面向突发事件的粮食铁水联运网络抗毁性研究

铁水联运是我国粮食物流的主体运输方式，其网络面向突发事件的抗毁能力是网络系统可靠性的重要指标，也是粮食安全的核心要素。而网络中各节点城市的重要度存在差异，不同的节点失效，会影响网络系统结构和性能，导致不同的网络抗毁性。在统计和分析粮食物流突发事件的基础上，基于复杂网络理论，以城市为节点，并以铁路或水路为边，以城市间的粮食物流联系强度为边权建立了我国的粮食铁水联运网络模型。通过Gephi和MATLAB工具分析网络的节点度、平均路径长度、聚类系数等复杂特性，建立了综合的抗毁性测度指标。结合节点城市的粮食产能、农业经济、货运能力等属性以及拓扑结构特性，构建邻接信息熵模型衡量节点重要度，完成节点体系的层级划分。研究随机攻击和蓄意攻击模式下网络抗毁性测度的变化，针对指标参数进行敏感性分析。结果表明：粮食铁水联运网络整体呈现小世界特性和无标度特性。节点体系的层级网络中，一级节点枢纽作用最强，尤其是广州、上海、重庆等关键节点“沿线”和“沿水”特征明显，需重点维系和保护；二级节点数量最多，分布最广，包含大量东部地区交通枢纽城市和各个粮食主产地，“沿线特征”明显；目前，三级节点中，成都、贵阳、昆明等西南...     

航路网关键节点识别及抗毁性分析

为研究关键航路点的失效成本,给空管和航空公司提供决策支持,基于我国航路网结构,从机场间的连通时间成本出发,提出基于改航可达性的关键航路点识别算法,将识别出的关键航路点与其他网络指标下的关键航路点进行抗毁性仿真对比。研究结果表明:中西部连接处航路点失去通行能力后,航班绕飞的时间成本较大,具有较大的改航可达性; A461、G212、A593等主干航路上的航路点拥有较大的加权改航可达性,总时间成本较大;识别出的关键节点拥有较大的度和介数值;基于度值和加权改航可达性的连续攻击对航路网破坏较大。     

城市轨道交通运行风险演化网络动态仿真研究

为探究轨道交通事故中的重要风险类别，从风险演化角度出发，根据172起轨道交通运行事故，梳理出354条风险演化链，总结出35个风险因子，在此基础上基于复杂网络分析方法构建城市轨道交通运行静态风险演化网络。根据网络拓扑特征识别网络中高影响力的风险节点，并利用蓄意攻击失效的原理从单个节点失效与节点连续失效角度进行动态仿真，以探究风险对整个网络的影响程度。结果表明：静态风险演化网络属于复杂网络；列车脱轨、列车停运/延误、列车其他设施故障、暴力恐怖袭击事件、滞留、火灾和人员伤亡在网络中具备较高地位，属于轨道交通运行静态风险网络的中心节点；列车停运/延误、制动故障、列车其他设施故障和火灾节点的失效对轨道交通运行具有突出影响，当制动故障、列车其他设施故障均失效后，即连续失效节点数为2时，风险网络的网络连通度出现拐点。研究确定了影响轨道交通运行的关键风险，分析结果可为城市轨道交通运行安全管理及事故演化控制提供参考依据。     

中国航空货运网络脆弱性分析

基于复杂网络理论以机场为节点并以航线为边建立了我国的航空货运网络,用以分析网络中的重要节点、重要边以及网络的抗毁性。针对建立的航空货运网络,首先分析其基本结构特性,了解网络的整体性质,发现网络呈现出小世界特征,网络的度分布不是很明显地服从某种分布,只是相对而言更服从指数分布,同时,西安、成都、昆明、重庆构成了整个网络的枢纽。然后提出了7种攻击策略以研究网络的抗毁性,包括基于最大度、重新计算的最大度和介数的去点攻击,以及基于边介数和边权重的去边攻击,并使用网络效率和最大连通子图尺寸这2个测度指标来衡量网络的损毁程度。基于2017年的航空货运数据进行仿真分析,试验结果表明,基于介数的去点和去边攻击对网络的结构损毁最大,基于权重的去边攻击下的网络的脆弱性下降速度较介数攻击慢。经进一步挖掘,得到了需要重点保护的机场和航线,并分析网络脆弱性的形成因素,同时提出相应的抗毁建议。航空货运网络在遭受恶劣天气影响和恶意袭击下,可能造成机场或航线被关闭,因而引起货流的分流,研究结果可以为应对这种情况提供可行性见解,避免或减小经济损失。     

