段愛媛, 劉 洋

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

交通運(yùn)輸對國民經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展異常重要。研究交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)、認(rèn)識其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性,能夠?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、設(shè)計和維護(hù)提供重要的參考依據(jù)[1-2]。

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度看,許多復(fù)雜系統(tǒng)都可以抽象為網(wǎng)絡(luò)，并用網(wǎng)絡(luò)加以描述[3],交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)就是其中一例。通過網(wǎng)絡(luò)演化構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定量研究的基礎(chǔ),對網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)行為的理解等方面都具有重要的意義。

目前,國內(nèi)外針對網(wǎng)絡(luò)演化的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)生成機(jī)制和演化模型改進(jìn)兩方面,研究成果廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。在網(wǎng)絡(luò)演化理論研究方面,D. Levinson和B.Yerra發(fā)現(xiàn)交通網(wǎng)絡(luò)的演化可以從自組織的角度去理解[4]；文獻(xiàn)[5]基于網(wǎng)絡(luò)上的交通動力學(xué)特性構(gòu)建了一種加權(quán)網(wǎng)絡(luò)模型；文獻(xiàn)[6]基于復(fù)雜有權(quán)網(wǎng)絡(luò),在偏好連接機(jī)制中加入貨運(yùn)需求量和空間距離因素,構(gòu)建了貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)演化模型,并用該演化模型對中國鐵路貨運(yùn)進(jìn)行模擬分析；文獻(xiàn)[7]基于配送網(wǎng)絡(luò)和第三方物流研究了物流配送網(wǎng)絡(luò)的演化過程；文獻(xiàn)[8]以微觀機(jī)理融合宏觀機(jī)制構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)演化模型與算法,用于研究交通網(wǎng)絡(luò)演化規(guī)律；文獻(xiàn)[9]從公共交通網(wǎng)絡(luò)的初始網(wǎng)絡(luò)、新增節(jié)點(diǎn)、新增節(jié)點(diǎn)的局域世界、優(yōu)先連接概率和新增節(jié)點(diǎn)引起的連邊等5方面進(jìn)行分析,構(gòu)建了公共交通網(wǎng)絡(luò)的局域世界演化模型；文獻(xiàn)[10]中構(gòu)建了基于局域世界和節(jié)點(diǎn)吸引力的快捷貨運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演化模型。

本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了運(yùn)輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)演化大數(shù)據(jù)[11]虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺,從網(wǎng)絡(luò)演化的角度研究運(yùn)輸系統(tǒng)。該平臺可以應(yīng)用到交通運(yùn)輸工程的教學(xué)和科研中,以提高交通運(yùn)輸工程的教學(xué)科研水平。

1 框架設(shè)計

運(yùn)輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)演化大數(shù)據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的主要研究內(nèi)容分為數(shù)據(jù)采集與處理、網(wǎng)絡(luò)演化和實(shí)際應(yīng)用3部分。

1.1 數(shù)據(jù)采集與處理

交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分為管理標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)定義標(biāo)準(zhǔn)、交換標(biāo)準(zhǔn)和接口實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)4類[12]。數(shù)據(jù)的生命周期為從創(chuàng)建到銷毀的整個過程,一般分為產(chǎn)生、存儲、交換、應(yīng)用4個環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)的采集交換[13]應(yīng)遵循各類標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,可以使用數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)推送、數(shù)據(jù)錄入3種方式。交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)的產(chǎn)生與采集交換過程如圖1所示。

圖1 交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、采集與交換

參考萬有引力模型,建立實(shí)驗(yàn)平臺的節(jié)點(diǎn)吸引力模型,即:節(jié)點(diǎn)對的吸引力大小與吸引度成正比,與兩節(jié)點(diǎn)的距離成反比。采用專家調(diào)查法確定多個吸引力影響指標(biāo),采用主成分分析法將多個可能存在信息重疊的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少量綜合指標(biāo),建立運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)吸引力影響因素指標(biāo)體系。然后，依靠交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)庫的支持,對運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)吸引力進(jìn)行定量計算。

