關 偉，吳建軍，高自友*

(北京交通大學a.綜合交通運輸大數(shù)據(jù)應用技術交通運輸行業(yè)重點實驗室；b.軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044)

0 引 言

網(wǎng)絡已被廣泛地應用于描述各種物理結構、信息結構和社會結構.網(wǎng)絡一般包含兩個基本元素，即節(jié)點和連接節(jié)點的邊(有方向的邊稱為弧)，如果網(wǎng)絡中有弧存在，則稱為有向網(wǎng)絡.通常描述一個交通運輸網(wǎng)絡不僅需要刻畫網(wǎng)絡的物理結構，還要疊加交通量(可以是人員、車輛、貨物等)在網(wǎng)絡上的流動或位移，因此，交通運輸網(wǎng)絡與一般網(wǎng)絡相比包含了更多的特性，需要探討諸如OD需求、能力約束、路徑選擇、費用函數(shù)等帶有明顯交通特征的問題[1].

網(wǎng)絡化是交通運輸系統(tǒng)的自然屬性，交通基礎設施建設與管理、系統(tǒng)的運營與服務，以及相關配套的政策與管理體制對于系統(tǒng)網(wǎng)絡化都有內在需求.交通運輸網(wǎng)絡按照傳統(tǒng)的運輸方式可劃分為道路交通網(wǎng)絡、軌道交通網(wǎng)絡、航空運輸網(wǎng)絡、水路運輸網(wǎng)絡及管道運輸網(wǎng)絡等.綜合交通運輸網(wǎng)絡則是由多方式交通設施子網(wǎng)絡和銜接不同設施子網(wǎng)絡的連續(xù)服務網(wǎng)絡所構成的，其基本存在形式是復合、異構的多方式設施子網(wǎng)絡和人流、非機動車流、機動車流、公交車流和列車流等多行為主體的異質交通流[2].

在靜態(tài)交通運輸網(wǎng)絡結構中，通常用網(wǎng)絡的節(jié)點表示交通流的重要集散點，如綜合交通樞紐、機場、車站、公交站點等，網(wǎng)絡的邊表示集散點之間的連接通道，如道路、軌道線路、航線、公交線路等.圖1為紐約原始交通網(wǎng)絡及部分節(jié)點拓撲圖，圖1(b)中節(jié)點字母和數(shù)字代表線路名稱.在動態(tài)交通網(wǎng)絡結構中，網(wǎng)絡的邊通常被賦予某個相應動態(tài)變量權重，如交通流量、客流量、服務頻率等.由于交通流量在網(wǎng)絡中的移動具有方向性，故網(wǎng)絡圖通常都是有向圖.

圖1 紐約交通網(wǎng)絡拓撲圖[3]Fig.1 Network of New York City[3]

交通運輸網(wǎng)絡中各元素之間的耦合關系十分復雜，是一個典型的開放、非線性、動態(tài)復雜巨系統(tǒng).交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程是指從復雜網(wǎng)絡的視角出發(fā)，依據(jù)系統(tǒng)科學與工程的理論與方法，充分利用先進的信息、通訊、控制與計算機等技術，協(xié)調有效地組織管理交通系統(tǒng)規(guī)劃、設計、建設和運營等各個階段的一門技術，是交通系統(tǒng)科學基本規(guī)律在實際交通運輸管理中的應用.目前的智能交通管理系統(tǒng)，實質上是交通基礎設施網(wǎng)絡系統(tǒng)與交通信息網(wǎng)絡系統(tǒng)的整合.在這個大系統(tǒng)中，交通運輸網(wǎng)絡作為一個實體網(wǎng)絡，信息網(wǎng)絡相對而言是一種虛擬網(wǎng)絡，虛實整合產(chǎn)生單一網(wǎng)絡無法產(chǎn)生的高一層面上的更高綜合效率[4].近年來，交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術的驅動下，正在朝著數(shù)字化、智能化方向快速發(fā)展，并成為“交通大腦”“智慧城市”的核心組件之一.

1 交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程中的科學問題

交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程涉及交通運輸系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡分析、交通運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡化運營組織管理，以及城市交通系統(tǒng)網(wǎng)絡化信號控制與誘導等多個研究領域.下面就上述3個領域進行重點闡述.

