CN110188974A - 一种地铁交通网络脆弱性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交通领域，提供了一种地铁交通网络脆弱性评估方法，包括以下步骤：S1.定义地铁交通网络评估指标：连边重要性指标和站点脆弱性指标；S2.地铁交通网络评估站点选择，从站点i到站点j；S3计算连边重要性指标L_a和站点脆弱性指标V_b，所述连边重要性指标L_a值越小表明乘客通行时间越长，所述站点脆弱性指标V_b值越小表明整个地铁交通网络服务水平越低。通过连边重要性指标反映连边失效对乘客通行时间的影响，通过站点脆弱性指标整个地铁交通网络服务水平，从而综合评估地铁交通网络的脆弱性，根据其脆弱性，就可以在地铁交通网络的设计、建设和运营中提供参考依据。

Description

一种地铁交通网络脆弱性评估方法

技术领域

本发明涉及交通安全评估领域，特别涉及一种地铁交通网络脆弱性评估方法。

背景技术

城市迅速发展的同时，城市人口的急速增长，导致城市交通压力剧增。随着私家车的日益增多，路网断面交通通行量已经过度饱和，传统的交通工具效率大大降低，城市交通拥堵、污染日益严重。与传统的城市交通运输工具进行比较而言，城市地铁交通网络具有运输准时、量大、效率高的特点。不仅能够满足大量乘客的出行需求，降低城市的超负荷，而且其充分利用地下空间给城市发展节省了空间、提供了便利，同时其采用电力作为动力，节省了能源、减少了碳排放对城市的污染，最后地铁运行的环境相对固定，行驶轨道没有其他车辆，从而不会发生堵车，也更加安全。因此，为了满足城市居民的出行需求，创造便捷舒适的城市生活环境，降低交通污染，提高交通安全水平，城市地铁建设受到越来越多的国家的重视和关注，也使得大城市地铁建设势在必行。

在地铁网络迅速发展的同时，其安全运营面临新的挑战和要求，在第一条地铁建成以来，地铁事故频发，有人为的恐怖袭击，也有管理运营的失误。但无论那种情况，地铁网络发生事故都将引发一系列的后果。

事故对城市地铁网络系统和乘客人身财产安全造成了严重损害，让我们认识到地铁网络的安全性是一个必须认真对待的挑战性问题。由于地铁网络的任何故障都会对城市的正常运转造成影响，为了保证地铁交通网络的高效、安全运行，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，哪些地方遭受攻击后后果最严重。

城市地铁网络是一个非常复杂的系统，它是由众多地铁线路组成的非常复杂的交通网络，是受到其地理位置、运送旅客量及可换乘性的综合影响，因此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，也应该预测评估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。

发明内容

本发明目的在于提供一种地铁交通网络脆弱性评估方法，以解决上述背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种地铁交通网络脆弱性评估方法，包括以下步骤：

S1.定义地铁交通网络评估指标：连边重要性指标和站点脆弱性指标；

S2.地铁交通网络评估站点选择，从站点i到站点j；

S3计算连边重要性指标L_a和站点脆弱性指标V_b，所述连边重要性指标L_a值越小表明乘客通行时间越长，所述站点脆弱性指标V_b值越小表明整个地铁交通网络服务水平越低。

进一步的，评估所述连边重要性指标时乘客换乘情况分为如下两种：

(1)当某条连边中断，乘客可改由其他地铁线路达到目的地；

(2)乘客没有通过换乘到达目的地。

进一步的，当某条连边中断，乘客可改由其他地铁线路达到目的地，

整个网络所有旅客的总的旅程时间为：

乘客通过没有该连边的网络时乘车的加权平均时间为：

当乘客没有通过换乘到达目的地，连边a是由站点m、n直接相连的，

连边a失效所带来的为满足乘客数量为：

则根据以上两种情况，可以将连边分类：A是所有连边的集合，A_w是连边失效后其他连边仍然是一个联通的网络的连边集合，且A_w∈A，

所述连边重要性指标L_a的计算方法为：

其中，是必须经由连边a到达其他站点的乘客人数占整个铁网络乘客的比例，K_ij为地铁网络中从站点i到站点j的初始交通流量，T_ij是从站点i到站点j最快路线所用时间，T_ija是当连边a中断时从站点i到站点j的最短用时线路的所用时间，P_ij是站点i和j之间最优路径所包含的站点集合。