1.2 網(wǎng)絡(luò)演化

在運(yùn)輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)演化大數(shù)據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)演化過程中,增長機(jī)制為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長,包括節(jié)點(diǎn)和邊數(shù)目的增長。根據(jù)著名的BA模型和BBV模型構(gòu)造運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)演化模型,借助Matlab完成網(wǎng)絡(luò)演化,聯(lián)合Gephi和ArcGIS完成演化的可視化,使用Gephi得到演化最終階段網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計特征值。

1.3 實(shí)際應(yīng)用

在計算機(jī)上模擬運(yùn)輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)演化過程,得出基于物流節(jié)點(diǎn)吸引力的城市貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化圖。通過更改演化模型的代碼,可以得到節(jié)點(diǎn)不變、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型不變、具有不同平均度的新網(wǎng)絡(luò)的基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。進(jìn)一步計算分析這些參數(shù)與平均度的關(guān)系,通過縱向比較找出系統(tǒng)總費(fèi)用、有效性、魯棒性與平均度之間的聯(lián)系。

在得出這些參數(shù)與平均度的關(guān)系后,通過更改模型代碼,尋找出最優(yōu)的平均度。判斷現(xiàn)有的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否需要進(jìn)一步優(yōu)化,借此確定是否新建運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)。如果新建運(yùn)輸節(jié)點(diǎn),需確定新建運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)的吸引度,再進(jìn)一步通過對物流節(jié)點(diǎn)吸引度綜合評判值的計算分析,利用數(shù)學(xué)軟件MAPLE反推公式,得出加入貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的物流節(jié)點(diǎn)投資額度,用于指導(dǎo)物流節(jié)點(diǎn)的建設(shè)。

2 模型構(gòu)造

本文根據(jù)BA模型和BBV模型,構(gòu)建基于節(jié)點(diǎn)吸引力的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)演化模型。在網(wǎng)絡(luò)演化時,新引入的節(jié)點(diǎn)會優(yōu)先與吸引力大的舊節(jié)點(diǎn)連接。參考萬有引力公式,創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)吸引力公式。由于虛擬網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)總會存在一定的差異性,這里虛擬網(wǎng)絡(luò)的模型在應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)時就可能產(chǎn)生演化偏差。因此,考慮到模型的實(shí)用性和準(zhǔn)確性,在建立的模型上加入現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的變量,從而更好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的演化。

運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)仿真是運(yùn)用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)再現(xiàn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的演化過程,以對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提出評價和優(yōu)化意見。本實(shí)驗(yàn)用到以下仿真軟件：

(1) Matlab:用于網(wǎng)絡(luò)演化、GUI界面可視化；

(2) Gephi:用于可視化功能和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)計算；

(3) ArcGIS:用于進(jìn)行地理空間的可視化和網(wǎng)絡(luò)分層；

(4) AutoCAD與TransCAD:用于網(wǎng)絡(luò)分層、交通小區(qū)劃分、網(wǎng)絡(luò)通行能力評價；

(5) SPSS:一款用于統(tǒng)計學(xué)分析、預(yù)測分析和決策支持的軟件,用于主成分分析。

3 實(shí)驗(yàn)流程

(1) 交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)收集。從政府網(wǎng)站和企業(yè)交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)共享資源中獲取交通運(yùn)輸活動的統(tǒng)計數(shù)據(jù),應(yīng)用到節(jié)點(diǎn)吸引力影響因素指標(biāo)體系中。

(2) 吸引力計算。按照德爾菲專家預(yù)測法,采用背對背的通信方式征詢專家小組成員的預(yù)測意見,初步確定節(jié)點(diǎn)吸引力影響因素指標(biāo)?；谥鞒煞址治龇?將多個可能存在信息重疊的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為少量綜合指標(biāo),創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)吸引力影響因素指標(biāo)體系,計算節(jié)點(diǎn)吸引力。

