交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程

關(guān) 偉，吳建軍，高自友*

(北京交通大學(xué)a.綜合交通運輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室；b.軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044)

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)已被廣泛地應(yīng)用于描述各種物理結(jié)構(gòu)、信息結(jié)構(gòu)和社會結(jié)構(gòu).網(wǎng)絡(luò)一般包含兩個基本元素，即節(jié)點和連接節(jié)點的邊(有方向的邊稱為弧)，如果網(wǎng)絡(luò)中有弧存在，則稱為有向網(wǎng)絡(luò).通常描述一個交通運輸網(wǎng)絡(luò)不僅需要刻畫網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)，還要疊加交通量(可以是人員、車輛、貨物等)在網(wǎng)絡(luò)上的流動或位移，因此，交通運輸網(wǎng)絡(luò)與一般網(wǎng)絡(luò)相比包含了更多的特性，需要探討諸如OD需求、能力約束、路徑選擇、費用函數(shù)等帶有明顯交通特征的問題[1].

網(wǎng)絡(luò)化是交通運輸系統(tǒng)的自然屬性，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與管理、系統(tǒng)的運營與服務(wù)，以及相關(guān)配套的政策與管理體制對于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化都有內(nèi)在需求.交通運輸網(wǎng)絡(luò)按照傳統(tǒng)的運輸方式可劃分為道路交通網(wǎng)絡(luò)、軌道交通網(wǎng)絡(luò)、航空運輸網(wǎng)絡(luò)、水路運輸網(wǎng)絡(luò)及管道運輸網(wǎng)絡(luò)等.綜合交通運輸網(wǎng)絡(luò)則是由多方式交通設(shè)施子網(wǎng)絡(luò)和銜接不同設(shè)施子網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的，其基本存在形式是復(fù)合、異構(gòu)的多方式設(shè)施子網(wǎng)絡(luò)和人流、非機(jī)動車流、機(jī)動車流、公交車流和列車流等多行為主體的異質(zhì)交通流[2].

在靜態(tài)交通運輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通常用網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點表示交通流的重要集散點，如綜合交通樞紐、機(jī)場、車站、公交站點等，網(wǎng)絡(luò)的邊表示集散點之間的連接通道，如道路、軌道線路、航線、公交線路等.圖1為紐約原始交通網(wǎng)絡(luò)及部分節(jié)點拓?fù)鋱D，圖1(b)中節(jié)點字母和數(shù)字代表線路名稱.在動態(tài)交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的邊通常被賦予某個相應(yīng)動態(tài)變量權(quán)重，如交通流量、客流量、服務(wù)頻率等.由于交通流量在網(wǎng)絡(luò)中的移動具有方向性，故網(wǎng)絡(luò)圖通常都是有向圖.

圖1 紐約交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D[3]Fig.1 Network of New York City[3]

交通運輸網(wǎng)絡(luò)中各元素之間的耦合關(guān)系十分復(fù)雜，是一個典型的開放、非線性、動態(tài)復(fù)雜巨系統(tǒng).交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程是指從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的視角出發(fā)，依據(jù)系統(tǒng)科學(xué)與工程的理論與方法，充分利用先進(jìn)的信息、通訊、控制與計算機(jī)等技術(shù)，協(xié)調(diào)有效地組織管理交通系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運營等各個階段的一門技術(shù)，是交通系統(tǒng)科學(xué)基本規(guī)律在實際交通運輸管理中的應(yīng)用.目前的智能交通管理系統(tǒng)，實質(zhì)上是交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與交通信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整合.在這個大系統(tǒng)中，交通運輸網(wǎng)絡(luò)作為一個實體網(wǎng)絡(luò)，信息網(wǎng)絡(luò)相對而言是一種虛擬網(wǎng)絡(luò)，虛實整合產(chǎn)生單一網(wǎng)絡(luò)無法產(chǎn)生的高一層面上的更高綜合效率[4].近年來，交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的驅(qū)動下，正在朝著數(shù)字化、智能化方向快速發(fā)展，并成為“交通大腦”“智慧城市”的核心組件之一.

1 交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程中的科學(xué)問題

交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程涉及交通運輸系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析、交通運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化運營組織管理，以及城市交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化信號控制與誘導(dǎo)等多個研究領(lǐng)域.下面就上述3個領(lǐng)域進(jìn)行重點闡述.

1.1 交通運輸系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析

交通運輸系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析的目標(biāo)是希望將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于交通運輸系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)與運營等各個階段.從“結(jié)構(gòu)決定功能”的角度出發(fā)，通過研究諸如交通擁堵在城市路網(wǎng)中產(chǎn)生及傳播機(jī)制，交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可達(dá)性、可靠性、魯棒性與抗毀性等問題，從宏觀層面深入了解交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能之間的互饋耦合關(guān)系及演化機(jī)理，進(jìn)而為解決交通網(wǎng)絡(luò)中存在的實際問題提供一種新的研究視角[5].復(fù)雜交通運輸網(wǎng)絡(luò)的早期研究主要集中于利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探討分析靜態(tài)交通運輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)計特性.隨后圍繞動態(tài)交通運輸網(wǎng)絡(luò)的生成、演化機(jī)理及其上的動力學(xué)問題展開研究，并進(jìn)一步延伸至網(wǎng)絡(luò)上出行行為的復(fù)雜性，期望發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運行的動態(tài)復(fù)雜機(jī)理.交通運輸系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析的核心問題是探索不同交通運輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與交通動力學(xué)時空演化規(guī)律、網(wǎng)絡(luò)承載力、可靠性之間的動態(tài)耦合及匹配關(guān)系.這既是一個具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題，也對實際交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計及組織運營優(yōu)化具有理論指導(dǎo)作用.