进一步的，所述站点脆弱性指标V_b的计算方法为：

其中，且α＝1-β。

本发明的有益效果在于：通过连边重要性指标反映连边失效对乘客通行时间的影响，通过站点脆弱性指标整个地铁交通网络服务水平，从而综合评估地铁交通网络的脆弱性，根据其脆弱性，就可以在地铁交通网络的设计、建设和运营中提供参考依据。

具体实施方式

对于无换乘选择的连边，其失效导致地铁网络无法满足乘客的出行需求，这样的连边一般是地铁外围地区连接中心区域的必经之路，其重要性通过为满足乘车需求的乘客数量来衡量，通过实际的旅客和最优线路可以得到每条连边上的乘客数量，其中最重要的十条连边及其客流数据，例如：选择上海不同线路的连边站点进行客流量数据采集，并分析其重要性，如表1所示：

表1无换乘选择的重要连边

从表1可以看出，重要性排名前十的无换乘选择的连边并不是分散在各条线路上，主要集中在一号线和九号号线连接地铁外围与市中心的连边上。数据显示，9号线宜山站至桂林站连边的中断将导致395061名乘客无法满足其出行需求，为所有无换乘连边之最。同时由表1也可以知道九号线西南段以及一号线西南和北部两端运送往返市区及其他线路的乘客数量巨大。

对于有换乘选择的连边，其失效不会导致出现不可满足需求的旅客，但会延误旅客的行程时间，初始状态下整个网络的乘客的加权平均时间是28.28分钟，单条有换乘选择的连边的中断引起的时间延误差别很大：延误时间最长的连边是娄山关路到中山公园，达到1.494 分钟，也就是初始行程时间的5.28％；延误时间最短的连边是蓝村路到浦电路，为0.0074分钟，也就是初始行程时间的0.026％。延误时间最长的十条有换乘选择的连边重要性如表2所示。

表2有换乘选择的重要连边

从表2可知，排名前十的有换乘选择的连边全部位于上海地铁网连接市中心区域与周边地区的地段，而主要的环线(4号线)及环线内区域却没有。这主要是因为这些连边位于环线以外，其中断后乘客换乘不如环线内区域方便和可选择性大，乘客需要绕行更远的距离，延误更长的时间。这进一步说明了上海地铁网市中心区域换乘线路方便、快捷，有些换乘甚至不会导致乘客的出行时间延误。比如：世纪大道到浦电路之间的连边失效就不会导致从陆家浜路到浦电路的乘客出行时间的延误。

通过上述分析，可知用来估计每条连边的关键性水平的方法是根据评估其可服务性的变化来评价的。一条连边对网络正常运转的重要性是明显的，如果当它不能运转，对系统的运转有重要影响。在这里，我们假设当一条连边中断，其他没有中断的连边出行时间不变。客流的增加或减少对没有中断的连边没有影响。

第一种情况，当某条连边中断后，乘客可改由其他地铁线路到达目的地。这种情况下，连边的中断将导致乘客出行时间的增加。这样，连边的重要性可以用出行时间的变化来衡量。我们用乘客乘车的加权平均时间来作为一个服务性指标。

初始最佳路线时，整个网络所有旅客的总的旅程时间用如下公式表示：

当一条连边中断后，乘客通过没有该连边的网络时乘车的加权平均时间公式如下：

其中T_ij是从站点i到站点j最快路线所用时间，T_ija是当连边a中断时从站点i到站点j的最短用时线路的所用时间，K_ij为地铁网络中从站点i到站点j的初始交通流量；

当连边a中断和连通时总的平均旅程时间的差别用公式表示如下：

其中S_a是连边a中断后的时间损失，这个计算过程对每一条边重复进行，计算出每条连边的中断对总的平均旅程时间的影响。可选其他地铁线路到达目的地的连边的重要性通过这种方法得到。

第二种，没有通过换乘到达目的地的可能，这时，整个地铁网络被分成了两个部分。这种情况下，乘客无法通过地铁网达到目的地，我们通过无法达到目的地的乘客数量来分析其重要性及对网络脆弱性的影响。连边a是由站点mn直接相连的，连边a失效所带来的为满足乘客数量可由如下公式表示：

综合上面两种情况，我们可以将连边分类：A是所有连边的集合， A_w是连边失效后其他连边仍然是一个联通的网络的连边集合，且 A_w∈A，这样我们可以用连边重要性指标来计算连边的重要性，公式如下：

