基于现实破坏因素的双层高铁相依网络构建方法及系统

摘要

本发明公开了基于现实破坏因素的双层高铁相依网络构建方法和系统，基于高铁轨道路线采用Space L交通网络建模方法构建高铁无权无向的Space L网络；将Space L网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用一个超边连接，得到Space L超边网络；基于高铁轨道路线采用Space P交通网络建模方法构建高铁无权无向的Space P网络；将Space P网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用一个超边连接，得到Space P超边网络；将Space L超边网络中超边上的节点和Space P超边网络中超边上所对应的节点相连，得到双层高铁相依网络模型，该模型基于现实破坏因素，更加贴合实际情况，相对于Space L网络模型以及Space P网络模型能更好地体现真实的交通系统。

说明书

技术领域

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种基于现实破坏因素的双层高铁相依网络构建方法及构建系统。

背景技术

最新出台的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》中明确指出，铁路运输需要保证安全持续稳定，而对于铁路安全的研究则是指对铁路系统鲁棒性的研究，因此，认清铁路系统鲁棒性是实现交通强国最为主要的前提之一。对网络鲁棒性问题的研究，即是研究当网络中节点失效后，网络指标的变化。而在交通领域，节点失效的研究则是指交通拥堵的发生，或是枢纽站点的破坏，使得道路或是运输网络失效，短时间内不具有运输能力。

在运输网络的研究中，由于研究的侧重点不同，需要构建不同的网络模型。在分析实际交通网络鲁棒性时，往往采用单一的space L或者space P两种构建方式，但在实际运用的过程中，space L的网络指标无法很好的表征现实交通网络中可达性种种指标，而space P网络面对攻击时，其网络节点的删除方式无法很好的表征现实交通网络的破坏情形。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于现实破坏因素的双层高铁相依网络构建方法及系统，解决现有单一的space L或者space P构建方式构建的交通网络无法很好的表征现实交通网络的破坏情形的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

基于现实破坏因素的双层高铁相依网络构建方法，包括：

步骤1，基于高铁轨道路线，采用Space L交通网络建模方法构建高铁无权无向的Space L网络，其中，网络中的节点代表具有高铁站点的城市，节点之间的连边代表一条高铁路线上的两个相邻站点之间连线；

步骤2，将步骤1的Space L网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用一个超边连接，得到Space L超边网络；

步骤3，基于高铁轨道路线，采用Space P交通网络建模方法构建高铁无权无向的Space P网络，其中，网络中的节点代表具有高铁站的城市，节点之间的连边代表同一条高铁线路上的任意两个站点之间的连线；

步骤4，将步骤3的Space P网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用一个超边连接，得到Space P超边网络；

步骤5，将步骤2的Space L超边网络中超边上的节点和步骤4的Space P超边网络中超边上所对应的节点相连，得到双层高铁相依网络模型。

优选的，所述步骤1和步骤3中，当一个城市中存在一个以上的节点，将这些节点合并为一个节点。

本发明还公开了基于现实破坏因素的双层高铁相依网络构建系统，包括：Space L网路构建模块，用于构建高铁无权无向Space L网络；

Space P网络构建模块，用于构建高铁无权无向Space P网络；

超边网络构建模块，用于将Space L网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用超边连接，得到Space L超边网络；将Space P网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用超边连接，得到Space P超边网络；

双层高铁相依网络构建模块，用于将超边网络构建模块得到的Space L超边网络中超边上的节点和Space P超边网络中超边上所对应的节点相连，得到双层高铁相依网络模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用Space P网络对高铁网络系统鲁棒性进行表征的基础上，引入Space L网络模型用以分析实际情况中网络的破坏情形，构建出更加贴合实际情况基于现实破坏因素的双层高铁相依网络模型。从对本发明网络模型鲁棒性能分析结果可以看出，本发明所构建的网络表现出比现有的Space L网络更好的鲁棒性，比Space P网络模型更差的鲁棒性，该模型相对于Space L网络模型以及Space P网络模型能更好地体现真实的交通系统。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是根据Space L方法拓扑的我国高铁线路网络模型的示意图。

图3是根据Space P方法拓扑的我国高铁线路网络模型的示意图。

图4是本发明的双层高铁相依网络模型的拓扑示意图。

图5是Space L构建的高铁网络模型面对不同攻击时，最大连通子图的下降情形。

图6是Space L构建的高铁网络模型面对不同攻击时，网络效率的下降情形

图7是Space P构建的高铁网络模型面对不同攻击时，最大连通子图的下降情形。

图8是Space P构建的高铁网络模型面对不同攻击时，最大连通子图的下降情形。

图9是本发明的双层相依网络模型面对不同攻击时，最大连通子图的下降情形。

图10是本发明的双层相依网络模型面对不同攻击时，网络效率的下降情形。

具体实施方式

以下对本发明中涉及的术语进行解释：

“无权无向网络”是指构建的网络模型没有考虑不同连边间的差异即为无权网络，没有考虑不同方向的差异即为无向网络。

网络中的“超边”用于连接同一线路上的节点，代表同一线路。

以下给出本发明的具体实施方案，需要说明的是，本发明并不局限于以下具体实施方案，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1