下面主要從不同交通方式的角度對相關(guān)研究及其中蘊含的科學(xué)問題進(jìn)行論述.

(1)對于城市道路交通網(wǎng)絡(luò)，將道路交通流模型、網(wǎng)絡(luò)交通流模型與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析方法相結(jié)合，尋找交通網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)規(guī)律是一個重要的研究方向.城市道路網(wǎng)絡(luò)形態(tài)與城市規(guī)劃的思維、理念及城市文化等密切相關(guān)，在城市道路網(wǎng)長期演化過程中，會呈現(xiàn)出從規(guī)則結(jié)構(gòu)到隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同結(jié)構(gòu)特征.一般情況下，完全自組織演化的城市街道(道路)網(wǎng)絡(luò)會呈現(xiàn)出與非空間網(wǎng)絡(luò)類似的無標(biāo)度特性，而經(jīng)過精心規(guī)劃的城市街道(道路)網(wǎng)絡(luò)則難以出現(xiàn)這樣的網(wǎng)絡(luò)特征[6].同時，由于交通網(wǎng)絡(luò)具有典型的動態(tài)性，交通系統(tǒng)中需求動態(tài)演化、流量傳播及失效過程更具復(fù)雜性.高自友等[7]利用改進(jìn)的元胞傳輸模型分析突發(fā)事件所導(dǎo)致的擁堵在路網(wǎng)中的傳播規(guī)律，通過識別擁堵瓶頸，提出了擁堵消散的動態(tài)控制策略.隨后又開展了一系列研究，包括網(wǎng)絡(luò)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對交通擁堵規(guī)律的影響及各種緩解控制策略等.Sun 等[8]發(fā)現(xiàn)雖然交通網(wǎng)絡(luò)上個體出行特性各異，但群體分布卻不受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和交通狀況的影響，都接近用戶均衡，該結(jié)果有助于理解城市交通網(wǎng)絡(luò)上的平衡機(jī)制.Yan 等[9]提出一個預(yù)測網(wǎng)絡(luò)中出行需求的普適模型.Zhao 等[10]引入相對鄰域圖作為獲取道路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞯倪B接機(jī)制；He 等[11]通過將移動定位數(shù)據(jù)“映射到網(wǎng)格”的方法構(gòu)造交通時空圖；Jiang等[12]利用網(wǎng)絡(luò)運行可靠性描述交通擁堵導(dǎo)致交通崩潰的概率特征.

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市的交通路網(wǎng)特征、出行模式特征等呈現(xiàn)出高密度、高聚集、強相關(guān)等網(wǎng)絡(luò)屬性，交通事件的傳播具備了網(wǎng)絡(luò)傳播的特點，而滲流理論可以很好地用來描述復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)的可靠性.基于滲流理論的交通可靠性分析方法，突出了“網(wǎng)絡(luò)”維度，可以充分挖掘路網(wǎng)交通流的時空關(guān)聯(lián)關(guān)系，確定網(wǎng)絡(luò)層面上交通系統(tǒng)功能顯著降級的“滲流相變點”，進(jìn)而刻畫擁堵從局域產(chǎn)生到擴(kuò)散全局的動態(tài)滲流過程.Li 等[13]首先揭示了交通組織中的滲流特征，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全局流量是由局部流量的集群動態(tài)組成.Zhang等[14]引入交通滲流評價指標(biāo)分析路網(wǎng)可靠性，發(fā)現(xiàn)具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的路網(wǎng)形態(tài)可以承載更大的交通流量，交通結(jié)構(gòu)瓶頸具有時空移動性，并基于大量實證數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)交通韌性分布遵循冪律形式，而交通擁堵的恢復(fù)時間具有不同的標(biāo)度律，它可以標(biāo)示城市交通韌性的內(nèi)在稟賦.Zeng 等[15]通過研究城市交通網(wǎng)絡(luò)動態(tài)驅(qū)動的關(guān)鍵滲流特性，發(fā)現(xiàn)在同一個交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，不同交通狀態(tài)下兩種模式的滲流行為互相轉(zhuǎn)變，其中平峰或節(jié)假日模式表現(xiàn)出與小世界網(wǎng)絡(luò)類似的滲透特征，工作日高峰模式表現(xiàn)出2D 格子的特性.進(jìn)一步研究[16]發(fā)現(xiàn)，我國特大城市交通系統(tǒng)存在多個亞穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，這些亞穩(wěn)態(tài)對應(yīng)于不同級別的路網(wǎng)效能，結(jié)果可以為交通管理者設(shè)計早期預(yù)警信號，防止交通系統(tǒng)轉(zhuǎn)向難以恢復(fù)的嚴(yán)重?fù)矶聽顟B(tài).需要特別指出的是：黃海軍等[17]將研究對象從城市道路交通網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至城市群綜合交通網(wǎng)絡(luò)，這對處于新型城鎮(zhèn)化建設(shè)階段的我國綜合交通系統(tǒng)發(fā)展非常具有現(xiàn)實意義.

