一种基于渗流分析的城市交通脆性评估方法技术

本发明专利技术提供一种基于渗流分析的城市交通脆性评估方法，步骤如下：一：构建实时城市交通流网络；二：运用渗流分析方法，分析城市交通功能网络在不同道路拥堵率下的交通运行水平；三：分析系统在渗流临界点附近的标度关系，并以此为依据确定城市交通脆性；通过以上步骤，本发明专利技术有效分析了城市交通脆性，能够帮助城市交通管理者评价和预测城市交通系统的状态变化，为城市交通管理者规避可能发生的重大交通拥堵提供早期预警作用；本发明专利技术提供的脆性指标及其实现方法同时能够为城市交通系统管理与控制的提供理论和技术指导，对于智慧城市建设等热门领域具有启发和促进作用。

A Brittleness Assessment Method for Urban Traffic Based on Seepage Analysis

【技术实现步骤摘要】
一种基于渗流分析的城市交通脆性评估方法
本专利技术提出一种基于渗流分析的城市交通脆性评估方法，它涉及一种基于渗流分析的城市交通脆性指标及其实现方法，属于交通可靠性与网络科学交叉

技术介绍
脆性的定义来源于材料力学中的概念：材料在外力作用下仅产生微小形变即发生断裂或破坏的性质。引申到复杂系统中，系统脆性的定义为：由于内、外因素的作用使得系统发生难以逆转的结构或功能方面的整体性崩溃的性质。由系统脆性的定义可以看出，系统的脆性临界点往往意味着系统结构或功能方面的极端失效状况。在现代工程应用中，尤其是针对那些对于经济社会的正常运行具有重大意义的关键基础设施，设计者应该着重考虑如何让这些系统在实际运行中充分避开其脆性临界点，以避免造成灾难性后果。作为关键基础设施的城市交通道路网络，如果其发生大规模的交通瘫痪，不仅会造成重大的经济损失，同时也会给人们的正常出行带来巨大的不便。例如，发生在2012年的“7·12”北京特大暴雨，导致北京市路网大量的主路断路，由此引发了遍及全市的交通瘫痪，造成的直接和间接的经济损失超过百亿元。为了防止城市交通系统发生这类大规模的交通堵塞甚至是全城性的交通瘫痪，需要对城市交通脆性有足够深刻的认识和研究，以便挖掘其发生系统性崩溃的内在机理和条件，为防止系统脆性相变的发生做出有效的预防指导。城市交通脆性的相关研究还处于起步阶段，目前关于城市交通脆性的定义还没有一个统一的标准。现有关于城市交通脆性的衡量指标主要涉及到城市交通系统的行程可达性，即用户从起点出发能够在规定的时间内到达终点的性质。通过分析不同个体的可达比例来作为系统当前状态下的可达性指标。当城市交通系统的可达性下降到一定程度时，则认为其达到了系统脆性临界点，并以该临界点的值此作为衡量系统脆性大小的指标。基于行程可达性的城市交通脆性指标具有一定的应用价值，也容易被用户理解和接受，因而其应用较为广泛。但这一指标及其确定方法也有一定的局限性：首先，这一指标的确定方法主要从用户的角度出发，主要反映了局域交通(特别是交通极端拥堵区域)的供需的矛盾情况，容易受到不同用户样本导致的抽样偏差的影响，难以反映系统的宏观运行特点；其次，该脆性指标的计算需要等待大量用户行程完成之后，才能准确根据其出行轨迹确定某一对起点终点间的可达性高低，较难提供准确的实时预测。渗流理论可以很好的分析网络整体的有序变化关系。在研究中通常将网络的最大连通子图的尺寸作为序参量，而道路拥堵率可以作为一个控制参量。连通子图中任意两点至少存在一条可以相互连通(可达)的路径，而一个连通子图的尺寸通常是其所包含的节点的数目(并且通常除以原始网络所有节点的数目，归一化为一个相对值)。对于城市交通流网络，考虑到道路的功能性，可以认为发生拥堵的道路已经失效，需要从原道路网络中“删去”，而畅通的道路则保留下来，进而计算出城市交通的拥堵率(即删边数量占原道路网络所有连边数量的比例)。通过以上方法得到的剩余城市交通流网络是一个仅包含未拥堵道路(即能够以一定的标准实现一定的运输功能的道路)的功能性网络(称之为城市交通功能网络)，以深度优先搜索等遍历算法就能够确定这个功能性网络中的最大连通子图的大小，其代表了当前城市交通网络的整体运载能力，可以用来衡量城市交通系统当前的整体运行水平。根据渗流理论，在系统的序参量随控制参量的变化过程中，系统将在其中某一位置发生“有序—无序”的剧烈相变(称为“渗流相变”)，而对应的控制参量就是渗流临界点。