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城市交通網絡的健康規律研究(精) 版權信息
- ISBN：9787030710826
- 條形碼：9787030710826 ; 978-7-03-071082-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
城市交通網絡的健康規律研究(精) 內容簡介
一個安全、高效、可靠運行的交通系統是城市治理核心目標之一。面向超大城市交通復雜系統的可靠性管理，本書提出以“健康”為導向的可靠性管理，基于城市交通健康規律研究，從交通復雜性、交通健康內涵、交通健康指標體系、交通健康管理框架等方面展開，從不同時空尺度挖掘城市交通復雜巨系統的健康模式，提煉城市交通流網絡的健康規律，希望對城市交通健康管理的決策支持和系統設計有所啟發，進一步豐富復雜系統管理的內涵。 本書適合從事復雜系統可靠性管理研究的學者以及技術人員閱讀、也適合交通可靠性、網絡可靠性等方向的大專院校學生、以及對復雜系統管理感興趣的讀者閱讀。
城市交通網絡的健康規律研究(精) 目錄
目錄
第1章 系統健康 1
1.1 健康的內涵 1
1.2 健康管理的發展 3
1.3 復雜系統健康管理 4
參考文獻 5
第2章 交通滲流 7
2.1 網絡滲流 7
2.2 交通滲流理論 8
參考文獻 11
第3章 交通系統復雜性 12
3.1 結構多維 12
3.2 組織相變 16
3.3 動態傳播 18
參考文獻 22
第4章 交通健康的內涵與機理 24
4.1 交通健康的內涵 24
4.2 交通健康的機理 25
參考文獻 50
第5章 交通健康指標體系 51
5.1 交通效率 51
5.2 交通可靠性 53
5.3 交通脆弱性 55
5.4 交通韌性 57
5.5 交通潛力 62
5.6 交通活性 62
參考文獻 65
第6章 交通健康管理框架 69
6.1 核心故障機理 69
6.2 交通健康建模 71
6.3 交通健康評估 74
6.4 交通健康診斷 76
6.5 交通健康提升 77
參考文獻 78
第7章 結論與展望 81
第1章 系統健康 1
1.1 健康的內涵 1
1.2 健康管理的發展 3
1.3 復雜系統健康管理 4
參考文獻 5
第2章 交通滲流 7
2.1 網絡滲流 7
2.2 交通滲流理論 8
參考文獻 11
第3章 交通系統復雜性 12
3.1 結構多維 12
3.2 組織相變 16
3.3 動態傳播 18
參考文獻 22
第4章 交通健康的內涵與機理 24
4.1 交通健康的內涵 24
4.2 交通健康的機理 25
參考文獻 50
第5章 交通健康指標體系 51
5.1 交通效率 51
5.2 交通可靠性 53
5.3 交通脆弱性 55
5.4 交通韌性 57
5.5 交通潛力 62
5.6 交通活性 62
參考文獻 65
第6章 交通健康管理框架 69
6.1 核心故障機理 69
6.2 交通健康建模 71
6.3 交通健康評估 74
6.4 交通健康診斷 76
6.5 交通健康提升 77
參考文獻 78
第7章 結論與展望 81
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城市交通網絡的健康規律研究(精) 節選
第1章 系統健康 1.1 健康的內涵 “健康”一詞，首先是作為一個生物學概念而為人們所知。傳統的健康觀對于健康的含義解釋為：身體各類臟器沒有疾病，并對疾病有一定抵抗力的身體狀態，即所謂的“無病即健康”。而現代健康的含義則逐漸變得多元化，根據世界衛生組織對健康的定義，健康不應該僅指一個人身體上沒有出現疾病或虛弱，而是指一個人生理上、心理上和社會適應性上的完好狀態。 由生物學概念引申，“健康”的內涵也逐漸擴展到各個領域。例如，生態學領域將生態系統健康定義為人類活動干擾下生態系統本身結構和功能的完整性（Costanza et al.，1992；劉焱序等，2015），其具體內容包括內穩性、無疾病、多樣性、穩定性、平衡性等方面。在社會學領域，世界衛生組織將城市健康 ①定義為“不斷開發、發展自然和社會環境，并不斷擴大社會資源，使人們在享受生命和充分發揮潛能方面能夠互相支持”。以此為基礎，國內一些城市積極開展了建設健康城市的工作，具體內容包括健康環境、健康社會、健康服務、健康文化等指標 ②。在經濟學領域，經濟健康的含義（程國強等，2014）包括促進經濟運行健康，要求經濟發展規模和增長速度必須以環境和資源的承載能力為前提，促進綠色發展；要求生產要素必須實現優化配置和高效利用，實現集約發展；要求經濟結構合理協調，發展成果全民共享，體現平衡發展等方面。 