基于城市道路網絡脆弱性的小區開放策略研究

詹　斌，蔡瑞東，胡遠程，曹夢鑫

（武漢理工大學　交通學院，湖北　武漢　430063）

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基于城市道路網絡脆弱性的小區開放策略研究

詹斌，蔡瑞東，胡遠程，曹夢鑫

（武漢理工大學交通學院，湖北武漢430063）

通過研究開放小區開放程度、小區位置、小區規模三個方面對城市道路網絡脆弱性的影響，為小區開放規劃建設提出參考意見。提出將網絡節點度方差作為城市道路網絡脆弱性評價指標，通過MATLAB軟件建立開放小區路網接入城市道路網絡連接模型。在不同連接策略下進行仿真實驗，實驗結果顯示小區路網接入節點越多、接入節點度越小、小區路網結構越復雜，城市道路網絡節點度方差越小。從降低城市道路網絡脆弱性角度為不同小區制定了開放策略。

城市交通；城市道路；節點度方差；連接模型；開放小區；網絡脆弱性

1　引言

《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中提出逐步打開已建成的住宅小區和單位大院，小區開放成為人們關注的熱點問題。目前關于小區開放問題的討論大多集中在小區開放后的管理、安全及基礎設施配套等方面，而小區開放對城市道路網絡影響的相關研究還比較少。如何使小區開放對城市道路網絡產生積極影響，優化城市道路網絡結構，降低城市道路網絡脆弱性是開放小區要考慮的問題。小區開放涉及方面很多，不能對所有小區一概而論，從開放小區對城市道路網絡脆弱性影響的角度進行研究，根據不同小區自身的特點確定合適的開放策略，對小區開放規劃建設有積極意義。

城市道路網絡脆弱性研究對于城市道路網絡優化，道路安全管理等方面有重要意義，有大量專家學者進行了相關研究。胡一竑等［1］、聶廷遠等［2］、黃大榮等［3］研究了不同攻擊策略對復雜網絡脆弱性及抗毀性的影響，研究表明蓄意攻擊對復雜網絡系統脆弱性影響明顯；趙鳳花等［4］、李鑫等［5］對復雜網絡的節點重要性及網絡脆弱性評價指標進行了研究，梳理了復雜網絡的主要評價方法和指標；李宏等［6］、張勇等［7］在復雜網絡脆弱性單元的識別方面進行了研究，為復雜網絡脆弱性控制提供了支持；劉新全［8］、周賽賽［9］、張勇等［10］采用不同的方法對道路網絡脆弱性進行分析建模，對道路網絡脆弱性機理進行了研究。馬小鳳［11］、商宇航［12］分別從小區開放可能性及開放后的小區設計方面對小區開放問題進行了分析。學者們對于城市道路網絡脆弱性的研究主要集中在不同攻擊策略分析、脆性單元識別、脆性機理分析等三個方面，關于開放小區的研究涉及較少。

本文通過對城市道路網絡脆弱性分析選取評價指標，分別從開放小區開放程度、小區位置、小區規模三個方面對城市道路網絡脆弱性影響進行研究，建立開放小區與城市道路網絡的連接模型，根據實驗結果為不同小區制定合適的開放策略，為小區開放及交通規劃提供參考意見。

2　城市道路網絡脆弱性分析

2.1城市道路網絡脆弱性

脆弱性是指復雜系統在受到外界干擾情況下，系統部分或整體受到損害從而使整個系統喪失功能的可能性大小。城市道路網絡的脆弱性主要體現在道路網絡受到外界擾動和影響而使整個網絡服務水平下降的程度，城市道路網絡是一個復雜網絡系統，不可避免具有脆弱性，研究發現城市道路網絡脆弱性與城市道路網絡本身的拓撲結構有關。本文主要研究開放小區開放程度、小區位置、小區規模三個方面對城市道路網絡拓撲結構的影響，通過城市道路網絡拓撲結構的變化分析其脆弱性。

2.2城市道路網絡脆性評價指標

城市道路網絡脆弱性常用的評價指標有節點度、介數中心性等。節點度是表示與該節點相連接邊的數量，在網絡中節點vi的鄰邊數目ki稱為節點vi的度。對網絡中所有節點的度取平均值得到網絡的平均度。

介數分為節點介數和邊的介數，反映節點或邊在網絡中的重要程度。節點（邊）的介數為網絡中所有的最短路徑中經過該節點（邊）的數量與整個網絡最短路徑的數量的比例。計算公式如下：

