一种交通网络节点关键度评估方法与流程

本发明涉及交通规划和复杂网络领域，尤其是一种交通网络节点关键度评估方法。
背景技术：
：交通网络是综合交通系统最重要的骨架和依托，其中重要的组成部分是交通路网。拥有一个结构合理、容量充足、功能齐备的交通路网，是可持续发展的必要条件。交通路网是由不同功能、不同等级、不同区域的道路以一定密度和形式组成的复杂系统，其中桥梁隧道都是路网中非常重要的基础设施，其关键程度需要在整个路网中进行评估。交通路网的基本要素包括路段和节点，其中关键性的路段是路网通行能力的瓶颈。关键桥梁或者隧道的拥堵会造成与其相连的路段中交通流无法正常通行，进而造成路段的拥堵，而又由于路段和节点的级联效应，最终造成整个路网大面积失效或者全网瘫痪，进而使路网丧失其正常的交通功能。通过对这些关键桥梁隧道进行资源倾斜和重点保护，可以有效地保障整个交通路网的畅通和居民的有效出行，同时可以为交通管理部门应对突发事件和自然灾害时做交通管理决策提供辅助指导和参考。目前主要的关键节点或路段的识别方法分为两类：基于路网拓扑结构和基于路网流量特性。基于路网拓扑结构的常用评价指标有连接度、最短路径和介数等。这些指标能从一定程度上体现路段的重要性，但是路网作为交通网络，仅从路网拓扑结构的角度分析关键路段，会有一定的片面性。道路网络是具有特定功能的运输网络，路段的重要性更多的体现在网络对运输需求的满足程度上。因此在路网中，路段的重要性不仅受路网拓扑结构的影响，还要受到网络中交通流的影响。单个评价指标虽然能够反映问题的某些方面，但是并不完备，难以体现整个交通网络的真实情况。技术实现要素：针对上述问题，本发明结合复杂的网络科学和交通科学，综合路网结构以及流量对节点或路段的关键度进行评估，尤其是对桥梁或隧道的关键度评估，提出了一种交通网络节点关键度评估方法。具体步骤如下：步骤一、收集待评估桥梁或隧道周边范围内的交通路网信息；交通路网信息包括各个交叉口之间的出行需求和路网属性信息；路网属性信息包括：路段长度，路段通行能力和交叉口所连通的路段等；步骤二、利用交通路网信息搭建包括该待评估桥梁或隧道的交通路网；具体搭建过程为：将主流的交叉口设为节点，主流的路段设为连边，路段的长度设为权重。交叉口集合记为n，路段集合记为a。步骤三、根据交通路网中所有节点和路段，计算待评估桥梁或隧道节点的显著性关键度。具体步骤如下：步骤301、将n个交叉口节点按数字进行编号，对每两个相邻交叉口之间的连接路段进行标记；将交叉口i到交叉口j之间的连接路段记为aij；步骤302、计算交通路网中每个路段的有效长度；针对路段aij的有效长度公式为：其中d(aij)表示路段aij的度，lij表示路段aij的长度，β是可调参数。步骤303、统计交叉口i到交叉口j之间在参数β下所有有效长度最短的路径条数步骤304、将待评估桥梁或隧道设为节点k，在交叉口i到交叉口j之间选择经过节点k的所有有效长度最短的路径条数；表示交叉口i到交叉口j之间在参数β下有效最短路径经过节点k的条数；步骤305、利用比值计算节点k的有效介数；计算公式为：步骤306、同理计算交通路网中每个节点的有效介数，并选择有效介数最大值bmax；步骤307、利用有效介数最大值bmax计算待评估桥梁或隧道节点k的显著性关键度。显著性关键度计算公式为：步骤四、根据交通路网中所有节点和路段，计算待评估桥梁或隧道节点的破坏性关键度。具体步骤如下：步骤401、建立道路交通路网r(0)的各初始参数；参数包括：路段aij的初始流量记为xij(0)，通过用户均衡模型产生；路段aij的通行能力记为uij，满足所有边的初始流量均小于通行能力。步骤402、攻击待评估桥梁或隧道节点k，使得节点k所连的相关路段均失效，更新道路交通路网；步骤403、失效路段上的所有流量均被重新分配到新的交通路网剩余的所有路段上。对于已经在道路交通路网中的流量，采用局部重分配的方式进行配流；局部重分配策略：将失效路段的流量按照相邻路段的容量成比例分配到与之相邻的路段上。对于尚未出行的流量利用用户均衡模型在道路交通路网中重新分配。步骤404、针对时间步t，依次判断重新配流之后的每个路段的流量是否满足xij(t)＞p*uij，如果是，进入步骤405；否则，进入步骤406，更新该路段的流量。p是可调参数，表示当某路段流量超过通行能力的p倍之后，该路段失效；步骤405、该路段失效进行删除，更新道路交通路网，返回步骤403；步骤406、当没有路段失效时，记录时间步为t+1，得到节点k的破坏能力gk；其中|a'|表示交通路网中的剩余路段数量，|a|表示交通路网还总的初始路段数量。