城市公交巴士復雜網(wǎng)絡的實證與模擬研究.pdf

1、城市公交巴士系統(tǒng)歷史悠久，但并不完善，系統(tǒng)中依然存在著一些懸而未決的難題，需要從新的研究視角來進行分析，而當前新興的復雜網(wǎng)絡理論及其方法正好為這種研究需求提供了一個嶄新平臺。本課題應用復雜網(wǎng)絡工具，通過實證分析、理論解析與計算機模擬的方式研究了城市公交巴士復雜網(wǎng)絡的結構性質及其演化規(guī)律。 實證研究是本課題的基礎研究工作。在實證階段，作者利用三種映射方法將國內的四個城市：杭州、南京、北京、上海的公交巴士系統(tǒng)分別映射為基于線路相互關

2、系、站點地理位置關系、站點換乘關系的公交巴士復雜網(wǎng)絡。對這些復雜網(wǎng)絡研究對象的分析，本研究實證獲得了如下一些統(tǒng)計結果：1）相比于隨機網(wǎng)絡，三種空間下的城市公交巴士復雜網(wǎng)絡都具有“小世界現(xiàn)象”，即小的特征路徑長度和大的聚集系數(shù)，這表明僅需幾步就能從一條線路換乘到另一條線路，或從一個站點到達另一個站點。2）用已有指標節(jié)點協(xié)調性系數(shù)、平均鄰接節(jié)點度，實證獲得的結果反映：城市公交巴士拓撲網(wǎng)絡中的連接節(jié)點間存在著“正相關關系”的結論。本研究發(fā)現(xiàn)，

3、該結論反映的是連接節(jié)點間的“偽正相關關系”。為此，本研究提出了統(tǒng)計指標“鄰接節(jié)點度和”，用該指標去除噪聲后，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中連接節(jié)點間不存在相關關系。3）本研究應用鄰接節(jié)點度和指標，挖掘出這些拓撲網(wǎng)絡中節(jié)點隨機連接的組織演化機制，而以映射獲得的重邊數(shù)為邊權構造的加權網(wǎng)絡中，統(tǒng)計結果顯示，節(jié)點的連接與鄰接節(jié)點度邊權和之間存在著冪律標度的超線性相關關系；公交巴士加權網(wǎng)絡和拓撲網(wǎng)絡顯示出截然不同的演化圖景，這表明權重信息在城市公交巴士復雜網(wǎng)研究中至

4、關重要。4）在城市公交巴士換乘關系復雜網(wǎng)絡中，本研究獲得了網(wǎng)絡節(jié)點度分布的尾部具有漂移冪律的函數(shù)形式，且趨近于指數(shù)分布的統(tǒng)計結果。5）在城市公交巴士地理位置關系復雜網(wǎng)絡中，本研究實證獲得了網(wǎng)絡彎頭指數(shù)尾的節(jié)點度分布統(tǒng)計結果，并且獲得了節(jié)點奇偶強度分布具有不同標度的指數(shù)分布結果。6）實證結果發(fā)現(xiàn)城市公交巴士線路關系復雜網(wǎng)絡的統(tǒng)計結果比較有趣，其網(wǎng)絡節(jié)點度和節(jié)點強度的補累積分布近似為一下斜直線，并且通過其各自網(wǎng)絡的平均節(jié)點度與平均節(jié)點強度重

5、新標度后，這些分布都具有近似統(tǒng)一的線性函數(shù)形式。 識別和模擬導致城市公交巴士復雜網(wǎng)連接分布結果的演化過程及機制的研究，是本論文的又一重要研究內容。國內四城市的公交巴士換乘關系復雜網(wǎng)絡與許多實證復雜網(wǎng)絡的節(jié)點度分布統(tǒng)計結果不同，其不存在節(jié)點連接無標度分布的規(guī)律，另外考慮到現(xiàn)實城市公交巴士換乘關系復雜網(wǎng)絡的演化過程中既具有優(yōu)選連接，也具有隨機連接的事實，作者提出并采用了漂移冪律改進模型進行了模擬，該模型中引入了增長和具有初始吸引度的

6、線性擇優(yōu)連接的兩個重要機制；最后該改進模型從理論解析的角度重現(xiàn)了網(wǎng)絡節(jié)點連接漂移冪律分布的尾部關系。在站點地理位置關系復雜網(wǎng)絡中，根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點度分布具有指數(shù)尾分布的統(tǒng)計結果，可知城市公交巴士地理位置關系復雜網(wǎng)絡可以通過隨機連接的增長網(wǎng)絡模型來模擬，另外結合城市地理空間的限制，作者推測網(wǎng)絡中公交線路應具有局域作用的自回避行走演化規(guī)律，考慮進這些要素，模型模擬結果確實重現(xiàn)了城市公交巴士地理位置關系復雜網(wǎng)中彎頭指數(shù)尾節(jié)點度分布及節(jié)點奇偶強度不

7、同標度指數(shù)分布的關鍵統(tǒng)計結果。 作者分別提出了競爭與合作統(tǒng)計指標及計算方法，然后對城市公交線路間的競爭與合作關系進行了定量分析與模擬研究。作者以南京公交系統(tǒng)為例，在規(guī)則網(wǎng)格中模擬了城市公交巴士換乘關系復雜網(wǎng)絡及其運行過程；通過數(shù)值模擬，探討了在不同網(wǎng)絡節(jié)點線路權重的正相關、負相關或混合相關關系下引導生成的公交巴士復雜網(wǎng)絡的整體合作與競爭程度，該模擬結果對揭示網(wǎng)絡結構和網(wǎng)絡競爭與合作程度的內在關聯(lián)性具有一定的理論價值。 本