基于城市道路网络脆弱性的小区开放策略研究

詹　斌，蔡瑞东，胡远程，曹梦鑫

（武汉理工大学　交通学院，湖北　武汉　430063）



基于城市道路网络脆弱性的小区开放策略研究

詹斌，蔡瑞东，胡远程，曹梦鑫

（武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063）

通过研究开放小区开放程度、小区位置、小区规模三个方面对城市道路网络脆弱性的影响，为小区开放规划建设提出参考意见。提出将网络节点度方差作为城市道路网络脆弱性评价指标，通过MATLAB软件建立开放小区路网接入城市道路网络连接模型。在不同连接策略下进行仿真实验，实验结果显示小区路网接入节点越多、接入节点度越小、小区路网结构越复杂，城市道路网络节点度方差越小。从降低城市道路网络脆弱性角度为不同小区制定了开放策略。

城市交通；城市道路；节点度方差；连接模型；开放小区；网络脆弱性

1　引言

《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中提出逐步打开已建成的住宅小区和单位大院，小区开放成为人们关注的热点问题。目前关于小区开放问题的讨论大多集中在小区开放后的管理、安全及基础设施配套等方面，而小区开放对城市道路网络影响的相关研究还比较少。如何使小区开放对城市道路网络产生积极影响，优化城市道路网络结构，降低城市道路网络脆弱性是开放小区要考虑的问题。小区开放涉及方面很多，不能对所有小区一概而论，从开放小区对城市道路网络脆弱性影响的角度进行研究，根据不同小区自身的特点确定合适的开放策略，对小区开放规划建设有积极意义。

城市道路网络脆弱性研究对于城市道路网络优化，道路安全管理等方面有重要意义，有大量专家学者进行了相关研究。胡一竑等［1］、聂廷远等［2］、黄大荣等［3］研究了不同攻击策略对复杂网络脆弱性及抗毁性的影响，研究表明蓄意攻击对复杂网络系统脆弱性影响明显；赵凤花等［4］、李鑫等［5］对复杂网络的节点重要性及网络脆弱性评价指标进行了研究，梳理了复杂网络的主要评价方法和指标；李宏等［6］、张勇等［7］在复杂网络脆弱性单元的识别方面进行了研究，为复杂网络脆弱性控制提供了支持；刘新全［8］、周赛赛［9］、张勇等［10］采用不同的方法对道路网络脆弱性进行分析建模，对道路网络脆弱性机理进行了研究。马小凤［11］、商宇航［12］分别从小区开放可能性及开放后的小区设计方面对小区开放问题进行了分析。学者们对于城市道路网络脆弱性的研究主要集中在不同攻击策略分析、脆性单元识别、脆性机理分析等三个方面，关于开放小区的研究涉及较少。

本文通过对城市道路网络脆弱性分析选取评价指标，分别从开放小区开放程度、小区位置、小区规模三个方面对城市道路网络脆弱性影响进行研究，建立开放小区与城市道路网络的连接模型，根据实验结果为不同小区制定合适的开放策略，为小区开放及交通规划提供参考意见。

2　城市道路网络脆弱性分析

2.1城市道路网络脆弱性

脆弱性是指复杂系统在受到外界干扰情况下，系统部分或整体受到损害从而使整个系统丧失功能的可能性大小。城市道路网络的脆弱性主要体现在道路网络受到外界扰动和影响而使整个网络服务水平下降的程度，城市道路网络是一个复杂网络系统，不可避免具有脆弱性，研究发现城市道路网络脆弱性与城市道路网络本身的拓扑结构有关。本文主要研究开放小区开放程度、小区位置、小区规模三个方面对城市道路网络拓扑结构的影响，通过城市道路网络拓扑结构的变化分析其脆弱性。

2.2城市道路网络脆性评价指标

城市道路网络脆弱性常用的评价指标有节点度、介数中心性等。节点度是表示与该节点相连接边的数量，在网络中节点vi的邻边数目ki称为节点vi的度。对网络中所有节点的度取平均值得到网络的平均度。

介数分为节点介数和边的介数，反映节点或边在网络中的重要程度。节点（边）的介数为网络中所有的最短路径中经过该节点（边）的数量与整个网络最短路径的数量的比例。计算公式如下：

