城市环境中的复杂交通系统容易受到各种因素的影响，包括天气、交通拥堵和特殊事件。特别是拥堵瓶颈，可能会造成严重影响并导致整个系统的级联故障。

近日，Chaos发表了信息科学与工程学院韩定定团队、现代物理所马余刚研究员、上海电力大学钱江海副教授等的最新研究成果，深度报道了“Recursive percolation on transportation networks”，文章地址：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0137726。该工作提出了一个迭代交通渗流框架，以捕捉级联故障的动态并分析潜在的过载瓶颈。实证研究表明所提出的模型可以用来找到以前未知的瓶颈，这些瓶颈可能导致整个道路网络的失效。

图来自Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

Science Daily报道说“这项研究交叉了物理科学和信息科学，是一个涉及智慧城市研究的创新模型。模型采用了渗流理论的改进形式。在构建模型时，考虑了上海现有的道路网络和人口分布，在不同的人口中心之间产生出行需求并分配到提供最短出行距离的道路上。每条道路上的交通负载被转换为速度。当某条道路上的交通流达到一个不可接受的低速度（渗流阈值）时，该道路就被视为功能失调，并从网络中删除。通过递归的方式重复这一过程，研究发现，城市交通系统的大规模级联故障是以一种突然和不连续的方式发生的，就像冰融化或水沸腾时突然发生相变一样”。（转载https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230321112656.htm）

基于国家重点研发计划“智慧城市信息-物理融合关键技术开发与应用（课题2018YFB2101302）”与国家自然科学基金“实证研究空间网络时变特征与网络拓扑的关联（11875133）等项目所积累的经验，研究团队指出城市地区是一个开放的复杂系统，除了区域内的流动外，还有外部区域之间的流动交换。为了模拟通勤的影响，模型通过增加了边界地区的人口来模拟与外部区域之间的流动。

该项工作使用了上海市杨浦区的公开地图，确定了四个作为外部流量交换的区域。通过应用所提出的迭代交通渗流模型，最终确定一个特殊的区域，即中环路，作为一个潜在的瓶颈，可能导致整个城市交通系统的连带故障。当中环路被堵住时，交通就会流向最终无法处理车辆流量的其他道路、这导致了更多的堵塞和整个系统的崩溃。当这种情况发生时，道路网络就会断成互不相连的碎片。值得注意的是，中环路的瓶颈是在模型中第五轮移除道路的过程中发现的，通过级联故障的动态过程，发现了隐藏的瓶颈。该项成果对智慧交通的构建具有潜在的应用价值。

未来，研究团队将引入拥塞传播的时延效应，进一步研究不同通行路径下选择模式达到的流量平衡过程中微观动态行为动力学，分析其对复杂道路运输网络鲁棒性和级联故障的影响。

其他相关国外新闻报道：

https://www.eurekalert.org/news-releases/983138

https://publishing.aip.org/publications/latest-content/cascading-failures-in-urban-traffic-systems-tied-to-hidden-bottlenecks/

https://news8plus.com/cascading-failures-in-urban-traffic-systems-tied-to-hidden-bottlenecks/

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230321112656.htm

https://www.newswise.com/articles/cascading-failures-in-urban-traffic-systems-tied-to-hidden-bottlenecks

供稿|韩定定课题组