1.1 交通運輸系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡分析

交通運輸系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡分析的目標是希望將復雜網(wǎng)絡理論應用于交通運輸系統(tǒng)規(guī)劃、設計、建設與運營等各個階段.從“結構決定功能”的角度出發(fā)，通過研究諸如交通擁堵在城市路網(wǎng)中產(chǎn)生及傳播機制，交通網(wǎng)絡結構的可達性、可靠性、魯棒性與抗毀性等問題，從宏觀層面深入了解交通網(wǎng)絡結構與功能之間的互饋耦合關系及演化機理，進而為解決交通網(wǎng)絡中存在的實際問題提供一種新的研究視角[5].復雜交通運輸網(wǎng)絡的早期研究主要集中于利用復雜網(wǎng)絡理論構造網(wǎng)絡的拓撲結構，探討分析靜態(tài)交通運輸網(wǎng)絡結構上的統(tǒng)計特性.隨后圍繞動態(tài)交通運輸網(wǎng)絡的生成、演化機理及其上的動力學問題展開研究，并進一步延伸至網(wǎng)絡上出行行為的復雜性，期望發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡運行的動態(tài)復雜機理.交通運輸系統(tǒng)復雜網(wǎng)絡分析的核心問題是探索不同交通運輸網(wǎng)絡拓撲結構與交通動力學時空演化規(guī)律、網(wǎng)絡承載力、可靠性之間的動態(tài)耦合及匹配關系.這既是一個具有挑戰(zhàn)性的科學難題，也對實際交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)的規(guī)劃、設計及組織運營優(yōu)化具有理論指導作用.

下面主要從不同交通方式的角度對相關研究及其中蘊含的科學問題進行論述.

(1)對于城市道路交通網(wǎng)絡，將道路交通流模型、網(wǎng)絡交通流模型與復雜網(wǎng)絡分析方法相結合，尋找交通網(wǎng)絡動力學規(guī)律是一個重要的研究方向.城市道路網(wǎng)絡形態(tài)與城市規(guī)劃的思維、理念及城市文化等密切相關，在城市道路網(wǎng)長期演化過程中，會呈現(xiàn)出從規(guī)則結構到隨機網(wǎng)絡的不同結構特征.一般情況下，完全自組織演化的城市街道(道路)網(wǎng)絡會呈現(xiàn)出與非空間網(wǎng)絡類似的無標度特性，而經(jīng)過精心規(guī)劃的城市街道(道路)網(wǎng)絡則難以出現(xiàn)這樣的網(wǎng)絡特征[6].同時，由于交通網(wǎng)絡具有典型的動態(tài)性，交通系統(tǒng)中需求動態(tài)演化、流量傳播及失效過程更具復雜性.高自友等[7]利用改進的元胞傳輸模型分析突發(fā)事件所導致的擁堵在路網(wǎng)中的傳播規(guī)律，通過識別擁堵瓶頸，提出了擁堵消散的動態(tài)控制策略.隨后又開展了一系列研究，包括網(wǎng)絡不同拓撲結構對交通擁堵規(guī)律的影響及各種緩解控制策略等.Sun 等[8]發(fā)現(xiàn)雖然交通網(wǎng)絡上個體出行特性各異，但群體分布卻不受網(wǎng)絡規(guī)模和交通狀況的影響，都接近用戶均衡，該結果有助于理解城市交通網(wǎng)絡上的平衡機制.Yan 等[9]提出一個預測網(wǎng)絡中出行需求的普適模型.Zhao 等[10]引入相對鄰域圖作為獲取道路網(wǎng)絡拓撲特征的連接機制；He 等[11]通過將移動定位數(shù)據(jù)“映射到網(wǎng)格”的方法構造交通時空圖；Jiang等[12]利用網(wǎng)絡運行可靠性描述交通擁堵導致交通崩潰的概率特征.

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，城市的交通路網(wǎng)特征、出行模式特征等呈現(xiàn)出高密度、高聚集、強相關等網(wǎng)絡屬性，交通事件的傳播具備了網(wǎng)絡傳播的特點，而滲流理論可以很好地用來描述復雜交通網(wǎng)絡的可靠性.基于滲流理論的交通可靠性分析方法，突出了“網(wǎng)絡”維度，可以充分挖掘路網(wǎng)交通流的時空關聯(lián)關系，確定網(wǎng)絡層面上交通系統(tǒng)功能顯著降級的“滲流相變點”，進而刻畫擁堵從局域產(chǎn)生到擴散全局的動態(tài)滲流過程.Li 等[13]首先揭示了交通組織中的滲流特征，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡的全局流量是由局部流量的集群動態(tài)組成.Zhang等[14]引入交通滲流評價指標分析路網(wǎng)可靠性，發(fā)現(xiàn)具有異質結構特征的路網(wǎng)形態(tài)可以承載更大的交通流量，交通結構瓶頸具有時空移動性，并基于大量實證數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)交通韌性分布遵循冪律形式，而交通擁堵的恢復時間具有不同的標度律，它可以標示城市交通韌性的內在稟賦.Zeng 等[15]通過研究城市交通網(wǎng)絡動態(tài)驅動的關鍵滲流特性，發(fā)現(xiàn)在同一個交通網(wǎng)絡拓撲結構中，不同交通狀態(tài)下兩種模式的滲流行為互相轉變，其中平峰或節(jié)假日模式表現(xiàn)出與小世界網(wǎng)絡類似的滲透特征，工作日高峰模式表現(xiàn)出2D 格子的特性.進一步研究[16]發(fā)現(xiàn)，我國特大城市交通系統(tǒng)存在多個亞穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡狀態(tài)，這些亞穩(wěn)態(tài)對應于不同級別的路網(wǎng)效能，結果可以為交通管理者設計早期預警信號，防止交通系統(tǒng)轉向難以恢復的嚴重擁堵狀態(tài).需要特別指出的是：黃海軍等[17]將研究對象從城市道路交通網(wǎng)絡擴展至城市群綜合交通網(wǎng)絡，這對處于新型城鎮(zhèn)化建設階段的我國綜合交通系統(tǒng)發(fā)展非常具有現(xiàn)實意義.

