文摘
如何有效地识别关键节点在城市交通网络中实现公平的资源分配面临的复杂交通网络吗?这个问题需要解决在当前交通管理。这项研究被认为是城市交通网络拓扑结构和网络流量状态,提出了一种改进的基于投入产出方法的经济学模型通过引入虚拟节点选择的网络设置与城市交通流网络,传感器节点由里昂惕夫逆矩阵计算系数来确定节点的重要性,根据节点重要性蓄意攻击交通网络分析其健壮性、测试方法的准确性和实用性。结果表明,这种改进方法采用测量交通节点的重要性从全球范围具有快速计算和简单的过程,提供了更可靠的依据运输资源的合理配置。
1。介绍
城市综合交通网络的拓扑特征可以确定网络中节点的重要性,和识别不同节点的重要性在城市交通网络对城市交通的研究是至关重要的弹性和减少意外的条件下城市交通网络的运行效率。随着城市化进程加速,城市道路网络的交通量急剧增加。因此,它具有重要意义的评估节点的重要性为城市交通管理综合城市交通网络。
有许多研究成果的研究节点在复杂网络和交通网络的重要性。白色& Smyth定义并研究了网络中节点的相对重要性,并构建了一个基本的理论框架节点在复杂网络的重要性1]。陈等人考虑节点的信息,最近的邻居节点,和下一个邻居节点的网络,并测量了在复杂网络中节点的重要性通过定义多级邻居信息指标(2]。Kitsak排名指数等人进行了一项研究节点重要性的考虑在整个网络节点的位置(3]。陈与太阳相结合构造了一个评价模型节点距离和社区临界研究复杂网络节点的重要性(4]。玉等人建立了一个属性决定节点重要性评估复杂网络模型,可以用来识别复杂网络中的重要节点(5]。Coscia等人显示节点向量的距离(NVD)问题有许多重要的应用,建立了一个路线图,可以提供有用的并且易于计算,解决方案(6]。有效识别的交通网络中的关键节点,现有的大多数研究结果针对复杂和功能性质的交通网络。例如,歌等人选择了三个评价指标的连接,中间中心,距离测量城市道路建设城市道路的意义重要性评价模型(7]。张&姚明介绍了评价指标定义运行状态脆弱和结构脆弱的城市道路网络8]。李等人选择了全球的有效性指数识别道路网络的关键节点和关键部分基于多通道综合交通网络在城市集群的特点(9]。
在现有的研究中,经典的识别指标的关键节点更关心交通网络的拓扑特性,但城市交通网络的动力学和整体方面不太考虑。本文提出了一种改进的方法来确定城市交通网络的关键节点基于虚拟输入-输出的理论方法结合城市交通网络的静态和动态特性。该方法应用于实际案例中关键节点识别。为了测试的有效性改善虚拟投入产出方法确定城市交通网络的关键节点,节点后的交通网络鲁棒性分析故意攻击根据节点的重要性。测试后,可以得出结论,关键节点的识别方法提出了研究更简单,更实用,具有较高的精度。
2。评价模型的城市交通节点基于投入产出方法的重要性
2.1。方法确定城市交通网络节点的重要性
城市交通网络本质上是一个复杂网络的拓扑特性。考虑到在城市交通网络节点重要性,研究应该关注如何识别节点的重要性。经典的网络中关键节点的识别方法如下:程度的学位价值网络的中心节点,网络的中间性中心节点,网络中节点的亲密中心,密实度和节点的网络。这些方法更关注网络的拓扑特性,它用于确定交通网络中的关键节点。在确定关键节点,通常使用参数(例如,饱和度、容量和平均延迟时间)进行测量。这些参数反映了动态特性的城市交通网络中的不同节点。然而,很难反映整体网络结构及与城市交通网络中节点的交互。这些交互是关键的基础决定了城市交通网络节点的重要性。
基于虚拟输入输出的方法,本研究构建的一种新方法确定城市交通网络的关键节点,结合城市交通网络的拓扑特性和实时交通量。它可以引入一个虚拟节点网络由城市交通网络和传感器节点。这种方法能有效地确定交通节点的重要性从全球范围,从而更好地分配资源的复杂的交通网络。这是有利于政府提出动态政策可以更好地改善交通的稳定(10]。这种方法的基础是经济投入产出模型,应用关键产业投入产出模型的识别方法的评价城市交通网络节点的重要性。
2.2。经济投入产出模型
投入产出模型是由美国经济学家首次提出瓦西里·里昂惕夫,它反映了流动和交换产品和服务之间的各种工业部门的一种经济体系,在一定时期内(11]。根据行业的输入和输出,可以获得一个投入产出矩阵。矩阵的行代表产品的消费或输入由国民经济的各个领域,和列代表产品的输出或价值形成众多行业。计算后,它可以直观地揭示了不同行业的相关性在经济活动12]。
