基于多源數(shù)據(jù)的高速公路網(wǎng)絡(luò)脆弱性分析.pdf

1、高速公路網(wǎng)絡(luò)是交通運輸業(yè)的重要組成部分，是區(qū)域聯(lián)系及社會活動能夠有效維持的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，高速公路網(wǎng)絡(luò)性能的發(fā)揮往往受到各種突發(fā)事件的影響，即高速公路網(wǎng)絡(luò)具有一定的脆弱性，不僅降低高速公路網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力，甚至造成一定程度的人員或財產(chǎn)損失。隨著經(jīng)濟的發(fā)展及高速公路網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，高速公路網(wǎng)絡(luò)脆弱性的研究已越來越受到交通管理者的重視及科學研究的關(guān)注。
　　交通信息采集設(shè)施及技術(shù)的發(fā)展，使得交通管理者能夠獲得豐富的、多源的道路交通運行數(shù)

2、據(jù)，包括交通流量數(shù)據(jù)、交通事故數(shù)據(jù)等。如何利用已有的豐富數(shù)據(jù)，通過科學的數(shù)據(jù)挖掘方法，分析高速公路網(wǎng)絡(luò)脆弱性的影響因素，并評估網(wǎng)絡(luò)脆弱性，進而制定科學合理的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案及改善措施，已經(jīng)成為高速公路網(wǎng)絡(luò)研究中迫切需要解決的實踐難題和理論研究的科學前沿。本文以客觀的高速公路多源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于數(shù)據(jù)的客觀規(guī)律，結(jié)合博弈論思想，對高速公路網(wǎng)絡(luò)脆弱性進行全面、科學的評估并識別網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵路段，進而有針對性的提出改善建議。
　　本文分別從節(jié)點、路

3、段及系統(tǒng)三個層面分析高速公路網(wǎng)絡(luò)的脆弱性影響因素，從網(wǎng)絡(luò)屬性、潛在威脅屬性、流量屬性和鄰域?qū)傩运膫€方面剖析交通系統(tǒng)內(nèi)部及外部因素對高速公路網(wǎng)絡(luò)脆弱性的影響機理；進而結(jié)合影響因素，分析高速公路網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究的多源數(shù)據(jù)需求及各數(shù)據(jù)來源，從而建立影響因素與數(shù)據(jù)需求之間的聯(lián)系，提出高速公路網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究中基于多源數(shù)據(jù)的必要性及應(yīng)用價值。
　　基于多源數(shù)據(jù)的必要性分析，針對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)量最大、最容易獲取的高速公路收費數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、交通事

4、故數(shù)據(jù)，通過分析外界因素（不良天氣、交通事故）對高速公路交通流的影響機理，建立了高速公路任意路段斷面流量推算算法；并隨時間維度的推移構(gòu)建能夠描述交通流狀態(tài)演化規(guī)律的時間序列，利用時序數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對未被記錄的高速公路微小事故進行識別，然后基于統(tǒng)計學思想，將SPF函數(shù)應(yīng)用于識別網(wǎng)絡(luò)中的事故多發(fā)點。高速公路的斷面流量推算結(jié)果及事故多發(fā)點識別結(jié)果共同作為后文關(guān)鍵路段識別及脆弱性評估的主要數(shù)據(jù)輸入。
　　在定量研究的模型構(gòu)建方面，本文以博

5、弈論為基本理論，將網(wǎng)絡(luò)脆弱性抽象為網(wǎng)絡(luò)的攻擊者，與交通管理者構(gòu)成博弈雙方，攻擊者以最大限度降低網(wǎng)絡(luò)性能為目標，交通管理者以最大化用戶利益，使網(wǎng)絡(luò)性能降低對用戶影響最小為目標，通過博弈的思想，達到網(wǎng)絡(luò)脆弱性識別和改善的同步進行，構(gòu)建了雙方的攻防博弈模型。
　　同時，為設(shè)計與本文所建立模型相適應(yīng)的求解算法，提出了博弈雙方的熵函數(shù)-最短路策略及興趣函數(shù)-用戶均衡分配策略兩種策略組合算法，在不考慮交通擁堵傳播的影響時，交通管理者根據(jù)最短路

6、原則對網(wǎng)絡(luò)上的交通需求進行分配，潛在威脅事件根據(jù)熵函數(shù)來決策對路段的攻擊策略；當考慮擁堵傳播時，交通管理者根據(jù)用戶均衡條件進行交通分配，潛在威脅事件根據(jù)興趣函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進行攻擊。當雙方博弈過程終止時，即輸出網(wǎng)絡(luò)的脆弱性值及關(guān)鍵路段識別結(jié)果，同時給出相應(yīng)的交通分配應(yīng)對策略。
　　為驗證本文方法的有效性和應(yīng)用性，以黑龍江省高速公路網(wǎng)絡(luò)為例，結(jié)合黑龍江省高速公路上采集到的多源數(shù)據(jù)（包括路網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)、收費數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)、交通事故數(shù)據(jù)等），針