通常而言，一个系统的有序状态对应其结构和功能较为完善的状态，而其无序状态相当于一个系统结构和功能完全瘫痪的状态。基于此，本专利技术定义的城市交通脆性指标即为：以城市交通功能网络的最大连通子图尺寸为序参量，以拥堵率为控制参量，对应的城市交通功能网络发生相变的渗流临界点(临界拥堵率)即为城市交通系统的脆性指标，标志城市交通功能的整体性丧失。关于如何准确定位城市交通功能网络的渗流临界点，本专利技术基于渗流临界性质，根据系统序参量在渗流临界点附近的标度规律，提出了一个确定城市交通脆性指标的实现方法。根据临界标度理论，在渗流临界点fc附近，系统的序参量G和控制参量f将遵循G～|f-fc|β的标度变化规律，其中fc是系统的渗流临界点。针对静态网络，这一规律已经被理论推导和模型仿真计算验证，但是在实际动态网络中还较少提出和验证。究其原因，一方面，该理论需要假设系统处于热力学极限状态(网络规模趋于无穷大)；而在模型验证中，也往往需要极大规模的网络模型才能够得到接近理论值的结果。另一方面，理论推导和模型仿真往往着眼于某一类特定结构的静态网络系统(例如小世界网络，无标度网络等)，其构建规则相对简单，网络中各要素之间的关系较为容易发掘；但是实际网络往往是各系统要素复杂交互耦合形成的动态网络，受到较强的空间维度约束。以城市交通流网络为例，我们通常将网络中的道路当成连边、将道路与道路相接的交叉路口当成节点来构建网络，这样构建的网络一方面明显规模不足以达到接近热力学极限的结果，另一方面也具有城市交通流的自身复杂性。因此，我们不能简单的套用临界标度理论。结合城市交通网络序参量的物理意义，并参考临界标度理论的推导过程，本专利技术提出了一种新的确定城市交通网络渗流临界点的实现方法，具体为：根据城市交通功能网络的渗流过程，确定其系统渗流临界点的大致范围；基于上述范围，根据|G–Gc|～|f-fc|β(而不是G～|f-fc|β)的标度规律对数据点的拟合优度来确定fc的具体值。这里的Gc是fc处对应的系统序参量的值，在热力学极限下Gc＝0，然而在网络规模有限时，Gc的大小不可忽略；根据确定的fc值，在双对数坐标下验证上述标度规律，验证通过则可以确定城市交通网络的脆性指标即为fc的值。相比于已有的城市交通脆性指标，本专利技术提出的脆性指标具有如下优点：首先，本专利技术的提出的指标能够很好地反应系统整体的固有性能，而不容易受到不同用户取样方式的波动以及区域极端数据的影响；其次，本专利技术提出的基于渗流理论的指标，能够很好地结合城市道路网络的拓扑信息，对于挖掘交通网络结构对于其系统脆性的影响机理、指导未来城市交通设施规划建设具有启发作用；最后，本专利技术提出的指标不需要等待用户完成轨迹，依靠短时期内的交通路况数据即可计算出实时结果，能够为实时交通调控提供依据。此外，本专利技术提出的脆性指标的实现方法能够很好地结合城市道路网络规模有限、空间约束大、动力学特征复杂的特点，给出具有明确物理意义的渗流临界值确定方法。本专利技术的方法也可以推广到其他关键基础设施网络的脆性指标计算。
技术实现思路
(一)本专利技术的目的本专利技术的主要目的包括：基于渗流理论，定义城市交通脆性指标及其实现方法：城市交通脆性指标即城市交通功能网络的渗流临界拥堵率，其实现方法为通过分析城市交通功能网络的最大连通子图尺寸在渗流临界点附近的标度规律，确定其渗流临界点。本专利技术确定的城市交通脆性指标，能够很好地结合城市交通网络的拓扑信息，有利于深入挖掘道路网络结构对于其系统脆性的影响机理、指导未来城市交通设施规划建设。本专利技术提出的城市交通脆性评估方法基于短时期内的交通路况数据即可实现，能够为城市交通管理者提供一个具有实时参考价值的脆性指标。(二)本专利技术的技术方案本专利技术提出一种基于渗流分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于渗流分析的城市交通脆性评估方法，其特征在于：具体包含以下步骤：步骤一：基于城市道路网络拓扑信息和实时交通运行数据，构建实时城市交通流网络；步骤二：基于构建的实时城市交通流网络，运用渗流分析方法，分析城市交通功能网络在不同道路拥堵率下的交通运行水平；步骤三：基于城市交通功能网络的拥堵率与运行水平的关系，分析系统在渗流临界点附近的标度关系，并以此为依据确定城市交通脆性。

