基于渗流的城市轨道交通系统线路韧性评估方法

摘要

本发明提出了一种基于渗流的城市轨道交通系统线路韧性评估方法，该方法提出适用于轨道交通系统站点级和线路级的系统性能指标，综合考虑网络结构和系统运营状况等不同方面的影响。并应用基于韧性三角形的韧性定义方法，建立不同层级的轨道交通系统的韧性评价指标，满足城市轨道交通系统韧性评估分析的具体要求，客观评价了地铁系统不同站点和线路在早高峰时段的性能受影响程度。该方法将线路的韧性值与韧性过程中的性能恢复速度做对比分析，可以有效发现韧性相似的不同线路表现出来的不同特性，使得能够对于城市轨道交通系统线路在早晚高峰的韧性有一个更为精准的把握，给城市轨道交通相关管理部门提供了更好的决策依据。

说明书

技术领域

本发明涉及城市轨道交通领域，尤其涉及一种基于渗流的城市轨道交通系统线路韧性评估方法。

背景技术

随着城市基础设施的大力发展和建设，城市轨道交通已经成为了人们平时生活中主要的交通工具之一。伴随着人们对于轨道交通需求的增加，城市轨道交通系统的负载也日益增加。在工作日早晚高峰等客流高峰时期，一些站点、线路的通畅程度会急剧下降，从而导致城市轨道交通系统整体性能下降，无法满足人们的日常出行需求。通过基础设施建设来改善轨道交通性能所需的周期和成本较高，因此，大量研究者尝试从城市轨道交通系统的管理层面来进行性能改善。其中，如何准确评价城市轨道交通系统的性能优劣成为了一个重要的基础问题。

目前，已经有很多研究从鲁棒性、脆弱性和可靠性等方面对城市轨道交通系统进行了性能评价。此外，系统韧性也是一个综合性的指标，其中包含了鲁棒性、脆弱性、恢复性等不同方面特征，反映了系统在外部干扰下其性能先退化再恢复的完整过程。因此，城市轨道交通系统的韧性评估可以充分地作为其性能的综合考量，评估结果也可作为指导城市轨道交通系统的管理决策依据。

韧性的概念已经被广泛地应用在了社会系统、生态系统、电力系统、计算机网络[8]、交通系统等不同重要领域。韧性概念最早是Holling在生态系统研究中提出的。在交通领域，Murray-Tuite于2006年最早提出了交通韧性的概念和评估方法。2003年，Bruneau提出了“韧性三角形”这一系统韧性评价指标，成为衡量系统韧性的经典方法。该方法的提出是针对地震灾害下的系统性能变化，然而，由于该方法的数学形式具有普适性，可以被扩展到各类实际复杂系统上。

上述前人研究所考虑的轨道交通系统性能主要是基于网络结构，或基于客流量、发车频率等系统运营指标来刻画的，很少能综合考虑网络结构和系统运营两个角度提出综合的城市轨道交通性能指标。

为了弥补这一不足，本发明提出基于渗流的轨道交通系统性能指标，能综合考虑网络结构和系统运营状况，并实现早高峰时段地铁系统线路级的韧性评估。所提出的方法在北京市地铁系统上进行了应用验证，发现的韧性较差线路将为高峰时段城市轨道交通管理部门的系统韧性管理提供支持，帮助缓解大城市的轨道交通系统拥堵。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明充分考虑了城市轨道交通系统不同层次的组织结构和系统功能，提出了基于渗流的线路性能评价指标，该指标综合考虑了网络结构和系统运营等不同方面的影响，不仅能够满足城市轨道交通系统线路韧性评估分析的具体要求，而且客观评价了城市轨道交通系统不同线路在早高峰时段的性能受客流量影响程度。其次，提出了把韧性面积和性能恢复速度进行对比分析的思路，更深入地理解城市轨道交通系统不同线路韧性优劣背后可能的机制。本发明具体采取如下技术方案：