步骤407、计算交通路网中每个节点的破坏能力，选择破坏能力最大值gmax；步骤408、利用破坏能力最大值计算待评估桥梁或隧道节点k的破坏性关键度；步骤五、根据待评估桥梁或隧道节点k的显著性关键度和破坏性关键度，计算待评估桥梁或隧道的关键度。计算公式为：λ是可调参数。本发明的优点与积极效果在于：1)、一种交通网络节点关键度评估方法，从复杂网络科学角度出发，考虑到交通网络中存在的拥堵情况，提出交通路网中的有效介数指标，更加符合交通路网的实际情况。2)、一种交通网络节点关键度评估方法，综合考虑路网的拓扑结构和交通流量特性，对桥梁隧道的关键度评估更加全面，准确。3)、一种交通网络节点关键度评估方法，采用局部重分配流量策略和用户均衡策略相结合，并且局部重分配策略采用按照路段通行能力成比例重分配方式，更加贴合实际交通运行情况。4)、一种交通网络节点关键度评估方法，能够兼顾交通路网的结构和流量特性，为交通管理者提供了更加可靠的辅助信息。附图说明图1是本发明一种交通网络节点关键度评估方法的流程图；图2是本发明计算待评估桥梁或隧道节点的显著性关键度的流程图；图3是本发明计算待评估桥梁或隧道节点的破坏性关键度的流程图。具体实施方式为了使本发明能够更加清楚地理解其技术原理，下面结合附图具体、详细地阐述本发明实施例。本发明是一种基于交通路网结构与流量的节点以及连边的关键度评估方法，涉及数据收集处理模块，路网模型构建模块，显著性关键度评估模块以及破坏性关键度评估模块；数据收集处理模块，通过搜索和调研等手段得到目标路网中各个交叉口之间的出行需求和路网属性信息；路网模型构建模块根据收集的路网信息，以路段为连边，交叉口为节点，构建公路网络；桥梁隧道关键度评估模块包括显著性关键度评估模块和破坏性关键度评估模块。显著性关键度评估模块从路网拓扑结构出发，提出交通路网中的有效介数指标；破坏性关键度评估模块从交通流量出发，结合交通路网中的级联失效过程，寻找破坏性强的路段，最后通过综合考虑路段的显著性和破坏性关键度，能够更全面地评价桥梁隧道在路网中的关键度。如图2所示，具体步骤如下：步骤一、收集待评估桥梁或隧道周边范围内的交通路网信息；通过数据收集处理模块收集各个交叉口之间的出行需求和路网属性信息；路网属性信息包括：路段长度，路段通行能力和交叉口所连通的路段，交叉口信息，路段流量以及od对信息等。步骤二、利用交通路网信息搭建包括该待评估桥梁或隧道的交通路网；利用路网模型构建模块搭建交通路网，具体搭建过程为：将主流的交叉口设为节点，主流的路段设为连边，路段的长度设为权重构建公路网络。交叉口集合记为n，路段集合记为a。各个交叉口之间有od运输需求，没有的即为运输需求为零。步骤三、根据交通路网中所有节点和路段，计算待评估桥梁或隧道节点的显著性关键度。利用显著性关键度评估模块计算显著性关键度的具体步骤如下：步骤301、将n个交叉口节点按数字进行编号，对每两个相邻交叉口之间的连接路段进行标记；将交叉口i到交叉口j之间的连接路段记为aij；步骤302、计算交通路网中每个路段的有效长度；针对路段aij的有效长度公式为：其中d(aij)表示路段aij的连接度；由路段两端的交叉口的度值所确定的，即：d(aij)＝di+dj；di和dj是路段a两端节点i和j的度值。节点度值由与节点相连路段的条数决定。按照相关学者研究，节点度数与路段条数所对应的度值如下表：路段条数234≥5节点度数46810lij表示路段aij的长度，β是可调参数。步骤303、统计交叉口i到交叉口j之间在参数β下所有有效长度最短的路径条数步骤304、将待评估桥梁或隧道设为节点k，在交叉口i到交叉口j之间选择经过节点k的所有有效长度最短的路径条数；表示交叉口i到交叉口j之间在参数β下有效最短路径经过节点k的条数；步骤305、利用比值计算节点k的有效介数；在复杂网络理论中，介数常常被用来作为边的重要性评价指标。边的介数定义是路网中所有最短路径经过该边的比例。在具体的交通网络中，可以看出该路段单元在整个道路交通运输网络中的作用力和影响力。标准的介数虽然能一定程度上体现节点(路段)在路网中的重要程度，但其忽略了交通网络中存在拥堵情况，用户可能倾向于绕过拥堵路段，因此，本发明提出有效最短路径，即计算i，j节点最短路径时，每条路径的每个路段不直接使用长度作为指标，而是将路段的拥堵情况也考虑到。路段的拥堵情况和路段的连接度有一定关系，路段连接度越大的路段越容易发生拥堵。路段的有效长度定义如下：当β＝0的时候，有效长度蜕化成路径长度，本发明中β＝1。