环洞庭湖区交通网络的复杂性研究

1、文档供参考，可复制、编制，期待您的好评与关注！ 环洞庭湖区交通网络的拓扑特征研究引言作为社会经济发展中的一个热点问题，区域差异问题已引起学术界的广泛关注1, 2。现实中很多地方最初的发展是没有区域规划的，而是随着经济发展和人口增加逐步扩大的无序发展，以及基础交通设施不均衡分布的区域常态化，导致许多区域的交通网络结构出现复杂多样的形态特征，而交通运输业又作为发展社会经济的“先行官”，其基础作用显著，针对区域交通网络的分析，得出区域交通的差异，如何能加快落后地区的发展、保持发达地区的竞争力的意义十分重大，所以对交通网络研究的正受到国内外越来越多的专家学者研究和关注。类似于其它网络，交通网络也具有复

2、杂网络的结构特性，对深入研究交通网络的特性与拓扑结构之间的相互作用奠定了坚实基础。而要理解网络结构与网络行为之间的关系, 并进而考虑改善网络的话, 就需要对实际网络的结构特征有很好的了解, 并在此基础上建立合适的网络结构模型。长期以来，中外学者不断通过对东西方共同经验的总结和遴选，国内外许多学者对存在于不同领域的大量实际网络的拓扑特征进行了广泛的实证性研究，从不同的角度出发提出了各种各样的网络拓扑结构模型。通过大量而系统的研究分析城市公共运输网络与世界航空网络的拓扑结构，发现这些网络都表现出小世界特性3-4。由于交通网络系统是一个典型的、开放的复杂网络系统，复杂网络是大量复杂系统存在的拓扑基础

3、，其研究具有重大科学意义和应用价值，由于研究方法日趋成熟，因此，本文以复杂网络作为研究工具，利用GIS软件、Ucinet软件和NetDraw软件对其建模与分析，从度分布、中心性指数、平均路径长度、集聚系数等方面研究环洞庭湖区交通网络的拓扑特征，并对环洞庭湖区交通网络的优化提出了相应的对策与建议。研究区域概况 洞庭湖区地处长江中游荆江南岸，地跨湘、鄂两省，地理坐标约为2844N2935N、11153E11305E，湖区土地面积85以上在湖南省辖境内，属于典型的亚热带季风气候，河网密布，湘、资、沅、澧四水流经，水、土、生物等资源丰富洞庭湖。环洞庭湖地区主要包括湖南省的岳阳、常德、益阳三市，长沙市宁

4、乡、望城区以及湖北省的松滋、公安、石首等县市，土地面积达5.23104km2。这一地区无论是地理气候、人文传统，还是资源分布、交通格局、产业基础，都具有同质性。2012年全国“两会”上全国政协委员、省政协主席胡彪为第一提案人，联名所有在湘全国政协委员向全国政协十一届五次会议提交提案，呼吁国家加大统筹支持力度，将建设环洞庭湖生态经济圈上升为国家区域发展战略，加快推进环洞庭湖生态经济圈的可持续发展。将建设环洞庭湖生态经济圈上升为国家区域发展战略，作为国家优质商品粮生产示范基地、生态经济示范区和跨区域合作发展示范区。本文研究范围界定为岳阳、常德、益阳和长沙四市二十三县市区（除岳阳平江县、常德石门县、

5、益阳安化县，包括长沙市辖下的宁乡县和望城区），其土地面积3.58104km2，人口1.685107，分别约占湖南省的17和24。湖区开发历史悠久，土地利用类型多样，产业基础较好，内外交通便利，具备潜在的发展空间。20012010年期间，三次产业结构从26.1：39.4：34.5调整为13.5：58.9：27.6，国民经济生产总值从1.138103亿元上升到4.193103亿元，人均GDP从6.78103元上升到2.4037104元，全社会固定资产投资从347.75亿元上升到2496.09亿元。近年来，洞庭湖区在湖南省“3+5”城市群发展战略和国家级环洞庭湖生态经济圈构建背景下，交通发展速度不断