假设有某些经济领域和部门代表提供的中间产品的价值部门的部门,根据投入产出模型的平衡关系:
直接消耗系数可以得到:
它可以是一组矩阵: 在哪里
它可以用矩阵表示形式如下所示: 在哪里
然后被称为里昂惕夫逆矩阵。
让表示行系数和列在矩阵 ;的灵敏度系数可以得到:
输入-输出的灵敏度系数是一个重要的概念的方法。它可以反映产业之间的经济依赖和相互影响。电感系数的含义是某个部门的需求度感应接收当每个部门产生一个单位的最终产品,也就是说,其他部门提供的输出值部门生产单位的最终产品。灵敏度系数反映了某一行业的影响程度在其他行业的经济体系。大于1的系数可以表明,需求的敏感性高于行业平均水平。相反,当电感系数小于1,低于行业平均水平。
2.3。改进的虚拟输入输出方法
除了应用在经济领域,投入产出模型也被扩展到其他非经济领域。朱等人采用了虚拟投入产出方法排名中国铁路网络节点的重要性。与其他算法相比,结果更符合人们的直觉理解站的重要性(13]。沈等人使用的方法获取输入输出矩阵的逆矩阵封闭流的网络计算网络中的节点的影响和应用它来评估主体的影响领域的研究(14]。
在传统的投入产出模型,每个行业都产生一个单位的最终产品,一个行业有更大的电感系数需要增加产量更多,而且反映了基础工业的地位。当经济增长迅速,行业将有最伟大的需求压力。然而,评估标准不集中在操作阶段可能会导致不准确的结果(15]。虚拟输入-输出的计算实例方法在这篇文章中,可以理解,当道路网络中的每个节点增加一个单位的交通量,需要增加更大的交通量大的节点匹配,他们接收来自其他来源的影响。节点的压力也会增加。
本文研究了城市交通网络的虚拟投入产出方法,可以被视为一个流网络。一个流网络定向加权网络。节点之间连接的边代表网络媒体流的方向,和网络中边的重量代表的流量。流网络的节点可以是源,水槽,或一般路径节点(16]。源生成的节点流,水槽的节点流消失,和普通道路节点扮演的角色。流媒体网络类似于普通的复杂网络,既可以表示为矩阵。
在一个复杂的网络,矩阵的元素代表节点之间的连接和在网络。如果该值等于1,这意味着两个节点相连。否则,他们是不会联系。在流媒体网络,表现形式是一样的,除了代表流量的大小来 ,和可能并不等于什么 。通过使用虚拟投入产出方法,边缘的城市交通网络可以被视为工业连接输入输出系统,和流从一个节点到另一个城市交通网络中的节点可以被视为输入输出系统提供的一个中间产品在另一个行业。
由于城市交通网络和工业经济学之间的差异,当我们运用经济投入产出方法确定交通网络中的关键节点,需要考虑城市交通网络作为一个非闭流网络,已流在网络边界的问题。关闭流网络中一些活动可能会影响当地生态系统造成不利影响的基础(17]。为了解决这个问题,作者应用该方法用于社会网络节点影响排名,添加一个虚拟节点在研究对象,允许这个节点分析作为一个源和一个汇的同时研究网络。实验网络的边界节点是双向连接(18]。城市交通网络,添加源和汇之后,为后续应用提供可行性的投入产出方法确定城市交通网络的关键节点。与传统方法相比,改进的虚拟输入-输出对交通网络中的每个节点为每个部门在这个模型中,引入了虚拟节点建立一个新的城市交通网络结构。计算后的电感系数交通网络节点,节点可以评估的重要性。因此,交通网络的健壮性失败之后可以分析和判断。该模型有利于有关部门的交通资源的合理配置。
3所示。案例研究
本文选择了区域道路交通网络由亚太街,其中道路,Xisandao街,在吉林市Dongsandao街为研究对象(交通网络的原始数据来自“关键节点和路段识别方法研究城市道路交通网络”(19])。然后我们排名的重要性节点在研究区十路口和交通数据在早上高峰时间(7:30-8:30)12月24日,2013(星期二)作为一个例子来验证评价方法的有效性。
3.1。区域交通网络建设
区域交通网络是一个区域组成的 , , , , , , ,和 。其中, , ,和是单向线从东北到西南;是单向的线从西南到东北,没有交通流在相反的方向。该网络包括10个十字路口,道路网络结构如图1。
其中,每个网络节点的入站流量如表所示1。
3.2。评价交通节点的重要性,基于改进虚拟输入输出方法
假设特定的车道的饱和度在一个十字路口 ,和在十字路口车道的数量,那么平均饱和 整个十字路口和每个交叉口的饱和度的计算如表所示2。
