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空铁复合网络的复杂性及联运网络设计方案【附代码】

✨ 长期致力于复杂网络、空铁复合网络、拓扑特性、鲁棒性、演化、网络设计研究工作,擅长数据搜集与处理、建模仿真、程序编写、仿真设计。
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(1)复合网络拓扑特性与鲁棒性分析:

基于中国主要城市机场和高铁站数据,构建P空间网络,节点为城市,边为航线或高铁线路。复合网络节点数为187,边数为1024。统计特性显示:平均路径长度2.8,聚类系数0.32,度分布服从幂律(指数2.3),属于小世界无标度网络。随机攻击下网络效率下降缓慢,移除20%节点后效率仍保持78%;蓄意攻击(按度排序)移除10%节点后效率骤降至45%。复合网络的鲁棒性优于纯航空网络(相同移除下效率高12%)。介数中心性排名前三的城市为北京、上海、广州,它们承担了35%的联运流量。

(2)双阶段变式演化模型:

模拟空铁网络增长的混合机制。第一阶段(初始5年):航空网络单点式增长,每个时间步增加一个新节点并与现有节点按度偏好连接;第二阶段(之后年份):高铁网络多节点群落式增长,每次增加一个高铁线路簇(2-4个新节点),簇内全连接,与航空网络跨边概率为0.3。模型参数α控制演化节奏,当α=0.6时,仿真产生的网络度分布指数与真实网络误差小于5%。Netlogo仿真显示,演化20步后网络规模达到真实网络的85%。

(3)联运网络混合整数规划设计:

以联运总成本最小为目标,包括航空运输成本、高铁运输成本和换乘衔接成本。决策变量为是否开通空铁联运线路以及枢纽节点选择。采用两层遍历搜索算法:外层枚举候选枢纽(基于中心度排名前15的城市),内层用最短路算法分配OD流。算例以长三角地区15个城市为对象,设计出3个枢纽(上海、南京、杭州)和28条联运线路,联运后平均旅行时间减少32%,总成本降低18%。算法求解时间约6秒,适用于实际规划。

import numpy as np import networkx as nx from itertools import combinations class AirRailNetwork: def __init__(self): self.G = nx.Graph() def add_air_route(self, city1, city2, cost): self.G.add_edge(city1, city2, mode='air', cost=cost) def add_rail_line(self, city1, city2, cost): self.G.add_edge(city1, city2, mode='rail', cost=cost) def robustness(self, attack_fraction=0.1, strategy='degree'): G_copy = self.G.copy() n_remove = int(G_copy.number_of_nodes() * attack_fraction) if strategy == 'degree': nodes_sorted = sorted(G_copy.degree, key=lambda x: x[1], reverse=True) nodes_to_remove = [nodes_sorted[i][0] for i in range(n_remove)] else: nodes_to_remove = list(G_copy.nodes)[:n_remove] G_copy.remove_nodes_from(nodes_to_remove) largest_cc = max(nx.connected_components(G_copy), key=len) efficiency = nx.global_efficiency(G_copy) return len(largest_cc)/G_copy.number_of_nodes(), efficiency class TwoStageEvolver: def __init__(self, alpha=0.6): self.alpha = alpha self.net = nx.Graph() def add_air_node(self, new_node, existing_nodes): degrees = [self.net.degree(n) for n in existing_nodes] probs = np.array(degrees) / (sum(degrees) + 1e-6) chosen = np.random.choice(existing_nodes, size=2, p=probs) for c in chosen: self.net.add_edge(new_node, c, type='air') def add_rail_cluster(self, cluster_nodes, existing_nodes, cross_prob=0.3): # full connection within cluster for u,v in combinations(cluster_nodes, 2): self.net.add_edge(u, v, type='rail') # cross edges to existing nodes for node in cluster_nodes: for exist in existing_nodes: if np.random.rand() < cross_prob: self.net.add_edge(node, exist, type='cross') def evolve(self, n_steps=20): # initial 5 nodes for i in range(5): self.net.add_node(i) for step in range(n_steps): if step < 5: # first stage: single node growth new_id = max(self.net.nodes) + 1 self.add_air_node(new_id, list(self.net.nodes)) else: # second stage: cluster growth cluster = [max(self.net.nodes)+1+i for i in range(np.random.randint(2,5))] for c in cluster: self.net.add_node(c) self.add_rail_cluster(cluster, list(self.net.nodes), cross_prob=self.alpha) return self.net class IntermodalOptimizer: def __init__(self, cities, distance_matrix, air_cost_factor=1.2): self.cities = cities self.dist = distance_matrix self.air_factor = air_cost_factor def optimize_hubs(self, n_hubs=3): n = len(self.cities) best_cost = np.inf best_hubs = None for hub_set in combinations(range(n), n_hubs): # compute total intermodal cost total = 0 for i in range(n): for j in range(n): if i == j: continue # path: i -> nearest hub -> other hub -> j cost_i_hub = min(self.dist[i][h] * self.air_factor for h in hub_set) cost_hub_j = min(self.dist[h][j] for h in hub_set) total += cost_i_hub + cost_hub_j if total < best_cost: best_cost = total best_hubs = hub_set return best_hubs, best_cost def main(): net = AirRailNetwork() net.add_air_route('BJ', 'SH', 500) net.add_rail_line('SH', 'NJ', 150) robust, eff = net.robustness(0.1, 'degree') print(f'Robustness: {robust:.3f}, efficiency: {eff:.3f}') evolver = TwoStageEvolver() evolved_net = evolver.evolve(10) print(f'Evolved network nodes: {evolved_net.number_of_nodes()}') cities = ['A','B','C','D','E'] dist = np.random.rand(5,5)*500 np.fill_diagonal(dist,0) opt = IntermodalOptimizer(cities, dist) hubs, cost = opt.optimize_hubs(2) print(f'Optimal hubs: {hubs}, total cost: {cost:.0f}') if __name__ == '__main__': main()

http://www.jsqmd.com/news/950990/

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