一种基于渗流的城市轨道交通系统线路韧性评估方法，该方法具体包含以下步骤：

步骤1：确定需要分析的城市轨道交通线路的范围，采集范围内一段时间的城市轨道交通线路路段的客流信息，形成评估范围内每个路段的交通状态量的时间序列；

步骤2：利用步骤1中的时间序列进行区间的拥堵程度计算，得到城市轨道交通系统中具体线路随时间的韧性过程；

步骤3：利用步骤2中的韧性过程并基于韧性三角形计算线路韧性值，并与线路韧性过程中的恢复速度进行对比。

优选地，所述步骤1具体步骤包括：

(1)确定需要评估的轨道交通网络的范围：统计需要评估的轨道交通网络的经纬度范围，以及其中的站点的位置和线路关系；

(2)采集评估范围内一段时间的轨道交通网络路段的客流量信息，形成范围内每个路段的交通状态量的时间序列：

对(1)中的每一条线路，采集一定时间内的客流量信息。

优选地，所述步骤2具体步骤包括：

(1)进行拥堵程度和韧性的计算：

对地铁系统某条线路上两个相邻站点A、B间的线路区间，其客流量大小记为F

定义在t时刻下，该条地铁线路中处于拥堵状态的区间所形成的最大拥堵子团中包含的站点数与该线路中总的站点数的比例为线路的拥堵程度C

C

其中n

优选地，所述步骤3具体步骤包括：

(1)计算线路韧性值：

在步骤2中，线路拥堵程度C

(2)恢复速度：

恢复速度是指从性能最低点到正常水平的恢复速度，定义为V

本发明具有如下有益效果：

首先，经典的城市轨道交通中韧性定义与量化都着眼于整个轨道交通系统，这样的方法往往忽视了不同线路表现出来的不一致性，没有考虑到不同的区间在时间和空间维度上的影响力可能不同，不具有很好的物理层面的解释性，更忽略了轨道交通网络中的线路规划影响问题。而本发明依据轨道交通系统中不同线路区间的不同客流量赋予了不同的阈值，充分考虑到了客流量对不同线路区间的影响程度差异，并且基于渗流理论以线路中最大拥堵子团的规模来衡量其线路的性能，可以最大程度地消除个别区间因为意外因素导致的短期波动影响。其次，本发明并不局限于城市轨道交通系统线路的韧性值，而是将线路的韧性值与韧性过程中的性能恢复速度做对比分析，可以有效发现韧性相似的不同线路表现出来的不同特性，使得能够对于城市轨道交通系统线路在早晚高峰的韧性有一个更为精准的把握，给城市轨道交通相关管理部门提供了更好的决策依据。

附图说明

图1是各线路性能演化曲线图。

图2线路韧性与线路客流量关系

图3是线路韧性与线路恢复速度关系图。

具体实施方式

本发明包含以下主要步骤：

步骤1：确定需要分析的城市轨道交通线路的范围，采集范围内一段时间的城市轨道交通线路路段的客流信息，形成评估范围内每个路段的交通状态量的时间序列。

其具体内容包括：

(1)确定需要评估的轨道交通网络的范围：统计需要评估的轨道交通网络的经纬度范围，以及其中的站点的位置和线路关系。

(2)采集范围内一段时间的轨道交通网络路段的客流量信息，形成范围内每个线路区间的交通状态量的时间序列：

对(1)中的每一个线路区间，采集一定时间内的客流量信息。

步骤2：利用步骤1中的时间序列进行区间的拥堵程度计算，得到城市轨道交通系统中具体线路随时间的韧性过程。

(1)进行拥堵程度和韧性的计算：

对北京市地铁系统某条线路上两个相邻站点A、B间的线路区间，其客流量大小记为F

C

其中n

这里，线路拥堵程度C

步骤3：利用步骤2中的韧性过程并基于韧性三角形计算线路韧性值，并与线路的恢复速度进行对比。

(1)计算线路韧性值：

在步骤2中，已经基于渗流定义了城市轨道交通线路的性能指标，使用韧性三角形方法给出了早晚高峰时段的线路韧性指标R

(2)恢复速度对比分析：

为了更深入研究线路韧性的特性，这里还考虑了系统性能恢复速度这一韧性优劣的另一方面评价指标作对比。恢复速度是指从性能最低点到正常水平的恢复速度，可定义为V

具体选取某市地铁系统某条线路上两个相邻站点A、B间的线路区间，其客流量大小记为F

C

其中n

这里，线路拥堵程度C

基于上述韧性评价指标，选取该市地铁系统中不同的线路，研究和比较不同线路的拥堵程度及其在早高峰时段内的变化情况，研究不同线路间的线路韧性差异。选择该市地铁1号线、2号线、13号线、5号线和10号线这五条线路。它们的线路韧性R

与站点韧性评估类似地，这里首先展示了早高峰时段线路韧性与线路总客流量的关系图，如图2所示。可以看出，该市地铁各线路的韧性与其总客流量的绝对大小亦没有明显的相关关系。这与站点韧性的特点是类似的。

最后，各线路的韧性与线路恢复速度的关系如图3所示。这里，图3(a)、图3(b)分别展示了首个工作日和五个工作日平均的结果。根据图3(a)，对绝大部分线路(散点图左半部分)，线路韧性与恢复速度的关系呈现直线下降的趋势，而只有少数几条线路处在该直线趋势以外。对处于该直线下降趋势上的绝大部分线路，可认为主要是线路在早高峰时段的性能下降程度(而非下降时间或恢复时间等其它因素)决定了其韧性面积和恢复速度。例如，其中有些线路在早高峰时段性能下降较小，使得其韧性高而恢复速度小；另一些则相反，使得其韧性低而恢复速度大。图3(b)中所示的多个工作日平均的结果与图3(a)基本相似，只有机场线的点移到了该直线以外，印证了轨道交通系统在不同工作日的相似特性。此外，值得关注的是2号线显示出明显的不同特点，其在早高峰时段内的韧性明显低于其它线路，拥堵程度严重且持续时间较长。因此，如何降低2号线在早高峰的拥堵程度是该市轨道交通调控的一大关键课题。