此外，由于城市道路交通流是交通需求和交通供給在現(xiàn)有道路交通運行環(huán)境下，所有出行者在城市交通道路網(wǎng)絡上的具體實現(xiàn)結果，因此對于城市交通系統(tǒng)而言，一個不容忽視的問題是：城市道路交通網(wǎng)絡上出行者的自主選擇行為(出行者博弈)是如何與網(wǎng)絡結構、交通設施與管理控制等變化相互影響的？即在真實交通出行行為作用下，何種道路交通網(wǎng)絡拓撲結構、設施與管理控制等可以承擔更大的交通流量(網(wǎng)絡承載能力)？道路網(wǎng)絡中部分功能損失(或部分能力受損)如何引起交通系統(tǒng)可靠性的變化？以及如何切實有效的提升城市交通系統(tǒng)韌性等？這些都是值得更加深入研究的方向.

(2)對于航空運輸網(wǎng)絡，由于其交通連接方式的特殊性，許多研究表明，航空網(wǎng)絡容易形成小世界網(wǎng)絡或無標度特性.通過分析世界各國航空網(wǎng)絡拓撲結構，發(fā)現(xiàn)航空(機場)網(wǎng)絡具有較小的平均距離和較大的簇系數(shù)，具有小世界網(wǎng)絡的特性[18].如果用航班數(shù)定義網(wǎng)絡邊的權重，中國機場網(wǎng)絡也具有小世界特性，而且如果考慮飛機機型不同，網(wǎng)絡所提供的運輸能力將呈現(xiàn)出很大的差異性[19].由于航空網(wǎng)絡具有動態(tài)演化性，通過對中國多年的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)中國航空網(wǎng)絡的最優(yōu)結構應為無標度網(wǎng)絡，但網(wǎng)絡演化出現(xiàn)無標度向隨機網(wǎng)絡的“退化”過程[20].對于航空網(wǎng)絡的魯棒性，Pien等[21]計算整個歐洲航空網(wǎng)絡的拓撲指數(shù)，提出一個新指標——相對面積指數(shù)，用以分析網(wǎng)絡魯棒性能.武喜萍等[22]分析了空中交通流量網(wǎng)絡的延誤傳播特征，并使用選擇性攻擊和隨機攻擊方法分析空中交通流量網(wǎng)絡的抗毀性.Zhou 等[23]提出了一種新型的加權航空運輸網(wǎng)絡(ATN)效率指標，其中的權重表示兩個機場之間的連接強度，涉及航線數(shù)量，航班頻率或乘客座位數(shù)量.利用所有航空公司運營的航線數(shù)據(jù)，評估和比較8 個國內ATN 的加權效率和魯棒性，并識別了這些ATN 中的關鍵機場.需要特別強調的是，以機場為節(jié)點，機場之間的所有航線及其客運量為連邊，可構建出全球移動網(wǎng)絡.基于該全球移動網(wǎng)絡，可以有效地探究流行病、謠言、觀點等在全球的傳播時空過程.該方法已成功地反演出全球2009年H1N1 流感大流行和2003年SARS流行的時空演化過程[24]，并在預測此次新冠肺炎的可能傳播范圍、各地區(qū)到達時間、評估疾病控制政策中得到較為廣泛和有效地應用[25].

雖然對于航空網(wǎng)絡復雜性的研究不少，但是航空網(wǎng)絡和其他交通網(wǎng)絡的典型區(qū)別在于前者更加關注直達航班線路和航空樞紐，之前的這些研究大部分是針對不同國家的實際航空航班數(shù)據(jù)展開的，更多需要從網(wǎng)絡設計角度優(yōu)化航班線路，充分利用航空資源，進行合理的優(yōu)化配置，以加快客流在航空網(wǎng)絡中的流動.

