交通地理與網路科學/網路靈活性和適應性
一個系統的“可變性”是指系統能夠適應的可變路徑數量，這意味著該系統在功能上是否僵化。可接受的變更路徑數量由“可能的最終狀態數量”和“可能的效應數量和可能的機制數量”[1]決定。為了描述一個系統的可變性，在網路分析中使用了兩個常見的特徵，即適應性和靈活性。適應性是指應對環境中意外擾動的能力。因此，可適應的系統是一個開放系統，能夠根據環境或系統本身部分的變化進行自我改造。任何系統，不僅在交通領域，都需要考慮如何隨著時間的推移為利益相關者提供價值，以便在動態和當代環境中維持自身。作為“可變性”的度量，靈活性適應性反映了變更主體的外部和內部位置——分別是系統邊界；而變更主體是指系統變更背後的力量發起者。如果變更主體是系統外部的力量，那麼在這種情況下發生的變更屬於靈活型變更。另一方面，如果變更主體是系統的內部修改，那麼變更屬於適應型變更。然而，在某些情況下，系統變更可以同時具有適應性和靈活性；因此，為了避免混淆，必須明確定義系統邊界。 [1]。本文的其餘部分專門討論網路適應性和靈活性。
適應性和靈活性特徵通常是相關的；換句話說，一個可適應的網路是靈活的，系統中的元素能夠從過去的經驗中學習。是否追求適應性變更的決定取決於對該變更的最高支付意願。在一般共識中，大多數時候人類是高度適應的。在廣泛的可能性和變化範圍內，人們認為這些變化的成本是可以接受的（即，自我改變的成本是合理的，無論是從美元角度還是時間角度考慮）[2]。為了提高對特定提議的變更的可接受性，一個系統應該要麼降低變更的實際成本，要麼提高變更的成本閾值。
對交通服務的日益增長和不斷變化的需求，經常要求底層系統不時地對內部特徵（如基礎設施）和外部特徵（如能源供應和政策）進行變更。因此，在需求更加模糊的環境中，系統更高的靈活性變得越來越可取。
靈活性是指網路在保持系統性能令人滿意的情況下，適應基礎設施和運營方面的外部變化的能力。整個網路的整體靈活性由“最不靈活”的元素決定。因此，有必要分別考慮網路的各個元素。節點靈活性、連結靈活性，以及用於構建和運營網路的時間靈活性，都是需要分別分析的這種單個網路元素的示例。 [3] 以下展示了節點靈活性、連結靈活性以及時間靈活性元素的全面定義。
節點靈活性是指網路節點（接入點）易於構建的程度；這可以透過規劃、批准和實施節點開發所需的時間以及此類開發的成本（透過新增一個節點來擴充套件網路的成本）來衡量。
影響節點靈活性的四個維度。
1. 物理尺寸: 節點所需的空間區域。所需的區域越大，節點可能放置的位置就越受限制，因此該可能的節點靈活性就越低。
2. 特定要求: 實施此類節點的規範會對可用於構建此類節點的區域施加限制。要求越多，找到合適位置的可能性就越低。
3. 地點外部性: 從節點本身的特徵產生的外部性的範圍和嚴重程度，這會限制設定此類節點的環境。這方面的例子是機場和電話亭之間的差異。
4. 連結-節點介面: 節點和連結之間的連線有時需要特殊的基礎設施實施（如跑道或停車場）；此類介面也可能會對網路中的流量方向性施加某些限制。
與節點靈活性類似，連結靈活性是指在節點之間新增更多連結的難易程度和成本。
影響連結靈活性的四個維度。
1. 連結要求: 連結的技術要求。對於鐵路和公路等連結，需要嚴格的工程標準和幾何設計。
2. 連結外部性: 指的是建立這些連結的基礎設施產生的外部性，因為此類基礎設施可能需要空間，從而影響周圍的生態系統和環境。
3. 交通外部性: 指的是流量對連結產生的外部性；它們對連結的位置或執行施加限制。例如，某些型別的交通可能只使用某些連結或某些連結對齊方式。
4. 補充基礎設施：在現實生活中，網路並非獨立存在，在許多情況下，訪問一個網路依賴於其他網路，例如機場交通。補充網路的侷限性，特別是連線鏈路的靈活性，會影響整個網路的靈活性。
時間靈活性是指對基礎設施投資進行排序的能力，以及基礎設施的使用在多大程度上需要協調其他使用者的協調程度。兩個主要因素，即可分割性和使用靈活性會影響時間靈活性。