此外，由于城市道路交通流是交通需求和交通供給在現(xiàn)有道路交通運行環(huán)境下，所有出行者在城市交通道路網(wǎng)絡(luò)上的具體實現(xiàn)結(jié)果，因此對于城市交通系統(tǒng)而言，一個不容忽視的問題是：城市道路交通網(wǎng)絡(luò)上出行者的自主選擇行為(出行者博弈)是如何與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、交通設(shè)施與管理控制等變化相互影響的？即在真實交通出行行為作用下，何種道路交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)施與管理控制等可以承擔(dān)更大的交通流量(網(wǎng)絡(luò)承載能力)？道路網(wǎng)絡(luò)中部分功能損失(或部分能力受損)如何引起交通系統(tǒng)可靠性的變化？以及如何切實有效的提升城市交通系統(tǒng)韌性等？這些都是值得更加深入研究的方向.

(2)對于航空運輸網(wǎng)絡(luò)，由于其交通連接方式的特殊性，許多研究表明，航空網(wǎng)絡(luò)容易形成小世界網(wǎng)絡(luò)或無標(biāo)度特性.通過分析世界各國航空網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)航空(機(jī)場)網(wǎng)絡(luò)具有較小的平均距離和較大的簇系數(shù)，具有小世界網(wǎng)絡(luò)的特性[18].如果用航班數(shù)定義網(wǎng)絡(luò)邊的權(quán)重，中國機(jī)場網(wǎng)絡(luò)也具有小世界特性，而且如果考慮飛機(jī)機(jī)型不同，網(wǎng)絡(luò)所提供的運輸能力將呈現(xiàn)出很大的差異性[19].由于航空網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)演化性，通過對中國多年的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)中國航空網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)應(yīng)為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)演化出現(xiàn)無標(biāo)度向隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的“退化”過程[20].對于航空網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，Pien等[21]計算整個歐洲航空網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲笖?shù)，提出一個新指標(biāo)——相對面積指數(shù)，用以分析網(wǎng)絡(luò)魯棒性能.武喜萍等[22]分析了空中交通流量網(wǎng)絡(luò)的延誤傳播特征，并使用選擇性攻擊和隨機(jī)攻擊方法分析空中交通流量網(wǎng)絡(luò)的抗毀性.Zhou 等[23]提出了一種新型的加權(quán)航空運輸網(wǎng)絡(luò)(ATN)效率指標(biāo)，其中的權(quán)重表示兩個機(jī)場之間的連接強度，涉及航線數(shù)量，航班頻率或乘客座位數(shù)量.利用所有航空公司運營的航線數(shù)據(jù)，評估和比較8 個國內(nèi)ATN 的加權(quán)效率和魯棒性，并識別了這些ATN 中的關(guān)鍵機(jī)場.需要特別強調(diào)的是，以機(jī)場為節(jié)點，機(jī)場之間的所有航線及其客運量為連邊，可構(gòu)建出全球移動網(wǎng)絡(luò).基于該全球移動網(wǎng)絡(luò)，可以有效地探究流行病、謠言、觀點等在全球的傳播時空過程.該方法已成功地反演出全球2009年H1N1 流感大流行和2003年SARS流行的時空演化過程[24]，并在預(yù)測此次新冠肺炎的可能傳播范圍、各地區(qū)到達(dá)時間、評估疾病控制政策中得到較為廣泛和有效地應(yīng)用[25].

雖然對于航空網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的研究不少，但是航空網(wǎng)絡(luò)和其他交通網(wǎng)絡(luò)的典型區(qū)別在于前者更加關(guān)注直達(dá)航班線路和航空樞紐，之前的這些研究大部分是針對不同國家的實際航空航班數(shù)據(jù)展開的，更多需要從網(wǎng)絡(luò)設(shè)計角度優(yōu)化航班線路，充分利用航空資源，進(jìn)行合理的優(yōu)化配置，以加快客流在航空網(wǎng)絡(luò)中的流動.