(3)對于軌道交通運輸網(wǎng)絡，當前的研究也顯示，軌道交通網(wǎng)絡具有小世界網(wǎng)絡或無標度網(wǎng)絡特性.例如Sen等[26]研究了印度鐵路網(wǎng)絡的小世界特性，Li等[27]對中國鐵路網(wǎng)絡拓撲結構進行實證分析，驗證了中國鐵路網(wǎng)是一個無標度網(wǎng)絡，具有較小的最短距離和較大的簇系數(shù).Derrible 等[28]分析了世界上33個城市地鐵網(wǎng)絡的無標度和小世界特性，認為小規(guī)模網(wǎng)絡建立換乘站，大規(guī)模網(wǎng)絡在城市外圍建設中轉站可有效提高網(wǎng)絡的魯棒性.Wang 等[29]設計了10 個指標綜合評價了33 個城市的地鐵網(wǎng)絡整體魯棒性，表明東京地鐵網(wǎng)的魯棒性最好.在網(wǎng)絡受到攻擊方面，重點研究城市軌道網(wǎng)絡在隨機攻擊和蓄意攻擊下的魯棒性，如有研究[30]建議京津冀區(qū)域規(guī)劃軌道交通網(wǎng)絡需要從區(qū)域內網(wǎng)絡性能和區(qū)域外運輸需求等方面，來分析多種攻擊模式對網(wǎng)絡性能的影響.擁有世界最長運營里程的中國高速鐵路目前逐漸成網(wǎng)，超級網(wǎng)絡(Hypernetwork)可以是研究中國高速鐵路網(wǎng)絡演化機理的一種有效工具[31]，也有研究人員建立了南京地鐵網(wǎng)絡的超網(wǎng)絡模型[32].Ouyang 等[33]基于復雜網(wǎng)絡方法，構建出行可達性指標，分析了中國鐵路網(wǎng)絡遭受空間局部性故障事件的脆弱性.Liu等[34]基于復雜網(wǎng)絡的效率和能力指標，構建出了一個綜合框架，以分析受到自然災害影響的鐵路基礎設施網(wǎng)絡的風險，評估與降雨相關的多災種對中國鐵路系統(tǒng)的風險.車站之間如何良好連接是鐵路系統(tǒng)性能的關鍵評估.網(wǎng)絡分析是表征鐵路系統(tǒng)物理連通性的一種高度直觀且可解釋的方法.然而，由于缺乏交通流信息，物理連接性通常在描繪運輸網(wǎng)絡動態(tài)方面受到限制.Xu 等[35]全面回顧了物理連通性指標，并將這些指標應用于評估中國高速鐵路系統(tǒng)的連通性.孫曉璇等[36]根據(jù)中國列車時刻運行表，以453 個高速車站和2293 個普通車站作為節(jié)點，構建出高鐵—普鐵交通雙層復雜網(wǎng)絡，分別對單層的高鐵和普鐵網(wǎng)絡及高鐵—普鐵雙層耦合網(wǎng)絡進行靜態(tài)的結構拓撲分析，并進行隨機和蓄意的抗毀性分析.

城市軌道交通網(wǎng)絡系統(tǒng)與一般網(wǎng)絡系統(tǒng)的主要區(qū)別是：其靜態(tài)物理網(wǎng)絡的能力是由動態(tài)服務網(wǎng)絡的結構決定的，而動態(tài)服務網(wǎng)絡的結構又反過來受到靜態(tài)網(wǎng)絡能力的限制，彼此之間構成了一種互反饋機制.對于這種復雜的多層實時網(wǎng)絡服務系統(tǒng)，應在揭示軌道交通網(wǎng)絡系統(tǒng)特性的基礎上，基于多源的動態(tài)客流數(shù)據(jù)，研究軌道交通網(wǎng)絡系統(tǒng)彈性的測度準則，以增強網(wǎng)絡系統(tǒng)韌性為目標，提出靜態(tài)資源優(yōu)化、動態(tài)網(wǎng)絡結構優(yōu)化及兩者協(xié)調優(yōu)化的方法，為軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃以及在日常和應急條件下的運營優(yōu)化提供理論依據(jù).

(4)對于城市公共交通網(wǎng)絡，已有研究表明，地面公交網(wǎng)絡拓撲結構一般表現(xiàn)為小世界網(wǎng)絡或無標度網(wǎng)絡[37].Sienkiewicz 等[38]對波蘭22 個城市的公共交通網(wǎng)絡進行分析，發(fā)現(xiàn)這些城市雖然在網(wǎng)絡規(guī)模上存在很大差異性，但是在度分布、簇系數(shù)等特征參量上有著相同的特征，揭示了城市公交網(wǎng)絡的無標度特性和小世界特性.高自友等[5,39]發(fā)現(xiàn)，北京公交網(wǎng)絡具有無標度特性，并對如何利用公交網(wǎng)絡中的平衡配流思想，尋找其中的關鍵Hub 點提出了解決思路.最近，為了更好反映出行乘客和公交運營車輛之間的關系，有學者[40]建立了一類新的雙層耦合公交網(wǎng)絡模型，并研究了耦合網(wǎng)絡上的同步問題.Huang等[41]考慮網(wǎng)絡拓撲結構變化引發(fā)的乘客動態(tài)行為，提出一種由流量驅動的演化模型來模擬公交網(wǎng)絡的演化迭代過程.Li等[42]將共享汽車和公共交通整合到單一OD 的交通網(wǎng)絡中，提出一種多模式的路徑選擇模型.Wang等[43]提出了一種基于客運流量的公共交通網(wǎng)絡分層方法來對公共交通網(wǎng)絡進行分離和排名.Zheng等[44]使用了中國深圳240萬地鐵和公共汽車乘客的智能卡數(shù)據(jù)來研究地鐵和公共汽車網(wǎng)絡的耦合動力學并發(fā)現(xiàn)其耦合性由出行需求和交通設施的分布共同決定.Cats等[45]提出了一個迭代投資模型網(wǎng)絡分析框架，有效地根據(jù)需求和成本函數(shù)來模擬大都市地區(qū)的城市公共交通網(wǎng)絡隨著時間演變的過程，并發(fā)現(xiàn)相比輕軌列車和地鐵網(wǎng)絡，公交網(wǎng)絡包括更多的環(huán)形—徑向連接，而輕軌和地鐵網(wǎng)絡則更集中于徑向連接.

