Improving the throughput of transportation networks with a time-optimization routing strategy

Traffic congestion, a common and complicated phenomenon in urban transportation systems, is attracting increasing attention from researchers in Geographical Information Science (GIS) and other fields. In this study, we illustrate a general mechanism that reveals the relationship between travel time and dynamic traffic conditions. We measure a vehicle’s travel time to its destination along any path, where the travel time is calculated based on the path length and on the real-time traffic volume and transport capacity of each road segment on the path. On the basis of this measurement, we present a simple dynamic routing strategy that allows each vehicle to dynamically choose the path to its destination while imposing the minimum travel time. The application of our routing algorithm to the Chengdu street network, Barabási–Albert scale-free network and Erdös–Rényi random network shows that the proposed strategy remarkably improves network throughput and balances traffic load distribution. Our findings suggest that mining the time mechanism of network transport is important to explore efficient time-optimization routing algorithms to enhance the transport capacity of urban street networks and other kinds of networks.     

城际交通流空间流场的甄别方法及实证——以中国铁路客流为例

交通流是节点间的社会经济联系,具有流场的空间属性,反映了城市间的相互作用。基于流场研究的评述,本文介绍了空间流场的基本概念和理论要点,构筑了其空间识别模型,即因子分析R型和Q型模型,设计了其研究步骤、参数设置和软件操作。基于该模型,以1990和2006年铁路客流为例,对中国交通流的空间流场即集聚场和扩散场进行识别,重点是集散场的数量结构、场核和覆盖范围及变化特征;然后构筑指标体系对集散场的等级结构进行判断,认为中国交通流形成了四个层级的集散场;同时将集散场落到空间以剖析地域结构,发现集聚场和扩散场有明显的省会交流圈和省域限制的空间规律,两者有空间耦合性和空间稳定性,其中上海和广州集散场的地位日益提高。通过铁路客流的空间流场分析,揭示了中国城市间的相互作用,可为未来铁路建设和城镇体系规划提供相关借鉴。     

20世纪末期中国石油资源空间流动格局与流场特征

本研究以“1999年分省能源平衡表”及石油资源贸易与转运资料为基础,首先将全国26个石油流动省份划分为基本自给型、半自给型、净支出型和净补给型四种石油资源流动平衡类型及输流中心、汇流中心和交流中心三大流动职能类型,分析得出中国石油资源流动在地理空间上表现为集中输流和分散汇流的特征,其中源地系统的空间形态为直角三角形,汇地系统为直角梯形,源—汇复合系统则为钝角三角形。其次依据资源位势梯度力将中国石油流动划分为北部、西北、华东和华南四大流场。北部流场的石油流动轨迹在东北区呈现树状网络结构、在华北区为单枝二叉树结构,西北流场的流动轨迹形态为“X”形结构,华东流场为多中心“Ⅲ”字形结构,华南流场则为“Y”形结构。     

基于交通流的江苏省城市网络结构与空间 格局形变

地域差异导致城市间各种要素流动。随着信息技术的发展,时间和空间的邻近成本大幅缩减,地理空间形成基于城市关系重构的网络化地区。这些存在于网络中的相互作用可以称作“要素流”。“要素流”的存在,加速了信息时代城市和区域不同尺度下的空间重构。为了探究“流空间”下江苏省城市发展格局,通过参量替代法测度主要城市之间基于公路和高速铁路交通的联系强度,构建城市交通流网络,计算各网络节点的入度和出度,并划分网络层级。选取前5对、前10对、前20对以及首位联系强度网络,展开对江苏省主要城市交通流网络结构及城市格局的系统研究。在此基础上,考虑到江苏省的区位条件,引入外部中心城市影响因子,运用重心模型和多维尺度分析法,计算城市网络在受到外部中心城市影响后的重心偏移距离和方向,定量分析江苏省城市网络在二维空间中的格局形变。研究发现江苏省城市网络分异较为显著,自南向北形成典型的“核心-边缘”结构,在长江以南地区形成了斜“沙漏”状的城市集聚区,北部城市之间的联系强度偏弱,没有形成网络体系。受上海影响,江苏省城市网络发生了明显的重心偏移及空间集聚,且该种作用强度随空间距离的增加而逐渐衰退。     