(3)對于軌道交通運輸網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)前的研究也顯示，軌道交通網(wǎng)絡(luò)具有小世界網(wǎng)絡(luò)或無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性.例如Sen等[26]研究了印度鐵路網(wǎng)絡(luò)的小世界特性，Li等[27]對中國鐵路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實證分析，驗證了中國鐵路網(wǎng)是一個無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，具有較小的最短距離和較大的簇系數(shù).Derrible 等[28]分析了世界上33個城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的無標(biāo)度和小世界特性，認(rèn)為小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建立換乘站，大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)在城市外圍建設(shè)中轉(zhuǎn)站可有效提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性.Wang 等[29]設(shè)計了10 個指標(biāo)綜合評價了33 個城市的地鐵網(wǎng)絡(luò)整體魯棒性，表明東京地鐵網(wǎng)的魯棒性最好.在網(wǎng)絡(luò)受到攻擊方面，重點研究城市軌道網(wǎng)絡(luò)在隨機(jī)攻擊和蓄意攻擊下的魯棒性，如有研究[30]建議京津冀區(qū)域規(guī)劃軌道交通網(wǎng)絡(luò)需要從區(qū)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)性能和區(qū)域外運輸需求等方面，來分析多種攻擊模式對網(wǎng)絡(luò)性能的影響.擁有世界最長運營里程的中國高速鐵路目前逐漸成網(wǎng)，超級網(wǎng)絡(luò)(Hypernetwork)可以是研究中國高速鐵路網(wǎng)絡(luò)演化機(jī)理的一種有效工具[31]，也有研究人員建立了南京地鐵網(wǎng)絡(luò)的超網(wǎng)絡(luò)模型[32].Ouyang 等[33]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法，構(gòu)建出行可達(dá)性指標(biāo)，分析了中國鐵路網(wǎng)絡(luò)遭受空間局部性故障事件的脆弱性.Liu等[34]基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的效率和能力指標(biāo)，構(gòu)建出了一個綜合框架，以分析受到自然災(zāi)害影響的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險，評估與降雨相關(guān)的多災(zāi)種對中國鐵路系統(tǒng)的風(fēng)險.車站之間如何良好連接是鐵路系統(tǒng)性能的關(guān)鍵評估.網(wǎng)絡(luò)分析是表征鐵路系統(tǒng)物理連通性的一種高度直觀且可解釋的方法.然而，由于缺乏交通流信息，物理連接性通常在描繪運輸網(wǎng)絡(luò)動態(tài)方面受到限制.Xu 等[35]全面回顧了物理連通性指標(biāo)，并將這些指標(biāo)應(yīng)用于評估中國高速鐵路系統(tǒng)的連通性.孫曉璇等[36]根據(jù)中國列車時刻運行表，以453 個高速車站和2293 個普通車站作為節(jié)點，構(gòu)建出高鐵—普鐵交通雙層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，分別對單層的高鐵和普鐵網(wǎng)絡(luò)及高鐵—普鐵雙層耦合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靜態(tài)的結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治觯⑦M(jìn)行隨機(jī)和蓄意的抗毀性分析.

城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與一般網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要區(qū)別是：其靜態(tài)物理網(wǎng)絡(luò)的能力是由動態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)決定的，而動態(tài)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)又反過來受到靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)能力的限制，彼此之間構(gòu)成了一種互反饋機(jī)制.對于這種復(fù)雜的多層實時網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，應(yīng)在揭示軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，基于多源的動態(tài)客流數(shù)據(jù)，研究軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)彈性的測度準(zhǔn)則，以增強網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)韌性為目標(biāo)，提出靜態(tài)資源優(yōu)化、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及兩者協(xié)調(diào)優(yōu)化的方法，為軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃以及在日常和應(yīng)急條件下的運營優(yōu)化提供理論依據(jù).

(4)對于城市公共交通網(wǎng)絡(luò)，已有研究表明，地面公交網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般表現(xiàn)為小世界網(wǎng)絡(luò)或無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)[37].Sienkiewicz 等[38]對波蘭22 個城市的公共交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些城市雖然在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上存在很大差異性，但是在度分布、簇系數(shù)等特征參量上有著相同的特征，揭示了城市公交網(wǎng)絡(luò)的無標(biāo)度特性和小世界特性.高自友等[5,39]發(fā)現(xiàn)，北京公交網(wǎng)絡(luò)具有無標(biāo)度特性，并對如何利用公交網(wǎng)絡(luò)中的平衡配流思想，尋找其中的關(guān)鍵Hub 點提出了解決思路.最近，為了更好反映出行乘客和公交運營車輛之間的關(guān)系，有學(xué)者[40]建立了一類新的雙層耦合公交網(wǎng)絡(luò)模型，并研究了耦合網(wǎng)絡(luò)上的同步問題.Huang等[41]考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化引發(fā)的乘客動態(tài)行為，提出一種由流量驅(qū)動的演化模型來模擬公交網(wǎng)絡(luò)的演化迭代過程.Li等[42]將共享汽車和公共交通整合到單一OD 的交通網(wǎng)絡(luò)中，提出一種多模式的路徑選擇模型.Wang等[43]提出了一種基于客運流量的公共交通網(wǎng)絡(luò)分層方法來對公共交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分離和排名.Zheng等[44]使用了中國深圳240萬地鐵和公共汽車乘客的智能卡數(shù)據(jù)來研究地鐵和公共汽車網(wǎng)絡(luò)的耦合動力學(xué)并發(fā)現(xiàn)其耦合性由出行需求和交通設(shè)施的分布共同決定.Cats等[45]提出了一個迭代投資模型網(wǎng)絡(luò)分析框架，有效地根據(jù)需求和成本函數(shù)來模擬大都市地區(qū)的城市公共交通網(wǎng)絡(luò)隨著時間演變的過程，并發(fā)現(xiàn)相比輕軌列車和地鐵網(wǎng)絡(luò)，公交網(wǎng)絡(luò)包括更多的環(huán)形—徑向連接，而輕軌和地鐵網(wǎng)絡(luò)則更集中于徑向連接.

