复杂网络在城市交通网络分析中的应用

复杂网络在城市交通网络分析中的应用
摘要：随着城市建设和经济建设的不断进步与发展，城市交通网络已引起了人们的关注，不断发展的城市网络需要更准确的分析，而交通网络的复杂性恰好能够满足复杂网络的研究要求。

对复杂网络在城市交通网络分析中应用的可行性进行了说明，对复杂网络在城市交通系统中的相关应用进行了具体阐释，并对今后研究工作中可能遇到的问题进行了探讨。

关键词：复杂网络；城市交通网络；Hub节点
0、引言
随着当今社会科学的不断发展和进步，各学科的发展都需要与周围的众多学科产生关系，因此复杂性学科应运而生。

复杂性学科的引入能够更加充分、全面地对事物进行研究。

复杂性学科是系统学科和非线性学科相结合的产物，其不仅具有两者身上的优点，更是对两者的补充和发展，因此复杂性学科已经成为了现代科学研究中最有效和常用的研究领域。

而在上世纪末小世界效应和无标度特性的发现，为人们提供了一个新的研究复杂性学科的角度，让复杂网络在更多的领域里得到了应用，并取得了不错的效果。

随着城市的不断发展，城市交通网络也成为了越来越重要的问题。

近年来，复杂网络在城市交通网络领域中的不断应用，大大提高了城市交通网络的分析准度率和效率，也让人们看到了复杂网络在城市交通网络应用的光明前景。

1、复杂网络在城市交通网络分析中应用的可行性
关于复杂网络在城市交通网络中的应用，各方观点不一，很多人认为由于城市交通规模不足，城市交通网络的研究条件距离复杂网络研究还有很大差距，复杂网络不能够准确地在城市交通网络分析中进行应用。

而另一些人则认为，随着城市交通网络的不断发展，城市交通网络已经成为了一个复杂的、庞大的网络系统，因此在某些研究上能够完全遵循复杂网络的研究方向。

虽然城市交通网络在很多方面还不能完全符合复杂网络的研究标准，但是在很多方面具有较大的相似性，并且相关实验数据也能够证实复杂网络所描述的城市交通网络与实际相符，因此复杂网络能够在城市交通系统中应用。

在笔者看来，复杂网络在城市交通网络上的应用是可行的，主要因为以下3点内容：
（1）虽然城市交通网络在某些方面具有规则网络的某些特征，因此具有拓扑统计的相关性质。

但在研究城市交通问题时可以对简单的拓扑进行抽象研究，这样就能够将城市交通网络中复杂的拓扑现象展现出来，从而反应出城市交通网络其它方面的重要特征。

（2）由于城市交通在不断地流动和变化过程中，因此在特征上具有明显的复杂性。

例如：在每个路口处，即复杂网络中的每个节点处，都会有不同的变化，这些变化并不能确定其变化的方向，因此能够采用复杂网络对其进行研究。

（3）在交通网络的不断演变过程中，拓扑在交通网络上的应用对交通网络的分布和发展起到了重要的推动作用，因此将复杂网络应用在城市交通中对城市交通意义重大，符合城市网络交通的发展规
律。

2、复杂网络在城市交通系统中的相关应用
2.1 复杂网络对城市交通网络的描述
由于城市内部交通复杂，交通模式不同，因此在复杂网络上会产生很大的不同。

当今社会发展迅速，交通网络也随着社会的发展而不断变化，在交通网络的变化过程中，受到了包括地理、经济、规划等多种因素的影响，而复杂网络对于这些复杂因素的问题有着极强的处理能力。

在研究城市交通网络时，只需要将城市网络抽象成复杂网络，然后对其进行研究。

一般理论上对城市交通的抽象方法有两种：第一种是原始法，只需要简单地将交叉路口视为节点，并将连接这些节点的马路当做边，这种方法较为直观，容易理解；而第二种方法和第一种完全相反，其将交叉路口当作边，而把连接的马路当作节点，这样的方式虽然不直白，但在很多研究中有着第一种方法所没有的好处。

