高速公路系统是一个由道路、收费站等设施构成的硬件基础网状系统和由出入于高速路网的动态流量系统相互作用和影响的复杂交通系统。高速公路是区域城市和经济发展的产物,在演化过程中的道路层面和交通出行层面愈发呈现网络的异质特性。复杂网络作为分析研究现实系统的理论工具,其基本研究过程是将具有现实背景的系统抽象为复杂网络图模型,以网络拓扑结构为基础,以复杂网络特征算子为载体分析网络属性,再根据研究需求和方向做进一步研究,常见的研究内容包括网络演化机制、节点重要性分析、社团发现和抗毁性分析等。在高速公路网络研究中,以往的研究在视角上主要针对的是高速公路系统的硬件基础子系统,也即道路层面的分析,采用的网络模型为单层网络。但高速公路系统是由硬件道路网络和车流出行网络共同作用形成的,单一研究一个领域都将使结论片面。为更好把握高速公路系统特性和结构,需要将车辆出行层面、OD层面与道路层面综合起来考虑,形成一个新的研究视角和思路,重新挖掘网络的复杂结构。这些研究内容将为高速公路系统的认识和运营管理优化提供创新性的理论工具,具有更切合实际的指导意义。本文根据高速公路系统内涵具有的由硬件道路设施构成的道路网、出行于道路上的出行车流构成的出行网和车流出行OD方向构成的OD网,建立由以上三类网络组成的高速公路多层复杂网络。基于多层复杂网络理论,结合高速公路系统实际背景,首先提出了不同网络层的特征算子,利用统计比较分析的方法对各网络层作出整体拓扑结构分析,探索其结构性差异;其次,以节点重要性和社团发现理论为网络复杂特性的主要研究内容,针对不同网络层的拓扑结构和属性意义构建相适应的节点重要性算法,发掘关键节点并比较不同网络层意义上节点特征属性的复杂性,在节点重要性研究的基础上,根据社团发现理论和数据挖掘聚类思想,建立基于节点重要性的高速公路社团发现算法,深入发掘网络的潜在社群,综合评价网络结构,为研究高速公路网络的复杂特性提供理论依据。最后,根据高速公路网络特征算子、节点重要性和社团发现的主要结论对高速公路建设和运营管理提出建议。本文的主要创新点在于通过道路网、出行网和OD网三者结合形成的新视角对高速公路系统及其表现出的新的复杂结构进行研究,并在研究过程中提出了适应于高速公路系统的节点重要性算法体系和以聚类思想指导的社团细分方法,在应用中丰富了理论。本文采用的案例为广东省部分高速公路系统,数据基础是高速公路收费数据和地理信息数据,以python、Gephi、Origin等为分析工具,建立广东省部分高速公路复杂网络拓扑模型,根据特征算子作统计分析,得出了大部分网络各特征算子具有无标度特性或小世界特性,即网络不同层面都存在一定的复杂特性;再依据相应的节点重要性算法,得出了不同特征算子的无标度或小世界特性在各节点上具有非一致性,根据结果定义了高速公路网络的关键连通节点、关键流通节点和关键生成节点,在灰色关联融合算法对三类节点重要性进行了综合评估分析;将数据挖掘聚类思想与复杂网络社团发现理论相结合,挖掘网络潜在群类,将网络节点细分为4类社团,比较分析各自的特征属性和空间地理分布,综合得出了网络复杂结构。