與其他交通網(wǎng)絡(luò)相比，城市公交網(wǎng)絡(luò)具有一些獨特的特征.從網(wǎng)絡(luò)表示上，公交網(wǎng)絡(luò)具有換乘和并線的典型特征，并依托于實際存在的道路網(wǎng)絡(luò)，一般情況下需要抽象為一個擴(kuò)展的超級網(wǎng)絡(luò)后再進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及流量分布復(fù)雜特性的研究.更重要的是，公交線路具有密度大和快速可調(diào)整性，可以根據(jù)客流量、客流走勢等動態(tài)進(jìn)行增減，因此結(jié)構(gòu)更具動態(tài)演化的特性.對于這種具有明顯動態(tài)演化特性的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)需要深入分析其線路演化機(jī)理，揭示網(wǎng)絡(luò)上的換乘特性，識別公交網(wǎng)絡(luò)樞紐，為有效減少換乘次數(shù)，提高公交系統(tǒng)的可達(dá)性、可靠性和韌性，為線路設(shè)計和線路調(diào)整提供科學(xué)支撐.

(5)對于水運交通運輸網(wǎng)絡(luò)，由于海上貿(mào)易運輸占世界貿(mào)易運輸?shù)?0%左右，使得全球商船網(wǎng)絡(luò)成為最重要的研究對象之一.Kaluza 等[46]利用16363 艘貨船和航線信息來構(gòu)建港口之間的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)全球商船網(wǎng)絡(luò)具有小世界特征.利用1977—2008年世界各港口之間的每日商船移動數(shù)據(jù)，Ducruet等[47]構(gòu)建全球航運網(wǎng)絡(luò)，探究航運如何隨著主要的經(jīng)濟(jì)、地理和技術(shù)變化而演變，最終影響全球貿(mào)易，并發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)在時間上存在固定的規(guī)律，如較強的中心性和具有多樣性特征的港口兼具更長范圍的鏈接.Kojaku 等[48]將水運網(wǎng)絡(luò)表示為由港口和航路組成的二分網(wǎng)絡(luò)，對其進(jìn)行單模式投影，發(fā)現(xiàn)與其他運輸網(wǎng)絡(luò)一樣，全球貨輪運輸網(wǎng)絡(luò)具有核心—外圍結(jié)構(gòu)形態(tài)，并提出一種檢測網(wǎng)絡(luò)中核心—外圍節(jié)點對的算法.

1.2 交通運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化組織運營管理

毛保華等[49]認(rèn)為交通運輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化組織運營管理是指交通基礎(chǔ)設(shè)施成網(wǎng)條件下為提高政府管理部門或運營企業(yè)工作效率、改善系統(tǒng)運行安全性、提高服務(wù)水平所采取的所有運輸組織方法與措施的總稱.其中的關(guān)鍵科學(xué)問題包括在交通基礎(chǔ)設(shè)施物理結(jié)構(gòu)為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的條件下，具有目標(biāo)異性的多博弈主體(政府、運營企業(yè)、乘客等)之間如何實現(xiàn)利益平衡或達(dá)到帕累托最優(yōu)等.

在交通基礎(chǔ)設(shè)施物理網(wǎng)絡(luò)的布局設(shè)計方面，主要應(yīng)用的工具是利用運籌學(xué)中的方法優(yōu)化建模，然后采用各種啟發(fā)式算法進(jìn)行求解.例如對于公共交通線網(wǎng)設(shè)計問題，可以將網(wǎng)絡(luò)中的公交線路頻率問題表述為非線性—非凸混合整數(shù)規(guī)劃問題，然后將其轉(zhuǎn)換為雙層規(guī)劃模型，并采用投影梯度算法或混合人工蜂群算法求解[50]，或?qū)⒊丝蜁r間成本和運營者效益的加權(quán)組合(乘客滿意度)作為優(yōu)化目標(biāo)建立線網(wǎng)優(yōu)化模型[51]，或綜合考慮公交網(wǎng)絡(luò)和公共自行車網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計新的公共交通系統(tǒng)[52].王煒等[53]基于“逐條布設(shè)、優(yōu)化成網(wǎng)”的原則對公交線網(wǎng)以及常規(guī)公交與城市軌道交通銜接的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計.也有學(xué)者[54]基于路線的準(zhǔn)時指數(shù)，站點的偏差指數(shù)和站點的均勻度指數(shù)，對站點、路線和網(wǎng)絡(luò)層面的公交服務(wù)可靠性進(jìn)行評估.在軌道交通線網(wǎng)設(shè)計方面，可以用整數(shù)規(guī)劃模型描述軌道交通系統(tǒng)檢查和維護(hù)調(diào)度的決策過程[55]；Canca 等[56]考慮網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運營、車輛和人員成本，進(jìn)行軌道快速交通網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和線路規(guī)劃，并利用自適應(yīng)大鄰域搜索算法求解.