式中njk—節點vj和vk之間最短路徑條數，njk（i）—節點vj和vk之間的最短路徑經過節點vi的條數。

節點vi的介數中心性就是節點歸一化的介數。節點vi的介數中心性CB（vi）計算公式如下：

度和介數都是反映結構單元在網絡中重要程度的指標，研究表明重要結構單元越少，城市道路網絡脆弱性越低，基于以上思路本文提出以網絡節點度方差作為城市道路網絡脆弱性評價指標。方差是反映事物偏離平均水平的程度，在城市道路網絡中節點度方差越小，則路網的均勻性越好，節點重要程度差別越小，路網抵抗破壞的能力越強，即城市道路網絡脆弱性越小；因此用節點度方差作為城市道路網絡脆弱性評價指標是合理的。城市道路網絡節點度方差D（k）計算公式如下：

3　城市道路網絡仿真建模

3.1城市道路網絡與小區連接模型

大量研究表明城市道路網絡是一個處于規則網路和隨機網絡之間狀態的一種網絡，在研究其脆性時可采用BA無標度網絡進行模擬；小區道路網絡復雜程度可根據某小區的實際路網結構得出；小區開放通過將小區網絡中部門節點與城市道路網絡節點進行連接形成接入開放小區后的城市道路網絡。

該模型主要包括城市道路網絡模塊、小區路網模塊、連接策略模塊及指標分析模塊。城市道路網絡模塊主要是用來模擬城市道路網路，小區路網模塊則是代表小區路網結構，連接策略模塊是確定兩個路網的連接方式，作為仿真輸入，指標分析模塊主要是對不同連接策略下形成的新網絡進行指標計算和分析，作為仿真輸出部分。主要建模步驟如下：

（1）初始城市道路網絡G0由m0=3，m=3（具有m0個節點的初始網絡，每次引入一個新節點與m個已存在的節點相連，m≤m0）生成一個節點N0=300個節點，mt=891條邊的無標度網絡（生成所需的無標度網絡需要經過t步）；

（2）收集某小區路網結構資料，確定小區道路網絡G1、節點N1；

（3）選取原始城市路網中可與小區連接的節點，定義點集V0作為原始網絡中已選節點的點集，選取小區路網中可與原始網絡連接的節點，定義點集V1作為小區路網中已選節點的點集，根據小區的連接策略將V0與V1中的點連接形成新的網絡G，新連接的節點對數量記作v。

（4）仿真實驗結果分析評估，根據輸入的策略對建立的城市道路網絡模型進行脆弱性指標計算，對實驗結果采用圖表形式輸出。

3.2小區開放連接策略分析

相同開放小區以不同的方式接入原有網絡和不同的小區以相同的方式接入原有網絡，對路網結構的影響程度都不同；路網結構相似的小區由于在城市中所處位置不同，接入后對路網結構的影響程度也不相同。根據上述分析確定以下接入策略對小區接入后網絡的脆弱性進行分析。

（1）接入不同數量節點策略。該策略考慮的是開放后的小區與原有路網連接的密切程度，兩個網絡連接越密切則接入節點數量越多；記兩個網絡相互連接的節點對為V0-V1，新連接的節點對數量記作V。

（2）接入不同度節點策略。由于實際中小區在城市中的位置不同，有城市中心位置和偏遠位置的差別，城市中心路網節點度比城市偏遠地區路網節點度大，該策略用于分析小區位置對城市道路網絡脆弱性的影響；記兩個網絡互相連接的節點對度為k（k1，k2）。

（3）Gi網絡復雜度策略。內部道路網絡結構不同的小區接入城市道路網絡對整體網絡的脆弱性影響可用該種策略進行研究；分別從節點個數和網路節點平均度兩個方面對小區路網規模進行區分，接入的小區網絡規模記作G1（J，K），其中J為網絡的節點數，k為小區網絡節點的平均度。

4　實驗結果分析

4.1實驗參數設置

本次實驗按照不同的仿真策略輸入不同的參數建立模型，從而得出不同策略下的仿真結果。各種策略的參數設置及取值情況見表1，前兩種策略小區接入城市道路網絡節點對數分別取3、4、5、6、7、8，小區接入城市道路網絡節點度分別取最小、最大及隨機三種情況，小區網絡取G1=（30，5.6）；每次實驗選取每種策略下參數的一個取值，即共進行3×6×1=18次實驗。

第三種策略小區接入城市道路網絡節點對數取值與前兩種策略相同，接入節點度的取值采用度最小原則，小區網絡分別取G1（30，5.6）、G2（40，5.7）、G3（40，4.7）、G4（40，6.7）；在接入節點數量、接入節點度一定的情況下改變接入的小區網絡，為了驗證結論的一般性，分別在不同接入節點數量的取值下進行研究，共進行4×6× 1=24次實驗。

表1　不同策略下仿真模型參數設置表

4.2實驗結果分析

上述參數設置條件下實驗結果如圖1、圖2所示，評價指標結果矩陣如下：

從圖1可知，當接入節點從最大度節點開始時，路網度方差隨接入節點數量增加而增大，路網度方差大于初始網絡度方差；兩個度較大的節點連接使路網結構不均勻性增大，這種方式連接的節點越多，路網結構越不均勻，不利于降低路網脆弱性。