6、加快，多层次的交通运输体系已逐步形成。目前，境内有纵穿南北的京广铁路、洛湛铁路和横贯东西的石长铁路三条大动脉。公路密度和通达深度稳步提高，湖区公路通车总里程达11000km，有107、207、319三条国道共计620km，有京珠、随岳、岳长、杭瑞、长张、岳常、益娄、益邵等高速公路，还有武广高铁，有省级公路共计1300km，县级公路里程8000km。在湖南省“3+5”城市群城际铁路网建设中，主干路网岳阳长株潭衡阳、长沙益阳常德、汨罗益阳娄底三条城际铁路横竖贯穿本区。研究方法与数据来源 首先利用GIS软件对湖南省内洞庭湖流域涉及到四市二十三县市区交通地图进行矢量化生成交通网络图，将每段公路映射为网

7、络的边，而把道路交叉点视为为网络边关联的节点。然后应用 Ucinet软件和NetDraw软件对其建模与分析。模型按两条公路段关联取“1”、反之取“0”的方法建立矩阵表。仅把道路网络看作纯粹拓扑网络，忽略道路网络的空间地理性质，得到一个连通的无向无权网络（即网络中的边都是等价的，没有方向性和加权值），代表洞庭湖流域的交通网络（图1）。数据来源于2011年第3次修订版湖南省交通图和湖南高速公路网规划。图1拓扑特征评价指标 度分布节点的度是指与此节点直接相连的边的数量，度分布可以揭示网络的类型及性质，是网络的重要几何性质。在网络中任意选取一个节点，其度值为k的概率为P，则P值随k变化的函数P(k)就

8、称为网络的度分布。用公式表示为： (1)其中,N(k)表示含有k个连接度的节点数。在许多实际网络中，可能大部分节点只有少数几条连边，而少数节点却拥有大量的连边，该参数较好地描述这样的特征。由于单个节点度不能直观的整体反映一个地区的度分布规律，特采用累计概率P(k) )进行网络的度分布的描述。采用累积度分布函数作图的主要优点是使得每一个节点值之间的差异均被很好地描述，并控制尾部噪音。用公式表示为： (2)其中，表示值前的概率总和，即节点数大于或等于k的概率。中心性指数中心性指标是节点在交通网络内的结构位置指针，分为度中心性与中介中心性。度中心性是最简单、最直观衡量节点在旅游网络中处于重要的中心地

9、位的方法。用公式表示：群体度中心性公式为：式 (4) 中：CD(n*) 为 CD(n) 中最大的度中心性。中介中心度是一个从宏观黔衡量某节点在交通网络互动中对其他节点控制和依赖程度的指数。设网络具有 n 个节点，则节点 x 的中介中心度定义为 :式 (5) 中：gjk表示节点 j 和节点 k 之间的最短路径数，gjk(x) 表示节点 j 和节点 k 之间经过节点x 的最短路径数。标准化的中介中心度为：群体中介中心度公式为：平均路径长度路径长度的分布特征是复杂网络的一个重要的全局几何量。对于无向无权的网络（即网络中的边都是等价的，没有方向性和加权值，这种网络是我们研究的重点）来说，任意两点间的路径长度（Path Length）lij定义为所有连通节点(i，j)的通路中，经过其他节点最少的路径（即最短路径）的边数，其平均值称为平均路径长度 L：式中，N 为网络中的节点数。平均路径长度可以从整体上刻画网络节点间的通信链路长短。在复杂网络的研究中一个十分重要的发现是大部分真实复杂网络的平均路径长度其实是很小的，虽然它们的节点数都非常多，这个小的平均路径长度就是小世界特性。集聚系数集聚系数9其物理意义是网络集团化的程度，即考察连接在一起的集团各自的近邻之中有多少是共同的近邻。设网络中的一个节点i有ki条边将它和其他节点相连，这ki