將交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化管理與北斗導(dǎo)航、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合是一個重要的新趨勢，也取得了相關(guān)標(biāo)志性成果，例如北斗系統(tǒng)提供的中國高精度位置網(wǎng)及其在交通領(lǐng)域的重大應(yīng)用[57]，車聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)支持的大范圍路網(wǎng)交通協(xié)同感知與聯(lián)動控制關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[58].此外，學(xué)者們將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在交通運輸領(lǐng)域[59]，利用生物識別技術(shù)進(jìn)行車輛識別與車輛間互聯(lián)[60]，在光譜圖像中識別交通基礎(chǔ)設(shè)施目標(biāo)[61]，將BIM(Building Information Modeling)技術(shù)應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化管理[62]，將超網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建車輛間通信模型等[63].值得指出的是，2014年3月我國交通運輸部正式啟動的全國高速公路電子不停車收費(Electronic Toll Collection,ETC)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工作對交通設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化管理具有示范作用.除了對ETC相關(guān)技術(shù)持續(xù)研究之外，人們也利用聯(lián)網(wǎng)ETC 收集到的信息估算動態(tài)OD交通量，建設(shè)智能停車管理系統(tǒng)，以及高精度預(yù)測行程時間.

在客流分布時空不均衡及運力資源有限的情況下，如何提高交通網(wǎng)絡(luò)運營組織能力、降低乘客出行成本是國內(nèi)外學(xué)者競相研究的問題.Wu等[64]提出了一種分層流網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建交通需求流量估算模型，通過將多個數(shù)據(jù)源映射到分層網(wǎng)絡(luò)中的不同變量來融合多個數(shù)據(jù)源.Shang等[65]提出了可用于集成異構(gòu)數(shù)據(jù)源的基于時空狀態(tài)的超網(wǎng)絡(luò)分配方法.近年來我國城市軌道交通快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化運營要求迫切.國外城市和國內(nèi)的北京、上海、廣州、南京和武漢等城市都有車輛段或停車場共用的案例[66]，在軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的跨線、共線運營方面，相關(guān)的研究包括市郊鐵路與地鐵的跨線共線運營技術(shù)[67]；針對上海地鐵3、4 號線原“C”型共線運營存在的困難，提出的兩線共線運營與單線多交路運營相結(jié)合方案[68]；針對城市軌道Y型線路共線運營模式進(jìn)行分析和優(yōu)化等[69].在多方式交通網(wǎng)絡(luò)協(xié)同運營方面開展的研究包括以實現(xiàn)最小乘客換乘步距為目標(biāo)，機(jī)場換乘樞紐最佳的幾何形狀[70]；以運營成本和乘客出行成本為目標(biāo)，建立城市軌道交通與公交一體化換乘優(yōu)化模型[71]；以大型社區(qū)居民出行為對象，提出接駁地鐵的社區(qū)公交微循環(huán)系統(tǒng)線路優(yōu)化方法[72]；軌道交通線路與常規(guī)公交線路一體化時刻表的編制方法等[73].

在網(wǎng)絡(luò)化運營條件下，運營資源的共享及應(yīng)急管理不僅能夠?qū)τ邢拶Y源進(jìn)行充分利用，提高線網(wǎng)協(xié)調(diào)運行效率，還能降低運營企業(yè)運營成本，提升應(yīng)急響應(yīng)速度.對此可以利用交通信息共享技術(shù)提高運輸服務(wù)質(zhì)量[74]，或建設(shè)基于云計算的全路多系統(tǒng)共享云平臺[75]，或探討國鐵干線、市域鐵路和城市軌道交通融合發(fā)展的路徑[76].對于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)急管理，研究人員規(guī)劃和設(shè)計了高效軌道交通與公交聯(lián)動網(wǎng)絡(luò)，分析了在地鐵運營中斷且不確定恢復(fù)時間的情況下應(yīng)急替代地面公交系統(tǒng)的最佳啟動時間等[77].

對于近年交通運輸行業(yè)涌現(xiàn)出的新業(yè)態(tài)(如網(wǎng)約車、共享單車、共享汽車等)交通網(wǎng)絡(luò)，其組織和運營優(yōu)化問題也被學(xué)術(shù)界日益重視.如利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對大規(guī)模共享單車網(wǎng)絡(luò)中的站級需求進(jìn)行預(yù)測[78]，共享單車的網(wǎng)點車輛再平衡[79]，共享汽車動態(tài)路徑的優(yōu)化[80]，網(wǎng)約車司機(jī)和乘客會面點位置的評估等[81].

1.3 城市交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制與誘導(dǎo)

城市交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化控制與誘導(dǎo)技術(shù)涉及網(wǎng)絡(luò)化動態(tài)交通信息獲取與交互，區(qū)域交通信號的網(wǎng)絡(luò)化控制與智能誘導(dǎo)，交通網(wǎng)絡(luò)信號控制及動態(tài)誘導(dǎo)協(xié)同等多個方面[82].它是大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)滲透最廣泛深入的一個領(lǐng)域，其中知名互聯(lián)網(wǎng)公司提出的“城市大腦”“交通大腦”等理念及其實踐在業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了很大影響，“城市大腦”對城市交通事件感知與智能處理的決策過程，如圖2所示.

