CN111950146A - 一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法 - Google Patents

一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法 Download PDF

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Abstract

一种基于冗余恢复的城市轨道交通级联失效评估方法，包括：获取某一时间段进站乘客量和出站乘客量，并用space L的方法对轨道交通网络建模。分别从节点度、介数、节点强度三个方面来识别出网络中的重要节点。建立客流分配模型来模拟轨道交通网络级联失效过程中客流分配过程建立冗余恢复方案来模拟南京轨道交通网络在故障情况下的系统恢复。通过模拟不同场景下的攻击评估城市轨道交通网络的脆弱性。本发明考虑了实际客流的情况下轨道交通网络的脆弱性，建立了节点容量模型以及冗余恢复策略来分析级联失效下轨道交通网络的性能。以此来识别对网络造成影响较大的节点，对城市轨道交通管理人员的维护工作和设计人员后期的轨道交通扩建提供理论支持。

Description

一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法
技术领域
本发明涉及轨道交通网络的脆弱性和应急管理领域，具体涉及一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法。
背景技术
城市化进程的加快，使得我国的城市轨道交通网络逐渐趋向规模化和网络化。城市轨道交通相比于其他的交通方式例如公交车及私家车存在明显的优势，占地面积小，运输能力大并且具有独特的轨道线路等特点使其很大程度上优化了城市空间布局，缓解了城市的交通压力。城市轨道交通是一个非常复杂的系统，少量的事故可能导致不可接受的结果，如受伤、死亡或财产损失。众所周知，世界各地涉及轨道交通网络的事故可能会造成严重的后果；因此，应重视对轨道交通网络方面，加大研究力度，降低事故发生的强度和频率。
发明内容
本发明的内容是提供一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法，用于评估网络中的重要的站点，对运营商和后期的轨道交通建设提供理论支持。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案；
S1：首先收集AFC设备中的乘客数据进行处理，获取某一时间段进站乘客量和出站乘客量，并用space L的方法对轨道交通网络建模。
S2：分别从节点度、介数、节点强度三个方面来识别出网络中的重要节点。
S3：建立一种新的客流分配模型来模拟轨道交通网络级联失效过程中客流分配原则。
S4：建立冗余恢复方案来模拟南京轨道交通网络在故障情况下的系统恢复。
S5：基于冗余恢复模型和客流分配原则，建立脆弱性指标，通过模拟不同场景下的攻击评估南京轨道交通网络的脆弱性。
进一步地，所述步骤S1的用Space L的方法对于轨道交通网络建模规则具体为：
Space L建模方法是以自然网络形态呈现出的网络结构，Space L方法讲轨道交通网络中的站点抽象为节点，将相邻两站点之间的区间(路段)抽象为边，当两个车站间存在直接相连的轨道线路时，那么在拓扑结构中这两个节点间具有一条连边，反应两者之间的直接相连关系。采用Space L方法构建的城市轨道交通网络拓扑结构，反映了网络的自然连接状态，这种自然结构便于分析网络最基本的特征及其形态。
对于轨道交通改的建模，通常我们分别将车站和轨道抽象为节点和边，一般来说，轨道交通网络可以用图G＝{V,E}来表示，这里V＝{vi|i＝1,2L,,N|表示节点的集合， E＝{lij|lij＝(vi,vj)}表示为边得集合，N是节点的数量，当节点i和节点j直接相连的时候lij＝1，反则当节点i和j不直接相连lij＝0。
进一步地，所述步骤S2中的节点度、介数、节点强度具体为：
节点度表示节点连接的边的数量，节点i的节点度表示如下：
Figure BDA0002622755190000021
节点度Di表示与节点i直接相连的边的数量，站点的度可用来反应轨道交通网络的局部连通性。
节点介数由通过该节点的所有对节点之间的最短路径数来描述，反映该节点在网络上的重要性，节点i的介数表示如下：
Figure BDA0002622755190000022
其中BCi是节点i的介数，σjm是节点j和节点m之间的最短路径的数量，σjm(vi)是在图V中节点j和节点m之间的最短路径通过节点i的数量。介数通常用来描述轨道交通网络站点的传输能力，因此介数高的节点对轨道交通网络的传输能力起着至关重要的作用。
节点强度为与给定节点连接的边的流量之和，表示如下：
Figure BDA0002622755190000023
其中Pi为节点i的节点强度，Fij为每条边上的流量。节点强度表示了每个站点运输乘客的能力，节点强度越大表明该站点可运输乘客越多。
进一步地，所述步骤S3中新的客流分配原则具体为：
当一个节点遭遇故障或攻击时，总是会有一个客流再分配的过程，如图所示给出了流量再分配的可视化图。例如，当节点i失效时，根据客流模型将相连的流入该节点的的边与该节点断开，即不再有乘客到达节点i。但流出边上的乘客仍然可以离开到相邻的节点，如节点j。因此，可以直接观察到相邻节点的节点强度会增加，然后这个强度会转移到第二个相邻节点。