通过使用改进的虚拟输入输出的方法,建立了城市交通网络系统。这个网络系统的每个节点是由每个部门的投入产出模型。两个相邻节点的流代表中间产品的价值提供给另一方的部门投入产出表。在那之后,虚拟节点介绍了。然后,通过构造里昂惕夫逆矩阵,节点的灵敏度系数可以计算在城市交通网络。在这个实验中,虚拟节点被删除,因为他们只参与计算过程在这个实验中没有现实意义。电感系数排除虚拟节点在这个实验中如表所示3。
它可以从电感系数的灵敏度的定义一个节点表示该节点在这个系统的重要性。电感越大的节点,节点越容易受到其他节点的交通在城市交通网络和交通网络流量的增加更有可能导致压力的节点上。在这个实验中,节点的电感系数1、2、7和8超过1,大于整个网络的平均电感系数。这表明在这个实验道路网络,整个网络交通量的增加时,这四个节点的交通将会显著增加。和这四个城市交通网络中节点的重要性相对更高。
在实际情况下,节点2是三个主要道路的十字路口 , ,和在实验道路网络。和现场数据的研究观察人士发现,早上交通拥堵也是第一个高峰出现在节点2 (6]。同时,两个节点1和8,这是完全不同于其他两个排名方法,连接到节点2最高的重要性。同时,节点2的饱和度是最高的在整个网络和节点2的交通流量的增加将不可避免地对邻近节点1和8有溢出效应,使其在道路网的时候更加脆弱。这表明8节点1和节点的重要性从道路网络动力学的角度来看是合理的。
4所示。分析和验证后交通网络的鲁棒性在蓄意攻击节点故障
4.1。网络鲁棒性分析
在城市交通网络的操作,发生紧急状况,在供应方面或需求方面,这意味着在受影响的区域交通网络的一个节点失败。在本文中,这些连接边缘将被删除;那么路径的一部分将被打断。所以交通网络被认为是健壮的异常情况发生时,和交通网络仍然可以满足客流需求。
计算机网络鲁棒性通常分为两个供应策略:蓄意攻击和随机攻击。本文主要分析蓄意攻击,这意味着有目的的对网络中的节点或边的攻击。一般来说,全球效率作为一个重要的评价指标,在网络鲁棒性的测量标准(当一个节点失败20.]。全球效率E网络可以表示为如下方程: 在哪里是节点对之间的效率。当计算节点故障下的交通网络的鲁棒性,在单位时间内客流节点之间可以用来表达节点对之间的效率 ,见以下方程: 在哪里节点之间的产品是汽车的数量吗我和j和平均载客量是3600秒。在这种情况下,网络的连通性会减少,全球效率也会降低当网络中的一个节点收到攻击。鲁棒性的评价指标的比例是全球效率后的网络攻击最初的全球网络的效率,如以下公式所示:
4.2。实验节点故障在蓄意攻击后交通网络的鲁棒性
为了验证的有效性的关键节点识别交通网络基于虚拟投入产出方法在这项研究中,每个节点选择一个节点根据节点重要性的顺序,根据电感系数(重要性)实验交通网络中的节点表3。后故意攻击,攻击后的实验交通网络鲁棒性的结果如表所示4:
根据鲁棒性分析的结果,它基本上是一致的,节点重要性的顺序与全球效率变化的顺序的蓄意攻击后实验交通网络。其中,最重要的节点2减少全球有效性最被攻击后,第二个最重要的节点1减少被攻击后全球效率。其余的基本上是相同的(图2),除了7节点的重要性,5和9是不同的从全球效率减少被攻击后排名(很小的区别)。
5。结论
本文研究一种新的方法来确定交通网络中的关键节点基于改进的虚拟输入输出的方法。首先,交通网络中的每个节点被认为是每个部门的投入产出模型,并介绍了虚拟节点建立一个城市交通网络结构与交通。那么里昂惕夫逆矩阵构造的电感系数来计算交通网络节点,可以评估节点的重要性。之后,根据评估节点重要性排名和全球效率的测量指数变化,判断重要性的不同节点打开失败后的交通网络的鲁棒性。对于这个新方法,我们根据交通量数据进行实证研究的一个实验道路网络高峰时段。然后,结果表明,改进的虚拟投入产出方法应用到城市交通道路网络节点的重要性识别具有较高的准确性和快速计算的优点,简单的过程。这项研究提供了一种新的解决城市交通管理资源的合理配置,确保整体畅通。
该方法在本研究中具有一定的理论意义和工程实用价值。然而,本文中采用的数据收集的相关信息在吉林。因此,有必要在其他省份收集更多的数据来验证这个方法。
数据可用性
在研究过程中使用的所有数据生成或出现在提交文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者承认金融支持陕西省软科学研究项目(2019 krm101),由陕西省教育部资助科研项目(17 JK0306),科研基础医生XPU(3100401016),青海省和自然科学基金(编号2020 - zj - 736)。