圖2 城市大腦中的事件感知與智能處理[83]Fig.2 Event perception and intelligent processing of city brain[83]

在網(wǎng)絡(luò)化動態(tài)交通信息獲取與交互方面，主要集中于多源動態(tài)交通信息采集，異構(gòu)交通的數(shù)據(jù)融合，交通傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)化多維交通信息可靠交互技術(shù)等技術(shù)的研發(fā)，其目標(biāo)是構(gòu)建一個“全景”式的交通信息感知網(wǎng)絡(luò).具備一定的自主感知、自主判斷、自主調(diào)控能力的交通信息—物理耦合系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)是近來的研究熱點[84]，并進(jìn)一步延伸推廣到“并行/平行交通系統(tǒng)”“數(shù)字孿生交通系統(tǒng)”[85].

在交通信號控制方面，經(jīng)歷了“點控—線控—面控”的過程，而如何實現(xiàn)對較大范圍區(qū)域內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)的時空動態(tài)協(xié)同優(yōu)化控制是一個具有挑戰(zhàn)性的難題.對于軌道交通信號控制，針對移動閉塞系統(tǒng)下高速鐵路分布式協(xié)同控制問題，NING等[86]提出了具有新通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高速列車協(xié)同控制方法，同時開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于通信列控系統(tǒng)(Communications-based Train Control,CBTC)，提出了基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的城市軌道列車控制系統(tǒng)安全保障的方法[87]；對于城市交通網(wǎng)絡(luò)化信號控制與誘導(dǎo)，賀國光等分析了基于速度優(yōu)化(OVM)模型的交通流混沌現(xiàn)象[88]；關(guān)積珍等[89]研究了基于交通流實時檢測的奧運交通誘導(dǎo)VMS信息發(fā)布策略；張毅等[90]提出了基于時空依賴性的區(qū)域路網(wǎng)短時交通流預(yù)測模型；王殿海等[91]針對長干道和網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)交通信號的協(xié)調(diào)問題，提出的MaxBandLA模型用于對長干道上的交通信號進(jìn)行協(xié)調(diào)，MaxBandGN模型對網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中的信號進(jìn)行協(xié)調(diào)，并進(jìn)一步討論了基于多源數(shù)據(jù)融合的城市道路網(wǎng)絡(luò)宏觀基本圖；楊曉光等[92]則對有人行橫道及自動駕駛環(huán)境下交叉口的交通信號配時進(jìn)行優(yōu)化.

近來各種深度學(xué)習(xí)方法開始應(yīng)用于交通網(wǎng)絡(luò)信號控制，如Wang 等[93]以單交叉口、干線、多交叉口群的區(qū)域路網(wǎng)為研究對象，構(gòu)建基于強化學(xué)習(xí)的分層控制算法，對當(dāng)前的信號定時方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)；Tan等[94]利用深度強化學(xué)習(xí)策略監(jiān)控交通系統(tǒng)中不同區(qū)域復(fù)雜交通狀態(tài)下多個信號.

在交通動態(tài)誘導(dǎo)及信號控制協(xié)同優(yōu)化方面，現(xiàn)有的全局優(yōu)化協(xié)同算法一般基于用戶路徑?jīng)Q策得到全局優(yōu)化的控制策略.如馬壽峰等[95]在交通控制與誘導(dǎo)協(xié)調(diào)模型的基礎(chǔ)上，提出協(xié)調(diào)管理者與出行者之間矛盾的博弈論模型，劉攀等[96]討論了交叉口左轉(zhuǎn)沖突車流的誘導(dǎo)與信號控制問題，也有學(xué)者[97]基于拉格朗日松弛優(yōu)化將信號控制與路徑誘導(dǎo)的協(xié)同優(yōu)化問題進(jìn)行分解.目前信號控制與誘導(dǎo)協(xié)同存在的主要問題是大多數(shù)優(yōu)化算法的求解需要相當(dāng)大的計算量，需要在實時性、計算精度與優(yōu)化效果之間進(jìn)行權(quán)衡；其次理論研究的路網(wǎng)從結(jié)構(gòu)復(fù)雜度到規(guī)模都較實際路網(wǎng)有相當(dāng)大的差距，如何將實驗得到的協(xié)同或全局優(yōu)化策略應(yīng)用于大范圍路網(wǎng)是一個具有挑戰(zhàn)性的難題.

2 問題及展望

(1)對綜合交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程的理論和方法論體系研究不足，將會導(dǎo)致缺乏對綜合交通發(fā)展戰(zhàn)略和體制機(jī)制的頂層設(shè)計的支撐能力.