(3) 網(wǎng)絡(luò)演化。實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)增長機(jī)制為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長,即節(jié)點(diǎn)和邊的數(shù)目隨時間增長。選取初始節(jié)點(diǎn),設(shè)置一個未完全連接的初始網(wǎng)絡(luò)。使用Matlab完成節(jié)點(diǎn)的加入和邊的生成,借助Gephi得到基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù),在ArcGIS中實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)空間模型的可視化。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M了深圳、武漢和佛山的貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)演化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似,證明了演化模型的較高應(yīng)用價值。圖2是網(wǎng)絡(luò)演化完成后得到的節(jié)點(diǎn)相同、平均度不同的深圳市貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2 深圳市貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)演化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

在計算機(jī)上模擬運(yùn)輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的演化過程,得出基于物流節(jié)點(diǎn)吸引力的運(yùn)輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)演化圖。通過更改演化模型的代碼可以得到節(jié)點(diǎn)不變、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型不變,但具有不同平均度的新網(wǎng)絡(luò)的基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。進(jìn)一步計算分析這些參數(shù)與平均度的關(guān)系，并通過縱向比較,找出系統(tǒng)總費(fèi)用、有效性、魯棒性與平均度之間的聯(lián)系。在得出這些參數(shù)與平均度的關(guān)系后,通過更改模型代碼尋找出最優(yōu)的平均度,判斷現(xiàn)有的貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是否需要進(jìn)一步優(yōu)化,并借此確定是否增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和計算投資額度。

不同運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化存在差別。以深圳市貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)為例,將提高有效性和降低系統(tǒng)總費(fèi)用作為主要目標(biāo),并輔之以聚類系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)直徑和平均路徑長度等指標(biāo)的改進(jìn),綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)深圳市貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的平均度等于5.958時,有效性、魯棒性相對較好,并且系統(tǒng)總費(fèi)用和擁堵因子相對較小。

4.2 網(wǎng)絡(luò)通行能力評價

網(wǎng)絡(luò)的擁堵因子是指網(wǎng)絡(luò)在一定流量下達(dá)到UE均衡狀態(tài)時的擁堵路段數(shù)與總路段數(shù)的比值,是評價運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)通行能力的重要指標(biāo)。通過TransCAD交通分配,就可以得到擁堵路段數(shù),從而計算出擁堵因子。網(wǎng)絡(luò)擁堵因子越大,網(wǎng)絡(luò)阻塞情況越嚴(yán)重。

以深圳市貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)為例,使用模糊聚類方法劃分交通小區(qū),將網(wǎng)絡(luò)邊分為主、次、支、末4個層次。其中一級節(jié)點(diǎn)之間的連接定義為主干道,一級節(jié)點(diǎn)與二級節(jié)點(diǎn)之間的連接定義為次干道,二級節(jié)點(diǎn)之間的連接定義為支干道,有三級節(jié)點(diǎn)的連接為末干道。最后算出與每個新節(jié)點(diǎn)優(yōu)先連接的舊節(jié)點(diǎn)數(shù)m=3時網(wǎng)絡(luò)的擁堵因子為0.031,說明此狀態(tài)下深圳市貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)通行能力較優(yōu)。圖3所示為深圳市的交通小區(qū)分區(qū)和期望線圖,表1為網(wǎng)絡(luò)邊屬性輸入情況。

圖3 深圳市交通小區(qū)分區(qū)和期望線圖

表1 網(wǎng)絡(luò)邊屬性

5 結(jié)語

運(yùn)輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)演化大數(shù)據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩梢暬治鲞\(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的演化規(guī)律,讓學(xué)生清楚地了解現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的演化過程,培養(yǎng)交通運(yùn)輸人才的動手實(shí)踐能力。運(yùn)輸拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)演化大數(shù)據(jù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計,可以為交通運(yùn)輸工程的教學(xué)和科研提供一個平臺,也可以為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的新增和運(yùn)輸政策的制定提供指導(dǎo)意見。