當接入節點從最小度節點開始時，路網度方差隨接入節點數量增加而減小，網絡度方差小于初始值；兩個度較小的節點連接使路網末端結構得到豐富，路網不均勻性減小，這種方式連接的節點越多，路網結構越均勻，有利于降低路網脆弱性。

當隨機接入節點時，路網度方差變化無規律。隨機的接入方式對路網結構影響具有不確定性，可能降低路網脆弱性，也可能使路網脆弱性增加。

從圖2可知，不同小區路網以最小度節點接入路網時，對路網結構有積極作用，降低路網的脆弱性；當小區路網結構相似時（平均度接近），規模大（節點數越多）的路網脆弱性降低明顯；當小區路網規模相同時，與原路網結構相似小區網絡對路網脆弱性降低明顯。

上述實驗結果分析顯示，從降低城市道路網絡脆弱性角度考慮，小區路網與城市道路網絡在允許條件下應選擇兩者偏遠部分進行連接，即度較小的節點進行連接；同時，在滿足節點度最小原則時盡量使小區路網與城市路網連接緊密，也就是小區開放程度盡可能大；整體上看城市末端的小區開放對城市道路網絡完善、降低城市道路網絡脆弱性效果比城市中心小區作用明顯。

圖1　網絡度方差隨接入節點數量及節點度變化曲線

圖2　網絡度方差隨接入小區網絡復雜程度變化曲線

5　結語

本文將城市道路網絡脆弱性應用到小區開放這一熱點問題研究中，提出將網絡節點度方差作為城市道路網絡脆弱性評價指標，對城市道路網絡和小區路網進行分析，建立小區路網與城市道路網絡連接的網絡模型，分別從接入節點數量、接入節點度及接入小區路網復雜程度三個方面進行實驗，結果表明在城市道路網絡末端結構接入小區能降低城市道路網絡脆弱性，為小區開放規劃及交通網絡規劃提供參考意見。

［1］胡一竑，吳勤旻，朱道立.城市道路網絡的拓撲性質和脆弱性分析［J］.復雜系統與復雜性科學，2009，6（3）：69-76.

［2］聶廷遠，郭征，李賀.基于介度相關性的無標度網絡抗毀性研究［J］.計算機工程與設計，2014，（12）：4 140-4 144.

［3］黃大榮，沈利兵，趙玲.基于復雜網絡理論的城市路網脆弱性研究［J］.重慶交通大學學報：自然科學版，2015，（1）：110-115.

［4］趙鳳花，楊波.復雜網絡節點重要性的綜合評價方法［J］.武漢理工大學學報（信息與管理工程版）2015，（4）：461-464.

［5］李鑫，戴冀峰，林建新，等.城市道路網絡脆弱性評估指標研究綜述［J］.公路交通科技（應用技術版），2016，（1）.

［6］張宏，李杰.城市道路復雜網絡單元脆弱性實證研究［J］.長安大學學報（社會科學版），2014，16（2）：33-37.

［7］張勇，屠寧雯，姚林泉.城市道路交通網絡脆弱性辨識方法［J］.中國公路學報，2013，26（4）：154-161.

［8］劉新全.基于貝葉斯網絡推理的道路網絡級聯失效仿真［J］.交通運輸系統工程與信息，2015，（2）：210-215.

［9］周賽賽.道路交通網絡層次化脆弱性分析及其傳播衍變［D］.武漢：華中科技大學，2014.

［10］張勇，屠寧雯，陶駿杰.道路交通網絡脆弱性動態辨識方法［J］.交通運輸工程學報，2014，26（5）：74-81.

［11］馬小鳳.開放型住區實證研究［D］.武漢：華中科技大學，2013.

［12］商宇航.城市街區型住區開放性設計研究［D］.大連：大連理工大學，2015.

Residential Community Open-up Strategy Based on Fragility of Urban Road Network

Zhan Bin，Cai Ruidong，Hu Yuancheng，Cao Mengxin
（School of Transportation， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

In this paper， through investigating the influence of the open-up degree， position and scale of a residential community on thefragility of the urban road network， we proposed some opinions for reference in the open- up initiative of the residential communities.Specifically， we proposed to make the nodal variance of the network the index to evaluate the fragility of the urban road network， and thenthrough the MATLAB software， established the model for connecting the road network of the open communities into the urban road network.Next， under different connecting strategies， we conducted the simulation experiment and analyzed the findings.

urban traffic； urban road； nodal variance； connecting model； open community； network fragility

F540.3

A

1005-152X（2016）07-0098-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.07.023

2016-04-20

詹斌（1966-），男，湖北武漢人，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向：交通運輸規劃與管理。