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原文传递城市轨道交通加权网络鲁棒性研究

论文题名：	城市轨道交通加权网络鲁棒性研究
关键词：	城市轨道交通;拓扑结构;鲁棒性;级联失效;交通瓶颈识别;出行可达率
摘要：	城市轨道交通是解决交通拥挤、辅助出行者完成出行目的的重要基础设施，随着城市规模的日益扩大，城市轨道交通发展迅速，发挥的作用越来越突出。成网运行的地区，轨道交通输送出行者的人数已经超过普通地面交通，其他地区也呈现出这样的趋势。为了尽可能减小城市轨道交通中运营事故或者恶意破坏对出行者造成的影响，提高系统的稳定性和应变能力，有必要从理论高度进行城市轨道交通拓扑结构和鲁棒性分析。　　以图论和复杂网络理论为基础，将城市轨道交通系统构建为加权网络，重点考虑了网络受到攻击时对流量的影响。研究了城市轨道交通网络中较为重要的四个问题，包括路段权重的度量、交通瓶颈的识别、级联失效问题和网络崩溃，建立了描述上述问题的数学模型和求解算法，给出了评价的量化指标。网络的拓扑结构研究主要是通过计算网络的基本测度，包括度及度分布、最短距离和平均最短距离、聚类系数、网络效率和介数。为了量化网络的鲁棒性能，建立了四个评价指标，包括连通度、最大连通子图的相对大小、网络效率和出行可达率，其中出行可达率更注重于考虑网络的功能，是以流量为权重时刻画网络功能的重要指标。为了更加细致的研究网络的拓扑结构和鲁棒性，本文设计了六个攻击实验，其中随机攻击方案四个，选择攻击方案两个。首先以一个站点数目为9的小网络对所建立的模型和算法进行了验证，在证明算法正确的基础上又对一个站点数目为288的中大型现实网络进行了模拟和仿真，计算了不同实验方案下的拓扑参数和鲁棒性指标。　　采用Matlab数学软件为计算工具，对拓扑参数和鲁棒性指标进行了编程计算，初始状态下的度分布图说明了城市轨道交通网络的度服从幂率分布，体现了网络的无标度特性，攻击实验也表明网络受到随机攻击的确具有健壮的鲁棒性;拓扑参数的计算表明网络具有小世界特性，不具备高的聚类性;网络效率的计算结果表明了该网络的连通性较低。随机攻击单一节点和单一路段对路网的影响非常小，路网提供替代线路的能力很强;设定失效值，随机连续攻击节点和路段，网络仍然表现出健壮的鲁棒性;选择攻击一个节点，包括节点度最大、节点权重最大、点介数最大、聚类系数最大的节点，网络效率和出行可达率均受到较小的影响，相对而言，攻击点介数最大的节点，网络效率下降较快;选择攻击一个路段，包括权重最大和边介数最大的路段，网络鲁棒性较为突出;将节点和边按不同测度降序排列，依次进行连续性攻击发现，选择攻击节点，系统表现出显著的脆弱性，而选择攻击边系统仍然具有较强的鲁棒性，其中选择攻击介数最大的点对网络的破坏力度最大。　　通过对比分析可知，城市轨道交通网络在不同攻击策略下显现出不同的性质，选择攻击下网络比较脆弱，随机攻击下网络具有强健的鲁棒性。所研究的理论模型和算法旨在预测任何攻击可能导致的级联失效问题以及各个路段的流量的变化情况，以对应突发状况下通过减少响应时间和提前布防来提高系统的鲁棒性。
作者：	刘志祥
专业：	安全科学与工程
导师：	牛惠民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文