扩展后得到如下公式：

，

其中，K_ij为地铁网络中从站点i到站点j的初始交通流量，T_ij是从站点i到站点j最快路线所用时间，T_ija是当连边a中断时从站点i到站点j的最短用时线路的所用时间，P_ij是站点i和j之间最优路径所包含的站点集合，是必须经由连边a到达其他站点的乘客人数占整个铁网络乘客的比例，是连边a中断后必须经由连边a的乘客的新的行程时间，表示必须经过连边a到达其他站点的乘客的时间延误系数，由于连边a的中断，这些必须经由连边a到达其他站点的乘客无法由地铁网络直达目的地，我们设定所以 是不需经过连边a的乘客人数占整个地铁网络乘客的比例,是不需经过连边a的乘客在连边a中断后的新的行程时间,表示不经过连边a的乘客时间延误系数，由于不经过连边a所以乘客们的最优路径不会受到改变或中断，所以这些乘客在连边a中断后的和初始是一样的，即所以上述过程能帮助研究者更好的理解连边重要性指标L_a是结合乘客时间延误情况以及未满足需求乘客数量来衡量连边a对整个网络服务水平的综合影响。

单个站点失效对网络服务效率的影响各不相同，在单个站点失效情形下，确定10个影响网络效率的关键节点，即上海地铁网络的脆弱站点，这些站点失效对整个地铁网络的服务效率影响都大于7.7％。这些站点的重要性及节点度情况见表3

表3关键站点的重要性

通过表3我们可以得到，站点的重要性大小与其节点度没有必然关系，也不仅仅由运送乘客数量决定。它受到站点地理位置、运送乘客数量以及所连连边的可换乘性等诸多因素综合影响。

对于站点的失效同样可能导致整个网络出现两种状态：第一种是整个网络其他站点仍然是一个连通的整体；第二种是整个网络的其他站点不再是一个连通的整体，被分割为两个或多个部分。站点的脆弱性评价是以站点的失效引起整个地铁网络的服务水平的变化来计算的。对于某个站点而言，自身的失效除了引发从该站点出发和以该站点为目的地的旅客无法获得需求外，同时还可能导致其他旅客出行时间上的延误(原始最短路径通过该站点的其他旅客都要绕道)，因此首先我们对所有站点进行分类：B是所有站点的集合，B_w∈B是站点失效后其他站点仍然是一个连通的网络的站点集合。与连边的重要性计算方法一样，站点的脆弱性可以由以下公式得出：

，

其中且α＝1-β，

对站点脆弱性可以这样理解：它表示当站点b从网络中失效后，给整个网络造成的服务水平的效率的降低，即乘客期望平均时间的增加和未满足需求乘客的数量。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种地铁交通网络脆弱性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.定义地铁交通网络评估指标：连边重要性指标和站点脆弱性指标；

S2.地铁交通网络评估站点选择，从站点i到站点j；

S3计算连边重要性指标L_a和站点脆弱性指标V_b，所述连边重要性指标L_a值越小表明乘客通行时间越长，所述站点脆弱性指标V_b值越小表明整个地铁交通网络服务水平越低。

2.根据权利要求1所述的一种地铁交通网络脆弱性评估方法，其特征在于：评估所述连边重要性指标时乘客换乘情况分为如下两种：

(1)当某条连边中断，乘客可改由其他地铁线路达到目的地；

(2)乘客没有通过换乘到达目的地。

3.根据权利要求1或2所述的一种地铁交通网络脆弱性评估方法，其特征在于：当某条连边中断，乘客可改由其他地铁线路达到目的地，整个网络所有旅客的总的旅程时间为：

乘客通过没有该连边的网络时乘车的加权平均时间为：

当乘客没有通过换乘到达目的地，连边a是由站点m、n直接相连的，连边a失效所带来的为满足乘客数量为：

则根据以上两种情况，可以将连边分类：A是所有连边的集合，A_w是连边失效后其他连边仍然是一个联通的网络的连边集合，且A_w∈A，

所述连边重要性指标L_a的计算方法为：

其中，是必须经由连边a到达其他站点的乘客人数占整个铁网络乘客的比例，K_ij为地铁网络中从站点i到站点j的初始交通流量，T_ij是从站点i到站点j最快路线所用时间，T_ija是当连边a中断时从站点i到站点j的最短用时线路的所用时间，P_ij是站点i和j之间最优路径所包含的站点集合。

4.根据权利要求1所述的一种地铁交通网络脆弱性评估方法，其特征在于：所述站点脆弱性指标V_b的计算方法为：

其中，且α＝1-β。