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1  引言

    自從1868年出現最早的交通信號燈以來[1][2]，城市交通控制已經過100多年的發展。從最早的憑肉眼觀測道路交通狀況和手動控制信號燈，到今天綜合運用計算機技術、現代通訊技術、大系統理論等已初步形成城市交通自動協調控制，交通控制技術有了長足的發展。

    眾所周知，城市交通系統是一個離散、強耦合、非線性、并具有隨機特性的復雜大系統。隨著現代城市交通負荷的加重，其復雜性已較明顯地體現在了相關的城市交通控制中。因此，如何最大限度的發揮系統復雜性分析的特點，并在此基礎上建立更為合理的控制理論和方法體系，已成為現代城市交通控制亟待解決的問題。

1.1 城市交通控制系統
    城市交通信號控制從不同的角度看有不同的劃分方式[3]：從控制策略的角度可將信號控制方式分為定時控制、感應式控制和自適應協調控制；從控制區域的幾何特征劃分可以分為點控、線控和面控；從控制方式可分為方案選擇和方案形成；從控制結構可分為集中式控制和分層式控制等等。

    結合實際應用情況，國內外先后開發出了多種較為使用的城市交通控制系統。例如，以MAXBAND和TRANSYT為典型代表的定時控制系統，以SCOOT和SCATS為典型代表的自適應協調控制系統等。同時，感應式控制也先后在各類控制系統中得到嵌入和應用。

    同時，在傳統的交通控制理論和方法研究中，由于理論方法的限制和實際應用條件的有限，主要都簡化了研究對象的復雜度，以單路口為研究對象，建立必要的控制模型，在理論分析的基礎上形成比較實用的控制方法；而對于需要進行多路口協作控制如線控和面控時，則在單路口控制方法的基礎上，考慮相互間的主要聯系，而建立起了現有的協調控制系統。

    因此，從嚴格的意義上講，無論是上面所述的何種城市交通控制系統，其控制策略都是基于單路口控制，并在必要時適當考慮相互耦合關系和作用的基礎上形成的，而在根本上并沒有考慮城市交通系統本身的復雜特性。
正是因為在城市交通控制系統的研究和應用過程中，存在理論分析方法的滯后，存在交通采集手段不足、交通信息來源有限、交通信息綜合利用不佳等因素，致使已有的理論和方法不夠有效地反映實際情況，且理論對實用方法的指導性不夠，因而在一定程度上限制了其應用效果。

1.2 復雜網絡在城市交通系統分析中的應用
    從上個世紀80年代起，復雜性逐漸成為科學家們研究的熱點之一，并成為當今世界極富生命力的交叉學科之一，通過各個學科的交叉融合，基于復雜網絡的復雜系統的研究成為復雜性科學三大研究熱點之一。

    最近幾年，Segio Porta 等學者將復雜網絡分析方法應用到城市交通道路網絡的拓撲分析中[5]，通過對城市交通道路網絡的一系列拓撲性質的統計研究，比較分析了多個城市的道路交通網絡的特點，取得了一系列研究成果。Sen P[6]、Guimera’ R[7]、W.Li[8]、JianJun Wu[9]等一些學者則進一步將復雜網絡的研究方法應用到了交通系統分析中來，分別在鐵路交通、空中交通、城市交通等系統中取得了一些成果。Sen P 對鐵路網絡進行了研究，得出了鐵路網絡的“小世界網絡”性質；Guimera’ R將航線網絡網絡抽象成加權網絡，并在此基礎上分析了航線網絡的各種特性，比較了國家航線網絡和世界航線網絡生成機制的不同；JianJun Wu 基于OD分析了公交系統的尺度無關性質，對公交系統的建設提出了一些合理性分析和建議。

    針對城市交通系統中實際存在的復雜特性，研究人員近年來提出的基于復雜網絡系統的分析方法，將城市路網看成是一種網絡，對其聯通特性、聚集程度和擴散快慢等進行分析和討論，試圖找出存在于城市路網中的復雜特性，從而建立起基于系統整體性能基礎上的控制和分析方法。

    這些研究工作是基于復雜網絡的針對城市交通系統的分析方法，是在較為全面的考慮城市交通系統整體特性的基礎上提出的，其研究基礎是整個城市路網而非單個路口，因而它的出現為有效研究城市交通系統的復雜性，及其隨后的網絡交通狀態控制，開辟了一條新的研究思路。

1.3 城市交通系統復雜性分析需求
    基于復雜網絡的城市交通系統復雜性分析方法，是一種從系統復雜性出發研究系統復雜性的方法，其基礎是復雜網絡的路網模型，其條件是基于統計意義上的交通信息，因此希望該方法能夠提供交通專家所關注的交通系統復雜性分析手段，并通過這些手段深入分析和研究城市交通系統的生成、演化和發展特性。

    因此，針對城市交通系統的復雜性分析的研究工作，在建立了與實際的城市交通工程相符合的路網模型，以及確定了能夠反映城市交通系統復雜性的相關參數的基礎上，總體希望在以下方面能夠取得相應的成果，并在實際工程中得到應用：
● 研究和分析城市交通路網的復雜特性
● 基于路網模型提出網絡交通狀態的分析方法
● 研究城市交通狀態的產生與演化過程
● 提出基于復雜性分析的城市交通控制策略
    本論文在分析城市交通控制系統的現狀、復雜性分析的必要性和需求的基礎上，在第2節重點介紹和分析城市交通系統的復雜網絡特性，第3節探討進行城市交通系統的復雜性分析的基礎和體系，第4節討論基于復雜性分析的城市交通控制應用，第5節對相關工作進行總結。

2  城市交通系統復雜網絡特性

    已有的研究結果表明，基于復雜網絡的基礎理論和方法，可以對城市交通系統的路網特性進行相關的初步分析。
本節簡要介紹可用于城市交通系統的復雜性分析的主要基礎理論和方法，包括城市路網的建模、評價網絡化的城市路網特性參數以及可能獲得的復雜性分析基本內容和相關應用等。

2.1 城市路網建模
    總結已有研究成果，可用于城市交通系統復雜性分析的路網模型有三類，對應的主要有三種建模方法[5]，包括：
● 直接映射法：通過將實際交叉路口映射為節點，實際路段映射為邊，所構成的網絡。
● 路名對偶法：通過將實際交叉路口映射為邊，具有同一路名的所有路段映射為同一節點，所構成的網絡。
● 連續路段對偶法：通過將實際交叉路口映射為邊，按一定準則，將一系列“連續路段”映射為同一節點，所構成的網絡。

    圖1給出了三種方法的實現過程示意。第1列是用于映射變換的實際路網。第2列是分別采用三種方法確定的可用于映射變換的路段。第3列是經映射后生成的網絡。