城市地铁网络运行结构复杂性与脆弱性评价及应用研究

摘要

城市地铁网络凭借其高运量、高效率、高频率、安全舒适等优点，已成为国际上各大城市居民日常出行的主要交通工具，早晚高峰时段承载巨大的通勤客流。随着城市化进程的推进及城市的发展，城市地铁网络化运营是其发展的必然趋势。北京、上海及东京、纽约、伦敦等国际都市，都已经实现网络化大规模运营。 城市地铁网络系统(UMNS)是一个高度智能化、信息化、快速化的复杂系统，由车辆、轨道、车站及乘客等众多子系统构成;同时也是一个相对封闭、人流非常密集的系统。在网络化运营的条件下，一旦某一个地铁车站或区间发生随机故障或蓄意攻击事件，不仅会引起该车站或区间的客流延误滞留，还将由于网络动力学传播特点，进一步引起其它车站产生客流延误，最终造成巨大的运输压力，甚至产生出行安全问题。因此，从整体、宏观的角度研究UMNS，更有利于理解UMNS的结构复杂性，揭示网络结构演化的内在机理，解释大规模客流延误滞留等级联失效问题。 近年来发展起来的复杂网络理论，为本文研究网络系统复杂性及其动力学过程提供了新视角、新方法。应用复杂网络理论分析UMNS结构复杂性及其时空演化机制，是进一步研究UMNS结构的连通脆弱性和从乘客延误角度出发的结构脆弱性的关键所在，从理论上揭示拓扑结构特征与结构脆弱性之间的耦合关系。 本论文应用复杂网络理论，结合城市地铁网络自身特点，构建了基于多智能体的动态地铁网络仿真系统，研究了UMNS结构复杂性和脆弱性。具体来讲，研究内容主要包括以下方面: (1)深入研究具有运行线路属性的城市地铁网络拓扑结构复杂性。考虑地铁网络的运行线路属性，将节点经过的运行线路数目作为节点度评价标准，通过对52个城市地铁网络的实证分析，发现地铁网络的线路度分布服从漂移幂律分布，是一种介于随机和幂律分布之间的分布形式，说明地铁网络的演化既具有偏好选择特点，又具有随机游走特点;从网络平均最小换乘次数和信息传递效率角度，提出了适用于地铁网络的小世界特性评价方法，通过对52个城市地铁网络实证分析结论表明地铁网络具有小世界特性。 (2)构建了地铁网络时空演化模型。在第3章对地铁网络结构复杂性实证分析的基础上，结合地铁网络规划原则，建立了基于节点复制模型的线路择优机制和站点在指定方向上的随机游走的地铁网络演化模型。应用该演化模型，对四个典型拓扑结构类型的地铁网络进行演化模拟。通过模拟得到的网络拓扑结构特征值与真实网络接近，表明本文提出的择优和游走机制包含了地铁网络演化的关键要素，演化模型能够用来构建地铁网络。 (3)研究了不同拓扑结构类型的六种典型地铁网络结构的连通脆弱性。构建相同规模的六种典型拓扑结构类型的地铁网络，通过对其车站和区间进行随机和蓄意攻击，从拓扑结构连通性角度评价不同拓扑结构类型的地铁网络的脆弱性表现。研究发现，在节点蓄意攻击的情况下，对于相同数量的扰动，“环型+网格地铁网络”的故障规模最小，表明其脆弱性程度最低;“星型地铁网络”的故障规模最大，表明其在六种拓扑结构类型中最脆弱;此外，在相同的线路游走方式下，不含有环线的拓扑结构类型要比含有环线的拓扑结构类型更加脆弱。在针对边的随机故障情况下，对于相同数量的扰动，“星型地铁网络”的故障规模最小，说明“星型地铁网络”对边的随机故障的脆弱性最小。对于相同结构、相同规模的网络结构，网络的非均匀性越高，对节点蓄意攻击的脆弱性越低，对随机攻击的脆弱性越高。 (4)研究了从乘客延误角度出发的不同拓扑结构类型的六种典型地铁网络结构脆弱性。建立基于车厢拥挤惩罚、站台延误惩罚、换乘惩罚的地铁网络出行路径费用模型;按照地铁网络的乘客对多路径会采用不同的效用准则，构建多用户多准则的动态Logit配流模型;构建相同规模六种典型拓扑结构的地铁网络，通过对其节点进行随机和蓄意的攻击，从乘客到达率和延误程度角度评价不同拓扑结构类型的地铁网络的脆弱性表现。仿真结果显示，“星型结构”的地铁网络在3类地铁网络中的到达率最低，平均乘客延误程度最高，网络的脆弱性最高;“网格型地铁网络”的到达率最高，平均乘客延误程度最低，网络的脆弱性最低;“放射型地铁网络”处于二者之间。除此之外，含有环线的地铁网络的脆弱性程度低于不含有环线的同类拓扑结构类型的地铁网络。网络非均匀性越高，蓄意攻击造成乘客延误率相对随机攻击较低，网络的脆弱性相对较低。 (5)对香港、南京、北京、上海地铁网络拓扑结构复杂性进行了实证研究，并通过攻击实验进行了结构连通脆弱性评价。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 交通网络拓扑结构复杂性研究

