计算机专业期刊《自动化应用》杂志范文-交通网络重要点边识别方法研究

霍岩

大连交通大学自动化与电气工程学院 辽宁省 大连市116000

摘 要：本文旨在研究交通网络重要点边的识别方法，并提出一种交通网络重要点边识别方法框架。首先，本文综述了基于拓扑结构和路径属性的重要点边识别方法，对比了它们的优劣。其次，构建了交通网络重要点边识别方法框架，并探讨了其优势和局限性。随后，介绍了基于边权的重要点边识别方法及其改进。最后，详细阐述了该方法框架的应用相关问题。本文的研究成果对交通网络规划和管理具有一定的理论和实践意义。

关键词：交通网络；重要点边识别；拓扑结构；路径；节点属性

交通网络是城市交通系统的核心，其建设和管理对于城市的发展和社会的稳定至关重要。在交通网络中，某些节点和边缘的重要性高于其他节点和边缘。因此，识别交通网络中的重要节点和边缘是交通规划和管理的重要任务。近年来，随着网络科学和复杂系统理论的发展，交通网络重要点边的识别方法得到了广泛关注。然而，由于交通网络的特殊性质，现有的重要点边识别方法在交通网络中的应用效果不尽如人意，因此需要研究更加适合交通网络的重要点边识别方法。[1]本文探讨了交通网络重要点边的识别方法，并提出一种适合交通网络的重要点边识别方法框架。该方法框架可为城市规划、交通管理等领域提供可靠的决策依据，并且其改进方法可以推广到其他领域的重要点边识别，如社交网络、电力网络等。本研究提供的交通网络重要点边识别方法还可以帮助交通网络规划和管理者更好地理解和掌握交通网络的特征和演化规律，提高交通网络的效率和安全性。

一、 交通网络重要点边识别方法综述

1.1 基于拓扑结构的重要点边识别方法

在交通网络中，基于拓扑结构的重要点边识别方法是最常用的方法之一。该方法主要考虑交通网络中各节点和边之间的关系，通过对网络拓扑结构的分析来确定节点和边的重要性。下图是该识别方法的实现步骤：

图1 基于拓扑结构的重要点边识别方法的步骤

基于拓扑结构的重要点边识别方法具有简单易行、可扩展性强等优点，是许多交通网络研究的基础方法之一。但是，该方法忽略了节点和边的具体属性信息，容易出现误判，因此在实际应用中需要综合考虑其他因素。

1.2 基于路径的重要点边识别方法

基于路径的重要点边识别方法是根据道路网络的路径结构来确定边的重要性。该方法考虑了道路网络中不同路径的长度和通行量等因素，可以更加全面地评估道路网络中的边的重要性。常见的基于路径的重要点边识别方法包括PageRank算法和HITS算法。PageRank算法通过对道路网络中的所有边进行排序来识别重要的边。[2]在该算法中，每条边都被赋予一个分数，该分数反映了该边所连接的两个节点的重要性。HITS算法则是一种基于节点的算法，它通过识别节点的“中心性”来确定边的重要性。在该算法中，每个节点也都被赋予一个分数，该分数反映了该节点在道路网络中的重要性。

二、交通网络重要点边识别方法框架

在本研究中，我们采用了两种算法中的前者，即PageRank算法，下面详述框架的搭建。

2.1 交通网络重要点边识别方法框架的构建

为了实现交通网络重要点边的识别，我们提出了一个基于网络中心性和重要性度量的框架。这个框架包括以下几个步骤：

（1）将交通网络表示为一个图G=(V, E)，其中V为节点集合，E为边集合；

（2）计算每个节点和每条边的中心性度量。我们采用的是Katz中心性(Katz Centrality) 和介数中心性(Betweenness Centrality)来计算节点的中心性，边的重要性则采用了边介数(Betweenness Centrality)；

（3）根据节点和边的中心性度量，计算节点的权重和边的权重。我们采用的是节点度(Degree)和PageRank算法来计算节点的权重，边的权重则是根据边介数度量计算的；

（4）根据节点和边的权重，选出交通网络中的重要点边。具体地，我们将节点和边的权重相加，并选出前个具有最高权重的节点和边作为重要点边。

该框架的公式如下：

节点的Katz中心性度量：

节点的介数中心性度量：

边的介数中心性度量：

节点的权重：

边的权重：

其中，表示节点和节点之间的邻接关系，表示节点在和之间的最短路径数量，表示和之间的最短路径数量，表示衰减因子，表示需要计算的最短路径数量。节点的权重可以用以下公式计算：