與其他交通網(wǎng)絡相比，城市公交網(wǎng)絡具有一些獨特的特征.從網(wǎng)絡表示上，公交網(wǎng)絡具有換乘和并線的典型特征，并依托于實際存在的道路網(wǎng)絡，一般情況下需要抽象為一個擴展的超級網(wǎng)絡后再進行拓撲結構及流量分布復雜特性的研究.更重要的是，公交線路具有密度大和快速可調整性，可以根據(jù)客流量、客流走勢等動態(tài)進行增減，因此結構更具動態(tài)演化的特性.對于這種具有明顯動態(tài)演化特性的網(wǎng)絡，應需要深入分析其線路演化機理，揭示網(wǎng)絡上的換乘特性，識別公交網(wǎng)絡樞紐，為有效減少換乘次數(shù)，提高公交系統(tǒng)的可達性、可靠性和韌性，為線路設計和線路調整提供科學支撐.

(5)對于水運交通運輸網(wǎng)絡，由于海上貿易運輸占世界貿易運輸?shù)?0%左右，使得全球商船網(wǎng)絡成為最重要的研究對象之一.Kaluza 等[46]利用16363 艘貨船和航線信息來構建港口之間的聯(lián)系網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)全球商船網(wǎng)絡具有小世界特征.利用1977—2008年世界各港口之間的每日商船移動數(shù)據(jù)，Ducruet等[47]構建全球航運網(wǎng)絡，探究航運如何隨著主要的經(jīng)濟、地理和技術變化而演變，最終影響全球貿易，并發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡在時間上存在固定的規(guī)律，如較強的中心性和具有多樣性特征的港口兼具更長范圍的鏈接.Kojaku 等[48]將水運網(wǎng)絡表示為由港口和航路組成的二分網(wǎng)絡，對其進行單模式投影，發(fā)現(xiàn)與其他運輸網(wǎng)絡一樣，全球貨輪運輸網(wǎng)絡具有核心—外圍結構形態(tài)，并提出一種檢測網(wǎng)絡中核心—外圍節(jié)點對的算法.

1.2 交通運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡化組織運營管理

毛保華等[49]認為交通運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡化組織運營管理是指交通基礎設施成網(wǎng)條件下為提高政府管理部門或運營企業(yè)工作效率、改善系統(tǒng)運行安全性、提高服務水平所采取的所有運輸組織方法與措施的總稱.其中的關鍵科學問題包括在交通基礎設施物理結構為復雜網(wǎng)絡的條件下，具有目標異性的多博弈主體(政府、運營企業(yè)、乘客等)之間如何實現(xiàn)利益平衡或達到帕累托最優(yōu)等.

在交通基礎設施物理網(wǎng)絡的布局設計方面，主要應用的工具是利用運籌學中的方法優(yōu)化建模，然后采用各種啟發(fā)式算法進行求解.例如對于公共交通線網(wǎng)設計問題，可以將網(wǎng)絡中的公交線路頻率問題表述為非線性—非凸混合整數(shù)規(guī)劃問題，然后將其轉換為雙層規(guī)劃模型，并采用投影梯度算法或混合人工蜂群算法求解[50]，或將乘客時間成本和運營者效益的加權組合(乘客滿意度)作為優(yōu)化目標建立線網(wǎng)優(yōu)化模型[51]，或綜合考慮公交網(wǎng)絡和公共自行車網(wǎng)絡，設計新的公共交通系統(tǒng)[52].王煒等[53]基于“逐條布設、優(yōu)化成網(wǎng)”的原則對公交線網(wǎng)以及常規(guī)公交與城市軌道交通銜接的網(wǎng)絡進行設計.也有學者[54]基于路線的準時指數(shù)，站點的偏差指數(shù)和站點的均勻度指數(shù)，對站點、路線和網(wǎng)絡層面的公交服務可靠性進行評估.在軌道交通線網(wǎng)設計方面，可以用整數(shù)規(guī)劃模型描述軌道交通系統(tǒng)檢查和維護調度的決策過程[55]；Canca 等[56]考慮網(wǎng)絡建設、運營、車輛和人員成本，進行軌道快速交通網(wǎng)絡的設計和線路規(guī)劃，并利用自適應大鄰域搜索算法求解.

