关联站点协同攻击下轨道交通网络脆弱性研究

为探究轨道交通网络多个关联站点受到蓄意攻击后网络的脆弱性以及不同攻击下影响的差异，量测分析多站点之间的关联性，给出关联站点协同攻击下轨道交通网络脆弱性量化方法，提出以脆弱性最大化为目标的攻击模型，通过免疫算法求解模型，得到最优攻击策略，并以上海市地铁网络为例，研究多站点协同攻击下轨道交通网络脆弱性。结果表明：多站点蓄意攻击下轨道交通网络脆弱性不仅取决于每个站点的重要程度，还取决于不同站点之间的关联性，尤其是空间位置关联性和乘客出行关联性。位于不同线路且客流量较大的多个换乘站点受到协同攻击下轨道交通网络脆弱性最高，占网络站点总数3.56%的多个站点同时受到攻击后，轨道交通网络性能损失最高可达63.61%。     

城市地铁网脆弱性分析

为了保证地铁交通网络安全、高效地运行,提高地铁网络的抗攻击能力,根据复杂网络基本理论,从乘客出行延误时间、需求未满足乘客数量2个方面研究连边和站点的重要性,进而构建网络服务效率评价指标体系,以评价整个地铁网络的脆弱性。以上海地铁网为例,借助Matlab模拟不同攻击方式下的网络服务效率。结果表明,站点和连边的重要性随着网络中其他连边或站点的失效而发生变化;站点的脆弱性受其地理位置、运送旅客数量及可换乘性的综合影响;上海地铁网对连续重要性攻击表现出最大的脆弱性。     

基于复杂网络理论的北京地铁网络脆弱性评估

以北京市现有地铁线网为研究对象,使用Space L方法构建拓扑网络,为更加符合实际情况,对换乘车站进行了拆分。分析中,综合考虑连通OD对和出行效率两个因素,以运输能力损失作为评估网络脆弱性指标。随后,计算分析了单节点攻击、随机攻击、静态攻击和动态攻击下造成的地铁网络运输能力损失的变化规律,得出动态攻击对地铁网络影响最大。在该攻击方式下,相对基于度的动态攻击,地铁网络对基于介数和基于ER的动态攻击,具有更高的脆弱性。同时攻击介数较大的节点对网络南北方向运输能力影响较大;攻击对出行效率影响较高的节点对网络东西方向运输能力影响较大。因此,在地铁运营过程中,应针对不同站点的节点属性和事故发生情况,采取相关防护措施。     

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。     

公交接驳场景下轨道交通网络脆弱性研究

为准确地评估突发事件下轨道交通网络的脆弱性,提高网络抵抗风险的能力,在轨道交通拓扑脆弱性研究的基础上,考虑网络中实际的客流以及站点失效情景下公交对客流的接驳作用,基于用户的平均出行时间损失构建脆弱性评估模型,以上海市地铁网络为例,识别出网络中的关键站点,同时,分析不同公交接驳效率对轨道交通网络脆弱性的影响。研究结果表明:在公交接驳场景下,轨道交通网络中时间加权度和客流介数中心性较高的站点一旦失效,对用户造成的平均出行时间损失较大;此外,公交接驳效率越高,轨道交通网络的脆弱性越低,当公交接驳效率高于0.4时,对用户造成的平均出行时间损失可降低到5%以下。     

基于ANP的地铁站点网络脆弱性评价

为准确判定地铁网络中各个站点的安全现状,建立基于网络层次分析法(ANP)的网络脆弱性评价模型。首先,从内部因素、外部因素以及通道因素3个维度分析网络脆弱性的内涵,并依据复杂网络理论,选取11个评价指标,构建地铁站点的网络脆弱性评价体系。其次,基于ANP法确定各层指标的权重,建立评价模型。最后,以北京地铁系统为例,对其11项指标数据进行归一化处理,依据该模型评定各个站点的网络脆弱性。计算结果表明,北京地铁网络整体安全状态良好,国贸站和七里庄站是脆弱性最高的站点。     

中国高速铁路网络脆弱性分析

为提高我国高速铁路网络(HSRN)面对突发事件的抗毁性和可靠性,保障HSRN平稳而高效率地运营,基于复杂网络理论,构建3个发展时期的HSRN拓扑结构,探究网络的拓扑特性和发展趋势。利用站点重要性综合评价指标挖掘HSRN的重要站点。通过计算网络效率和最大连通子图,分析HSRN在随机攻击和蓄意攻击下的表现。结果表明:我国HSRN在中期发展阶段是以增加网络连通度为主,在长期发展阶段是以丰富集聚效应为主;站点重要性排序显示,武汉、天津、长沙和襄阳将成为不同发展阶段的重要站点;HSRN对随机攻击有鲁棒性,对蓄意攻击有脆弱性。     

