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城市铁路客运站外部集散网络的脆性理论研究

作　者: 梁英慧
导　师: 张喜
学　校: 北京交通大学
专　业: 系统工程
关键词: 铁路客运站崩溃路径脆性拉格朗日松弛算法自组织临界性突变级数方法集散网络
分类号: U291.75
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

摘要：交通拥堵已经成为世界各大城市的通病,究其根本原因,除交通能力供给与需求的矛盾之外,交通干扰因素的不确定性和波动性是重要原因之一。如何针对干扰的不确定性对交通网络的特性及动态演化机理进行分析,从而提出解决拥堵的科学措施与对策,是城市交通领域研究面对的一个重大课题。城市对外交通铁路客运站是产生城市交通拥堵的一个重要干扰源,随着我国城市化进程的加快和高速铁路的快速发展,大型客运站的规模的扩大和功能的不断加强,对城市交通拥堵产生的影响越来越大,如何站在提高城市交通系统整体能力的高度,针对大型铁路客运站对城市交通网络的干扰作用,分析研究大型铁路客运站集散网络动态演化机理特性、理论模型与方法,为解决交通拥堵、优化运营组织和应急管理决策提供科学依据,是当前面临的一个重要研究问题。大型铁路客运站是集各种运输方式于一体的城市交通枢纽,因此大型铁路客运站集散网络是一个复杂系统。目前,关于复杂系统的脆性理论研究,仍是一个理论研究的前沿课题,我国大型铁路客运站集散网络在干扰作用下的动态演化机理还缺乏系统研究。本文对大型铁路客运站外部集散网络的脆性理论进行了选题研究。本文主要从复杂系统脆性理论出发,研究城市铁路客运站外部集散网络的崩溃路径以及脆性产生机理和演化规律,本文的研究工作主要有以下几个方面：(1)根据铁路客运站实际的运营组织管理模式,首先分析了铁路客运站空间布局特征,对集散系统进行定义并定义其边界,其次阐述了集散网络的道路网特征和交通流特征,并深刻分析了集散路网交通与一般城市交通的区别和联系,最后,分析了集散网络脆性激发的内部和外部干扰因素,为集散网络设计和脆性研究奠定了基础。(2)结合复杂系统适应性理论,建立适应性Agent图的城市铁路客运站外部集散网络的拓扑结构,对其崩溃路径进行定义,建立集散网络的最大／最小崩溃路径模型,然后根据其模型的特殊性,把其转化为最短路问题,并用拉格朗日松弛(Lagrangian Relaxation)算法进行求解,最后以北京南站外部集散网络为例验证算法的实用性和有效性。(3)基于复杂系统适应性系统相关理论,针对集散网络的脆性特征,运用脆性熵对其无序度进行描述,考虑到集散网络的崩溃是由各节点(Agent)之间的交互作用产生,应用复杂适应性理论对其进行建模,并运用适应性Agent图对其演化过程进行仿真模拟,并对各节点演化的执行器准则进行分析,以北京南站外部集散网络进行算例分析,得出不同IF/THEN准则下客运站节点状态的变化规律和整个集散网络熵流的变化规律;然后针对非节假日和节假日客运站的客流时间分布规律进行分析,并运用集散网络的脆性特征进行仿真模拟,得出集散网络脆性的时间分布特征；按照铁路客运站与城市空间布局的相对关系,针对城市中心型、城市边缘型和机场地区型三种类型的铁路客运站的集散网络脆性特征进行仿真模拟,得出不同空间布局类型的铁路客运站外部集散网络的脆性时空分布规律,为客运站的运营管理提供理论依据。(4)基于自组织临界性理论对集散网络脆性的幂律特性及分形、分维特性进行研究。对自组织临界性理论进行阐述,研究脆性与自组织临界性的关系,以北京南站为例,基于改进的元胞传输模型和自组织临界性的沙堆模型对北京南站外部集散网络的脆性崩溃规模与崩溃频率的幂律特性以及分形、分维特性进行研究。(5)建立客运站脆性评价指标体系,运用改进突变级数评价法,对铁路客运站脆性状态进行评价,得出铁路客运站脆性同一、对立和波动的评价值,根据集对理论得出集散网络趋向于崩溃的势值,从而判断各方案下客运站所处的脆性等级,并对北京南站的现状及其2020年北京南站低、中、高四种不同方案的脆性等级进行判别。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-14
1 引言  14-36
  1.1 论文的选题背景及意义  14-15
  1.2 国内外研究综述  15-25
    1.2.1 铁路客运站集散网络的国内外研究综述  16-17
    1.2.2 复杂系统脆性的国内外研究综述  17-20
    1.2.3 道路交通网络脆弱性的国内外研究综述  20-21
    1.2.4 路网可靠性、脆弱性与脆性关联性分析  21-24
    1.2.5 存在的主要问题  24-25
  1.3 复杂系统脆性概述  25-30
    1.3.1 复杂系统脆性特征分析  25-26
    1.3.2 脆性熵的基本概念  26-30
