，在已有的动态组网运算工具基础上设置快速动态组网算法，包括子网加载和子网退缩。

【技术特征摘要】
1.一种多感染阈值、多传播并存的拥堵网络化传播模型，其特征在于，包括：（1）构建城市交通系统扩展复合网模型：在交通复合网基础上，针对交通拥堵蔓延状态受路段或路口属性、天气的影响，且不同路口路段拥堵蔓延状态大多表现为非一致性和非均衡性的特征，构建影响交通拥堵传播和消散的多类要素子网，定义各个子网节点与边的相关属性，给出要素子网的形式化描述；基于复合复杂网络动态组网运算工具，将交通热点子网、传感器子网等交通要素子网与路口、路段等多类道路子网通过加载运算进行复合，构建城市交通系统复合网模型；（2）网络拓扑性质对交通拥堵网络化传播影响分析模型：分析不同环境条件下不同拓扑对拥堵发生的影响或相关性、对拥堵蔓延的影响；结合复合网性质分析，通过对交通网络中路段、路口节点上的状态变化的大数据分析研究，提取不同网络拓扑结构和网络环境条件下的交通拥堵传播和消散机理规律；（3）动态组网运算模型：将多个子网通过给出条件构建成一个复合网，为了实现城市交通分析预测的快速动态组网需求，在已有的动态组网运算工具基础上设置快速动态组网算法，包括子网加载和子网退缩。2.根据权利要求1所述的多感染阈值、多传播并存的拥堵网络化传播模型，其特征在于，所述的交通拥堵蔓延状态受路段或路口属性包括：层级性质、...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵峰晶，孙仁诚，隋毅，余翔，赵庆磊，代继鹏，王光波，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东,37