式中njk—节点vj和vk之间最短路径条数，njk（i）—节点vj和vk之间的最短路径经过节点vi的条数。

节点vi的介数中心性就是节点归一化的介数。节点vi的介数中心性CB（vi）计算公式如下：

度和介数都是反映结构单元在网络中重要程度的指标，研究表明重要结构单元越少，城市道路网络脆弱性越低，基于以上思路本文提出以网络节点度方差作为城市道路网络脆弱性评价指标。方差是反映事物偏离平均水平的程度，在城市道路网络中节点度方差越小，则路网的均匀性越好，节点重要程度差别越小，路网抵抗破坏的能力越强，即城市道路网络脆弱性越小；因此用节点度方差作为城市道路网络脆弱性评价指标是合理的。城市道路网络节点度方差D（k）计算公式如下：

3　城市道路网络仿真建模

3.1城市道路网络与小区连接模型

大量研究表明城市道路网络是一个处于规则网路和随机网络之间状态的一种网络，在研究其脆性时可采用BA无标度网络进行模拟；小区道路网络复杂程度可根据某小区的实际路网结构得出；小区开放通过将小区网络中部门节点与城市道路网络节点进行连接形成接入开放小区后的城市道路网络。

该模型主要包括城市道路网络模块、小区路网模块、连接策略模块及指标分析模块。城市道路网络模块主要是用来模拟城市道路网路，小区路网模块则是代表小区路网结构，连接策略模块是确定两个路网的连接方式，作为仿真输入，指标分析模块主要是对不同连接策略下形成的新网络进行指标计算和分析，作为仿真输出部分。主要建模步骤如下：

（1）初始城市道路网络G0由m0=3，m=3（具有m0个节点的初始网络，每次引入一个新节点与m个已存在的节点相连，m≤m0）生成一个节点N0=300个节点，mt=891条边的无标度网络（生成所需的无标度网络需要经过t步）；

（2）收集某小区路网结构资料，确定小区道路网络G1、节点N1；

（3）选取原始城市路网中可与小区连接的节点，定义点集V0作为原始网络中已选节点的点集，选取小区路网中可与原始网络连接的节点，定义点集V1作为小区路网中已选节点的点集，根据小区的连接策略将V0与V1中的点连接形成新的网络G，新连接的节点对数量记作v。

（4）仿真实验结果分析评估，根据输入的策略对建立的城市道路网络模型进行脆弱性指标计算，对实验结果采用图表形式输出。

3.2小区开放连接策略分析

相同开放小区以不同的方式接入原有网络和不同的小区以相同的方式接入原有网络，对路网结构的影响程度都不同；路网结构相似的小区由于在城市中所处位置不同，接入后对路网结构的影响程度也不相同。根据上述分析确定以下接入策略对小区接入后网络的脆弱性进行分析。

（1）接入不同数量节点策略。该策略考虑的是开放后的小区与原有路网连接的密切程度，两个网络连接越密切则接入节点数量越多；记两个网络相互连接的节点对为V0-V1，新连接的节点对数量记作V。

（2）接入不同度节点策略。由于实际中小区在城市中的位置不同，有城市中心位置和偏远位置的差别，城市中心路网节点度比城市偏远地区路网节点度大，该策略用于分析小区位置对城市道路网络脆弱性的影响；记两个网络互相连接的节点对度为k（k1，k2）。

（3）Gi网络复杂度策略。内部道路网络结构不同的小区接入城市道路网络对整体网络的脆弱性影响可用该种策略进行研究；分别从节点个数和网路节点平均度两个方面对小区路网规模进行区分，接入的小区网络规模记作G1（J，K），其中J为网络的节点数，k为小区网络节点的平均度。

4　实验结果分析

4.1实验参数设置

本次实验按照不同的仿真策略输入不同的参数建立模型，从而得出不同策略下的仿真结果。各种策略的参数设置及取值情况见表1，前两种策略小区接入城市道路网络节点对数分别取3、4、5、6、7、8，小区接入城市道路网络节点度分别取最小、最大及随机三种情况，小区网络取G1=（30，5.6）；每次实验选取每种策略下参数的一个取值，即共进行3×6×1=18次实验。

