前 言
PREFACE
城市群是由于城市聚集区域内存在的各种物质、信息、资金等多个流动要素，导致内部多个复杂系统与自然要素相关联组成的有机整体。在城市群内部，由于存在多种交通方式（如铁路交通、公路交通、航空运输、水路运输等），导致城市群综合交通系统整体呈现出复杂、多变、动态的显著特点，由此给城市群交通网络的维护带来了极大的挑战。面对诸如客流突增、恐怖袭击、自然灾害等原因导致的级联失效现象，如何提高网络抵御外来灾害的能力，降低级联失效带来的影响，是当下亟待解决的问题。在这一问题上，目前尚没有学者进行系统全面的研究与介绍。本书由此着眼，基于复杂网络的思想，运用仿真的方法，结合实际的交通流数据对城市群交通网络的抗毁性特征进行了全面的探究与解析。
第1 章介绍了本书的研究背景与意义、研究目标及主要内容，并对全书的组织结构、写作思路做了总结。
第2 章分析了城市群交通网络的特点，并由此选择“站点映射法”作为城市群交通网络的建模方法；给出交通子网的概念，首先构建了四种（道路、铁路、航空、水路）交通子网络模型，而后分别以复合与耦合的方式给出构建城市群综合客运交通复合网络与城市群综合客运耦合网络的方法；最后介绍了城市群客运交通网络的加权方法。
第3 章介绍了三种在城市群客运交通网络中构建级联失效模型的代表性方法，基于容量-负荷模型，考虑了网络负载在级联失效传播的过程中对网络可能造成的节点过载、连边过载的情况，给出了网络节点、连边过载状态的判断依据，将级联失效的动态过程转化为数学模型清楚地阐述出来。
第 4 章介绍了城市群客运交通网络特性测度指标的含义及数学表达，包括节点度和度分布、平均路径长度、网络聚集系数。而后，以呼包鄂城市群为研究对象，构建城市群客运交通网络模型，运用Pajek 及Matlab 软件仿真计算了网络的特性指标变化情况并进行了详细的分析，在实际算例中阐述了城市群客运交通网络特性指标的内涵及意义。
第5 章介绍了两种传统的城市交通网络抗毁性测度指标 ── 网络效率和最大连通子图相对规模，并根据城市群的特点对两种指标进行改进，构建了全新的城市群交通网络抗毁性测度指标体系。
第6 章运用复合的方法构建城市群综合交通网络模型，在此基础上基于容量-负荷理论提出一种新的级联失效模型，定义节点的三种状态：正常、暂停、失效，给出基于过载程度的节点状态判定依据，重点研究了级联效应传递过程中加权网络的流量重分配机制。通过对呼包鄂城市群实际客流数据的仿真发现：① 网络的过载能力参数存在阈值为1.2；② 城市群交通网络表现出极强的无标度特征。
第7 章以复合交通网络模型研究城市群客运交通网络级联抗毁性。首先，构建城市群客运复合交通网络模型，并用实际客流加权。其次，采用改进的剩余容量分配策略，构建复合交通网络级联失效模型。再次，提出了网络效率和加权最大连通子图相对规模两个指标的网络抗毁性评估标准。最后，采用蓄意攻击策略，以呼包鄂城市群为实例进行仿真，仿真发现：① 蓄意攻击对于城市群客运交通网络的打击是致命的；② 过载能力的存在使大量失效节点变为暂停节点，且过载能力调节参数越大，网络连通性越强，而网络效率却与过载调节能力关系不大，所以暂停节点的存在可以增加受攻击之后网络的连通性，但网络运行效率却不会因此而改善；③ 相较于连通性，城市群客运交通网络的网络效率对破坏更加敏感。
第8 章运用复合的方法构建城市群综合客运交通网络模型，基于改进的容量负荷模型构建了网络级联失效模型，通过定义信息指数，引入信息精度与信息广度完成对不完全信息攻击策略的搭建，而后对呼包鄂榆城市群交通网络内实际的交通数据进行仿真，研究了网络面对不同攻击信息、不同节点负载因子、不同负载分配机制所表现出来的抗毁性能。
第9 章在运用复合的方法构建城市群客运交通网络模型之后，介绍了城市群客运交通网络的拓扑特征指标，并构建了城市群客运交通网络脆弱性指标体系，而后以呼包鄂城市群为例进行仿真，对复合交通网络的拓扑特征和脆弱性进行分析，识别路网中的关键站点和线路。结果表明：城市群复合交通网络的构建可以降低单一运输方式交通网络的脆弱性，通过对识别出的关键站点和线路加强防护，可以进一步降低城市群复合交通网络的脆弱性，减小突发灾害造成交通网络瘫痪的风险。
第10 章采用耦合的方法构建了城市群轨道-道路耦合交通网络，基于容量-负荷模型构建了耦合网络级联失效模型，基于改进的PSO 算法构建了城市群轨道-道路耦合交通网络容量优化模型，通过仿真对呼包鄂榆城市群交通网络的抗毁性能进行了优化分析。该方法通过智能算法的运用，实现了对于城市群交通网络资源的优化重组，对于城市群交通网络的规划与改进具有一定的指导意义。
第11 章首先构建了城市群客运交通网络模型，而后建立城市群客运交通网络抗毁性修复模型，将城市群交通网络受到破坏之后的修复的动态过程数学化地表现出来，并在实际算例中对既定地修复策略进行仿真分析，并得到相关的结论。
第12 章总结性地介绍了本书取得的主要研究成果，指出了既有研究的不足之处，并对未来的研究方向做出了展望。
本书对城市群客运交通网络抗毁性研究过程中涉及的理论方法进行了系统的阐述及创新，并基于现实的交通网络对所提理论方法进行了实践，研究成果对加深城市群客运交通网络抗毁性的理解具有重要意义。
本书在写作过程中得到了很多同行学者、朋友的帮助，在此特别感谢北京交通大学杨志成同学和内蒙古大学刘振宇副教授，感谢北京交通大学郝羽成博士、李奉孝同学，感谢北京航空航天大学魏磊博士，感谢西南交通大学张帅同学，感谢内蒙古大学武钧教授、朱援副研究员，有了他们的支持本书才得以完成。本书在写作过程中参考了国内外大量书籍和文献，在此谨向文献作者表示感谢。
本书得到以下基金的支持： 国家自然科学基金专项项目（71940010）、内蒙古自治区自然科学基金面上项目（2019MS05083）、内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY19013)、内蒙古自治区交通厅建设科技项目（NJ-2019-02）。
由于笔者专业视野和学术水平有限，书中难免存在错漏和不足之处，敬请读者批评指正，特此致谢。
作者
2020 年8 月