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基于仿生学的区域交通自适应网络生长模型
田园,李晔,卢丹妮(同济大学 交通运输工程学院,上海201804)
摘要:交通系统在促进区域协调发展与增强区域竞争力中处于基础与引导地位,因此设计高 效率的区域交通网络是促进区域社会经济一体化发展的重要问题。本文以原生质黏液菌觅食 机理为理论基础,通过模拟黏液菌管道厚度随流量增大而增加这一生物智能,构建了基于仿 生学的区域交通自适应动态网络生长模型。并以长江三角洲16个城市区域节点,模拟了长 三角区域交通网络从无到有,最终形成区域自适应运输通道的过程。仿真结果还表明,该模 型可以模拟区域交通网络随区域交通活动规模增大而复杂的发展趋势。
关键词:区域交通;网络生长;黏液菌;自适应网络;长三角
关键词:
区域交通;网络生长;黏液菌;
自适应网络;长三角
中图分类号:UI13
1概述
区域发展是当下世界性的潮流,交通系统在促进区域协调发展与增强区域竞争力中处于 基础与引导地位。目前,区域交通网络规划的理论和技术多是参照城市交通或单一交通方式 特别是公路网规划的理论和方法,其核心是“供需平衡”导向的四步骤模型。由于四步骤模 型的运行机理是经济决定交通的单向机理,因而不能反映交通条件改善对区域经济发展的反 馈作用,故在模型机理中无法体现诱增交通需求对基础设施供给的影响,从而导致依据四步 骤模型预测和设计得到的运输网络或通道在运行一段时间后交通拥挤严重,区域交易成本居 高不下。
针对上述问题的存在,本文提出一个基于仿生学的区域交通自适应网络演化模型。该模 型的灵感来源于生物学中的黏液菌觅食机理:黏液菌在觅食过程中,其原生质流与管道的正 向反馈机制一一“黏液菌中高流量的原生质会刺激管道的半径增加,而低流量的管道则会逐 渐消失”;若把食物资源比作区域的主要城市,黏液菌的觅食管道比作区域交通网络,管道 中的原生质流比作交通流量,则黏液菌所表现出来的这种特性与区域交通与经济互动反馈作 用机理非常接近。本文将黏液菌的自适应觅食机理引入区域交通经济作用机理,将经济、人 文、交通、地理等区域要素视为黏液菌的觅食过程中的“食物”与外部环境,通过模拟黏液 菌管道厚度随流量增大而增加这一黏液菌“生物智能”在时间上的演化,模拟区域交通网络 与区域经济发展的反馈作用。这种基于仿生学的区域交通自适应网络生氐模型,可应用于区 域交通网络的布局规划中,并解决了传统模型无法考虑的诱增交通增加所造成的通道“供不 应求”情况。
2文献综述
自从1736年,欧拉提出了经典的“康尼斯堡七桥”问题,第一次引入了交通网络的概 念以来,各领域的专业和学者们开始源源不断地探索交通网络及其时空演变特征。近代关于 交通网络生长的研究起源于国外1960-1980年的经济地理和区域科学运动时期,地理学家根 据交通网络的结构演化与拓扑变化模拟了交通网络的增长,其核心使用图论的方法及其元素 来描述交通网络。拉切内(Lachene)⑴基于一个假设各向同性的交通网络开发了一个阶段 模型:初始网络被假设为没有路面铺装的道路网络,且经济活动均匀分布。随着城镇在某些 线路的交叉处形成,连接各个城镇的路网亦相应出现。当经济活动向城市中心集中时,一些 常用的道路变成铺装的道路,而乡村一些较少使用的道路则被废弃。最后会出现一个将城市 中心连接起来高等级的交通网络(可能是铁路网或高速公路网)。区别于连接节点成网, Kolars和Malin (克拉斯和玛琳)⑵用人口可达性平面模拟了土耳其铁路网的发展,他们认 为交通连接出现在人口可达性平面的主要山岭线上。在Black (布莱克)131的研究中,缅因 州的铁路网络是起始于波特兰的一个树状分支,通过连接外围的节点向外生长。建设连接节 点之间线路的概率由考虑潜在收入、建设成本,并用线路角度作为约束的函数决定。某一时 间内某对节点间是否连接取决于函数值是否超过阈值。
近年来,用户均衡算法被广泛地应用于解决网络设计问题(NDP),通常NDP由双层框 架构成心】:下层表示给定投资下的需求行为均衡,上层表示交通规划者基于来自下层的唯 一均衡流模式,为了实现社会福利最大化的投资决策。连续NDP问题处理现有路段通行能 力扩大优化的问题,而离散NDP通过改变网络的实际拓扑,即通过增加或删除路段,优化 交通供给。随着可获得的数据愈加充足、数据处理能力的提升,利用基于历史数据和统计分 析的交通网络生长的经验模型研究逐渐成为研究热点。Levinson和Karamalaputi (莱文森和 卡拉马拉普提)I在其研究中分别检验了网络条件、交通需求、人口特征、项目成本、资 金约束与网络新建和扩建的关系,利用二项logit和混合logit模型将每条路段的新建和扩建 和历史数据建立联系,历史数据包括网络属性、扩建与建设历史,以及每条路段的AADTo 本世纪初,随
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