城市公交巴士復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行分析，而當(dāng)前新興的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)工具，通過實證分析、理論解析與計算機(jī)模擬的方式研究了城市公交巴士復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其演化規(guī)律。 實證研究是本課題的基礎(chǔ)研究工作。在實證階段，作者利用三種映射方法將國內(nèi)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(guān)

2、系、站點(diǎn)地理位置關(guān)系、站點(diǎn)換乘關(guān)系的公交巴士復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。對這些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究對象的分析，本研究實證獲得了如下一些統(tǒng)計結(jié)果：1）相比于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)，三種空間下的城市公交巴士復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)到達(dá)另一個站點(diǎn)。2）用已有指標(biāo)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)性系數(shù)、平均鄰接節(jié)點(diǎn)度，實證獲得的結(jié)果反映：城市公交巴士拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的連接節(jié)點(diǎn)間存在著“正相關(guān)關(guān)系”的結(jié)論。本研究發(fā)現(xiàn)，

3、該結(jié)論反映的是連接節(jié)點(diǎn)間的“偽正相關(guān)關(guān)系”。為此，本研究提出了統(tǒng)計指標(biāo)“鄰接節(jié)點(diǎn)度和”，用該指標(biāo)去除噪聲后，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中連接節(jié)點(diǎn)間不存在相關(guān)關(guān)系。3）本研究應(yīng)用鄰接節(jié)點(diǎn)度和指標(biāo)，挖掘出這些拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)隨機(jī)連接的組織演化機(jī)制，而以映射獲得的重邊數(shù)為邊權(quán)構(gòu)造的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)中，統(tǒng)計結(jié)果顯示，節(jié)點(diǎn)的連接與鄰接節(jié)點(diǎn)度邊權(quán)和之間存在著冪律標(biāo)度的超線性相關(guān)關(guān)系；公交巴士加權(quán)網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)顯示出截然不同的演化圖景，這表明權(quán)重信息在城市公交巴士復(fù)雜網(wǎng)研究中至

4、關(guān)重要。4）在城市公交巴士換乘關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，本研究獲得了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jié)果。5）在城市公交巴士地理位置關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，本研究實證獲得了網(wǎng)絡(luò)彎頭指數(shù)尾的節(jié)點(diǎn)度分布統(tǒng)計結(jié)果，并且獲得了節(jié)點(diǎn)奇偶強(qiáng)度分布具有不同標(biāo)度的指數(shù)分布結(jié)果。6）實證結(jié)果發(fā)現(xiàn)城市公交巴士線路關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計結(jié)果比較有趣，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度和節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的補(bǔ)累積分布近似為一下斜直線，并且通過其各自網(wǎng)絡(luò)的平均節(jié)點(diǎn)度與平均節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度重

5、新標(biāo)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(dǎo)致城市公交巴士復(fù)雜網(wǎng)連接分布結(jié)果的演化過程及機(jī)制的研究，是本論文的又一重要研究內(nèi)容。國內(nèi)四城市的公交巴士換乘關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與許多實證復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)度分布統(tǒng)計結(jié)果不同，其不存在節(jié)點(diǎn)連接無標(biāo)度分布的規(guī)律，另外考慮到現(xiàn)實城市公交巴士換乘關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的演化過程中既具有優(yōu)選連接，也具有隨機(jī)連接的事實，作者提出并采用了漂移冪律改進(jìn)模型進(jìn)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(jī)制；最后該改進(jìn)模型從理論解析的角度重現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接漂移冪律分布的尾部關(guān)系。在站點(diǎn)地理位置關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度分布具有指數(shù)尾分布的統(tǒng)計結(jié)果，可知城市公交巴士地理位置關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可以通過隨機(jī)連接的增長網(wǎng)絡(luò)模型來模擬，另外結(jié)合城市地理空間的限制，作者推測網(wǎng)絡(luò)中公交線路應(yīng)具有局域作用的自回避行走演化規(guī)律，考慮進(jìn)這些要素，模型模擬結(jié)果確實重現(xiàn)了城市公交巴士地理位置關(guān)系復(fù)雜網(wǎng)中彎頭指數(shù)尾節(jié)點(diǎn)度分布及節(jié)點(diǎn)奇偶強(qiáng)度不

7、同標(biāo)度指數(shù)分布的關(guān)鍵統(tǒng)計結(jié)果。 作者分別提出了競爭與合作統(tǒng)計指標(biāo)及計算方法，然后對城市公交線路間的競爭與合作關(guān)系進(jìn)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(guān)系復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及其運(yùn)行過程；通過數(shù)值模擬，探討了在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)線路權(quán)重的正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或混合相關(guān)關(guān)系下引導(dǎo)生成的公交巴士復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的整體合作與競爭程度，該模擬結(jié)果對揭示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)競爭與合作程度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性具有一定的理論價值。 本