基于复杂网络的城市地铁网脆弱性研究

摘要

地铁网络以其客流量大、运输效率高、运输准时等优势纷纷成为城市公共交通建设的重点，尤其是国际性大都市。作为城市基础设施系统的重要组成部分，对城市的发展和日常运行有着极其重要的意义。在其迅速发展的同时，安全运营面临新的挑战和要求。为了保证地铁交通网络的高效、安全运行，提高地铁网络的抗攻击能力，管理者必须知道整个网络面对突发事件或者蓄意攻击的脆弱性水平，找到哪些地方是最容易遭到影响，并且后果最严重的地方。
　　然而，目前只有少数学者研究了地铁网络的脆弱性，在研究时也大多从拓扑结构或物理角度考虑其脆弱性，并未考虑乘客需求的变化和攻击前后乘客出行时间的延误。这样就不能真实地反映地铁网络的实际脆弱性大小及其关键站点和连边。
　　本文以地铁网为研究对象，结合实际客流OD，考虑站点容量限制及路段通行能力约束。从乘客出行延误时间、未满足需求乘客数量及网络服务效率三方面综合分析确定了关键连边和脆弱站点。并以上海地铁网为实证对象，借助MATLAB对不同攻击方式下整个网络服务效率的变化进行了仿真。仿真结果表明：站点和连边的重要性随着网络中其他连边的失效而发生变化；站点的脆弱性大小与其度值不直接相关，而是受到其地理位置、运送旅客量及可换乘性的综合影响；上海地铁网对连续重要性攻击表现出最大的脆弱性。在地铁网络的设计、建设和运营中，既要加强保护初始状态下的关键站点和连边，也应该预测遭到攻击后变化了的网络中的关键站点和连边并重点保护，避免事故发生后网络服务效率快速恶化。