城市燃气输配系统网络结构抗毁性评估

为提高城市燃气输配系统网络结构抗毁性,针对其结构复杂,功能设备联系紧密,转换节点多等特点,建立网络模型,选取网络模型参数及抗毁性测度指标,对系统在不同攻击策略和模式下的抗毁性进行模拟仿真。研究结果表明:基于节点介数对城市燃气输配系统抗毁性影响最为显著;不同攻击策略下连续移除节点数目越少引起该系统抗毁性的变化越大;破坏初期进行维护是提高系统抗毁性最有效的途径。     

多情景下航空公司航线网络抗毁性研究

航空运输易受多种外部因素干扰，评估不同情景下航线网络的运行水平对有效减轻外部干扰具有重要意义。运用复杂网络方法，分别构建国内3家航空公司(A、Z、M)无向加权航线网络。基于网络拓扑结构，进一步考虑空间灾害影响，利用加权度中心性、加权介数中心性和机场灾害风险度识别重要节点，并设计随机、蓄意和自然灾害3种灾害情景，借助网络效率和最大连通子图相对大小评估航线网络抗毁性。结果表明：3家航空公司的航线网络对随机灾害具有较强的抗毁性，而对蓄意灾害表现出脆弱性；其中，基于加权介数中心性的蓄意灾害对航线网络的破坏性最大，且蓄意灾害下Z航线网络更容易瘫痪；暴雨对3家航空公司航线网络的破坏力大于沙尘暴大于随机灾害，且自然灾害下M航线网络更容易瘫痪。     

基于DBN的机场飞行保障运行系统可靠性研究

为了防止机场运行环节失效导致航班不正常运行，提出了机场飞行保障运行系统可靠性的概念，并根据行业规章的要求，确定了机场飞行保障运行系统关键节点可靠性的参数及计算过程，给出了以顶层参数可靠性为目标的参数逻辑。分析得出了机场运行过程关键任务节点，建立了故障树，依据故障树逻辑门向动态贝叶斯网络(Dynamic Bayesian Networks, DBN)转化的映射规则，将故障树转化为DBN模型。以华北地机场的飞行保障运行系统进行应用实例分析，结果表明，停机坪地面服务保障阶段对机场飞行保障运行系统可靠性影响最大，其中加油作业中设备恢复环节、机务保障中航空器推出环节、行李货物装卸作业中装卸环节和设备靠机环节、上下旅客保障作业中设备靠机环节和上下客环节属于停机坪地面服务保障阶段的薄弱环节。该模型在用于国内机场飞行保障运行系统可靠性分析时，用后验概率可以识别出机场运行过程失效的原因，用敏感性分析可以识别出机场运行过程中关键薄弱环节。     

鱼骨式航路网络建模及抗毁性分析

为保障航空器航路飞行安全,提高恶劣天气、军事活动等事件发生时航路运行效率,针对单条完整航路及进出此航路的航线段,基于复杂网络理论建立鱼骨式有向加权航路网络模型;建立度、加权度、介数等抗毁性攻击的去点指标,分析指标特性及在蓄意去点攻击和随机去点攻击条件下航路网络抗毁性;以中国A593航路为例,进行实例验证。结果表明:鱼骨式有向加权航路网络负向匹配;航路网络对基于度、加权度、介数等的蓄意去点攻击的抗毁性低于其对随机去点攻击的抗毁性。     

预案视角下城市防汛应急组织间网络鲁棒性评价

为解决城市防汛应急预案在制订过程中,相关组织应急协同能力难以量化的问题,提出考虑级联失效的城市防汛应急组织间网络鲁棒性评价方法。首先,以北京、上海与深圳市防汛应急预案为研究对象,构建组织间网络,并提出网络攻击策略与鲁棒性评价指标;其次,计算网络特征统计参数,并分析网络拓扑特性;然后,以自然连通度为鲁棒性指标,评价城市防汛应急组织间网络在遭受节点单次攻击与连续攻击下的鲁棒性;最后,对比不同攻击下网络的鲁棒性强弱并找出对鲁棒性影响较大的关键组织。结果表明：北京、上海与深圳市防汛应急预组织间网络具有无标度特性和小世界特性;节点单次攻击时,相较于非级联失效情形,组织间网络在级联失效情况下鲁棒性较弱,造成级联失效节点数较大的组织为影响网络鲁棒性的关键组织;连续攻击时,组织间网络在蓄意攻击情形下鲁棒性较弱,度值较大的组织为影响网络鲁棒性的关键组织。     

