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随着经济的快速发展及城市化的不断深入,城市道路网络规模日益庞大、复杂,然而交通拥堵问题也越来越严重。很多城市试图通过新建或扩宽道路、交通诱导等方式解决交通拥堵问题,但是效果不显著。研究认为,路网的传输能力与路径选择过程直接相关。因此,设计高效、稳定的动态路由选择算法,对于提高路网整体吞吐量及缓解交通拥堵程度,具有重要的科学意义。系统科学认为,结构决定功能。道路网络的结构特征对交通流传递过程具有重要影响,故深入认知道路网络的结构并揭示交通流的内在运行机理对挖掘高效、可靠的交通诱导策略具有重要的理论和现实意义。为此,本文围绕城市交通系统的结构和功能特征展开深入研究,结合复杂网络和引力场理论分析城市交通网络的引力分布情况,挖掘动态交通过程中道路之间的引力作用机理,进而建立道路的交通引力场模型及动态路由选择策略。具体而言,本文的研究工作主要包括以下几个方面:1.利用复杂网络理论研究城市道路网络的对偶拓扑表达问题,深入剖析了基于道路-道路关系的路网对偶图的建模原理、优势及其动态交通过程分析中存在的问题。在此基础上,提出基于弧段-弧段关系的路网对偶拓扑建模方法,详细论述了该对偶拓扑模型的建模原理及其在动态交通过程分析方面的优势,认为基于弧段-弧段关系的对偶图有助于更为真实地刻画路网的动态交通传递过程及进一步挖掘道路网络的结构和功能复杂性,进而提升动态交通模拟分析的准确性。2.利用引力场理论分析网络结构与功能之间的关系,着重讨论了交通流的引力场模式问题及在经典最短路由策略下交通网络的引力分布情况,认为网络交通流的传递时刻受到不同道路的引力作用。在最短路由策略下道路的拥塞分布及介中心分布均显著地反映了道路在整个路网交通流传递过程中重要作用,即在一定程度上刻画了道路对交通流的吸引力。3.为进一步探究交通网络引力分布问题,从道路重要性角度利用道路的连接度、介中心及接近度指标建立描述道路在整个路网结构及功能特征贡献的重要性度量模型,进一步提出了一种基于道路重要度的交通网络引力分析方法,并定义了具体的道路引力计算模型。在此基础上,讨论了交通引力场的优化问题,给出了具体的优化思路。试验表明,该方法有效地描述了道路在整个路网中的重要性及对交通流的引力作用强度。道路对交通流的引力是影响整个路网吞吐量及交通拥塞的关键因素,交通负载的非均匀分布可以认为是道路引力非均匀分布的结果。由此可知,交通引力场是诱发交通问题的潜在驱动力之一,合理地优化交通引力场有助于提高网络吞吐量及缓解交通拥塞程度。4.结合复杂网络理论和引力场理论深入分析了网络动态交通过程,兼顾节点自身及邻居节点的传输能力及交通状态,定义了节点对交通流的引力模型,提出了一种基于节点聚集能力的引力场动态路由算法。试验表明,所定义的交通引力场模型较好地刻画了节点对交通流的聚集作用,引力场路由选择策略显著地提高了网络整体的传输能力,有效地均衡了网络交通负载并缓解了网络拥塞程度。5.综合节点的介中心值与传输能力、路径长度等因素,定义了描述动态交通过程中交通流内在机理的交通引力场模型,建立了传输路径对交通流的引力模型。基于该模型,提出一种全局最优引力场动态路由选择算法,该算法充分考虑了所有传输路径对交通流的引力作用,使得更多节点能有效地参与交通流的传递并分担部分重要节点的交通负载量。理论和实验表明,该路由算法进一步提高了网络的吞吐量及缓解了网络交通拥塞程度。