其中，第一项计算节点在所有和之间的最短路径上所占比例，第二项计算与节点直接相邻的节点的权重，并用其加权平均。这种基于路径的方法可以较好地识别交通网络中的重要节点。

2.2 交通网络重要点边识别方法框架的优势

该方法框架的优势如下：

（1）鲁棒性强：该方法框架不仅考虑节点的重要性，同时也考虑节点之间的联系，具有很强的鲁棒性，可以有效地应对网络中存在的噪声和异常点等问题；

（2）精度高：该方法框架采用多种节点中心性指标的综合考虑，可以有效地减少误判率和漏判率，从而提高识别准确度；

（3）易于扩展：该方法框架的算法可以根据实际情况进行扩展，例如可以加入新的节点属性作为特征，可以根据需要选择不同的节点中心性指标等等，具有很好的可扩展性；

（4）可视化效果好：该方法框架可以将识别结果直观地表现在交通网络图上，通过可视化的方式呈现出网络中的重要点边，更加直观和易于理解。

2.3 交通网络重要点边识别方法框架的局限性

尽管本文提出的交通网络重要点边识别方法框架具有一定的优势，但也存在一些局限性。首先，本文所提出的框架主要是基于无向图进行分析，因此在有向图上的应用效果有待进一步探究。其次，对于交通网络中更复杂的拓扑结构、路径信息和节点属性而言，该框架的适用性还需加以验证。此外，该框架的计算复杂度较高，在大规模交通网络的应用中可能会受到一定限制。因此，未来的研究应该进一步探究如何优化该框架，提高其计算效率和适用性。

三、交通网络重要点边识别方法

在确立方法框架之后，我们需要针对现有的重要点边识别技术的不足之处进行改进，通过这项改进，我们可以提高该方法框架的识别准确性。

3.1 基于边权的重要点边识别方法

基于边权的重要点边识别方法是指利用边的权重信息来识别交通网络中的重要点边。边的权重可以是交通流量、距离、旅行时间等，通过对不同边权重的计算和比较，可以确定交通网络中的重要点边。其中，常用的边权重计算方法有基于距离的边权重计算、基于流量的边权重计算和基于旅行时间的边权重计算等。对于基于边权的重要点边识别方法，通常采用类似于PageRank算法的迭代计算方法。[3]

3.2 基于边权的重要点边识别方法改进

在交通网络中，道路的重要性往往与道路的通行能力、拥堵情况等密切相关。因此，除了考虑拓扑结构和路径信息，还需要考虑道路的边权信息，才能更准确地识别交通网络的重要点和边。在本小节中，我们介绍一种基于边权的重要点边识别方法改进，以提高重要点和边的识别准确性。在传统的基于边权的重要点边识别方法中，往往采用道路的长度、通行能力等作为边权信息。然而，在实际的交通网络中，道路的拥堵情况也是影响道路重要性的重要因素之一。因此，我们将道路的拥堵情况也作为边权信息考虑。具体地，我们假设道路的拥堵情况可以用道路的通行速度来反映，而道路的通行速度可以通过实时交通数据获取。假设某个道路的长度为，通行速度为，通行能力为，拥堵程度为，则该道路的边权可以表示为：

其中，为实时通行速度，为通行能力，为拥堵程度。这里，我们使用了一种特殊的计算方法，即取的倒数，这是因为通行速度越慢、拥堵程度越大的道路应该具有更大的边权，反映出它们的重要性更高。

然后，我们可以使用改进的边权信息，通过基于PageRank算法的重要点边识别方法来识别交通网络中的重要点和边。这里我们省略具体的算法流程，相比传统的基于边权的重要点边识别方法，我们的改进方法考虑了道路的拥堵情况，更加准确地反映了道路的重要性。同时，我们采用了基于PageRank算法的重要点边识别方法，充分利用了交通网络的拓扑结构信息，提高了重要点和边的识别准确性。

3.3 基于边权的重要点边识别方法应用

基于边权的重要点边识别方法的应用范围非常广泛，以下列举几个具体的例子。首先是交通流量优化：交通网络中的道路容量不同，拥堵情况也不同，通过对不同道路的重要性进行评估，可以进行交通流量的优化调整，提高交通效率和减少拥堵；其次是交通规划：在进行新建道路或者对现有道路进行改造时，可以使用该方法来评估道路的重要性，有针对性地进行规划和设计；最后是交通安全评估：交通网络中的一些路段存在较高的事故风险，使用该方法可以评估道路的安全性，有针对性地进行安全改进措施。