  1.4 论文主要研究内容及框架  30-36
2 城市铁路客运站外部集散网络系统分析  36-56
  2.1 集散网络的基本概念及内涵  36-43
    2.1.1 铁路客运站空间布局类型分析  36-39
    2.1.2 集散网络的定义  39-42
    2.1.3 集散网络的边界设定  42-43
  2.2 集散网络特征分析  43-51
    2.2.1 集散网络道路交通网络结构特征分析  43-45
    2.2.2 集散网络的交通流特征分析  45-49
    2.2.3 集散网络脆性特征分析  49-51
  2.3 集散网络脆性激发的干扰因素分析  51-54
    2.3.1 集散网络脆性激发的内部因素分析  51-53
    2.3.2 集散网络脆性激发的外部因素分析  53-54
  2.4 小结  54-56
3 集散网络崩溃路径的模型与算法研究  56-76
  3.1 集散网络崩溃的路径模型的建立  56-60
    3.1.1 集散网络的适应性Agent图拓扑结构  56-57
    3.1.2 基于SUE配流的集散网络交通流量分配模型与算法  57-58
    3.1.3 崩溃路径的定义  58-59
    3.1.4 参数设定  59
    3.1.5 最大/最小崩溃路径模型的建立  59-60
  3.2 基于Lagrangian Relaxation算法的集散网络崩溃路径研究  60-64
    3.2.1 寻优思路  60-61
    3.2.2 Lagrangian Relaxation算法设计  61-63
    3.2.3 Lagrangian Relaxation算法步骤  63-64
  3.3 算例分析  64-74
    3.3.1 北京南站外部集散网络拓扑结构  65-66
    3.3.2 数据准备  66-72
    3.3.3 北京南站外部集散网络崩溃路径求解  72-74
  3.4 小结  74-76
4 集散网络脆性动态演化机理研究  76-106
  4.1 复杂适应性系统相关理论  76-80
    4.1.1 复杂适应系统理论  76-77
    4.1.2 适应性Agent图的理论  77-80
  4.2 基于适应性Agent图的集散网络脆性仿真  80-92
    4.2.1 适应性Agent图的集散网络脆性仿真建模  80-82
    4.2.2 集散网络适应性Agent图的执行器IF/THEN准则  82-84
    4.2.3 算例仿真分析  84-92
  4.3 集散网络脆性的分布特征分析  92-104
    4.3.1 非节假日集散网络脆性分析  92-100
    4.3.2 节假日集散网络的脆性分析  100-102
    4.3.3 不同空间布局类型的客运站集散网络的脆性特征分析  102-104
  4.4 小结  104-106
5 集散网络脆性的自组织临界性研究  106-118
  5.1 自组织临界性理论  106-111
    5.1.1 自组织临界性的沙堆模型  106-109
    5.1.2 自组织临界性的特征  109-110
    5.1.3 集散网络脆性与自组织临界性的关系  110-111
  5.2 集散网络脆性的自组织临界性模型与方法研究  111-117
    5.2.1 基于改进元胞传输模型的集散网络脆性激发规模计算  112-115
    5.2.2 集散网络脆性规模与频率的幂律关系研究  115-117
  5.3 小结  117-118
6 基于改进突变级数评价方法的脆性源等级判别  118-136
  6.1 基于脆性熵的客运站状态变化规律  118-120
  6.2 改进突变级数评价方法  120-127
    6.2.1 脆性源评价指标体系的建立  121-122
    6.2.2 突变级数评价法的原理  122-126
    6.2.3 构建从优隶属度矩阵  126-127
  6.3 北京南站脆性评价算例分析  127-134
    6.3.1 北京南站脆性评价指标体系  127
    6.3.2 各方案参数设置及基本假设  127-129
    6.3.3 北京南站运营方案的脆性等级判别  129-134
  6.4 小结  134-136
7 研究结论及展望  136-140
  7.1 研究总结  136-137
  7.2 研究工作展望  137-140
参考文献  140-146
附录A  146-150
附录B  150-154
作者简历  154
攻读博士期间发表或者录用的论文  154
参加的科研项目  154-155
获奖情况  155-158
学位论文数据集  158

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