【技术特征摘要】
1.一种基于渗流分析的城市交通脆性评估方法，其特征在于：具体包含以下步骤：步骤一：基于城市道路网络拓扑信息和实时交通运行数据，构建实时城市交通流网络；步骤二：基于构建的实时城市交通流网络，运用渗流分析方法，分析城市交通功能网络在不同道路拥堵率下的交通运行水平；步骤三：基于城市交通功能网络的拥堵率与运行水平的关系，分析系统在渗流临界点附近的标度关系，并以此为依据确定城市交通脆性。2.根据权利要求1所述的一种基于渗流分析的城市交通脆性评估方法，其特征在于：在步骤一中描述的“基于城市道路网络拓扑信息和实时交通运行数据，构建实时城市交通流网络”，其具体做法包括以下内容：(1)基于城市地图道路信息，构建城市交通拓扑网络：将城市道路系统中的所有道路抽象为连边，将道路与道路之间的交叉路口抽象为节点，并根据城市地图中各道路和路口的连接关系，将“节点—连边”相应的连接起来，构建一个基于城市道路网络拓扑信息的底层拓扑网络；(2)基于实时交通运行数据，给上述底层拓扑网络中的各连边赋予代表道路运行状态的权值：根据各条道路测定的实时交通运行数据，本发明以平均行车速度为例，给上一子步骤得到的底层网络赋予权值；考虑到城市道路等级水平的差异，本发明以道路运行水平的相对值作为赋值依据；例如，依据一条道路的最大限速计算其相对速度值，具体公式为：其中，i和j分别表示某一条道路的起点和终点，rij(t)表示t时刻该道路的相对速度值，vij(t)表示t时刻该道路的实时测定速度值，表示当前道路的最大限速值；将计算所得的相对速度值作为底层拓扑网络中各道路在当前时刻的权值，由此构建一个能代表当前时刻城市交通系统运行状态的城市交通流网络；注意在此步骤中，考虑到实时数据采集中不可避免的源数据缺失问题，需要运用一预定的方法对缺失的运行数据进行补偿。3.根据权利要求1所述的一种基于渗流分析的城市交通脆性评估方法，其特征在于：在步骤二中所描述的“基于构建的实时城市交通流网络，运用渗流分析方法，分析城市交通功能网络在不同道路拥堵率下的交通运行水平”，其具体包括以下内容：分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大庆，曾冠文，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11