核事故场内人员撤离网络级联失效分析

核事故发生后,选择快速有效的撤离路径是核设施场内人员安全的重要保障。基于贝叶斯网络推理,结合给出的先验知识和条件概率,构建了贝叶斯网络结构并进行参数学习,分析了不同样本数据量的学习结果。对比分析了基于贝叶斯网络分析前后网络级联失效情况,采用级联失效模型分析了人员撤离网络抗毁性,针对级联失效影响相对较大的节点,可采取增加该节点容量或加大对该节点撤离路径指导等方法。     

基于介度熵的机场飞行区关键冲突点识别*

为了探究机场航班流量增大和作业车辆增多而导致机场飞行区内频繁出现活动目标冲突情况，提出1种基于介度熵的机场飞行区关键冲突点识别方法。首先，以飞行区内活动目标为节点，活动目标之间的潜在冲突关系为连边，建立飞行区交通态势网络模型。然后，采用介度熵法评价交通态势网络中各活动目标的冲突指数，得到冲突指数最大的活动目标即关键冲突点。最后，将介度熵法与度中心性、介数中心性和邻接信息熵3种识别方法进行对比，并以西安咸阳国际机场为例进行验证。研究结果表明:识别飞行区关键冲突点时，介度熵法较其他3种方法更有效。通过建立飞行区交通态势网络，采用介度熵法识别飞行区关键冲突点并进行调配，一定程度上可以有效预防冲突发生，保障飞行区运行安全。     

航空相依网络的鲁棒性与拥堵性分析

为保障航空网络在恶劣天气、军事活动或空管设备失效等影响下的安全性和有效性,以华北地区为例,建立由机场网络、航路网络、管制网络互相连接而形成的航空相依网络,并基于空中交通管理运行下的失效与拥堵规则,计算失效与拥堵模式下航空相依网络的鲁棒性与拥堵的测度,分析其鲁棒性与拥堵性。结果表明:航空相依网络的静态鲁棒性比动态的好;管制网络对航空相依网络的鲁棒性影响最大;边对航空相依网络的鲁棒性影响比节点的大;航路网络对航空相依网络的拥堵性影响最大。     

交叉跑道构型下进近阶段飞行冲突情景网络构建

为防范机场终端区飞行冲突,应用案例分析、情景构建和复杂网络等方法和理论,研究航空器在交叉跑道机场进近阶段飞行冲突的演变机理。以北京大兴国际机场为研究对象,分析了交叉跑道运行的飞行冲突风险因素;收集整理了2010—2019年飞行冲突事件共906例,构建了飞行冲突的情景演化网络模型,分析了网络的度中心性、介数中心性和接近度中心性等参数。结果表明：1)网络的密度为0.009,平均度为1.392,平均路径长度为2.945,表明该网络结构松散,符合复杂网络的小世界特性;2)关键的风险因素为复飞V₂、目视C₂₄、停止下降C₃、对讲机卡阻波道C₇、偏离程序C₂₀,这5个节点综合值较高;3)复飞V₂为断链控制的关键节点。形成了飞行冲突情景演变的可视化网络,同时从大量案例中提取的数据为断链控制策略的制定提供了决策依据。     

基于集对云的机坪运行管理移交安全评价研究*

为对航空器机坪运行管理移交下运行安全状况做出科学合理的评价,结合具体机场的机坪运行复杂性,首先引入PSR模型,从压力、状态和响应3个方面构建管理移交机场机坪运行安全评价指标体系;随后使用熵值法进行指标权重计算,并运用欧几里得度量函数进行组合赋权;接着引入集对理论和云模型,结合组合权重使用正向云发生器确定综合云联系度,利用Python绘制等级云图,评判系统安全等级;最后以某大型机场为例进行验证。研究结果表明:本文所提出的机坪运行管理移交安全评估评价方法经验证与实际运行情况相符,能够为机坪运行安全评价提供理论参考。     