基于陆路交通网的长江三角洲区域可达性评价

In a given district, the accessibility of any point should be the synthetically evaluation of the internal and external accessibilities. Using MapX component and Delphi, the author presents an information system to calculate and analyze regional accessibility according to the shortest travel time, generating thus a mark diffusing figure. Based on land traffic network, this paper assesses the present and the future regional accessibilities of sixteen major cities in the Yangtze River Delta. The result shows that the regional accessibility of the Yangtze River Delta presents a fan with Shanghai as its core. The top two most accessible cities are Shanghai and Jiaxing, and the bottom two ones are Taizhou （Zhejiang province） and Nantong With the construction of Sutong Bridge, Hangzhouwan Bridge and Zhoushan Bridge, the regional internal accessibility of all cities will be improved. Especially for Shaoxing, Ningbo and Taizhou （Jiangsu province）, the regional internal accessibility will be decreased by one hour, and other cities will be shortened by about 25 minutes averagely. As the construction of Yangkou Harbor in Nantong, the regional external accessibility of the harbor cities in Jiangsu province will be speeded up by about one hour.     

Regional accessibility of land traffic network in the Yangtze River Delta

In a given district, the accessibility of any point should be the synthetically evalua-tion of the internal and external accessibilities. Using MapX component and Delphi, the author presents an information system to calculate and analyze regional accessibility according to the shortest travel time, generating thus a mark diffusing figure. Based on land traffic network, this paper assesses the present and the future regional accessibilities of sixteen major cities in the Yangtze River Delta. The result shows that the regional accessibility of the Yangtze River Delta presents a fan with Shanghai as its core. The top two most accessible cities are Shanghai and Jiaxing, and the bottom two ones are Taizhou (Zhejiang province) and Nantong. With the construction of Sutong Bridge, Hangzhouwan Bridge and Zhoushan Bridge, the re-gional internal accessibility of all cities will be improved. Especially for Shaoxing, Ningbo and Taizhou (Jiangsu province), the regional internal accessibility will be decreased by one hour, and other cities will be shortened by about 25 minutes averagely. As the construction of Yangkou Harbor in Nantong, the regional external accessibility of the harbor cities in Jiangsu province will be speeded up by about one hour.     

“流空间”视角下高速公路交通流网络结构特征及其形成机制——以广东省为例

交通流是城市经济联系最显性的表现,为更清晰地识别城市网络结构提供了新视角。本研究采用高速公路联网收费数据作为交通流“关系数据”,综合图论、社会网络分析法（SNA）和GIS空间分析,以广东省为研究区域探索高速公路交通流网络空间结构特征,并利用QAP回归法探究影响网络形成的因素。结果表明：① 广东省高速公路已形成典型的网络式空间结构,具有“小世界”网络效应。其节点度值服从幂律无标度分布,交通出入量基本平衡,节点重要性自区域中心向外围递减;网络有向边权值等级差异显著,优势交通流具有“向心指向”特征和距离依赖性。② GDP、常住人口、社会消费品零售总额、县区间行驶距离等已成为影响广东省高速公路交通流网络形成的重要因素。其中人口因素是影响城市间交通流动的主要因素,网络形成受制于距离因素,消费因素逐渐成为刺激城市间交通流动的强大动力。③ 广东省高速公路交通流动模式分为邻近指向型、中心指向型和等级指向型三种,以邻近指向型为典型模式。研究结果对于揭示交通流动规律,丰富城市网络理论,推动道路合理规划和区域协调发展具有重要理论和实践意义。     

交通流空间视角下粤港澳大湾区网络结构多维测度

交通流是表征区域联系的核心要素,也是区域空间结构新的测度手段。本文基于流空间理论与社会网络理论,使用高德导航数据,对粤港澳大湾区交通联系网络的空间组织结构、节点特征、联系机理进行识别与分析,以期对湾区未来发展规划提供决策支持。结果显示：(1)整合尺度后的大湾区呈现“四组团三圈层”的空间组织形态;(2)多中心化发展态势明显,依托广深莞核心交通资源出现高强集聚;(3)网络整体骨架尚未建立。本研究揭示区域城市间交互关系与结构特征,对推动大湾区构建多极化、组团化、协同化的发展格局具有重要意义。     

