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原文传递基于级联失效的城市轨道交通网络脆弱性研究

论文题名：	基于级联失效的城市轨道交通网络脆弱性研究
关键词：	城市轨道交通;网络脆弱性;站点抗风险能力;动态客流;耦合映像格子模型
摘要：	城市轨道交通因其可靠性、便捷性、环保性等优势，成为越来越多出行者的主要选择，是我国公共交通系统的重要组成部分。随着城市轨道交通的快速发展，轨道交通系统运营呈现网络化和复杂化的特征，客流量大幅增长且聚集化明显。然而，城市轨道交通极易受到列车、电力或通信故障等日常运营事件的影响，同时也面临自然灾害、恐怖袭击等破坏性事件的严重威胁。受轨道交通客运量大、环境封闭、空间集聚等因素制约，当某一站点因事故关闭后大量乘客被迫转移至周边站点，因严重拥堵引发更多站点的失效，甚至造成整个网络的瘫痪。因此，学者们从轨道交通网络脆弱性的角度研究失效下轨道交通网络的性能特性。现阶段，轨道交通网络脆弱性的研究侧重于解析网络拓扑和功能特征的变化，而对于级联失效的传播机理和演变特征尚不清楚，这将低估失效的后果和轨道交通网络的脆弱性。因此，不同失效情况下，探究级联失效的特征和规律，以及级联失效情况下的脆弱性的研究具有重要的理论和实际意义。　　为了分析级联失效下网络脆弱性，本文首先明确了城市轨道交通网络脆弱性概念及定义，界定了网络脆弱性的研究范围及研究内容。其次，结合动态客流传播特性，在耦合映像格子模型基础上构建城市轨道交通网络级联失效模型。改进的模型方法不仅捕捉了级联失效时大客流的风险，还量化了包含拓扑冗余和站点容量的抗风险能力。以示例网络为例，模拟了网络级联失效传播过程，验证了改进的级联失效模型的有效性和适用性。然后，基于改进的级联失效模型，提出了级联失效下网络脆弱性评价指标，从站点失效率、受影响乘客率和乘客出行时间损失三个维度，建立了城市轨道交通网络脆弱性的评估方法。基于级联失效时空演化规律，量化了风险扩散过程中的网络脆弱性，解析了网络结构和动态客流特征对网络脆弱性的影响关系。最后，本文以上海市轨道交通网络为例进行验证和分析。本文的创新点主要包括：1）提出了基于站点抗风险能力的CML模型，揭示了轨道交通网络级联失效的动态演化过程和失效传播方式；2）模拟了外部扰动因素与级联失效的作用关系，捕捉了大客流扰动对轨道交通网络的影响；3）建立了级联失效下轨道交通网络脆弱性动态模型方法，解析了客流权重下网络性能动态损失规律，识别了动态风险演化中的关键站点。　　研究结果表明，网络级联失效的传播方式取决于站点的抗风险能力、地理位置和相邻站点类型等因素。站点的抗风险能力具有阻断初始阶段失效传播的作用，在相同失效阶段，换乘站的拓扑冗余性较高，表现出更强的抗风险能力；当网络单一支线上站点失效时，轨道交通网络更脆弱，但该结果在替代线路冗余强的城区内并不显著。客流因素对于网络的耦合影响具有主导作用，大客流扰动会导致网络更脆弱。研究结果旨在帮助运营和管理者制定有针对性的降低网络脆弱性的措施。地铁运营和管理人员需要重点关注郊区网络支线上的换乘站，并优先修复环线上的失效站点。同时，注重与地面公交系统的接驳规划和设计，以提高多模式交通系统在灾害事件下的鲁棒性。
作者：	张磊
专业：	交通运输工程
导师：	路庆昌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022