隨著我國“交通強國戰(zhàn)略”的提出，綜合交通體系建設(shè)的重要性日益突顯.目前國內(nèi)外對單一方式交通網(wǎng)絡(luò)的理論研究和應(yīng)用成果相對比較豐富，但對具有“個體出行多樣、群體行為涌現(xiàn)、多交通方式耦合、網(wǎng)絡(luò)資源時變”特點的綜合交通網(wǎng)絡(luò)，無論是指導(dǎo)理論還是在具體的方法論研究都存在明顯不足.其中包括“綜合交通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造演化機(jī)理”“城市交通網(wǎng)絡(luò)供需平衡機(jī)理”“多層綜合交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜特性及其動力學(xué)過程”“出行行為的多樣性及可預(yù)測性”等科學(xué)問題[2]都亟待深入研究.基礎(chǔ)理論研究的不足，導(dǎo)致缺乏對綜合交通發(fā)展戰(zhàn)略和體制機(jī)制的頂層設(shè)計的支撐能力.同時，由于在綜合交通資源協(xié)同配置理論和方法體系方面研究的欠缺，出現(xiàn)了主要運輸通道能力不協(xié)調(diào)、綜合運輸結(jié)構(gòu)不合理等問題.此外，通過對綜合交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程的理論和方法體系的研究，也可以為城市規(guī)劃、交通規(guī)劃、土地規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃等“四規(guī)”的協(xié)同提供理論支持.特別是隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，從微觀與宏觀角度研究交通物理網(wǎng)和交通信息網(wǎng)的融合及動力學(xué)相關(guān)作用，建立多層城市綜合交通運輸網(wǎng)絡(luò)的韌性表征方法將是一個非常重要的研究方向.

(2)在可預(yù)見的未來，新技術(shù)環(huán)境下的交通運輸系統(tǒng)將出現(xiàn)顛覆性的變革，交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程的內(nèi)涵和外延也需要進(jìn)行根本性的升級改造.

①隨著電動汽車、高速列車、智能船舶、無人機(jī)、真空管道磁懸浮系統(tǒng)，以及車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等技術(shù)的快速發(fā)展，交通運輸載運工具出現(xiàn)了運行狀態(tài)全感知、控制方式多元化、能源補充多模式等新特點.隨著5G 技術(shù)的成熟，未來交通互聯(lián)網(wǎng)與交通能源網(wǎng)也將深度融合，這些都使得未來的交通系統(tǒng)勢必出現(xiàn)與當(dāng)下可能完全迥異的一種新生態(tài).這種新生態(tài)交通必然對交通運輸組織、管理與控制技術(shù)提出新的需求，交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程的內(nèi)涵和外延也需要進(jìn)行根本性的升級改造.例如在車聯(lián)網(wǎng)與車路協(xié)同環(huán)境下，傳統(tǒng)的、由交通基礎(chǔ)設(shè)施(樞紐、場站、道路、航線等)構(gòu)成的交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和邊就需要重新定義，具備智能網(wǎng)聯(lián)功能的移動載運工具與路側(cè)設(shè)備都可以作為新型交通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，并與之前傳統(tǒng)定義的網(wǎng)絡(luò)疊加耦合，共同構(gòu)成一個由固定設(shè)施和移動載運工具雜合而成的超級網(wǎng)絡(luò)(Hybrid Hypernetwork)，而對這類包含具有自驅(qū)動、自組織、自決策能力節(jié)點的柔性交通網(wǎng)絡(luò)(Flexible Transportation Network)及其共享運行機(jī)制的研究，也許是交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程未來的一個重要研究內(nèi)容.總而言之，面對新技術(shù)環(huán)境下的交通運輸系統(tǒng)將出現(xiàn)顛覆性的變革，研究新生態(tài)環(huán)境下的交通運輸系統(tǒng)組織管理理論方法和技術(shù)將成為未來交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程發(fā)展的重要趨勢.

②隨著新型傳感器、大數(shù)據(jù)、云計算、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，交通信息精準(zhǔn)獲取與運行態(tài)勢智能分析能力得到極大提高，交通信息的完備性日益增強.由于更加趨近滿足“信息完備”這一假設(shè)條件，在交通網(wǎng)絡(luò)動態(tài)配流優(yōu)化和誘導(dǎo)過程中，Wardrop 第一原理強調(diào)的“用戶均衡”和第二原理強調(diào)的“系統(tǒng)最優(yōu)”應(yīng)該比以前任何時候都有條件達(dá)到更高層次的平衡，而如何在上述的超級復(fù)雜交通網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)這個目標(biāo)則是一個具有很大挑戰(zhàn)性的科學(xué)和技術(shù)難題.有鑒于此，交通大數(shù)據(jù)資源治理機(jī)制與管理，交通大數(shù)據(jù)分析方法與支撐技術(shù)，交通大數(shù)據(jù)價值發(fā)現(xiàn)與決策等方向也將成為未來交通運輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程發(fā)展的重要趨勢.

③隨著人類腦計劃這個大科學(xué)計劃的開展，將人類腦科學(xué)研究的成果應(yīng)用于交通科學(xué)和工程領(lǐng)域的研究勢必蓬勃發(fā)展.研究交通組織與管理中的人因機(jī)理與工程，對出行者心理和生理的感知，交通信息對出行者行為影響的深層機(jī)理分析及干預(yù)技術(shù)等，也可能成為未來交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程發(fā)展的重要領(lǐng)域.