本实施例公开了一种基于现实破坏因素的双层高铁相依网络构建方法，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤1，基于高铁线路与高铁站点对应数据及高铁站点与城市对应数据，采用Space L交通网络建模方法构建高铁无权无向的Space L网络，得到Space L模型的邻接矩阵。其中，网络中的节点代表具有高铁站点的城市，一个节点代表一个城市，优选的，若该城市内存在一个以上高铁站点，这些站点还是用一个节点表示；节点之间的连边代表一条高铁路线上两个城市之间存在相邻站点。

本实施例的高铁轨道路线从中国铁路局和百度地图上获取。本实施例构建的Space L网络包含有172个节点、372条连边，如图2所示。

步骤2，将步骤1的Space L网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用一超边连接，即该超边将同一条路线上所有节点的串接，得到Space L超边网络；

步骤3，基于高铁轨道路线，采用Space P交通网络建模方法构建高铁无权无向的Space P网络，得到Space P模型的邻接矩阵。其中，网络中的节点代表具有高铁站的城市，一个节点代表一个城市，优选的，若该城市内存在一个以上高铁站点，这些站点还是用一个节点来表示；节点之间连边代表两个城市之间通行一条高铁线路，即节点之间连边为同一条高铁线路上的任意两个城市之间的连线。

本实施例构建的Space P网络包含有172个节点、3424条连边，如图3所示。

步骤4，将步骤3的Space P网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用一超边连接，得到Space P超边网络；

步骤5，将步骤2的Space L超边网络中超边上的节点和步骤4的Space P超边网络中超边上所对应的节点相连，得到双层高铁相依网络模型。本实施例的模型结构如图4所示。图4中X

实施例2

本实施例公开了一种基于现实破坏因素的双层高铁相依网络构建系统，该系统包括Space L网路构建模块、Space P网络构建模块、超边网络构建模块和双层高铁相依网络构建模块。其中，Space L网路构建模块用于构建高铁无权无向Space L网络；Space P网络构建模块用于构建高铁无权无向Space P网络；超边网络构建模块用于将Space L网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用超边连接，得到Space L超边网络；同时将Space P网络中位于同一条高铁线路上的所有节点采用超边连接，得到Space P超边网络；双层高铁相依网络构建模块，用于将超边网络构建模块得到的Space L超边网络中超边上的节点和Space P超边网络中超边上所对应的节点相连，得到双层高铁相依网络模型。

本发明上述实施例中所使用的Space L交通网络建模方法可参考“谌微微,张富贵,赵晓波.轨道交通线网拓扑结构模型及节点重要度分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2019,38(07):107-113.”；Space P交通网络建模方法可参考“王宇环,靳诚,杜家禛.基于Space-P复杂网络的南京市轨道交通换乘可达性研究[J].地理与地理信息科学,2020,36(01):87-92.”。

以下本发明上述实施例构建的双层高铁相依网络模型的性能进行说明。

实施例3

本实施例分析了Space L网络模型、Space P网络模型以及本发明上述实施例构建的双层相依网络模型在面对不同攻击情形时，网络鲁棒性指标的下降情形。具体评价方法为：

1)针对双层高铁相依网络模型中的P层网络(处理后的Space P交通网络，后用P层网络代替)，按照以下五种排序方式将所有节点归类，节点的排序方式包括随机攻击、初始度攻击、初始介数攻击、更新度攻击和更新介数攻击5种攻击方式。对于每一类节点，依次删除节点，每删除一个节点计算一次P层网络的最大连通子图与网络效率，选取相对最大连通子图与网络效率衡量删除后的网络鲁棒性，具体为，相对最大连通子图与网络效率下将的越慢，说明网络被破坏的越慢，即网络鲁棒性越好。

2)针对双层高铁相依网络模型中的P层网络，依据1)中节点归类方式进行归类，然后删除依次每一个归类中的节点，攻击网络节点针对L层网络，每删除一个L层网路中节点，会对应删除一个P层网络中的节点，根据L层网络的结构更新一次P层网络的结构，计算一次当前P层网络的最大连通子图与网络效率；取相对最大连通子图与网络效率衡量删除后的网络鲁棒性，具体为，相对最大连通子图与网络效率下将的越慢，说明网络被破坏的越慢，即网络鲁棒性越好。

3)将1)和基础的Space L网络模型得出的鲁棒性指标作为对照组，将2)中得到的鲁棒性指标作为实验组，根据对照分析结果，对所构建的高铁双层相依网络模型进行评价。

如图5至图10所示分别为Space L网络模型、Space P网络模型以及本发明的双层相依网络模型在面对不同攻击情形时，网络鲁棒性指标的下降结果。结果表明本发明所构建的网络模型表现出比单一的Space L网络模型更好的鲁棒性，比Space P网络模型更差的鲁棒性。可以解释为：双层相依网络在Space L网络模型的基础上考虑列车中存在折返机制，因此双层相依网络比Space L网络模型具有更好的鲁棒性；双层相依网络模型相较于Space P网络模型考虑到了节点的断裂会导致同一线路上两边节点无法连接，因此双层相依网络比Space P网络模型具有更差的鲁棒性。

显然，本发明方法构建的双层相依网络能够反映更加真实的高铁网络系统，折返机制的引入以及破坏节点两边无法通车更为符合现实中高铁的运行，高铁系统应对攻击的措施也得到了展示。解决了单一的space L或者space P构建模型时，space L的网络指标无法很好的表征现实交通网络中可达性种种指标，而space P网络面对攻击时，其网络节点的删除方式无法很好的表征现实交通网络的破坏情形的问题。