基于GIS的青藏高原史前交通路线与分区分析

青藏高原自然环境恶劣,但并非是生命的禁区。确切证据表明,末次冰消期人类已扩张至高原地区,并通过长期实践形成了较为稳定的交通路线格局。通过构建自然因子模拟—遗址分布校正方法,利用GIS得到青藏高原史前交通路线模拟结果,再结合考古证据对模拟路线进行印证。依据模拟结果将高原分为以下4个区：东北区、东南区、西南区以及西北无人区。其中东北区路线遗址点密度高,落入路线内的遗址点数量占总数的88.56%。路线形成于旧石器时期,其方向为东西向,密切联系东北区的内部,并向外沟通黄土高原与北方地区,其形成与发展为彩陶、粟黍、小麦的传播以及丝绸之路的形成奠定了基础。东南区路线为南北走向,北与黄河上游地区连接,南与四川盆地、云贵高原沟通,加强了南北方地区的文化交流,是民族融合与交流的大走廊。西南区位于高原的腹心地带,模拟的路线体现了人类对青藏高原主体的征服,其线路总长度4602.32 km为3个区域内最长,是人类向高原进军的第2条重要通道。西北无人区主要为高寒荒漠区,其自然环境极端恶劣不适宜人类生存,故无路线分布。     

基于高速公路流的区域城市网络空间组织模式——以江苏省为例

在“流空间”理论的影响下,强调要素连接性和空间关联性的城市网络成为指示区域空间关系的核心视角,探讨城市网络空间结构将能为区域发展政策制定提供科学依据。以江苏省2014年日平均的高速公路流数据为依托,刻画城市网络的宏观格局与层级特征,利用社区发现算法对城市网络进行空间剖分并挖掘潜在的关联结构。研究发现：① 江苏城市网络宏观格局的空间构造呈现出类似围棋的“金角、银边、草肚皮”的分散性特征,可大致辨别内部发育出多个不同的子网络系统;② 城市节点和联系轴线具有明显的层级结构,城市等级的重要性与节点本身的社会经济属性、地理区位等具有一定的空间耦合性,轴线层级与地理距离具有明显的空间交互叠加作用;③ 社区发现算法对网络的空间剖分共识别出包括苏锡常社区、宁镇扬泰社区、通盐社区、连云港社区、宿淮社区和徐州社区等6个在空间上相连且边界清晰的“城市社区”,具有一体化效应、邻域效应、行政区效应、袭夺效应和置换效应等五个具有典型性的区域效应;④ 依据社区间的空间交互作用,可凝练出双核—多核交叉型、双核—单核交叉型、单核—多核交叉型、单核—单核集中型、双核—多点分岔型、单核—多点分散型和多核—多点分散型等7类空间关联结构。     

社区人居环境吸引力研究——以大连市为例

城市人居环境研究中一个重要的理论问题就是人居环境吸引力。本文提出人居环境吸引力和引力场的概念,构建了社区人居环境满意度指标体系,运用引力势能模型计算出184个社区的人居环境引力势能,借助MapInfo软件中的Vertical Mapper工具得到大连市人居环境引力势能等值线图和空间分布图,研究表明:(1)运用引力场理论对人居环境评价研究,是一种有效的评价方法;(2)大连市社区人居环境供求关系在空间上形成了"两心一带"分布格局;(3)大连市社区人居环境引力势能空间分异明显,大致呈东北西南向"带状"分布,在中心广场、西安路锦辉商场等值线由同心圆状向外逐渐递减;(4)社区人居环境供求关系与引力势能成正比,与社区与引力势能中心的距离呈反比,城市空间发展结构、海岸带是大连人居环境引力势能空间分布的驱动机制。     

基于航空口岸的台胞大陆 旅游流空间场效应分析

为克服缺乏研究分析所需的各源点(旅游目的地)间旅游流的流量、流向数据,本文基于网络分析原理的数据库分析技术,对航空口岸选择变化所引起的台胞大陆旅游流空间场效应进行模拟分析。研究发现,以广州－广州,上海－上海为入出境口岸的客流联系比较发育,其次是北京－北京、上海－广州(或广州－上海),而选择北京－上海(或上海－北京),北京－广州(或广州－北京)为入出境口岸的旅游流空间场发育较为薄弱。造成这种空间效应的主要原因是受到旅游资源区位供给、旅游者市场需求(如产品偏爱,旅游时间限制)、旅游交通(航空网络连接强度和紧密度)及旅行社营销等共同影响。研究结果为入境台胞区域旅游合作与发展提供参考依据。     

