城市轨道交通网络关键节点识别与级联抗毁性研究

作     者：宋易宵 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李淑庆

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 082303[工学-交通运输规划与管理] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：轨道网络 关键节点 非线性容量负载模型 近邻度值之和 级联抗毁性 

摘      要：近年来,城市交通资源供需不平衡的矛盾日益加深,发展城市轨道交通能有效缓解交通资源供需不平衡的问题,因此各大城市开始大力建设轨道交通,有些城市已进入了网络化运营阶段。网络化发展虽能提升城市轨道交通的互联互通水平和居民出行效率,但也容易因某一站点故障而引发轨道网络级联失效,甚至还会造成网络局部或全局瘫痪。因此,识别城市轨道网络关键节点,研究轨道网络的级联失效问题,针对不同场景提出网络级联抗毁性的优化措施,对运营管理部门掌握网络日常运营状态、了解级联失效传播演化规律、确定网络节点保护和修复的优先级顺序,以及保障轨道网络安全运营具有重要意义。 本文主要研究内容和成果如下: 首先,分析了城市轨道复杂网络特征和客流特性。借助复杂网络和图论理论对城市轨道网络进行了定义,总结出城市轨道网络具有固定性、增长性、开放性、层次性和度值规律性四大特征;深入分析得到城市轨道网络的客流在时空上呈现出潮汐性和不均匀性。以重庆市轨道网络为案例,利用Space L法构建网络拓扑结构模型,通过计算其网络测度指标发现,重庆市轨道网络符合无标度网络特性,并初步具备小世界网络特性。 其次,构建了城市轨道网络关键节点综合识别模型。分析发现城市轨道网络关键节点具有维持网络整体性能稳定和固能引流两大特征,总结出关键节点识别的三种基本逻辑:“显著性等价于关键性、“破坏性等价于关键性和“指向关系等价于关键性;综合考虑了节点在网络局部、全局和客流层面的重要程度,建立了关键节点综合评价指标体系,基于TOPSIS算法构建了城市轨道网络关键节点综合识别模型。经SIR病毒传播模型和节点删除法检验,该模型能有效识别出在网络结构和客流层面均重要的关键节点。 然后,构建了城市轨道网络级联失效改进模型。分析了城市轨道网络的级联失效机理,发现在该过程中轨道网络会经历四种状态:稳定态、激发态、扩散态和平衡态;总结出轨道网络的级联失效具有滞后性、倾向性、同步性、耦合性以及非线性的特征;针对传统非线性容量负载模型的不足,通过考虑节点近邻信息对负载的影响,引入负载分配阻抗系数,提出了改进的非线性容量负载模型。 最后,以重庆市轨道网络为案例应用,研究了城市轨道网络的级联抗毁性。与随机攻击相比,蓄意攻击对网络造成的影响更大;对比研究了网络在传统非线性容量负载模型和本文改进模型下的级联抗毁性,得出在相同参数取值条件下,改进模型对网络级联抗毁性的优化效果显著大于传统模型;基于网络结构、客流服务和其他影响网络关键节点稳定性因素的角度,提出了轨道网络级联抗毁性优化措施。 本文利用构建的城市轨道网络关键节点综合识别模型和级联失效改进模型,识别了城市轨道网络关键节点,研究了轨道网络级联抗毁性,提出了级联抗毁性优化措施,一定程度上解决了轨道网络关键节点故障引起的网络级联瘫痪问题;不仅对交通运输规划与管理学科在安全和组织管理等方面的理论有一定补充完善,还为运营管理部门制定抵御城市轨道网络级联失效的相关措施提供了理论参考。