1．2．2 公共交通网络演化模型研究

1．2．3 交通网络脆弱性的相关研究

1．2．5 研究不足

1．3 研究目标和内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 研究内容框架结构

1．4 本章小结

第2章 本文研究的理论基础及相关概念解析

2．1 城市地铁网络系统结构脆弱性及相关概念界定

2．1．1 城市地铁网络系统结构范围界定

2．1．2 城市地铁网络系统结构分类

2．1．3 城市地铁网络结构脆弱性定义及相关词语辨析

2．1．4 城市地铁网络结构脆弱性内涵

2．2 复杂网络理论

2．2．1 复杂网络的定义及分类

2．2．2 复杂网络理论常用的拓扑特征量

2．2．3 复杂网络的抗攻击性和抗毁性

2．3 网络演化理论

2．3．1 BA模型

2．3．2 适应度模型

2．3．3 节点复制模型

2．4 动态随机非平衡配流理论

2．4．1 Logit模型

2．4．2 模拟随机分配法

2．5 本章小结

第3章 城市地铁网络结构复杂性分析

3．1 地铁网络结构无标度特性分析

3．1．1 已有研究回顾

3．1．2 地铁网络标度特性评价方法

3．1．3 实证统计分析及讨论

3．1．4 本节小结

3．2 地铁网络结构小世界特性评价

3．2．1 已有文献回顾

3．2．2 基于信息传递效率的聚类系数新算法

3．2．3 地铁网络小世界网络特性评价方法

3．2．4 实证分析

3．2．5 本节小结

3．3 本章小结

第4章 基于节点复制模型择优和站点随机游走的地铁网络结构演化模型

4．1 公共交通网络演化机制回顾

4．1．1 地铁网络演化机制

4．1．2 公交网络演化机制

4．1．3 三种演化模型的局限性

4．2 基于节点复制模型的线路择优机制和站点随机游走的地铁网络演化模型

4．2．1 基于节点复制模型线路择优机制

4．2．2 指定方向上的站点随机游走

4．3 地铁网络结构仿真分析及讨论

4．3．1 三种择优机制新增线路接入点比较

4．3．2 四个典型拓扑结构地铁网络仿真

4．4 本章小结

第5章 城市地铁网络结构连通脆弱性评价

5．1 城市地铁网络结构脆弱性研究回顾

5．1．1 地铁网络结构连通脆弱性评价指标

5．1．2 拓扑结构类型与脆弱性的关系

5．1．3 研究不足

5．2 城市地铁网络结构连通脆弱性评价理论

5．2．1 基于复杂网络理论的节点、连接重要程度指标

5．2．2 组合攻击策略

5．2．3 地铁网络结构连通脆弱性评价指标

5．3 城市地铁网络结构连通脆弱性仿真结果分析

5．3．1 关键节点、边识别

5．3．2 不同拓扑结构UMNS结构脆弱性评价

5．3．3 网络非均匀性的影响

5．4 本章小结

第6章 基于动态随机非平衡配流的地铁网络结构脆弱性评价

6．1 从乘客延误角度出发的地铁网络脆弱性研究评述

6．2 基于拥挤、发车频率和容量限制的出行费用模型

6．2．1 已有文献回顾

6．2．2 基于拥挤、发车频率和容量限制的地铁网络出行费用模型

6．3 动态Logit配流模型

6．3．1 城市地铁网络配流模型评述

6．3．2 基于Logit模型的动态配流模型

6．4 地铁网络流量时空分布设计

6．4．1 流量在时间上的分布

6．4．2 流量在空间上的分布设计

6．5 乘客延误角度出发的脆弱性评价指标

6．5．1 基于乘客到达率的脆弱性评价指标

6．5．2 基于OD平均乘客延误程度的脆弱性评价指标

6．6 基于乘客延误的地铁网络脆弱性仿真结果及分析

6．6．1 仿真参数设置

6．6．2 随机故障和蓄意攻击下网络的脆弱性表现

6．6．3 不同拓扑结构类型的UMNS脆弱性评价

6．6．4 网络非均匀性对乘客延误程度的影响

6．7 本章小结

第7章 城市地铁网络拓扑特征及脆弱性实证研究

7．1 上海地铁网络拓扑结构特征及其脆弱性

7．1．1 基于拓扑线路的上海地铁网络无标度特性评价

7．1．2 基于信息传递效率的上海地铁网络小世界特性评价

7．1．3 上海地铁网络结构脆弱性评价

7．2 北京地铁网络拓扑特征及其脆弱性

7．2．1 基于拓扑线路的北京地铁网络无标度特性评价

7．2．2 基于信息传递效率的北京地铁网络小世界特性评价

7．2．3 北京地铁网络结构脆弱性评价

7．3 南京地铁网络结构拓扑特征及其脆弱性

7．3．1 基于拓扑线路的南京地铁网络无标度特性评价

7．3．2 基于信息传递效率的南京地铁网络小世界特性评价

7．3．3 南京地铁网络结构脆弱性评价

7．4 香港地铁网络结构的拓扑特征及其脆弱性

7．4．1 基于拓扑线路的香港地铁网络无标度特性评价

7．4．2 基于信息传递效率的香港地铁网络小世界特性评价

7．4．3 香港地铁网络结构脆弱性评价

7．5 四个典型城市地铁网络拓扑结构特征及脆弱性比较

7．5．1 四个城市地铁网络拓扑结构特征比较

7．5．2 四个城市地铁网络在节点随机和蓄意攻击策略下的脆弱性表现

7．6 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 本论文研究成果

8．2 创新点

8．3 研究不足与展望

参考文献

致谢

博士在读期间发表论文情况及参与科研项目情况