武汉城市圈城乡道路网结构演化及复杂性研究

doi:10.13249/j.cnki.sgs.2014.04.401

摘要/Abstract

摘要：

复杂性是一个系统的自组织水平的度量,当系统被迫远离热平衡状态并通过自组织进入有序状态的时候,复杂性结构常常涌现。作为典型、开放和复杂的巨系统,交通网络复杂性研究受到了各研究领域的强烈关注。以1989~2010年武汉城市圈城乡道路网空间数据库为基础,运用复杂网络理论,多度量系统揭示了城乡道路网拓扑结构演化及复杂性“涌现”过程：城乡道路网是一典型的二维平面图,缺乏“超平面性”,整体呈类随机网络性质;城乡道路网是一介于随机网络和规则网络间的复杂网络,道路网整体表现出随机性和有序性的交互耦合;城乡道路网系统的复杂性演化是自组织和他组织机制共同作用的结果,是局部随机性干扰和规则性调控在作用强度上相互交互、此消彼涨演替的过程。

关键词: 城乡道路网, 空间演化, 复杂性涌现, 武汉城市圈

Abstract:

Complexity is a measure of the level of organization of the system, when the system is compelled to be far away from the thermal equilibrium condition and enters the ordered state through self- organization, the complex structure appears frequently. As a typical, open and complex giant system, the transport network complexity research received a strong attention of various research areas. At present, the complex research of transport network mainly centralized in road network complex elementary theory (research direction and system), the topology of road network (scaling, small-world, reliability and centricity) as well as the kinetics process of road network. However, few efforts have been devoted to the complexity emergence of road network from dynamic process. Therefore, based on the urban-rural road network spatial databases of Wuhan urban agglomeration ,this article systematically reveals the topological structure evolution and complexity emergence of urban-rural road network with the application of complex network theory. Urban-rural road network is a typical two-dimensional plane picture, lacking of “super planarity”, and overall showing a similar characteristic of stochastic network. Urban-rural road network is a complex network which evolves between random network and regular network so that the whole road network demonstrates a performance of cross-coupling of the randomness and orderliness. Complexity evolution of urban-rural road network system is the result of the joint action of self-organization and hetero-organization mechanism, and the complexity emergence of urban-rural road network is a mutually alternate and ever-changing process in the function intensity, which was mainly influenced by the partial random disturbance and regularity regulation. Transportation network is the material conditions and prerequisites for forming the metropolitan area network system. It is also the main channel of material flow, energy flow and information flow which play important role in the socio-economic development of Wuhan metropolitan area. Urban-rural road network of Wuhan metropolitan area need to strengthen country road upgrading so as to enhance the external connectivity of the nodes. Simultaneously, the size of the node level should be increased and the structure of the road network should be further optimized. The purpose is to improve the clustering coefficient and accessibility of the road and make the road network evolved from tree net to net.

Key words: urban-rural road network, spatial structure evolution, complexity emergence, Wuhan metropolitan area

中图分类号:

F294.3

刘承良, 段德忠, 余瑞林, 罗静. 武汉城市圈城乡道路网结构演化及复杂性研究[J]. 地理科学, 2014, 34(4): 401-410.

Cheng-liang LIU, De-zhong DUAN, Rui-lin YU, Jing LUO. Topological Structure Evolution and Complexity of Urban-rural Road Network in Wuhan Metropolitan Area[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2014, 34(4): 401-410.

图/表 8

表1

复杂网络常用统计特征量"

指标	公式或定义	涵义	地理意义
度（D）	$C d (x) = d (x)$ （公式1）	节点i的度k_i定义为与该节点连接的其他节点的数目	节点对外联系程度
度分布（DD）	$Pk = ∑ k' = k ∞ P (k')$ （公式2）	Pk表示的是一个随机选定的节点的度恰好为k的概率	节点度值的统计性质
平均路长（L）	$L = ∑ d ij N (N - 1$ （公式3）	N为网络节点数,d_ij定义为网络中2个节点i和j之间的距离,即连接2个节点的最短路径的边数	网络的通达效率
簇系数（CC）	$C i = E i k i (k i - 1) / 2$ （公式4）	节点i有n个近邻点,那么这n个节点之间最多有k_i(k_i-1)/2条连线,以这n个点之间的实际连线数目E_i除以k_i(k_i-1)得出的值定义为i点的簇系数	节点与相邻节点连接的集聚性
介数指标（B）	$C b (x) = ∑ g jk (x) g jk$ （公式5）	g_jk表示节点j和k之间的最短路径数,g_jk(x)表示节点j和节点k之间经过节点x的最短路径数	边的交通流负载
网络模块（CS）	$Q = ∑ s = 1 m ls L - ds 2 L 2$ （公式6）	m表示网络所分解成的模块数; $ls$ 表示位于模块s内的连接边数;L表示网络中总的连接边数; $ds$ 表示模块s内所有节点的度值之和	衡量社区划分的满意度
网络模块（CS）	$NMI (A, B) = - 2 ∑ i = 1 CA ∑ j = 1 CB N ij log N ij N N i N j ∑ i = 1 CA N i log N i N + ∑ j = 1 CB log N j N$ （公式7）	N中的元素 $N ij$ 表示应该在社区 $i$ 中却被划分到社区 $j$ 的结点个数。真实存在的社区个数为 $CA$ ,划分的社区个数为 $CB$ , $N i$ 表示第 $i$ 行所有元素的和, $N j$ 表示第 $j$ 列所有元素的和	衡量社区划分的真实性

表1

表2

图1

图2

图3

图4

图5

表3

参考文献 39

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网络类型	指标	1989年	1995年	2000年	2005年	2010年
城乡道路网	节点数（个）	54	172	215	387	933
	边数（条）	98	306	378	662	1570
	连接率（e）	1.81	1.78	1.76	1.71	1.68
	网络直径	13	22	23	32	52
	平均点度（k）（/）	2.63	2.80	2.79	3.05	2.52
	平均路径长度（l）（条）	5.61	9.76	10.34	13.15	23.37
	平均路段长度（d）（km）	41.21	39.77	37.65	36.43	34.29
	平均簇系数（CC）（/）	0.028	0.055	0.047	0.111	0.085
同等规模随机网络	平均点度（k）（/）	2.259	2.465	2.772	2.943	2.595
	平均路径长度（l）（条）	5.451	5.240	5.233	5.487	6.793
	平均簇系数（CC）（/）	0.037	0.008	0.006	0.005	0.002

网络	平均路径长度	簇系数	度分布指数	无标度性显著程度R²
整个圈域网络	23.37	0.085	3.63（3.01）	0.794（0.809）
同等规模随机网络	6.79	0.002	/	/
高度节点网络	5.24	0.29	3.41	0.823
同等规模随机网络	4.14	0.017	/	/
低度节点网络	19.18	0.07	/	/
同等规模随机网络	/	/	/	/
高等级道路网	40.18	0.009	3.63	0.934
同等规模随机网络	8.11	0.0017	/	/
低等级道路网	16.79	0.029	3.93	0.880
同等规模随机网络	8.84	0	/	/