將交通基礎設施網(wǎng)絡化管理與北斗導航、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術相結合是一個重要的新趨勢，也取得了相關標志性成果，例如北斗系統(tǒng)提供的中國高精度位置網(wǎng)及其在交通領域的重大應用[57]，車聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術支持的大范圍路網(wǎng)交通協(xié)同感知與聯(lián)動控制關鍵技術及應用[58].此外，學者們將物聯(lián)網(wǎng)應用在交通運輸領域[59]，利用生物識別技術進行車輛識別與車輛間互聯(lián)[60]，在光譜圖像中識別交通基礎設施目標[61]，將BIM(Building Information Modeling)技術應用于交通基礎設施網(wǎng)絡化管理[62]，將超網(wǎng)絡用于構建車輛間通信模型等[63].值得指出的是，2014年3月我國交通運輸部正式啟動的全國高速公路電子不停車收費(Electronic Toll Collection,ETC)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工作對交通設施網(wǎng)絡化管理具有示范作用.除了對ETC相關技術持續(xù)研究之外，人們也利用聯(lián)網(wǎng)ETC 收集到的信息估算動態(tài)OD交通量，建設智能停車管理系統(tǒng)，以及高精度預測行程時間.

在客流分布時空不均衡及運力資源有限的情況下，如何提高交通網(wǎng)絡運營組織能力、降低乘客出行成本是國內外學者競相研究的問題.Wu等[64]提出了一種分層流網(wǎng)絡來構建交通需求流量估算模型，通過將多個數(shù)據(jù)源映射到分層網(wǎng)絡中的不同變量來融合多個數(shù)據(jù)源.Shang等[65]提出了可用于集成異構數(shù)據(jù)源的基于時空狀態(tài)的超網(wǎng)絡分配方法.近年來我國城市軌道交通快速發(fā)展，網(wǎng)絡化運營要求迫切.國外城市和國內的北京、上海、廣州、南京和武漢等城市都有車輛段或停車場共用的案例[66]，在軌道交通網(wǎng)絡中的跨線、共線運營方面，相關的研究包括市郊鐵路與地鐵的跨線共線運營技術[67]；針對上海地鐵3、4 號線原“C”型共線運營存在的困難，提出的兩線共線運營與單線多交路運營相結合方案[68]；針對城市軌道Y型線路共線運營模式進行分析和優(yōu)化等[69].在多方式交通網(wǎng)絡協(xié)同運營方面開展的研究包括以實現(xiàn)最小乘客換乘步距為目標，機場換乘樞紐最佳的幾何形狀[70]；以運營成本和乘客出行成本為目標，建立城市軌道交通與公交一體化換乘優(yōu)化模型[71]；以大型社區(qū)居民出行為對象，提出接駁地鐵的社區(qū)公交微循環(huán)系統(tǒng)線路優(yōu)化方法[72]；軌道交通線路與常規(guī)公交線路一體化時刻表的編制方法等[73].

在網(wǎng)絡化運營條件下，運營資源的共享及應急管理不僅能夠對有限資源進行充分利用，提高線網(wǎng)協(xié)調運行效率，還能降低運營企業(yè)運營成本，提升應急響應速度.對此可以利用交通信息共享技術提高運輸服務質量[74]，或建設基于云計算的全路多系統(tǒng)共享云平臺[75]，或探討國鐵干線、市域鐵路和城市軌道交通融合發(fā)展的路徑[76].對于網(wǎng)絡的應急管理，研究人員規(guī)劃和設計了高效軌道交通與公交聯(lián)動網(wǎng)絡，分析了在地鐵運營中斷且不確定恢復時間的情況下應急替代地面公交系統(tǒng)的最佳啟動時間等[77].

對于近年交通運輸行業(yè)涌現(xiàn)出的新業(yè)態(tài)(如網(wǎng)約車、共享單車、共享汽車等)交通網(wǎng)絡，其組織和運營優(yōu)化問題也被學術界日益重視.如利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡對大規(guī)模共享單車網(wǎng)絡中的站級需求進行預測[78]，共享單車的網(wǎng)點車輛再平衡[79]，共享汽車動態(tài)路徑的優(yōu)化[80]，網(wǎng)約車司機和乘客會面點位置的評估等[81].