1. 可分割性：具有較高可分割性的網路可以更好地適應空間結構的變化，並且不易受到故障的影響。因此，隨著投資可分割性的提高，網路的靈活性也會提高。
2. 使用靈活性：網路執行的靈活性是使用者之間協調程度的函式，假設使用者之間存在一定的獨立性。例如，一個使用者使用一個網路不會顯著影響其他使用者可用的選擇。對於不需要控制層次的去中心化網路，例如網際網路，該網路被認為是靈活的。相反，如果所有車輛都需要嚴格協調，例如在鐵路系統中，則該操作被認為是不靈活的。
下表總結了一些與靈活性適應性相關的特徵，針對幾種網路型別。航空網路面臨著最多的限制，不僅因為它們需要較大的節點區域，還因為安全考慮以及對周圍空間施加的廣泛外部性。因此，對新機場的勘測和建設工作非常謹慎。相反，機動網路，包括公路和鐵路網路，與空中航線（車輛本身基本上是鏈路，只需要在空域中指定安全的路徑）相比，需要大量的物理基礎設施，因此相對不靈活。儘管如此，由於節點需求的僵化，整個航空網路高度不靈活。
電信系統也有不同的行為。根據某些技術約束，與其他網路相比，這些網路需要相對較高的互補外部性。節點的高度可分割性和靈活尺寸使電信網路比表1中描述的其他網路更靈活[4]。這個簡短的討論表明，最不靈活的網路型別是國際航空運輸網路，因為它需要最大的節點區域和大量的資本投資。根據表1，電信網路是最靈活的，因為它們受維度的限制最小。機動網路和鐵路網路的不靈活主要來自基礎設施的實施，特別是高速鐵路。這些網路假設需要對運動進行絕對的中央控制，這使得它們不靈活。雖然公路比鐵路靈活得多，但公路和高速公路之間存在重要差異。高速公路的選址難度、物理要求和約束要大得多，這使得它們比普通公路不靈活。然而，由於公路和高速公路系統可以相互補充，因此總體上提供了一個非常靈活的網路。
系統的容量靈活性是指運輸系統適應交通需求變化的能力。它的意義以兩種不同的方式呈現。首先，美國交通量的持續增長與系統公里數相對穩定的水平相結合，導致每車道公里數的出行次數增加。第二個考慮因素是貿易模式、基礎設施上運輸的貨物型別以及所用運輸服務性質的變化[5]。容量靈活性可以描述為網路容量與需求變化之間介面的特徵——換句話說，相對於需求變化的可接受的波動[6]。
容量靈活性衡量的是總體交通量相對於交通需求波動的變化、流量的空間模式（從一個OD對或特定路徑轉移到另一個）、以及所運商品的組合。在工程和經濟文獻中，衡量靈活性的傳統方法是敏感性分析，特別是盈虧分析中使用的概念。圖1顯示了測量靈活性的說明[5]。
該圖中所示的靈活性指標是盈利需求（銷售額）的範圍。
MAXCAP模型透過評估系統能夠容納的最大交通量來估計系統的“基本交通容量”，這取決於潛在的交通模式。因此，靈活性由每條交通車道能夠承載的最大交通量以及系統能夠容納的需求增長百分比來表示。使用此應用程式，可以分析雙層堆疊鐵路貨運運輸（DDS）。[7]該模型的目標是最大限度地提高整個網路中從起點到終點的貨物運輸量。需要評估約束條件，包括交通模式、每車道（O-D對，商品）的貨物組合、鏈路容量的限制、終端容量、可用車隊、流量守恆以及替代路線選擇。所考察的雙層堆疊網路服務是覆蓋整個美國和大多數主要鐵路的市場潛力重大研究的主題。[8]。
要分析的網路如圖2所示[7]
使用MAXCAP模型對該網路的總體結果如表2所示[5]。第一行表示當所有使用者選擇每個O-D對之間的最短路徑時系統的基本容量。1987年的原始基本交通量為1.15×105。最短路徑選項的估計最大容量為1.48×105個集裝箱/月。與原始資料相比，該模型估計該系統能夠容納 28.6% 的交通量增長。換句話說，該網路足夠靈活，能夠容納任何組合的交通車道上的交通量增加 28.6% 。
