控制网

1  引言

    自从1868年出现最早的交通信号灯以来[1][2]，城市交通控制已经过100多年的发展。从最早的凭肉眼观测道路交通状况和手动控制信号灯，到今天综合运用计算机技术、现代通讯技术、大系统理论等已初步形成城市交通自动协调控制，交通控制技术有了长足的发展。

    众所周知，城市交通系统是一个离散、强耦合、非线性、并具有随机特性的复杂大系统。随着现代城市交通负荷的加重，其复杂性已较明显地体现在了相关的城市交通控制中。因此，如何最大限度的发挥系统复杂性分析的特点，并在此基础上建立更为合理的控制理论和方法体系，已成为现代城市交通控制亟待解决的问题。

1.1 城市交通控制系统
    城市交通信号控制从不同的角度看有不同的划分方式[3]：从控制策略的角度可将信号控制方式分为定时控制、感应式控制和自适应协调控制；从控制区域的几何特征划分可以分为点控、线控和面控；从控制方式可分为方案选择和方案形成；从控制结构可分为集中式控制和分层式控制等等。

    结合实际应用情况，国内外先后开发出了多种较为使用的城市交通控制系统。例如，以MAXBAND和TRANSYT为典型代表的定时控制系统，以SCOOT和SCATS为典型代表的自适应协调控制系统等。同时，感应式控制也先后在各类控制系统中得到嵌入和应用。

    同时，在传统的交通控制理论和方法研究中，由于理论方法的限制和实际应用条件的有限，主要都简化了研究对象的复杂度，以单路口为研究对象，建立必要的控制模型，在理论分析的基础上形成比较实用的控制方法；而对于需要进行多路口协作控制如线控和面控时，则在单路口控制方法的基础上，考虑相互间的主要联系，而建立起了现有的协调控制系统。

    因此，从严格的意义上讲，无论是上面所述的何种城市交通控制系统，其控制策略都是基于单路口控制，并在必要时适当考虑相互耦合关系和作用的基础上形成的，而在根本上并没有考虑城市交通系统本身的复杂特性。
正是因为在城市交通控制系统的研究和应用过程中，存在理论分析方法的滞后，存在交通采集手段不足、交通信息来源有限、交通信息综合利用不佳等因素，致使已有的理论和方法不够有效地反映实际情况，且理论对实用方法的指导性不够，因而在一定程度上限制了其应用效果。

1.2 复杂网络在城市交通系统分析中的应用
    从上个世纪80年代起，复杂性逐渐成为科学家们研究的热点之一，并成为当今世界极富生命力的交叉学科之一，通过各个学科的交叉融合，基于复杂网络的复杂系统的研究成为复杂性科学三大研究热点之一。

    最近几年，Segio Porta 等学者将复杂网络分析方法应用到城市交通道路网络的拓扑分析中[5]，通过对城市交通道路网络的一系列拓扑性质的统计研究，比较分析了多个城市的道路交通网络的特点，取得了一系列研究成果。Sen P[6]、Guimera’ R[7]、W.Li[8]、JianJun Wu[9]等一些学者则进一步将复杂网络的研究方法应用到了交通系统分析中来，分别在铁路交通、空中交通、城市交通等系统中取得了一些成果。Sen P 对铁路网络进行了研究，得出了铁路网络的“小世界网络”性质；Guimera’ R将航线网络网络抽象成加权网络，并在此基础上分析了航线网络的各种特性，比较了国家航线网络和世界航线网络生成机制的不同；JianJun Wu 基于OD分析了公交系统的尺度无关性质，对公交系统的建设提出了一些合理性分析和建议。

    针对城市交通系统中实际存在的复杂特性，研究人员近年来提出的基于复杂网络系统的分析方法，将城市路网看成是一种网络，对其联通特性、聚集程度和扩散快慢等进行分析和讨论，试图找出存在于城市路网中的复杂特性，从而建立起基于系统整体性能基础上的控制和分析方法。

    这些研究工作是基于复杂网络的针对城市交通系统的分析方法，是在较为全面的考虑城市交通系统整体特性的基础上提出的，其研究基础是整个城市路网而非单个路口，因而它的出现为有效研究城市交通系统的复杂性，及其随后的网络交通状态控制，开辟了一条新的研究思路。

1.3 城市交通系统复杂性分析需求
    基于复杂网络的城市交通系统复杂性分析方法，是一种从系统复杂性出发研究系统复杂性的方法，其基础是复杂网络的路网模型，其条件是基于统计意义上的交通信息，因此希望该方法能够提供交通专家所关注的交通系统复杂性分析手段，并通过这些手段深入分析和研究城市交通系统的生成、演化和发展特性。

    因此，针对城市交通系统的复杂性分析的研究工作，在建立了与实际的城市交通工程相符合的路网模型，以及确定了能够反映城市交通系统复杂性的相关参数的基础上，总体希望在以下方面能够取得相应的成果，并在实际工程中得到应用：
● 研究和分析城市交通路网的复杂特性
● 基于路网模型提出网络交通状态的分析方法
● 研究城市交通状态的产生与演化过程
● 提出基于复杂性分析的城市交通控制策略
    本论文在分析城市交通控制系统的现状、复杂性分析的必要性和需求的基础上，在第2节重点介绍和分析城市交通系统的复杂网络特性，第3节探讨进行城市交通系统的复杂性分析的基础和体系，第4节讨论基于复杂性分析的城市交通控制应用，第5节对相关工作进行总结。

2  城市交通系统复杂网络特性

    已有的研究结果表明，基于复杂网络的基础理论和方法，可以对城市交通系统的路网特性进行相关的初步分析。
本节简要介绍可用于城市交通系统的复杂性分析的主要基础理论和方法，包括城市路网的建模、评价网络化的城市路网特性参数以及可能获得的复杂性分析基本内容和相关应用等。

2.1 城市路网建模
    总结已有研究成果，可用于城市交通系统复杂性分析的路网模型有三类，对应的主要有三种建模方法[5]，包括：
● 直接映射法：通过将实际交叉路口映射为节点，实际路段映射为边，所构成的网络。
● 路名对偶法：通过将实际交叉路口映射为边，具有同一路名的所有路段映射为同一节点，所构成的网络。
● 连续路段对偶法：通过将实际交叉路口映射为边，按一定准则，将一系列“连续路段”映射为同一节点，所构成的网络。

    图1给出了三种方法的实现过程示意。第1列是用于映射变换的实际路网。第2列是分别采用三种方法确定的可用于映射变换的路段。第3列是经映射后生成的网络。