进一步地，所述步骤S4中的冗余恢复策略具体为：
正如许多研究证明的那样，失效的节点无法自行愈合，需要外部影响来恢复和恢复功能。但是在实际的轨道交通网络中，给予足够的时间，节点可以从乘客自组织的行为从拥塞干扰中恢复。当节点客流超过节点容量时，需要一个时间变量Fi(t)的客流描述的自恢复函数来描述该自恢复过程。通过这个函数，可以清楚地说明过载的客流将如何重新分配。因此。当Fi(t)>Ci时，函数定义为：
Figure BDA0002622755190000031
其中Ti(t)是自恢复函数，ti为自回复因子，δi表示正常情况下的流量恢复速度，ri表示级联失效后节点流量恢复的速度，Fi(t)为t时刻该节点的流量。
进一步地，所述步骤S5中的脆弱性指标和不同场景的攻击模式具体为：
本发明使用网络效率变化来评估网络的整体脆弱性。通常网络的全局连通性使用网络效率来刻画，即网络效率越高，网络的全局连通性就越好。当。网络效率为：
Figure BDA0002622755190000032
其中E(G)为网络的网络效率，σij为节点i和节点j之间的最短路径的数量。网络受到攻击时，网络中的节点会失效，网络效率随着节点失效数目的减少而减少，从而得到一个新的网络效率E'(G)，表示如下：
Figure BDA0002622755190000033
其中N'、σ'ij分别为级联失效后网络的节点数和最短路径数。
本发明的有益效果是：本发明通过实际客流介绍了三种评价网络节点重要性的指标，并给出了一种新的客流分配模型，更加符合实际的轨道交通网络。三个不同的场景的攻击模式和冗余恢复模型能更好分析网络的级联失效过程，并且可以找出对网络中影响较大站点，为城市轨道交通管理人员的维护工作和以后的计划建设提供理论支持。
附图说明
图1是一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法的总理流程；
图2是模拟轨道交通网络级联失效过程中客流分配原则的客流分配模型。
具体实施方式
为了便于理解下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例。
如图1所示，一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法，主要包括以下步骤：
S1：首先收集AFC设备中的乘客数据进行处理，获取某一时间段进站乘客量和出站乘客量，并用Space L的方法对轨道交通网络建模。
Space L建模方法是以自然网络形态呈现出的网络结构，Space L方法讲轨道交通网络中的站点抽象为节点，将相邻两站点之间的区间(路段)抽象为边，当两个车站间存在直接相连的轨道线路时，那么在拓扑结构中这两个节点间具有一条连边，反应两者之间的直接相连关系。采用Space L方法构建的城市轨道交通网络拓扑结构，反映了网络的自然连接状态，这种自然结构便于分析网络最基本的特征及其形态。
对于轨道交通改的建模，通常我们分别将车站和轨道抽象为节点和边，一般来说，轨道交通网络可以用图G＝{V,E}来表示，这里V＝{vi|i＝1,2,L,N}表示节点的集合， E＝{lij|lij＝(vi,vj)}表示为边得集合，N是节点的数量，当节点i和节点j直接相连的时候lij＝1，反则当节点i和j不直接相连lij＝0。
S2：分别从节点度、介数、节点强度三个方面来识别出网络中的重要节点。
节点度表示节点连接的边的数量，节点i的节点度表示如下：
Figure BDA0002622755190000042
节点度Di表示与节点i直接相连的边的数量，站点的度可用来反应轨道交通网络的局部连通性。
节点介数由通过该节点的所有对节点之间的最短路径数来描述，反映该节点在网络上的重要性，节点i的介数表示如下：
Figure BDA0002622755190000043
其中BCi是节点i的介数，σjm是节点j和节点m之间的最短路径的数量，σjm(vi)是在图V中节点j和节点m之间的最短路径通过节点i的数量。介数通常用来描述轨道交通网络站点的传输能力，因此介数高的节点对轨道交通网络的传输能力起着至关重要的作用。
节点强度为与给定节点连接的边的流量之和，表示如下：
Figure BDA0002622755190000051
其中Pi为节点i的节点强度，Fij为每条边上的流量。节点强度表示了每个站点运输乘客的能力，节点强度越大表明该站点可运输乘客越多。
S3：建立一种新的客流分配模型来模拟轨道交通网络级联失效过程中客流分配原则 (图2)。
当一个节点遭遇故障或攻击时，总是会有一个客流再分配的过程，如图所示给出了流量再分配的可视化图。例如，当节点i失效时，根据客流模型将相连的流入该节点的边与该节点断开，即不再有乘客到达节点i。但流出边上的乘客仍然可以离开到相邻的节点，如节点j。因此，可以直接观察到相邻节点的节点强度会增加，然后这个强度会转移到第二个相邻节点。
S4：建立冗余恢复方案来模拟南京轨道交通网络在故障情况下的系统恢复。
正如许多研究证明的那样，失效的节点无法自行愈合，需要外部影响来恢复和恢复功能。但是在实际的轨道交通网络中，给予足够的时间，节点可以从乘客自组织的行为从拥塞干扰中恢复。当节点客流超过节点容量时，需要一个时间变量Fi(t)的客流描述的自恢复函数来描述该自恢复过程。通过这个函数，可以清楚地说明过载的客流将如何重新分配。因此。当Fi(t)>Ci时，函数定义为：
