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原文传递城市地铁系统运行的脆弱性仿真研究及应用

论文题名：	城市地铁系统运行的脆弱性仿真研究及应用
关键词：	城市地铁;运营管理;脆弱性分析;安全运行
摘要：	作为人们日常出行必不可少的公共交通工具，地铁在现代人生活中扮演着至关重要的角色。地铁由于在土地利用、能源消耗、空气质量、景观质量、客运质量等方面的优势，逐步成为许多大城市交通发展战略中的骨干，受到城市规划者和城市居民的青睐。然而，地铁是极其脆弱的复杂社会技术系统(Socio-Technical System，STS)，地铁运营易受到干扰事件的影响，引发地铁运营事故，轻则造成列车的晚点或停运、乘客滞留无法疏散，影响人们的安全正点出行，重则造成全线路网的瘫痪、重大设备的损毁，带来人员伤亡和重大经济损失，影响整个城市的正常健康运转。除了舒适的运营环境，乘客更需要地铁公司提供一个可靠而又安全的乘车空间。在地铁系统运行过程中，将安全放在首要位置，成为众多研究人员和从业者广泛认可的观点。因此，需要进一步深入挖掘地铁系统运行不安全的原因，脆弱性为这一研究打开了一个新的视野。本文从地铁系统运行脆弱性的角度出发，明确地铁系统运行脆弱性(Metro Operation Vulnerability,MOV)的涵义及其形成原因，从地铁干扰源和地铁自身脆弱性两个方面，对地铁系统的运行安全展开仿真研究，提出控制MOV的方法和措施，给出相应改进建议，为地铁运行安全的管理和决策工作，提供理论支撑和技术支持。　　(1)通过对大量现有研究文献进行详细梳理，总结安全风险研究中事故模型的研究现状、地铁运营安全研究现状，不同领域脆弱性研究现状，以及系统仿真方法研究现状，指出现有城市地铁系统运行安全研究的不足。进而，针对现有研究及实践中地铁系统运行安全管理的不足，界定了论文的研究目标，明确了论文的研究内容，给出论文研究的框架结构。　　(2)界定地铁系统运行脆弱性（Metro Operation Vulnerability,MOV）的涵义及其形成机理。在总结地铁系统运行特征的基础之上，参考自然科学、社会科学和工程科学中脆弱性的定义，辨析脆弱性与可靠性、稳定性、鲁棒性、恢复力等有关概念的区别与联系，形成城市地铁系统运行脆弱性的概念，通过数学语言对概念进行了解析，拓展了MOV的内涵，剖析MOV的形成机理，明确地铁运行干扰事件和影响因素激发MOV造成地铁运营事故的过程，通过熵增原理对MOV的形成机理做进一步解释，以及这一过程中系统熵值的变化情况，进而确定了地铁系统运行脆弱性研究的主要研究层次和需要解决的问题。　　(3)构建了地铁运营干扰事件网络(Metro Operation Disruptive Event Network，MODEN)，解析了地铁干扰源的特性。基于地铁运营事故及风险清单，梳理总结地铁运行干扰源的类型，利用事故链描述干扰源之间的联系，以此形成地铁运营干扰事件网络。基于复杂网络理论(Complex Network Theory,CNT)，选取网络密度、度及度分布、平均路径长度和聚类系数等静态统计特征指标，考察MODEN是否具有现实网络中普遍存在的小世界特性和无标度特性，选取中心化节点指标评价节点重要程度，通过网络效率表征失去节点后网络的变化程度，考察不同节点失效对MODEN的影响。仿真分析结果表明MODEN具有较小的平均路径长度和较大的聚类系数，是小世界网络;MODEN的累积度分布符合幂律分布形式，是无标度网络。在移除网络节点方面，RA移除策略要优于IA移除策略，基于BC的移除策略在前期效果更好，基于DC的移除策略在后期更为理想;网络结构中11.54％的中心化节点至少控制了网络的79.76％的初始效率，对网络中的中心节点进行控制，能有效控制MODEN的传播效率。　　(4)明确地铁脆弱因素对系统的作用机制。针对从人员、设备设施、环境、管理、结构和应急六个方面识别出的地铁系统运行脆弱性影响因素，通过专家调查，对这些脆弱因素进行进一步精炼，并确定这些脆弱因素之间的关系。根据脆弱因素之间的关系，综合运用解释结构模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)明确脆弱因子间的梯阶层次结构，交叉矩阵相乘分类法(Cross Impact Matrix Multiplication Applied to Classification，MICMAC)绘制脆弱因子的驱动力—依赖度象限图，实现对获取的脆弱因子进行分层和分类，进而明确脆弱因素对地铁系统的作用机制。研究结果表明，地铁系统脆弱因子可以划分为最上层、中间层和最下层三个层次，最上层因素对地铁系统的作用较为直接，最下层因素对地铁系的作用较为间接。据此，确定地铁系统运行过程中，相关安全管理工作的重点，为地铁决策者提供理论支持。　　(5)量化地铁系统运行脆弱性影响因素的重要度。对识别出的地铁系统脆弱性因素，设计问卷对各因素重要度评估进行评估，量化各脆弱性因素对地铁系统的影响，并获取脆弱因素之间的影响，基于地铁系统运行脆弱性影响因素的ISM模型，提出脆弱因素作用路径的6条假设，以此构建脆弱因素的一阶因子模型;基于脆弱因素的HHM识别框架，构建脆弱因素二阶因子模型，利用结构方程模型(Structural Equation Modeling，SEM)进行了验证。研究结果表明:脆弱因素的结构方程模型能够理想地反映六个维度脆弱因素对地铁系统的贡献度以及六个维度脆弱因素之间的关系，人员、管理和应急三个维度的脆弱因素具有较高的重要度，管理因素对人员和应急因素的有显著影响，而人员因素对设备设施和应急因素的有显著影响。　　(6)构建地铁系统运行脆弱性的系统动力学模型。地铁系统运行脆弱性影响因素间的动态耦合作用促使地铁系统的脆弱性不断演变。利用系统动力学（System Dynamic，SD）建模技术，明晰地铁脆弱因素的动态反馈关系，构建地铁系统运行脆弱性因果关系图，并生成相应的流图模型，以南京地铁系统为对象，利用Vensim PLE仿真平台，模拟出该系统40年的脆弱性变化情况。研究结果表明:南京地铁系统的脆弱性总体呈现不断上升的趋势，这种趋势在地铁系统运行超过30年后特别明显;采取强化监督管理和加大安全投入的干预策略，脆弱性能够得到显著控制，强化监督管理在仿真前中期就取得较为理想的效果，加大安全投入的效果在仿真后期更为明显，这些结论能够为地铁系统脆弱性的调控提供理论指导和实践价值。
作者：	宋亮亮
专业：	管理科学与工程
导师：	李启明;George F.List
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文