[发明专利]一种基于渗流分析的城市交通网络可靠性预测方法

说明书

本发明提供一种基于渗流分析的城市交通网络可靠性预测方法，步骤如下：一：构建历史时期交通流的动态网络；二：计算城市交通动态网络的渗流阈值；三：计算各时期渗流阈值均值的距平值，并以此作为区分历史时期城市交通网络可靠性为高或低的依据；四：对比历史时期高可靠城市交通运行状态和低可靠交通运行状态中的拥堵子团的演化规律，并依此预测实时城市交通网络可靠性；通过以上步骤，本发明有效分析了历史时期的交通网络可靠性的演化特征和演化机理，能依此预测实时城市交通网络可靠性的演化方向为高可靠运行状态还是低可靠运行状态，为城市交通管理者提供指导或预警；对于解决城市交通拥堵、建设智慧城市具有关键支撑作用。

技术领域

本发明提出一种基于渗流分析的城市交通网络可靠性预测方法，属于交通可靠性技术领域。

背景技术

随着经济水平的不断发展，基础设施的规划和建设领域也逐渐繁荣。一个国家的基础设施建设水平，不仅反映了其本身综合实力的水平，也是实现其国计民生的重要物质保障。因此，如何提高基础设施的管理和服务水平是一个至关重要的问题。从工程领域来看，即是如何提高基础设施的可靠性以满足一定的使用需求。这其中，关键基础设施诸如通讯、电力、能源、交通运输、供水等领域，是关系到国家经济和社会正常运转的最重要的基础设施系统。如何管理和提高关键基础设施的可靠性是实现国家安全与社会保障的重大课题，而其中一个重要前提是预测系统的可靠性状态的演化方向。

以城市交通系统这一关键基础设施为研究对象，对于其可靠性的预测依赖于对于交通拥堵风险的辨识，其中最关键问题在于城市交通系统的状态估计。这方面已有研究主要包括基于模型仿真和基于数据分析的城市交通状态估计方法，特别是基于卡尔曼滤波的方法。早期的交通状态估计主要来源于交通监测数据，然而受成本限制只能在短距离、小范围的区域内设置监测设备，因而进行交通状态评估的数据来源十分有限；之后的研究通过引入流体动力学的相关理论知识，采用动态交通流模型，利用模型参数估计等方法，实现了对较长距离、较大范围内的交通状况进行估计和预测。这些研究大都集中在高速公路的交通状态上，而在城市道路交通层面上，在大数据的背景下，已有研究通过利用不同类型数据的融合理论与方法，基于对历史数据统计分析，实现对拥堵风险进行预警，能够很好地对日常状态下的城市交通系统进行较为准确的可靠性预测。

以上这些方法的局限在于没有从城市交通的网络层面、动态地考虑城市交通系统的可靠性问题。城市交通系统是一个开放的复杂巨系统，在外部因素的影响和内部要素的相互作用下，其特性时时刻刻都在发生非线性的、不确定的变化，采用简单的数理统计方法难以对其在不同状况下的可靠性进行实时评估和预测，因为这些方法难以区分城市交通拥堵路段之间的关联关系，也难以解释城市交通拥堵形成规模的内在机理。复杂性科学是系统科学中的前沿领域，其中尤以复杂网络理论和方法为研究诸如城市交通系统这类复杂网络系统提供了一个新的视角。复杂网络的方法不仅可以描述城市交通系统的结构特性，还能够表示系统内各要素之间的相互功能关系，从而研究系统的动力学过程。这其中，城市交通系统的渗流属性分析是一种有效的分析城市交通网络可靠性变化以及微观单元相互作用变化的手段。

与传统的城市交通网络可靠性预测方法相比，本发明提出的一种基于渗流分析的城市交通网络可靠性预测方法具有如下优点：首先，本方法不仅能够分析城市交通系统的网络拓扑结构对于可靠性的影响，还能够分析其上的动力学行为的变化特征；第二，本方法从网络的角度考虑城市交通系统的可靠性，具有实时敏感又不容易受到极端数据影响的优势；最后，本方法通过挖掘影响城市交通网络可靠性高低的内在机理，不仅能够实时预测日常时期的城市交通网络可靠性，更可以适用于极端条件下的可靠性预警。

发明内容

(一)本发明的目的