四、交通网络重要点边识别方法应用

4.1 交通网络重要点边识别方法应用目标

交通网络重要点边识别方法的应用目标主要是为了帮助交通规划者和决策者更好地理解和优化交通网络。通过对交通网络中的重要点边进行识别和分析，可以更好地了解交通网络的特点、优化交通流、提高交通运输效率和安全性。具体来说，交通网络重要点边识别方法的应用目标包括以下几个方面：

（1）识别交通网络中的重要节点和边，以便更好地规划和设计交通基础设施，优化交通路线和交通组织，提高交通运输的效率和安全性；

（2）帮助交通规划者和决策者更好地了解交通网络中各个节点和边的特点和属性，以便更好地制定相应的政策和措施，优化交通管理和运营；

（3）为交通网络的监测和预测提供重要依据，可以通过对交通网络中重要节点和边的识别和分析，来预测和应对交通拥堵、事故和其他突发事件，提高交通网络的应急能力；

（4）为智能交通系统和交通仿真模型的建立提供数据支持，可以通过对交通网络中重要节点和边的识别和分析，来构建更准确、更可靠的交通仿真模型和智能交通系统，进一步提高交通运输的效率和安全性。

4.2 交通网络重要点边识别方法应用思路

在交通网络规划和管理中，识别交通网络的重要点和边是非常重要的。交通网络重要点和边的识别可以帮助交通规划者和管理者更好地了解交通网络的拓扑结构、流量分布和瓶颈位置等，为交通网络的改进和优化提供支持。交通网络重要点和边的识别方法应用可以分为两个阶段：第一阶段是数据处理，包括数据清洗、网络拓扑结构构建和路段属性提取等；第二阶段是基于交通网络重要点和边识别方法进行交通网络分析和规划，包括瓶颈识别、路径规划和路网优化等。在应用交通网络重要点和边识别方法时，需要根据实际需求选择合适的方法，根据识别结果进行分析和规划。此外，交通网络重要点和边识别方法还需要与其他交通分析工具相结合，以达到更好的效果。

4.3 交通网络重要点边识别方法应用过程

交通网络重要点边识别方法的应用过程可以分为以下几个步骤：

（1）数据收集和预处理：获取交通网络数据，包括路网、车流量、交通事故等信息，并进行预处理，如道路拓扑结构的构建、车流量和事故数据的整合等；

（2）重要点边识别：根据交通网络重要点边识别方法，对交通网络中的节点和边进行识别，得到重要节点和重要边；

（3）分析和优化：对重要节点和重要边进行分析，了解交通网络中的瓶颈和热点区域，并对交通网络进行优化，如增加交通信号灯、扩建道路等；

（4）可视化展示：将分析结果以可视化的形式展示出来，帮助决策者更好地了解交通网络的状况，制定相应的交通规划和管理方案。

需要注意的是，在实际应用过程中，不同的目标和需求可能需要采用不同的交通网络重要点边识别方法，并结合实际情况进行调整和优化。同时，对于大规模的交通网络数据，需要利用高效的计算方法和算法进行处理，保证应用效率和准确性。

4.4 交通网络重要点边识别方法应用结果

交通网络重要点边识别方法的应用结果可以通过对识别出的重要点和边进行实际验证来评估。具体来说，可以有以下两种验证方式：一是与交通专家讨论和确认：识别出的重要点和边可以与交通专家进行讨论和确认，以确保其准确性和合理性；二是实际数据验证：可以利用实际交通数据对识别结果进行验证，例如通过测量交通拥堵程度、旅行时间、安全性等指标来验证。同时，识别出的重要点和边也可以被用于交通网络规划和管理中，例如在道路修建、交通信号灯优化、公交线路规划等方面的决策中。这些决策可以进一步验证识别结果的准确性和实用性。

五、结语

本文首先介绍了基于拓扑结构、路径和节点属性的重要点边识别方法，并重点介绍了基于边权的重要点边识别方法及其改进和应用。然后讨论了交通网络重要点边识别方法的局限性，并提出了未来研究方向。最后，本文介绍了交通网络重要点边识别方法在实际交通规划和管理中的应用。交通网络重要点边识别方法是一个复杂而重要的研究领域，未来的研究需要继续深入探讨和改进，以更好地支持实际交通规划和管理工作。

参考文献：

[1] 李明. 城市轨道交通网络弹性评估与优化研究[D].北京交通大学,2021.

[2] 李佳威,吴明功,温祥西,刘飞.基于最小连通支配集的复杂网络关键节点与连边识别方法[J].系统工程与电子技术,2019,41(11):2541-2549.

[3] 余森彬. 交通网络重要点边识别方法研究[D].北京交通大学,2021.

注：图1 来自自制.