1.3 城市交通系統(tǒng)網(wǎng)絡化控制與誘導

城市交通系統(tǒng)網(wǎng)絡化控制與誘導技術涉及網(wǎng)絡化動態(tài)交通信息獲取與交互，區(qū)域交通信號的網(wǎng)絡化控制與智能誘導，交通網(wǎng)絡信號控制及動態(tài)誘導協(xié)同等多個方面[82].它是大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術滲透最廣泛深入的一個領域，其中知名互聯(lián)網(wǎng)公司提出的“城市大腦”“交通大腦”等理念及其實踐在業(yè)內產(chǎn)生了很大影響，“城市大腦”對城市交通事件感知與智能處理的決策過程，如圖2所示.

圖2 城市大腦中的事件感知與智能處理[83]Fig.2 Event perception and intelligent processing of city brain[83]

在網(wǎng)絡化動態(tài)交通信息獲取與交互方面，主要集中于多源動態(tài)交通信息采集，異構交通的數(shù)據(jù)融合，交通傳感器網(wǎng)絡的自組網(wǎng)，網(wǎng)絡化多維交通信息可靠交互技術等技術的研發(fā)，其目標是構建一個“全景”式的交通信息感知網(wǎng)絡.具備一定的自主感知、自主判斷、自主調控能力的交通信息—物理耦合系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)是近來的研究熱點[84]，并進一步延伸推廣到“并行/平行交通系統(tǒng)”“數(shù)字孿生交通系統(tǒng)”[85].

在交通信號控制方面，經(jīng)歷了“點控—線控—面控”的過程，而如何實現(xiàn)對較大范圍區(qū)域內交通網(wǎng)絡的時空動態(tài)協(xié)同優(yōu)化控制是一個具有挑戰(zhàn)性的難題.對于軌道交通信號控制，針對移動閉塞系統(tǒng)下高速鐵路分布式協(xié)同控制問題，NING等[86]提出了具有新通信網(wǎng)絡拓撲結構的高速列車協(xié)同控制方法，同時開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的基于通信列控系統(tǒng)(Communications-based Train Control,CBTC)，提出了基于網(wǎng)絡拓撲結構的城市軌道列車控制系統(tǒng)安全保障的方法[87]；對于城市交通網(wǎng)絡化信號控制與誘導，賀國光等分析了基于速度優(yōu)化(OVM)模型的交通流混沌現(xiàn)象[88]；關積珍等[89]研究了基于交通流實時檢測的奧運交通誘導VMS信息發(fā)布策略；張毅等[90]提出了基于時空依賴性的區(qū)域路網(wǎng)短時交通流預測模型；王殿海等[91]針對長干道和網(wǎng)格網(wǎng)絡交通信號的協(xié)調問題，提出的MaxBandLA模型用于對長干道上的交通信號進行協(xié)調，MaxBandGN模型對網(wǎng)格網(wǎng)絡中的信號進行協(xié)調，并進一步討論了基于多源數(shù)據(jù)融合的城市道路網(wǎng)絡宏觀基本圖；楊曉光等[92]則對有人行橫道及自動駕駛環(huán)境下交叉口的交通信號配時進行優(yōu)化.

近來各種深度學習方法開始應用于交通網(wǎng)絡信號控制，如Wang 等[93]以單交叉口、干線、多交叉口群的區(qū)域路網(wǎng)為研究對象，構建基于強化學習的分層控制算法，對當前的信號定時方案進行優(yōu)化和改進；Tan等[94]利用深度強化學習策略監(jiān)控交通系統(tǒng)中不同區(qū)域復雜交通狀態(tài)下多個信號.

在交通動態(tài)誘導及信號控制協(xié)同優(yōu)化方面，現(xiàn)有的全局優(yōu)化協(xié)同算法一般基于用戶路徑?jīng)Q策得到全局優(yōu)化的控制策略.如馬壽峰等[95]在交通控制與誘導協(xié)調模型的基礎上，提出協(xié)調管理者與出行者之間矛盾的博弈論模型，劉攀等[96]討論了交叉口左轉沖突車流的誘導與信號控制問題，也有學者[97]基于拉格朗日松弛優(yōu)化將信號控制與路徑誘導的協(xié)同優(yōu)化問題進行分解.目前信號控制與誘導協(xié)同存在的主要問題是大多數(shù)優(yōu)化算法的求解需要相當大的計算量，需要在實時性、計算精度與優(yōu)化效果之間進行權衡；其次理論研究的路網(wǎng)從結構復雜度到規(guī)模都較實際路網(wǎng)有相當大的差距，如何將實驗得到的協(xié)同或全局優(yōu)化策略應用于大范圍路網(wǎng)是一個具有挑戰(zhàn)性的難題.

2 問題及展望

(1)對綜合交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程的理論和方法論體系研究不足，將會導致缺乏對綜合交通發(fā)展戰(zhàn)略和體制機制的頂層設計的支撐能力.