Figure BDA0002622755190000052
其中Ti(t)是自恢复函数，ti为自回复因子，δi表示正常情况下的流量恢复速度，ri表示级联失效后节点流量恢复的速度，Fi(t)为t时刻该节点的流量。
S5：基于冗余恢复模型和客流分配原则，建立脆弱性指标，通过模拟不同场景下的攻击评估南京轨道交通网络的脆弱性。
本发明使用网络效率变化来评估网络的整体脆弱性。通常网络的全局连通性使用网络效率来刻画，即网络效率越高，网络的全局连通性就越好。当。网络效率为：
Figure BDA0002622755190000053
其中E(G)为网络的网络效率，σij为节点i和节点j之间的最短路径的数量。网络受到攻击时，网络中的节点会失效，网络效率随着节点失效数目的减少而减少，从而得到一个新的网络效率E'(G)，表示如下：
Figure BDA0002622755190000061
其中N'、σ'ij分别为级联失效后网络的节点数和最短路径数。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：首先收集AFC设备中的乘客数据进行处理，获取某一时间段进站乘客量和出站乘客量，并用space L的方法对轨道交通网络建模；
S2：分别从节点度、介数、节点强度三个方面来识别出网络中的重要节点；
S3：建立一种新的客流分配模型来模拟轨道交通网络级联失效过程中客流分配原则；
S4：建立冗余恢复方案来模拟城市轨道交通网络在故障情况下的系统恢复；
S5：基于冗余恢复模型和客流分配原则，建立脆弱性指标，通过模拟不同场景下的攻击评估城市轨道交通网络的脆弱性。
2.根据权利要求1所述的种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法，其特征在于，所述步骤S1的用Space L的方法对于轨道交通网络建模规则具体为：
将轨道交通网络中的站点抽象为节点，将相邻两站点之间的区间或路段抽象为边，当两个车站间存在直接相连的轨道线路时，在拓扑结构中这两个节点间具有一条连边，反应两者之间的直接相连关系；其中，轨道交通网络可以用图G＝{V,E}来表示，V＝{vi|i＝1,2,L,N}表示节点的集合，E＝{lij|lij＝(vi,vj)}表示为边得集合，N是节点的数量，当节点i和节点j直接相连的时候lij＝1，反则当节点i和j不直接相连lij＝0。
3.根据权利要求1所述的一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法，其特征在于，所述步骤S2中的节点度、介数、节点强度具体为：
节点度表示节点连接的边的数量，节点i的节点度表示如下：
Figure FDA0002622755180000011
节点度Di表示与节点i直接相连的边的数量，站点的度用来反应轨道交通网络的局部连通性；
节点介数由通过该节点的所有对节点之间的最短路径数来描述，反映该节点在网络上的重要性，节点i的介数表示如下：
Figure FDA0002622755180000012
其中BCi是节点i的介数，σjm是节点j和节点m之间的最短路径的数量，σjm(vi)是在图V中节点j和节点m之间的最短路径通过节点i的数量；
节点强度为与给定节点连接的边的流量之和，表示如下：
Figure FDA0002622755180000021
其中Pi为节点i的节点强度，Fij为每条边上的流量。
4.根据权利要求1所述的一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法，其特征在于，所述步骤S3中新的客流分配原则具体为：
当一个节点遭遇故障或攻击时，总会有一个客流再分配的过程，当节点i失效时，根据客流模型将相连的流入该节点的的边与该节点断开，即不再有乘客到达节点i；但流出边上的乘客仍然可以离开到相邻的节点。
5.根据权利要求1所述的一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法，其特征在于，所述步骤S4中的冗余恢复策略具体为：
当节点客流超过节点容量时，以一个时间变量Fi(t)的客流描述的自恢复函数来描述该自恢复过程；当Fi(t)>Ci时，函数定义为：
Figure FDA0002622755180000022
其中Ti(t)是自恢复函数，ti为自回复因子，δi表示正常情况下的流量恢复速度，ri表示级联失效后节点流量恢复的速度，Fi(t)为t时刻该节点的流量。
6.根据权利要求1所述的一种基于冗余恢复的城市轨道交通网络级联失效评估方法，其特征在于，所述步骤S5中的脆弱性指标和不同场景的攻击模式具体为：
Figure FDA0002622755180000023
其中E(G)为网络的网络效率，σij为节点i和节点j之间的最短路径的数量。网络受到攻击时，网络中的节点会失效，网络效率随着节点失效数目的减少而减少，从而得到一个新的网络效率E'(G)，表示如下：
Figure FDA0002622755180000024
其中N'、σ'ij分别为级联失效后网络的节点数和最短路径数。
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