基于复杂网络理论的城市轨道交通网络可靠性研究

摘要

随着社会经济的飞速发展，城市规模不断扩大，城市人口急剧增加，城市轨道交通作为城市公共交通优先发展的对象，在超大城市中已经形成网络化运营模式，逐步成为保障城市可持续发展的核心要素。城市轨道交通网络规模不断发展，网络结构日益复杂，面临越来越多的内部与外部挑战，如线路或车站出现故障或遭到攻击等突发情况，急需通过研究城市轨道交通网络的结构特性及可靠性，有针对性地优化网络结构及可靠性，保障城市轨道交通网络的正常运行。
　　本文首先系统地阐述了复杂网络的基本理论及其模型，综述了加权网络典型模型的演化过程以及加权网络的静态特征参数。结合中国超大城市的轨道交通网络发展现状，以北京市为例应用Space L方法构建城市轨道交通无权网络模型，在此基础上用车流量为各线路赋权，构建了城市轨道交通加权网络模型，并对网络拓扑复杂特征进行分析，证明轨道交通网络具有无标度特性，不具备小世界特性。根据城市轨道交通网络可靠性定义及其影响因素，设计了城市轨道交通网络可靠性测度并对其量化处理。由于城市轨道交通网络的特征参量较多，综合考虑节点或边的局部重要性与全局重要性，构建了基于重要度贡献的节点重要度评估模型和基于端点重要度贡献的边重要度评估模型，确定北京市轨道交通网络中各站点与区间的重要度，并验证模型的有效性。设计了对城市轨道交通网络的攻击策略及其算法，并通过仿真实验对各攻击过程模拟，分析了各个可靠性测度在不同攻击策略下的变化趋势，得出动态演化曲线。仿真结果表明:(1)城市轨道交通网络可靠性测度变化均存在阈值，少部分节点与边在网络中起着至关重要的作用，这些节点或边失效后网络的性能会迅速降低;(2)城市轨道交通网络对随机攻击、初始重要度优先攻击具有一定抵抗力，对动态重要度攻击网络表现出明显的脆弱性;(3)与边失效攻击相比，点失效攻击下的网络更容易崩溃。最后，提出了城市轨道交通网络可靠性优化措施，具有一定的实际参考价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究综述

1．2．1 复杂网络可靠性研究现状

1．2．2 加权复杂网络研究现状

1．2．3 交通运输网络研究现状

1．2．4 研究现状评价与总结

1．3 研究内容与框架

1．4 本章小结

2 复杂网络基础理论及其应用

2．1 复杂网络的概念

2．2 网络的特征参数

2．3 复杂网络的典型模型

2．3．1 随机网络

2．3．2 规则网络

2．3．3 小世界网络

2．3．4 无标度网络

2．4 加权复杂网络

2．4．1 加权网络基本特征参数

2．4．2 常见加权网络模型

2．5 本章小结

3 城市轨道交通网络建模及复杂特性分析

3．1 超大城市中城市轨道交通发展现状

3．2 城市轨道交通网络的内涵

3．2．1 城市轨道交通网络定义

3．2．2 城市轨道交通网络的特征

3．3 城市轨道交通网络拓扑抽象方法

3．4 城市轨道交通网络模型构建及特性分析

3．4．1 北京市轨道交通基本数据处理

3．4．2 基于地理的无权基础网络模型

3．4．3 基于车流量的加权网络模型

3．4．4 城市轨道交通网络的复杂特性分析

3．5 本章小结

4 基于复杂网络的城市轨道交通网络可靠性分析

4．1 城市轨道交通复杂网络可靠性定义

4．2 城市轨道交通网络可靠性影响因素分析

4．3 城市轨道交通网络可靠性测度确立

4．3．1 测度确立的原则

4．3．2 城市轨道交通网络可靠性测度的确立

4．3．3 城市轨道交通网络可靠性测度的定量化

4．4 城市轨道交通网络节点与边重要度评估

4．4．1 基于邻节点重要度贡献的节点重要度

4．4．2 基于端点重要度贡献的边重要度

4．5 本章小结

5 城市轨道交通网络可靠性仿真实验

5．1 攻击策略及其算法设计

5．1．1 城市轨道交通网络攻击策略

5．1．2 随机性攻击点／边算法设计

5．1．3 蓄意性攻击节点／边算法设计

5．2 节点失效下网络可靠性仿真分析

5．3 边失效下网络可靠性仿真分析

5．4 城市轨道交通网络可靠性优化措施

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 论文的主要工作与结论

6．2 需要进一步研究的问题

参考文献

附录

作者简历

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