城市公共交通系统的多层网络建模与脆弱性分析

作     者：李近瑜 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹洁

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 070104[理学-应用数学] 0838[工学-公安技术] 0701[理学-数学] 

主      题：城市公共交通系统 复杂网络 多层网络 脆弱性分析 耦合方式 

摘      要：在过去二十年中,复杂网络理论被应用于探索各种运输系统,例如铁路、航运和航空运输系统。近年来,随着复杂网络研究的快速发展,采用复杂网络理论研究城市公共交通系统变得更加科学。城市公共交通系统是一个典型的复杂系统,由地铁网络、公交网络等多个交通网络相互连接、相互耦合组成。城市公共交通网络代表城市公共交通系统的核心。因此,必须充分了解城市公共交通网络的总体拓扑结构和功能特征,以此来协助城市公共交通系统的安全管理和可持续发展规划。且随着城市公共交通系统规模的不断扩大,交通系统内部线网连接越发复杂,代表不同运输方式的交通网络间的联系变得更为紧密。这促使我们对城市公共交通系统的研究不能仅限于单层网络,更应该从多层网络的视角下展开。此外,不同随机或突发事件对城市公共交通系统中某个交通网络的损害会影响与其相互关联的交通网络。因此,城市公共交通系统内部相互关联的不同交通网络的脆弱性问题亟待研究。目前,国内外学者在城市公共交通系统的建模及脆弱性分析研究中已取得不少成果,但其中大部分研究者多采用单层网络模型研究某个单一交通网络的脆弱性问题。且多采用常见的几种蓄意攻击或随机攻击策略。并没有将城市公共交通系统内代表不同运输方式的交通网络统一起来研究。本文构建了一个城市公共交通多层网络模型,重点分析不同类型多层网络在传统攻击策略及本文新建攻击策略下的脆弱性问题,并针对不同耦合方式下不同类型子网络组成的多层网络进行了脆弱性研究。主要研究工作如下。(1)本文介绍了一些城市公共交通系统的经典模型,发现大部分均为单层网络模型。而城市公共交通系统由多个交通网络连接组成,任何网络层的损坏均会影响其他网络层甚至整个系统的功能。仅靠单层网络无法准确分析网络拓扑结构特性。此外,不同城市形态下城市公共交通网络的网络拓扑特性也会有所差异。因此,本文将多层网络方法与Space L建模方法相结合,通过对地铁网络及公交网络的耦合处理,建立城市公共交通多层网络模型来分析地铁网络和公交网络间的相互耦合对其组成的多层网络拓扑结构及网络性能的影响。然后根据青岛及成都城市公共交通数据作为实例进行仿真实验,从不同方式的交通网络协同作用产生的影响角度下来分析城市公共交通多层网络的网络拓扑结构统计特性。通过实验所得网络拓扑结构参数结果来寻找符合不同城市形态特征的城市公共交通网络拓扑结构规律。(2)根据建立的城市公共交通网络多层网络模型特征,提出了新的多层网络节点中心性度量指标:节点转移中心性。并以此为基础提出了用于评估多层网络脆弱性的节点攻击策略与通用的攻击策略评价函数。然后,根据青岛及成都公共交通数据进行仿真实验,使用所提攻击策略与随机攻击及传统蓄意攻击策略对其进行不同攻击下的脆弱性分析模拟实验。并得出结论,本文所提攻击策略比传统攻击策略对不同类型多层网络的攻击效率较高。证实了城市公共交通多层网络中层间节点遭受破坏对整体网络会造成极大损害,让网络快速崩溃。另外,通过对青岛和成都两个不同城市形态下的城市公共交通多层网络及其子网络拓扑结构的对比分析,发现城市公共交通网络的脆弱性与城市形态息息相关,研究结果对城市公共交通管理及公共交通线网规划与优化提供重要参考价值。(3)本文研究了层间耦合模式及耦合子网络类型对多层网络脆弱性产生的影响。首先,根据BA网络、WS网络构建算法及超邻接矩阵建立了三种不同类型(BA-BA、WS-WS、BA-WS)的多层网络。之后,使用本文所建立攻击策略及传统攻击策略来分析上述三种不同类型多层网络在不同耦合模式(负相关耦合、正相关耦合、随机相关耦合)下的网络脆弱性。以此来研究多层网络层间耦合模式及子网络类型对其脆弱性所产生的影响,进而提供一种提高城市公共交通多层网络鲁棒性的网络布局设计方法。本文针对如何利用复杂网络方法来进行不同城市形态的城市公共交通多层网络建模及脆弱性分析、建立适用于多层网络的节点中心性度量方法及节点攻击策略、提高多层网络鲁棒性的层间耦合方式及网络类型确立等问题提出了相对应的有效解决方案。