铁路快捷货运网络鲁棒性分析

为保障铁路快捷货运运营面对突发事件时的稳定性,采用复杂网络及鲁棒优化理论,研究铁路快捷货运网络(REFN)拓扑特性及鲁棒性。首先,计算网络特征统计参数,分析REFN拓扑特性;然后,评价REFN中的重要节点,建立基于线路等级、度值、介数的综合评价指标;最后,计算不同攻击方式下的鲁棒性指标,对比分析有无级联失效情况下REFN鲁棒性。结果表明:与传统复杂网络节点重要性评价指标相比,考虑线路等级计算出的重要节点对网络鲁棒性影响更大; REFN在随机攻击下具有鲁棒性,在蓄意攻击下表现出较强的脆弱性,在考虑级联失效的情况下网络的脆弱性更加突出。     

基于复杂网络的城市燃气输配系统失效因素分析

将复杂网络相关理论方法引入城市燃气输配系统失效因素的分析中。选取引起城市燃气输配系统失效的主要影响因素为节点,以它们之间的相互关系为边,建立网络并进行相关分析。发现节点的度分布近似具有幂律的特性,幂指数为1.76;通过节点度的分析,确定出管道附属设备、用户设施失效、第三方影响破坏等因素为引起输配系统失效的主要原因,与引起燃气事故的统计分析资料基本相符合。这为确定城市燃气输配系统关键失效因素提供了一种新的思路。     

地铁线网抗毁性优化分析

为科学评价地铁线网的抗毁性,加强运营地铁线网的管理,结合复杂网络0-1邻接矩阵的含义,改进传统粒子群优化(PSO)算法;通过对比改进PSO算法与遗传(GA)算法的优化结果,建立基于改进PSO算法的复杂网络抗毁性优化方法。以武汉市地铁线网为例,将该线网看作复杂网络,进行抗毁性优化;基于优化结果和实际情况,删选优化增边信息,提出优化方案,并与武汉市2017年的规划线路进行对比。结果表明,武汉市地铁线网的抗毁性可通过增加边来进一步优化,改进PSO算法在地铁线网的抗毁性优化中是可行的。     

基于复杂网络的空中交通态势风险评估方法

为提升空中交通管理系统运行能力,利用复杂网络理论研究空中交通态势风险的客观测度方法。以航空器、航路点、航路为节点,提出这3类节点间风险关系的计算方法,并以风险关系为边,建立动态加权空中交通网络模型;将网络中所有边的权值总和定义为空中交通态势总体风险值;选取典型空中交通情景计算验证模型的有效性。研究表明:空中交通态势风险值随航空器之间汇聚度、航空器与关键点接近度以及航空器偏离航段程度的增强而增大,反之亦然。因此,该方法综合空域结构和交通流特征对空中交通态势的影响,量化了空中交通态势的风险程度。     

终端区飞行冲突事件情景演变网络构建研究

为了控制终端区飞行冲突的风险,基于复杂网络,将飞行冲突的情景演变过程转化为复杂网络进行分析计算.分析侧向交叉跑道机场的主要安全风险,构建包含527个节点与2644条边的终端区飞行冲突情景演化复杂网络模型;采用无权有向网络中的节点度、度中心性、介数中心性、聚类系数等进行风险分析;采用Dijkstra算法,确定影响飞行冲突...     

基于STPA方法的航空事故网络关键节点分析

使用STPA方法对48起航空安全事故展开分析,提取事故链,构成航空事故网络。基于复杂网络理论,对航空事故网络进行转化,构建有向加权网络,并对节点在网络信息传播中的重要度展开分析,识别网络运行中重要度较高的点。为充分筛选航空事故网络中的节点,遏制事故信息在网络中的流转,基于节点强度信息改进了聚类算法,并计算了网络节点的聚类系数。提取事故网络中聚集性较高的点,对其施加安全约束措施,从而提高系统运行的整体安全水平。结果表明,“进行了错误的控制行为”是事故网络中聚类性最为突出的节点,具有较高的防控价值。改进的聚类算法能够更为充分地利用网络信息,突显事故网络中的关键性节点,从而实现节省安全投入、提升安全效益的目的。