交通流均衡分布的引力场动态路由方法

Traffic jam is a serious problem encountered in many current urban traffic systems. Response to more serious traffic congestion, this project will construct a dual topology model adapting to analyze dynamic traffic process with considering the street-street relationships and propose a routing method with considering the equilibrium distribution of traffic flow on the basis of gravitational field theory, and aim to diminish traffic congestion and enhance the transmission performance of networks. By studying the mapping problem between dynamic traffic network and gravitational field, this project will borrow from gravitational field theory in establishing a gravitational field stimulated by a street in transmission and in defining the corresponding gravitational field equation. On the basis of these studies, this project will present a mathematical model and a routing strategy, with the traffic guidance idea of using equilibrium distribution of gravity to solve load balancing problem. This study will break the bottleneck that GIS cannot unify the representation, modeling and analysis of urban street networks and dynamic traffic process. It will create an innovation of route planning which integrates gravitational field theory and complex network theory. This project will provide some solid foundations of theory and method for improving the throughput of street networks, balancing the traffic load and efficient traffic guidance systems.

针对日益严重的交通拥堵问题，本项目深入研究动态交通过程中路段之间的相互作用规律及路段对交通流的吸引作用，建立动态交通过程分析的路网对偶拓扑模型，提出顾及交通流均衡分布的引力场动态路由方法。通过动态交通网络与引力场之间的映射，建立交通传输过程中路段所激发的引力场描述模型，并推导具体的引力场方程，实现利用交通引力场均衡分布思想解决交通流均衡负载难题的交通诱导方法，形成刻画交通引力场均衡分布的数学模型，设计实现交通流均衡负载的引力场路由算法。项目研究成果有望突破目前GIS难以对城市路网及动态交通过程进行统一表达、建模和分析的瓶颈问题，实现路径规划理论与方法的创新，为提高城市路网的交通承载能力、均衡交通流负载、构建高效的交通诱导系统奠定坚实的理论基础。

城市交通系统复杂性与动态交通诱导是交通GIS理论与方法的国际研究前沿。本项目针对城市交通流的复杂性及现有城市路网模型难以对城市路网及动态交通过程进行统一表达、建模和分析的难题，（1）建立了能够支撑路网结构与动态交通过程分析的路网对偶拓扑模型及适用于该路网拓扑的交通流模型，该方法主要利用弧段-弧段关系进行路网对偶建模，这样才能精确描述真实道路网络上任意位置之间的路径情况。（2）证明了任意连通网络最大交通承载能力的存在性及其与网络结构、功能特征参数之间的数学关系，在此基础上分别建立了面向任意连通网络和城市路网的最大交通承载能力度量方法。（3）提出了顾及交通行为认知知识与路网实时交通状态的交通引力场模型，该模型主要考虑了道路的通行能力、畅通程度及路径长度等。（4）提出了交通引力场认知下的动态路由选择方法，该方法顾及了道路对交通流的聚集能力并以路径引力大小为择路标准，保证所有交通流都能沿着较为畅通的路径传递。为检验方法的有效性，以成都市道路网络为试验数据，建立了相应的路网对偶模型进而研究了其拓扑结构特征、最大交通承载能力等，在此基础上结合成都市路网数据和BA无标度网络模型，对不同路由算法进行交通流模拟并计算实际交通承载能力。理论和实验表明：采用基于弧段-弧段关系的路网对偶模型及其交通流模型可以准确地表达GIS几何路网模型上各种复杂的路径；所建立的路网最大交通承载能力计算模型不仅揭示了路网的一种固有特性，而且为路网拓扑结构及路由策略优化提供了理论支撑；交通引力场模型较好地描述了道路对交通流的引力作用，所提出的交通引力场动态路由方法有效地均衡了网络交通负载并较大地提高了网络的交通承载能力。本项目研究成果可以应用于交通导航服务、城市与交通规划等领域。该项目发表SCI/SSCI论文11篇，中文/科技核心论文4篇，项目组成员参加5次国内外学术会议。