节点i，j之间在参数β条件下，一条路径的有效长度为该路径各个路段的有效长度的和。相应地，节点k的有效介数定义如下：有效介数较大的路段，该路段在路网中显著性关键度越大，对这样的路段进行资源倾斜对于提升整个路网的运行效率至关重要。步骤306、同理计算交通路网中每个节点的有效介数，并选择有效介数最大值bmax；步骤307、利用有效介数最大值bmax计算待评估桥梁或隧道节点k的显著性关键度。显著性关键度计算公式为：节点的显著性关键度约接近1，说明该节点越重要。步骤四、根据交通路网中所有节点和路段，计算待评估桥梁或隧道节点的破坏性关键度。本发明采用的道路网络中的级联失效模型如下：步骤401、建立道路交通路网r(0)的各初始参数；给定道路交通网络模型，并保证初始状态时所有节点(边)正常；参数包括：路段aij的初始流量记为xij(0)，通过用户均衡模型产生；路段aij的通行能力记为uij，满足所有边的初始流量均小于通行能力，该通行能力由道路网络决定。初始流量通过用户均衡模型产生。用户均衡模型的参数dij表示交叉口i到交叉口j的运输需求，用户均衡模型是将所有交叉口之间的运输需求分配到整个路网中。步骤402、攻击待评估桥梁或隧道节点k，使得节点k所连的路段以及节点k的相邻路段均失效，更新道路交通路网；失效即删除节点及与其连接的路段；步骤403、失效路段上的所有流量均被重新分配到新的交通路网剩余的所有路段上。出行需求分成两部分：一部分出行者在出行前就己得知路网受损信息，会重新评估退化路网状态，按经验或查询路网信息等方式来重新确定出行路径、出行方式、出发时间等交通行为；而另一部分出行者是在出行途中通过可变情报板、交通广播等方式得知路网破坏信息，只能在路途中有条件地临时更改出行路径，就近选择其他可替代路径继续出行。道路网络路段的删除将导致道路网络发生变化，对于已经在道路网络中的流量，采用局部重分配的方式进行配流，对于尚未出行的流量利用用户均衡模型在道路网络中重新分配。本实施例中按照比例将od运输需求划分成两部分，采用一半的运输需求已经在交通路网中进行运输(初始流量采一半od对之间的需求，通过用户均衡模型求得)，另一半考虑未尚未出行的需求。对应流量重新分配策略分别是局部重分配策略和用户均衡策略。局部重分配策略：将失效路段的流量按照相邻路段的容量成比例分配到与之相邻的路段上。失效路段记为路段ajk，路段ajk的相邻路段集合e＝{amn|(m＝j∨n＝k)∧m≠n}。局部重分配策略公式如下：全局流量重新分配策略采用用户均衡模型。用户均衡模型：在道路交通网络中考虑拥挤对行驶时间的影响，出行者选择的所有出行路径在总阻抗(费用、时间、距离及舒适度等)比其他没有选择的路径都要小。当城市道路交通网络处于平衡状态时，在城市道路交通路网中再也找不到一条总阻抗更小的路径了。当出行者不能通过改变起终点间的路径以降低路径阻抗时才达到平衡，这就是“用户均衡”(userequilibriu，简称ue)。用户均衡的数学公式如下：其中ca(x)表示路段a上的阻抗函数，本发明中采用美国公路局给出的公路网络路段阻抗函数，即其中是路段a在自由流时的路段阻抗，ua表示路段a的通行能力，α，η是模型参数，α＝0.15，η＝0.4；xa表示路段a上的流量，表示起点r到终点s之间的所有路径上第k条路径上的流量；表示路段a位于起点r到终点s之间的第k条路径上，表示不在。本发明采用frank-wolfe算法求解用户均衡模型。步骤404、配流之后进行路段失效判断，针对时间步t，依次判断重新配流之后的每个路段的流量是否满足xij(t)＞p*uij，如果是，进入步骤405；否则，进入步骤406，更新该路段的流量。p是可调级联失效阀值，表示当某路段流量超过通行能力的p倍之后，该路段失效；其值大于1，p与交通管理及控制有关，交通管理与控制越好p值越大。配流导致路段流量发生变化，如果路段流量大于其通行能力的p倍，则认为该路段失效。步骤405、该路段失效进行删除，更新道路交通路网，返回步骤403；步骤406、当没有路段失效时过程收敛，记录时间步为t+1，得到节点k的破坏能力gk；其中|a'|表示交通路网中的剩余有效的路段数量，|a|表示级联失效前交通路网中的初始路段数量。步骤407、计算交通路网中每个节点的破坏能力，选择破坏能力最大值gmax；步骤408、利用破坏能力最大值计算待评估桥梁或隧道节点k的破坏性关键度；步骤五、根据待评估桥梁或隧道节点k的显著性关键度和破坏性关键度，计算待评估桥梁或隧道的关键度kk。计算公式为：λ是可调参数。当前第1页12