基于脆弱性的地铁网络事故蔓延模型构建研究

为了解决地铁系统事故中应急方案的合理制定问题,针对网络化条件下的事故蔓延机理进行研究。首先,通过对脆弱性进行内涵分析,明确脆弱性概念在安全管理和安全评价中的特点,阐明脆弱性作为事故蔓延扩散特征参数的合理性;其次,以脆弱性为依托,分析地铁事故沿网络拓扑的蔓延机理并据此构建地铁网络事故蔓延引力模型;最后,以北京地铁为例对建立的模型进行测算,验证模型的有效性。结果表明:西直门发生事故时,车公庄、新街口、积水潭和平安里是4个一级应急响应站点。     

基于多重影响力的公共交通网络中地铁车站脆弱性评价

为全面衡量地铁车站的脆弱性水平,构建了兼顾自身脆弱性和所受影响的综合脆弱性评价模型。首先,从暴露性、敏感性和适应性3个特征要素出发,辨识客流扰动下地铁车站脆弱性的影响因素,并构建自身脆弱性评价模型;然后,引入多重影响力模型分析公共交通网络中节点脆弱性之间的影响关系,构建综合脆弱性评价模型;最后,利用该模型分析北京市典型车站的脆弱性。结果表明,西直门、东直门、国贸和西二旗站的自身脆弱度为0.309 7、0.684 5、0.331 9和0.709 0,而综合脆弱度为0.095 1、0.154 1、0.340 7和0.073 0。具有最高自身脆弱度和综合脆弱度的车站分别为西二旗站和国贸站。综合评价模型的计算结果兼顾了网络中其他车站对待评估车站的影响,较自身评价模型更具合理性。该模型不仅能够识别自身抵御能力较为薄弱的站点,还能把握脆弱性在网络中的传递和演变路径,为制定客流引导和控制方案提供了依据。     

基于复杂网络理论的轨道交通网络脆弱性分析

城市轨道交通是城市客运体系的重要支撑,而突发事件易使某些轨道交通站点瘫痪,从而影响轨道交通网络全局效率。分析城市交通轨道网络的拓扑特征和脆弱性对于优化路网结构、保障稳定运营有重要意义。以重庆市轨道交通网络为例,使用Space L法构建拓扑网络并用Matlab软件分析节点度、平均路径长度、聚类系数等指标和分布规律,定量计算各个站点对于蓄意攻击的脆弱性,以鉴定对网络效率影响最大的关键站点。模拟攻击实验结果表明:现阶段重庆市轨道交通网络平均路径长度较大,聚集系数较小,网络连通性有待提高。面对蓄意攻击时,红旗河沟站和大坪站作为关键节点对网络效率的影响较大。在加快重庆市轨道交通建设的同时,应在运营中加强保护关键站点。     

基于动态可靠性评价的区域铁路网规划优化:以成渝城市群为例

为保障区域铁路运输的安全性,提升铁路网系统灾时应急响应水平,运用复杂网络理论,以成渝城市群为例,构建无向无权铁路物理网和无向加权铁路车流网2种模型,选取最大连通子图的相对大小、网络鲁棒性、网络全局效率指标,从节点故障和边故障2个方面评价铁路网动态可靠性,并提出铁路网安全运营规划优化建议。研究表明:成渝城市群铁路网面对随机攻击具有鲁棒性,面对选择攻击具有脆弱性;网络故障条件下攻击的方式不同,网络的连通性能和信息传递效率分异显著;重庆北站、重庆站、成都东站、成都站、合川站、达州站,成都站-彭山站、新津站-新津南站、新津南站-彭山北站为影响网络可靠性的关键核心站点和路段。     

自建房火灾致因网络拓扑特征及脆弱性研究

为预防我国自建房火灾的发生,首先,基于事故致因“2-4”模型分析39起自建房火灾事故案例,编码得到48个致因因素和128条致因关系;然后,基于复杂网络理论构建自建房火灾致因网络拓扑结构模型,分析网络的度、介数和接近中心性等拓扑特征;最后,以最大强连通子图相对大小、最大弱连通子图相对大小和全局网络效率作为网络脆弱性评价指标,仿真分析不同节点攻击策略下网络的脆弱性,得到自建房火灾关键致因因素,并提出防灾措施及建议。结果表明：自建房火灾致因网络具有小世界效应和无标度特性,致因间转换路径较短,少数关键节点与大多数节点相连;自建房火灾致因网络在遭受单个节点故障和随机累积节点故障时具有一定的鲁棒性,遭受蓄意累积节点攻击时,表现出较强的脆弱性;采用累积节点攻击策略中的蓄意度攻击时,网络表现出的脆弱性最强,度排序靠前的节点较为重要,是自建房火灾关键致因因素,为自建房消防安全管理提供理论参考。     