隨著健康理念的發展，工程領域也借用健康的內涵，逐漸發展出新的健康評估理念，并應用到不同類型的工程系統管理中。例如，袁浩（ 2013）以城市雨排系統為對象，采用暴雨雨水管理模型模擬城市雨排運行狀況，基于雨排系統的溢流程度（包括溢流點百分比、溢流時長、溢流流量大小等）提出了雨排系統的健康度評價指標。林彬等（2016）提出基于馬氏距離（表示數據的協方差距離）測度的復雜系統健康狀態評估方法，通過對比測試產品的健康指數與已知的健康樣本集的健康指數來判斷系統的實際健康狀態，并基于 NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國國家航空航天局）提供的公開數據集驗證了該方法的有效性。周添（2017）將供熱系統的泄漏狀況、堵塞狀況和本構狀況等信息作為評估依據，應用層次分析法對供熱系統的健康程度進行了分級。王雅琪等（ 2019）從網絡層面提出了針對含有分布式電源的配電系統的健康指標，可應對一般電網結構（輻射網、環網或兩者混合）的健康評估問題。 在新一輪科技革命的影響下，數字化、網絡化、智能化的趨勢逐漸加深，也因此激發了“人機融合”“人網結合”的社會新形態特征，促進了“信息-物理-社會”系統的高度耦合。作為影響國民經濟的關鍵基礎設施之一，交通系統就是這樣一個典型的復雜社會技術系統。一方面，交通系統中的物理技術要素在數字化、網絡化、智能化的發展趨勢下，呈現出與以往不同的復雜性特點，例如系統多態、韌性恢復、耦合網絡、集群智能等。這些復雜性特點正是因為系統內各要素之間錯綜復雜的相互作用涌現而產生的。由于這些復雜的相互作用機制的存在，系統內部微小故障的產生，也存在被級聯傳播，昀終導致整個系統崩潰的可能性。另一方面，由于人這一要素的參與，交通系統又具備復雜社會系統的特征。個人決策的非理性加上日常出行者本身龐大的數量級，導致交通系統中出行博弈行為存在巨大的認知決策復雜性。出行者的認知決策復雜性再經由技術系統內的結構和功能聯系交叉放大，又進一步增大了系統的不確定性。理解并挖掘復雜社會技術系統的這些不確定性規律，是我們準確定位、有效解決交通問題的關鍵前提。 復雜性的存在導致系統可能具有特殊的故障機理和韌性能力，理解社會技術系統的復雜性特征是實現系統調控的重要基礎。現有的分析方法大多基于還原論的基本思想，嘗試將系統對象解耦、還原為簡單的“裝備”或“單元”，將核心故障假設為相互獨立的；在測試系統抵御擾動的韌性能力時，也多是以“黑箱”狀態進行統計性的測試 -反應，而對系統背后的適應機理挖掘不深。如果不能充分理解系統的復雜性規律，而僅僅從“裝備”的角度去嘗試調控復雜社會技術系統，只會導致事與愿違。首先，在物理結構、功能層面和心理認知、決策層面復雜性的共同作用下，有些交通管理目標本身是難以完全控制的，需要厘清復雜社會技術系統要素的人機智能動態交互、人網協同多層耦合的典型特征，構建交通系統調控的新方法體系，夯實復雜系統可引導性調控的理論與技術基礎。其次，傳統交通管理基于分割的、局域的系統管理方法，屬于基于行為目標的局域控制；未來交通系統管理范式將發生變革，更需要基于適應規律的系統調控理論和方法來支持交通管理決策。 正是交通系統作為社會技術系統的復雜性存在，給發現和理解交通健康規律帶來了極大的挑戰性和緊迫性。以此為背景，如何衡量交通系統的健康態勢，并制定相應的健康管理策略，是一個重要的研究課題。人機結合下的認知與決策行為共同累積成為“交通流”的形式，并逐漸由不同的交通流匯聚形成交通流網絡，昀終涌現出交通系統宏觀健康態勢的復雜時空規律。把交通系統理解為一個復雜的流網絡，充分挖掘流的適應性規律，是有效串聯交通宏觀尺度結構功能復雜性規律和交通微觀尺度認知決策復雜性規律的途徑。基于這一理念，本書旨在提出基于滲流的交通健康管理新概念，同時期望為當前以及未來的關鍵基礎設施管理研究提供啟發思路。 1.2 健康管理的發展 健康管理的發展伴隨設備維護策略智能化程度的不斷增強。傳統的維護策略是僅當發現設備失效后才進行維護（如修復損壞部位、更換故障的零部件等），這種策略被稱為“反應性維護”（reactive maintenance）（Christer and Whitelaw，1983）。隨著對系統性能和可靠性要求的不斷提高，有些設備一旦失效就會造成巨大損失，這樣的狀況是傳統的維護策略難以應對的。 