第三种策略小区接入城市道路网络节点对数取值与前两种策略相同，接入节点度的取值采用度最小原则，小区网络分别取G1（30，5.6）、G2（40，5.7）、G3（40，4.7）、G4（40，6.7）；在接入节点数量、接入节点度一定的情况下改变接入的小区网络，为了验证结论的一般性，分别在不同接入节点数量的取值下进行研究，共进行4×6× 1=24次实验。

表1　不同策略下仿真模型参数设置表

4.2实验结果分析

上述参数设置条件下实验结果如图1、图2所示，评价指标结果矩阵如下：

从图1可知，当接入节点从最大度节点开始时，路网度方差随接入节点数量增加而增大，路网度方差大于初始网络度方差；两个度较大的节点连接使路网结构不均匀性增大，这种方式连接的节点越多，路网结构越不均匀，不利于降低路网脆弱性。

当接入节点从最小度节点开始时，路网度方差随接入节点数量增加而减小，网络度方差小于初始值；两个度较小的节点连接使路网末端结构得到丰富，路网不均匀性减小，这种方式连接的节点越多，路网结构越均匀，有利于降低路网脆弱性。

当随机接入节点时，路网度方差变化无规律。随机的接入方式对路网结构影响具有不确定性，可能降低路网脆弱性，也可能使路网脆弱性增加。

从图2可知，不同小区路网以最小度节点接入路网时，对路网结构有积极作用，降低路网的脆弱性；当小区路网结构相似时（平均度接近），规模大（节点数越多）的路网脆弱性降低明显；当小区路网规模相同时，与原路网结构相似小区网络对路网脆弱性降低明显。

上述实验结果分析显示，从降低城市道路网络脆弱性角度考虑，小区路网与城市道路网络在允许条件下应选择两者偏远部分进行连接，即度较小的节点进行连接；同时，在满足节点度最小原则时尽量使小区路网与城市路网连接紧密，也就是小区开放程度尽可能大；整体上看城市末端的小区开放对城市道路网络完善、降低城市道路网络脆弱性效果比城市中心小区作用明显。

图1　网络度方差随接入节点数量及节点度变化曲线

图2　网络度方差随接入小区网络复杂程度变化曲线

5　结语

本文将城市道路网络脆弱性应用到小区开放这一热点问题研究中，提出将网络节点度方差作为城市道路网络脆弱性评价指标，对城市道路网络和小区路网进行分析，建立小区路网与城市道路网络连接的网络模型，分别从接入节点数量、接入节点度及接入小区路网复杂程度三个方面进行实验，结果表明在城市道路网络末端结构接入小区能降低城市道路网络脆弱性，为小区开放规划及交通网络规划提供参考意见。

［1］胡一竑，吴勤旻，朱道立.城市道路网络的拓扑性质和脆弱性分析［J］.复杂系统与复杂性科学，2009，6（3）：69-76.

［2］聂廷远，郭征，李贺.基于介度相关性的无标度网络抗毁性研究［J］.计算机工程与设计，2014，（12）：4 140-4 144.

［3］黄大荣，沈利兵，赵玲.基于复杂网络理论的城市路网脆弱性研究［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2015，（1）：110-115.

［4］赵凤花，杨波.复杂网络节点重要性的综合评价方法［J］.武汉理工大学学报（信息与管理工程版）2015，（4）：461-464.

［5］李鑫，戴冀峰，林建新，等.城市道路网络脆弱性评估指标研究综述［J］.公路交通科技（应用技术版），2016，（1）.

［6］张宏，李杰.城市道路复杂网络单元脆弱性实证研究［J］.长安大学学报（社会科学版），2014，16（2）：33-37.

［7］张勇，屠宁雯，姚林泉.城市道路交通网络脆弱性辨识方法［J］.中国公路学报，2013，26（4）：154-161.

［8］刘新全.基于贝叶斯网络推理的道路网络级联失效仿真［J］.交通运输系统工程与信息，2015，（2）：210-215.

［9］周赛赛.道路交通网络层次化脆弱性分析及其传播衍变［D］.武汉：华中科技大学，2014.

［10］张勇，屠宁雯，陶骏杰.道路交通网络脆弱性动态辨识方法［J］.交通运输工程学报，2014，26（5）：74-81.

［11］马小凤.开放型住区实证研究［D］.武汉：华中科技大学，2013.

［12］商宇航.城市街区型住区开放性设计研究［D］.大连：大连理工大学，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，湖北武汉人，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向：交通运输规划与管理。