隨著我國“交通強國戰(zhàn)略”的提出，綜合交通體系建設的重要性日益突顯.目前國內外對單一方式交通網(wǎng)絡的理論研究和應用成果相對比較豐富，但對具有“個體出行多樣、群體行為涌現(xiàn)、多交通方式耦合、網(wǎng)絡資源時變”特點的綜合交通網(wǎng)絡，無論是指導理論還是在具體的方法論研究都存在明顯不足.其中包括“綜合交通網(wǎng)絡的構造演化機理”“城市交通網(wǎng)絡供需平衡機理”“多層綜合交通網(wǎng)絡結構復雜特性及其動力學過程”“出行行為的多樣性及可預測性”等科學問題[2]都亟待深入研究.基礎理論研究的不足，導致缺乏對綜合交通發(fā)展戰(zhàn)略和體制機制的頂層設計的支撐能力.同時，由于在綜合交通資源協(xié)同配置理論和方法體系方面研究的欠缺，出現(xiàn)了主要運輸通道能力不協(xié)調、綜合運輸結構不合理等問題.此外，通過對綜合交通網(wǎng)絡系統(tǒng)工程的理論和方法體系的研究，也可以為城市規(guī)劃、交通規(guī)劃、土地規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等“四規(guī)”的協(xié)同提供理論支持.特別是隨著新技術的不斷出現(xiàn)，從微觀與宏觀角度研究交通物理網(wǎng)和交通信息網(wǎng)的融合及動力學相關作用，建立多層城市綜合交通運輸網(wǎng)絡的韌性表征方法將是一個非常重要的研究方向.

(2)在可預見的未來，新技術環(huán)境下的交通運輸系統(tǒng)將出現(xiàn)顛覆性的變革，交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程的內涵和外延也需要進行根本性的升級改造.

①隨著電動汽車、高速列車、智能船舶、無人機、真空管道磁懸浮系統(tǒng)，以及車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等技術的快速發(fā)展，交通運輸載運工具出現(xiàn)了運行狀態(tài)全感知、控制方式多元化、能源補充多模式等新特點.隨著5G 技術的成熟，未來交通互聯(lián)網(wǎng)與交通能源網(wǎng)也將深度融合，這些都使得未來的交通系統(tǒng)勢必出現(xiàn)與當下可能完全迥異的一種新生態(tài).這種新生態(tài)交通必然對交通運輸組織、管理與控制技術提出新的需求，交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程的內涵和外延也需要進行根本性的升級改造.例如在車聯(lián)網(wǎng)與車路協(xié)同環(huán)境下，傳統(tǒng)的、由交通基礎設施(樞紐、場站、道路、航線等)構成的交通網(wǎng)絡節(jié)點和邊就需要重新定義，具備智能網(wǎng)聯(lián)功能的移動載運工具與路側設備都可以作為新型交通網(wǎng)絡的節(jié)點，并與之前傳統(tǒng)定義的網(wǎng)絡疊加耦合，共同構成一個由固定設施和移動載運工具雜合而成的超級網(wǎng)絡(Hybrid Hypernetwork)，而對這類包含具有自驅動、自組織、自決策能力節(jié)點的柔性交通網(wǎng)絡(Flexible Transportation Network)及其共享運行機制的研究，也許是交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程未來的一個重要研究內容.總而言之，面對新技術環(huán)境下的交通運輸系統(tǒng)將出現(xiàn)顛覆性的變革，研究新生態(tài)環(huán)境下的交通運輸系統(tǒng)組織管理理論方法和技術將成為未來交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程發(fā)展的重要趨勢.

②隨著新型傳感器、大數(shù)據(jù)、云計算、深度學習等技術的發(fā)展，交通信息精準獲取與運行態(tài)勢智能分析能力得到極大提高，交通信息的完備性日益增強.由于更加趨近滿足“信息完備”這一假設條件，在交通網(wǎng)絡動態(tài)配流優(yōu)化和誘導過程中，Wardrop 第一原理強調的“用戶均衡”和第二原理強調的“系統(tǒng)最優(yōu)”應該比以前任何時候都有條件達到更高層次的平衡，而如何在上述的超級復雜交通網(wǎng)絡上實現(xiàn)這個目標則是一個具有很大挑戰(zhàn)性的科學和技術難題.有鑒于此，交通大數(shù)據(jù)資源治理機制與管理，交通大數(shù)據(jù)分析方法與支撐技術，交通大數(shù)據(jù)價值發(fā)現(xiàn)與決策等方向也將成為未來交通運輸網(wǎng)絡系統(tǒng)工程發(fā)展的重要趨勢.

③隨著人類腦計劃這個大科學計劃的開展，將人類腦科學研究的成果應用于交通科學和工程領域的研究勢必蓬勃發(fā)展.研究交通組織與管理中的人因機理與工程，對出行者心理和生理的感知，交通信息對出行者行為影響的深層機理分析及干預技術等，也可能成為未來交通網(wǎng)絡系統(tǒng)工程發(fā)展的重要領域.