為了使整個設備始終保持功能狀態，需要在其部件發生故障之前就進行更換，由此誕生了“預防性維護”（preventive maintenance）（ Barlow and Hunter，1960；Wu and Clements-Croome，2005）的策略，即依據特定的使用計劃，對于使用了一定時間的設備，更換其相應的零部件。這類策略的局限性在于，首先需要大量的設備使用數據（尤其是失效時間）來確定相應的預防性維護計劃，其次預防性維護也可能因更換仍然能夠用一段時間的零部件而造成過度維護，增加不必要的維護成本。 之后出現了“視情維護”（或稱“基于狀態的維護”， condition-based maintenance）（Marseguerra et al.，2002；Peng et al.，2010）的策略，這一策略不再僅僅依賴于設備的使用時間，而是通過采集設備運行中的各類數據來判斷其狀態，從而發現早期故障。視情維護已經具有較強的針對性和精確性，從而可以極大地削減設備的維護成本。不過，視情維護不能對設備的剩余使用壽命進行預測，因而難以實現對未來風險的管控。 為了預測并管理未來可能出現的風險，進一步減少系統整個壽命周期的運維成本，需要新的系統健康理論和技術。由此催生了預測和健康管理（prognostics and health management，PHM）技術（曾聲奎等， 2005；孫博等，2007）。PHM通常包括特征提取、狀態監測、故障診斷、故障預測和管理決策等技術步驟。PHM技術通過采集系統運行過程中不同維度的數據，結合各類智能化算法將這些測量值數據降維成可表征設備運行狀態的健康值指標，從而在故障發生前對其進行預測。 PHM能否提供切實有效的管理決策建議，核心在于是否真正理解了設備的故障機理。 1.3 復雜系統健康管理 系統健康管理的目標是減少系統在其整個壽命周期中的不確定性風險，從而保證系統安全、高效地運行。結合工程領域的豐富經驗， Johnson等（2011）將系統健康定義為系統具有維持自身正常功能的能力，并提出系統健康管理（system health management，SHM）的主要目標是確保系統能夠完成預期功能。這一定義是對傳統故障管理理念的拓展 ——故障管理關注的是當系統偏離健康狀態時應該采取什么樣的對策，而系統健康管理除了關注這一方面外，還考慮了對故障的預防方法這一層面的措施。 Bonissone等（2009）提出系統健康管理可以分成兩大方面：一方面是健康評估（health assessment），主要是感知和估計系統當前和未來一段時間內的健康狀態；另一方面是健康管理（health management），主要是針對所感知的系統狀態實施管控、調整，制訂后勤保障計劃等措施。 Khan和 Yairi（2018）將工程系統的健康管理描述為一個診斷和預防系統故障，以及預測系統組件的可靠性和剩余使用壽命的過程。健康管理主要包含了如下過程：首先需要從各類傳感器收集相關的系統運行數據，然后需要對這些數據進行關鍵特征提取、故障診斷和故障預測等分析，昀后基于分析的結果和用戶的需求提供進一步的決策建議。系統健康管理的作用在于提高系統在整個服務和運行過程中的可用性和韌性。 雖然相關學者對 PHM開展了比較豐富的研究，對系統健康管理也進行了初步探索，但是面對各類工程系統的復雜程度不斷增加這一現實背景，對復雜系統的健康管理也提出了更高的要求。復雜系統往往具有非線性、混沌性、涌現性、自組織性、自適應性等復雜性特征，這些特征給理解和分析復雜系統的性質帶來了全新的挑戰。例如，復雜系統的非線性關系往往難以用解析式來描述；復雜系統的狀態可能存在多個局部的峰值而難以找到真正的昀優狀態；因初值敏感性的存在，初始條件的細微改變會導致結果發生非常大的變化，使系統無法進行預測；自組織性和自適應性的存在也會導致系統的變化情況更加難以被捕捉等。城市交通系統是一個典型的開放的復雜巨系統，如何實現城市交通健康管理也引起了相關學者的廣泛探討和研究。然而，目前仍然缺乏行之有效的交通健康管理理論和方法。雖然有學者嘗試提出了一些交通系統的健康評估方法（趙玲等， 2012；陳艷艷等， 2015；汪春， 2016；周志華等， 2020），但是這些評估方法的局限性在于，忽視了交通系統的核心故障機理 ——交通擁堵的時空傳播過程，更多的是從統計效率的維度來評估，缺乏對系統故障和健康維度的綜合性考慮；同時，這些評估方法沒有有效地利用交通流網絡的時空關聯信息，更多的是對路段運行狀態的簡單（加權）平均或求和，難以為交通路網調控等管理決策提供支持。 參考文獻
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