突发事件对城市轨道交通网络的影响研究——以北京市为例

为降低突发事件对城市轨道交通网络可能产生的负面效应,增强轨道交通站点的突发应变能力,以北京市为例,研究站点的突发停运事件对轨道交通网络产生的影响。基于复杂网络理论,运用空间L法构建北京市轨道交通网络模型,并结合站点的等级性-协同性特征,探讨不同类型的站点停运对轨道交通网络完整性和便捷度的影响。结果表明:等级性低的站点以及放射状线路中等级性高的站点停运对北京市轨道交通网络完整性的破坏较大,等级性高协同性强的站点停运对网络便捷度的影响较为突出。建议在北京市轨道交通的运营管理中,加强对关键站点的维护和管控。     

基于投影寻踪的地铁车站工程暴雨内涝脆弱性评价

为科学评价地铁车站工程暴雨内涝脆弱性,增强暴雨内涝灾害的预防和应急能力,减少人员伤害和财产损失,首先,基于压力-状态-响应(PSR)模型,全面识别地铁车站工程暴雨内涝脆弱性影响因子,并据此构建评价指标体系;然后,将投影寻踪方法、粒子群算法等方法相结合,构建地铁车站工程暴雨内涝脆弱性评价方法;最后,选取成都地铁11号线的所有车站工程进行实证分析。研究表明:不良周边环境要素、挡水墙高度以及救援物资储备情况对地铁车站工程暴雨内涝脆弱性影响显著,应予以重点关注;适应性是其脆弱性的关键构成要素;实证分析结果与2018年汛期内各车站工程受灾情况基本一致。     

考虑网络韧性的城市轨道交通故障恢复研究

为提升城市轨道交通的可靠性,提出一种基于区间修复的城市轨道交通故障恢复策略;以网络平均效率度量网络韧性性能函数,按不同折返区段分段处理失效线路,构建以网络韧性损失和恢复总时长最小为目标的城市轨道交通故障恢复模型,设计NSGA-Ⅱ算法求解模型;并以成都地铁网络为例,探讨环线失效和放射线失效2种场景下列车运行交路调整对网络恢复决策及网络恢复性能的影响。结果表明：提出的故障恢复方法能有效避免站点修复完成后仍需长时间等待其他站点修复完成才能接入线网运营的情况,考虑列车运行交路调整恢复方案的韧性损失比不考虑运行交路调整时减少28.3%;是否考虑列车运行交路调整对网络环线线路的故障恢复决策影响较大,对外围放射区域线路的故障恢复决策影响较小。     

成都地铁网络的关键节点识别方法及性能分析

为提高地铁网络性能分析的精度,基于复杂网络理论分析成都地铁网络的拓扑特性,构建节点重要度评价指标体系,应用灰色关联和逼近理想解法(TOPSIS)综合评价排序136个节点,完成关键节点的识别;采用网络效率等4个参数作为网络性能衡量指标,观察30个关键节点被蓄意攻击、106个普通节点被随机攻击后的网络性能变化趋势。结果表明:成都地铁网络在Space L模型下平均度为2.147,平均路径长度为13.146 5,网络介数、连通度、效率等指标较低,并识别出以成都东客站为首的30个关键节点;蓄意、随机攻击下网络效率与自然连通度下降趋势较慢,网络连通度与最大连通子图的下降趋势较快。     

城市地铁网络系统运行脆弱性分析

为提高城市地铁网络系统(UMNS)运行的抗风险能力,降低事故造成的经济、社会损失,对UMNS运行脆弱性进行研究。通过对UMNS的特点和事故案例统计分析,将UMNS的运行脆弱性分解为物理、结构和社会功能3类脆弱性,解析UMNS运行脆弱性在事故发生过程中的作用,定义UMNS的运行脆弱性为UMNS在运行阶段抵御来自系统故障、人为失误、社会干扰的能力中的缺陷。通过案例分析,解释运行脆弱性的发生机理,提出降低UMNS运行脆弱性的相关建议。研究表明:UMNS运行脆弱性对地铁事故的发生、蔓延和最终损失有关键性影响;物理和社会功能脆弱性在事故发生的初期影响较大,结构脆弱性对事故在网络中的蔓延有较大影响,社会功能脆弱性则影响着最终事故的损失大小。因此,降低UMNS运行脆弱性应从结构、网络和社会功能3个方面综合展开。     

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。     

无序多分类Logistic回归的地铁扶梯事故特征分析

为探究影响地铁扶梯事故的主要因素,以北京地铁扶梯事故数据为基础,利用无序多分类Logistic回归方法,研究地铁扶梯事故的特征,通过控制相关因素来预防地铁扶梯事故的发生;分析894起地铁扶梯事故的事故形式、解释变量与响应变量的类型及属性,构建无序多分类Logistic回归模型,识别主要影响因素,计算各类影响因素对事故的贡献大小。研究结果表明:针对不同类型事故,制定不同的环境因素、乘客特征、乘客行为因素、线路因素的重点管控策略,可降低地铁扶梯事故的发生;该研究方法能够用于地铁扶梯事故预测研究,解决变量无序且多元的相关性分析和贡献大小的定量分析问题。     

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。