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1  引言

    自從1868年出現(xiàn)最早的交通信號燈以來[1][2]，城市交通控制已經(jīng)過100多年的發(fā)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(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、大系統(tǒng)理論等已初步形成城市交通自動協(xié)調(diào)控制，交通控制技術(shù)有了長足的發(fā)展。

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

1.1 城市交通控制系統(tǒng)
    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(yīng)式控制和自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制；從控制區(qū)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(jié)構(gòu)可分為集中式控制和分層式控制等等。

    結(jié)合實際應(yīng)用情況，國內(nèi)外先后開發(fā)出了多種較為使用的城市交通控制系統(tǒng)。例如，以MAXBAND和TRANSYT為典型代表的定時控制系統(tǒng)，以SCOOT和SCATS為典型代表的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等。同時，感應(yīng)式控制也先后在各類控制系統(tǒng)中得到嵌入和應(yīng)用。

    同時，在傳統(tǒng)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(yīng)用條件的有限，主要都簡化了研究對象的復(fù)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(chǔ)上形成比較實用的控制方法；而對于需要進(jìn)行多路口協(xié)作控制如線控和面控時，則在單路口控制方法的基礎(chǔ)上，考慮相互間的主要聯(lián)系，而建立起了現(xiàn)有的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

    因此，從嚴(yán)格的意義上講，無論是上面所述的何種城市交通控制系統(tǒng)，其控制策略都是基于單路口控制，并在必要時適當(dāng)考慮相互耦合關(guān)系和作用的基礎(chǔ)上形成的，而在根本上并沒有考慮城市交通系統(tǒng)本身的復(fù)雜特性。
正是因為在城市交通控制系統(tǒng)的研究和應(yīng)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(dǎo)性不夠，因而在一定程度上限制了其應(yīng)用效果。

1.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在城市交通系統(tǒng)分析中的應(yīng)用
    從上個世紀(jì)80年代起，復(fù)雜性逐漸成為科學(xué)家們研究的熱點之一，并成為當(dāng)今世界極富生命力的交叉學(xué)科之一，通過各個學(xué)科的交叉融合，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜系統(tǒng)的研究成為復(fù)雜性科學(xué)三大研究熱點之一。

    最近幾年，Segio Porta 等學(xué)者將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法應(yīng)用到城市交通道路網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞治鲋衃5]，通過對城市交通道路網(wǎng)絡(luò)的一系列拓?fù)湫再|(zhì)的統(tǒng)計研究，比較分析了多個城市的道路交通網(wǎng)絡(luò)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(xué)者則進(jìn)一步將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究方法應(yīng)用到了交通系統(tǒng)分析中來，分別在鐵路交通、空中交通、城市交通等系統(tǒng)中取得了一些成果。Sen P 對鐵路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，得出了鐵路網(wǎng)絡(luò)的“小世界網(wǎng)絡(luò)”性質(zhì)；Guimera’ R將航線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)抽象成加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上分析了航線網(wǎng)絡(luò)的各種特性，比較了國家航線網(wǎng)絡(luò)和世界航線網(wǎng)絡(luò)生成機(jī)制的不同；JianJun Wu 基于OD分析了公交系統(tǒng)的尺度無關(guān)性質(zhì)，對公交系統(tǒng)的建設(shè)提出了一些合理性分析和建議。

    針對城市交通系統(tǒng)中實際存在的復(fù)雜特性，研究人員近年來提出的基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析方法，將城市路網(wǎng)看成是一種網(wǎng)絡(luò)，對其聯(lián)通特性、聚集程度和擴(kuò)散快慢等進(jìn)行分析和討論，試圖找出存在于城市路網(wǎng)中的復(fù)雜特性，從而建立起基于系統(tǒng)整體性能基礎(chǔ)上的控制和分析方法。

    這些研究工作是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的針對城市交通系統(tǒng)的分析方法，是在較為全面的考慮城市交通系統(tǒng)整體特性的基礎(chǔ)上提出的，其研究基礎(chǔ)是整個城市路網(wǎng)而非單個路口，因而它的出現(xiàn)為有效研究城市交通系統(tǒng)的復(fù)雜性，及其隨后的網(wǎng)絡(luò)交通狀態(tài)控制，開辟了一條新的研究思路。

1.3 城市交通系統(tǒng)復(fù)雜性分析需求
    基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的城市交通系統(tǒng)復(fù)雜性分析方法，是一種從系統(tǒng)復(fù)雜性出發(fā)研究系統(tǒng)復(fù)雜性的方法，其基礎(chǔ)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的路網(wǎng)模型，其條件是基于統(tǒng)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(guān)注的交通系統(tǒng)復(fù)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(tǒng)的生成、演化和發(fā)展特性。

    因此，針對城市交通系統(tǒng)的復(fù)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(wǎng)模型，以及確定了能夠反映城市交通系統(tǒng)復(fù)雜性的相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，總體希望在以下方面能夠取得相應(yīng)的成果，并在實際工程中得到應(yīng)用：
● 研究和分析城市交通路網(wǎng)的復(fù)雜特性
● 基于路網(wǎng)模型提出網(wǎng)絡(luò)交通狀態(tài)的分析方法
● 研究城市交通狀態(tài)的產(chǎn)生與演化過程
● 提出基于復(fù)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(tǒng)的現(xiàn)狀、復(fù)雜性分析的必要性和需求的基礎(chǔ)上，在第2節(jié)重點介紹和分析城市交通系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性，第3節(jié)探討進(jìn)行城市交通系統(tǒng)的復(fù)雜性分析的基礎(chǔ)和體系，第4節(jié)討論基于復(fù)雜性分析的城市交通控制應(yīng)用，第5節(jié)對相關(guān)工作進(jìn)行總結(jié)。

2  城市交通系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性

    已有的研究結(jié)果表明，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論和方法，可以對城市交通系統(tǒng)的路網(wǎng)特性進(jìn)行相關(guān)的初步分析。
本節(jié)簡要介紹可用于城市交通系統(tǒng)的復(fù)雜性分析的主要基礎(chǔ)理論和方法，包括城市路網(wǎng)的建模、評價網(wǎng)絡(luò)化的城市路網(wǎng)特性參數(shù)以及可能獲得的復(fù)雜性分析基本內(nèi)容和相關(guān)應(yīng)用等。

2.1 城市路網(wǎng)建模
    總結(jié)已有研究成果，可用于城市交通系統(tǒng)復(fù)雜性分析的路網(wǎng)模型有三類，對應(yīng)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(jié)點，實際路段映射為邊，所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。
● 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(jié)點，所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。
● 連續(xù)路段對偶法：通過將實際交叉路口映射為邊，按一定準(zhǔn)則，將一系列“連續(xù)路段”映射為同一節(jié)點，所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。

    圖1給出了三種方法的實現(xiàn)過程示意。第1列是用于映射變換的實際路網(wǎng)。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(jīng)映射后生成的網(wǎng)絡(luò)。