中国空中廊道划设与时空拥堵识别及其航线流量影响

航空运输的迅速发展使空中交通流增加,空中廊道因能容纳高密度交通流而成为支持空域资源充分开发利用的一种新技术,空中廊道拥堵时段和拥堵区段的识别是廊道上车道分配和开合操作的基础。在回顾空中廊道与交通拥堵相关研究后,构建了由空中廊道划设、拥堵状态识别、航线流量影响组成的研究方法。依据高流量航线确定空中廊道位置、依据距离约束条件确定航线参与者,合并划设出全国14条空中廊道;进而通过时空数据计算、时空图编绘、网格频数筛选及划分阈值设定等步骤,遵照重叠次数及热格频数的指示规则,对拥堵时段和拥堵区段进行识别;并通过规模值和汇聚值两个指标分析高流量航线的拥堵影响。研究发现：拥堵时段呈现为全天多峰“波浪型”分散分布及高峰后端集聚的结构特征;拥堵区段整体呈现为不平衡覆盖和交汇节点集中分布的结构特征,其中高拥堵程度的空中廊道呈现为一个斜体“N”字型框架,框架上为小区段集中的不完全贯通;时空交互上,拥堵区段存在单一时段和多时段重叠两种类型,多个廊道的不同拥堵区段存有共同拥堵时段。高流量航线在空中廊道拥堵中起相对决定性作用,且在抵港和离港两个方向上的影响不均衡。空中交通拥堵识别可为中国未来空域资源时空动态评估和空中廊道建设提供依据。     

不同采收间隔双排油莎豆（Cyperus esculentus）带风场结构与防风效能的模拟研究

油莎豆（Cyperus esculentus）根系发达,具有作为防风固沙作物的巨大潜力。开展不同条带状采收方式下油莎豆带的防风固沙效益研究,对于合理利用油莎豆进行防风固沙具有重要意义。以风洞模拟为手段,分别在6 m·s^-1、8 m·s^-1、10 m·s^-1 3种风速下,对隔一带采收一带（H1）、隔一带采收两带（H2）、隔一带采收三带（H3）3种不同油莎豆采收模型在风洞不同位置的风速进行测定,并对不同模型的流场特征、风速加速率及防风效能进行分析。结果表明：（1） 3种不同油莎豆采收模型中,气流均在近床面内受油莎豆模型阻挡,风速被急剧削减形成一定面积风影区,H2与H3模型的流场结构稳定性、风影区面积均比H1模型高。（2） 随着风速增加,不同模型的防风效能均有所下降。H2与H3模型背风面在不同风速下的平均防风效能没有显著差异,但显著大于H1模型。在采收间距内,H2与H3模型防风效能均>50%,H1模型<40%。（3） 从防风固沙效益及流场稳定性来看,H2与H3模型之间没有显著差异且显著大于H1模型。但从经济效益来看,H2模型采收间距减小,经济效益降低。综合防风固沙的生态效益与获取油莎豆的经济效益来看,H3模型为推荐采收方式。本研究通过对不同油莎豆采收模式的防风固沙效益,为利用油莎豆进行防风固沙提供了指导,并为在干旱半干旱地区推广种植油莎豆,获得更大的生态经济效益提供了理论依据。     

小网窄带防护林叠加防风效果风洞实验

小网窄带防护林在干旱区防护林构建中发挥着重要作用,研究小网窄带防护林叠加防风效果对指导防风固沙林空间配置与结构优化具有重要意义。选取两种典型小网窄带防护林网,对连续6个林网叠加的防护林开展基于流场分析防风效果的风洞模拟试验。结果表明:小网窄带防护林叠加后随着林网数量的增加各林网内的风速逐渐减小且在中间林网位置趋于稳定,乔木纯林林网在第3林网基本达到稳定,乔灌混交林网在第2林网达到稳定;两种防护林各林网内风速均符合正态分布特征,风速稳定后多为右偏态高狭峰;16 m·s^-1风速下,乔木纯林网叠加(0~252 cm)的防风效能分布范围为16%~74%,整体在60%防风效能下发挥着良好防风效果,乔灌混交林林网叠加的防风效能分布范围为15%~89%,整体在70%防风效能下发挥着良好防风效果;16 m·s^-1风速下,乔木纯林林网叠加(0~42H,H=6 cm)的风速加速率为0.25~0.94,乔灌混交林林网叠加的风速加速率为0.1~0.94;根据风速加速率的分布特征划分出4个不同的风速分布区,分析还发现灌木对林带枝下高范围的近地层气流影响显著,对削弱近地层风速起到了重要作用。     

峡谷暖区农业地形气候垂直分层及其农业发展战略

以鄂西南峡谷暖区为例,选取适当的农业地形气候垂直分层指标,运用主成分分析方法对峡谷暖区地形气候进行了垂直分层,以及利用层次分析法对各中垂直农业气候层的农业发展战略进行了决策分析,结果表明,峡谷暖区可划分为三个垂直农业气候层,即温热层、温暖层和温和层。且实行以种植为主,农、林、牧、副、渔并演的方针是峡谷暖区发展农业生产的重要战备措施。