除了最短路徑選項之外，還考慮了另外兩種替代路線選擇：1. 最短路徑 + 一條不相交路徑（不與其他節點共享鏈路的替代第二短路徑）2. 服務等級路徑路由選項（LOS），作為滿足給定所需服務等級的所有 O 和 D 之間的路徑集
這兩種替代路線選擇帶來了額外的靈活性。參考表3，最短路徑 + 一條不相交路徑相對於基本模式產生了 178.8% 的容量儲備。考慮到最短路徑情況提供的 28.6% 的靈活性，在每個 O-D 對之間新增一條額外路徑會帶來更大的靈活性增長。服務等級路徑路由允許更大的容量，相對於基本模式儲備增加了 192.1% 。但是，這兩種替代路線選擇在靈活性增長方面沒有表現出顯著的差異，這表明提供路線選擇不會以我們假設的方式影響靈活性。
ADDVOL模型估計系統容量靈活性的上限；考慮一個洪泛的系統——ADDVOL模型給出了根據MAXCAP估計值，每條車道可以增加多少交通量。當允許偏離基本交通模式時，在每個OD對之間移動的總交通量的比例現在是一個變數。與MAXCAP估計不同，ADDVOL模型的目標是最大化總貨物量。其餘約束條件遵循固定模式模型的格式。
用於估算交通系統容量的模型可以應用於測量系統靈活性，前提是引入了靈活的路線選擇方案。固定模式方法提供了一個保守的估計方法，預測了系統靈活性的下限估計。本研究僅將該模型應用於貨運交通系統的有限部分。值得討論的是，在更廣泛、更現實的網路中，交通模式和路線選擇的差異可能會產生不同的結果。
靈活性指標在許多方面都很有用。例如，這些指標可以幫助確定哪些系統在面臨重大災難時能夠更有效地執行。也可以確定網路適應大幅增加的交通流量的能力。第三個用途是根據特定假設（例如交通量或模式的突然變化）評估投資決策。
Gifford，Jonathan L. “城市交通政策和規劃中的適應性和靈活性”《技術預測與社會變化》，1994 年，第 45 卷（第 2 期），第 111-117 頁
姚麗；孫麗；王偉宏；熊輝，“換乘地鐵站服務設施適應性分析”《工程數學問題》，2012 年
浦海濤；林金嬌，“智慧城市交通系統適應性研究”《智慧計算與智慧系統》，2010 年 10 月，第 3 卷，第 802-805 頁
- ↑ a b Adam M. Ross，Donna H. Rhodes 和 Daniel E. Hastings，“定義可變性：協調靈活性、適應性、可擴充套件性、可修改性和魯棒性以維持系統生命週期價值”《系統工程》，2008 年，第 11 卷（第 3 期），第 246-262 頁
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- ↑ Eran Feitelson，Ilan Salomon，“差異網路靈活性對空間結構的影響”《交通研究A部分：政策與實踐》第 34 卷，第 6 期，2000 年 8 月，第 459-479 頁
- ↑ ] Eran Feitelson，Ilan Salomon，“差異網路靈活性對空間結構的影響”《交通研究A部分：政策與實踐》第 34 卷，第 6 期，2000 年 8 月，第 459-479 頁
- ↑ a b c Edward K. Morlok，David J. Chang，“衡量交通系統的容量靈活性”《交通研究A部分》第 38 卷（2004 年），第 405-420 頁
- ↑ Anthony Chen，Panatda Kasikitwiwat，“交通網路容量靈活性的建模”《交通研究A部分》第 45 卷（2011 年）第 105-117 頁
- ↑ a b Morlok，Edward；Riddle，Stephanie，“估算貨運交通系統的容量：模型及其在運輸規劃和物流中的應用”《交通研究記錄》，1999 年，第 1653 卷（第 1 期），第 1-8 頁
- ↑ Smith，D. S. 等，Manalytics，Inc. 雙層集裝箱系統：對美國鐵路和港口的啟示。報告 DTFR53-88-C-00020。美國運輸部聯邦鐵路局和海事局，1990 年