2.2 研究中面临的问题
目前，复杂网络理论已经在多个领域内取得了不错的发展，但是在城市交通网络上并没有太长时间的研究，在与城市交通网络的融合和描述上还有出入。

但随着复杂网络在城市交通网络中的不断运用，会有更多的相关研究成果，这样能够促进两者更好地融合，从而为城市交通网络的发展做出更大的贡献。

笔者分别从网络实证研究和网络演化机制两个方面来对城市交通网络复杂性进行阐述。

2.2.1 网络实证研究
网络实证研究能够有效地确定每个参数的基本意义，对一些忽略
的系统宏观性质进行探寻。

从目前的情况来看，网络的实证研究主要在于城市的网络道路建设和城市的公共交通网络建设。

（1）城市的网络道路。

有关城市的网络道路建设早在十多年前就进行了研究，科学家通过对不同国家城市道路网络的研究得出，一般的道路交通量服从幂律分布，并且通过进一步研究发现，这些研究中的城市网络均为无标度网络，这就体现出了复杂网络中小世界的特征。

（2）城市的公共交通网络。

相比于城市的道路交通网络，城市的公共交通网络的数据更加准确，研究起来也相对简单。

根据中国相关城市的公共交通网络进行分析，公共汽车网络的分布呈指数分布。

在此基础上对公共汽车网络的演化过程进行了模拟，结果与理论符合情况良好。

此外，据国外文献记载，在对国外众多城市的公共交通网络进行研究后可以看到，这些网络都存在小世界的特性，城市交通网络均符合幂律分布或指数分布。

上文已经介绍了城市交通网络的描述方法及一些常用的统计参数，但仅有这些还不够，还需要寻找更好的描述方法和更为有效的统计参数来刻画、分析城市交通网络的复杂性。

2.2.2 网络演化机制
网络演化机制研究是探索具有特定统计性质的网络形成机理的重要手段，主要涉及网络演化中的5类事件：加点、加边、重连、去边、去点。

此后，涌现了大量关于网络演化机制的研究，为发现复杂网络形成机理以及进一步研究复杂网络上的动力学行为奠定了坚实
的基础。

就城市交通网络而言，主要研究网络无标度性和流量集中性两个方面。

（1）网络无标度性。

目前，对无标度网络的演化机制研究主要集中在优先连接和Hub节点形成这两个方面，这些研究大多是对抽象的网络进行研究，而对于实体城市交通网络的研究并不常见。

文献通过建立模型将优先连接和距离选择联系起来，从而搭建了无标度性与空间网络的桥梁。

文献提出了一种基于预期效用最大的加点模型，并深入分析了地理信息的引入对网络度分布、聚类系数和匹配方式的影响。

此外，对于无标度网络的演化机制研究，文献的部分研究结果也可借鉴。

（2）流量集中性。

对城市交通网络的实证分析发现，小部分的主干路承担了路网中大部分的交通量，文献在进行了大量路网演化模拟实验后指出，交通网络中道路等级的涌现是路网本身固有的性质。

这一发现打破了交通网络研究的传统观念，同时也带来了一系列疑问，如：是什么原因导致了交通网络道路等级的涌现？对于一个特定的城市交通网络而言，是否存在特定时期内的最优等级结构？这些问题还有待进一步研究。

相信通过不断的实验与实践，这些疑问会逐步得到解决，这样复杂网络就能够在城市交通网络的建设中起到更重要的作用。

3、结语
本文通过对复杂网络理论在城市交通网络分析中的应用情况的描述，介绍了复杂网络理论在交通网络分析中起到的重要作用。

研究
可知，复杂网络在交通网络中有着多方面的应用，而复杂网络理论在城市交通分析中的应用才刚刚起步，未来还有很多问题需要解决。

首先，由于城市交通网络在土地利用上呈现相互制约、相互变化的关系，因此准确利用复杂网络理论对城市交通网络和土地之间的关系进行描述将是一个难题；其次，在城市交通网络的制定中，Hub节点的寻找至关重要，至今在有关Hub节点的寻找方面仍然存在很大问题，这就需要今后进一步确定；再次，城市交通拥堵现象越来越严重，如何利用复杂网络对城市交通网络进行规划和控制，最大化地降低城市交通拥挤现象也是今后要面临的一个重大问题。

相信通过人们的不断努力，复杂网络会在城市交通网络中发挥越来越重要的作用，为城市交通建设和管理带来更大的帮助。