基于复杂网络理论的山地城市轨道交通与路网关联脆弱性研究

Urban transportation systems composed of rail transit, road systems and other modes of transportation are important parts of infrastructure systems, they are typical complex systems. City development and the normal life of urban population today are increasingly dependent on the safety, reliability and efficient operation of such systems. However, due to particularity and interdependency of the transportation systems in mountainous cities, vulnerability of the systems are exacerbated. So, this project uses urban rail transit and road systems in mountainous cities as background, and studies interdependent vulnerabilities of the systems utilizing the theories and methods of complex network. Starting from single system, vulnerability analysis of interdependent systems induced by failures are focused on. First, a comprehensive analysis of the vulnerability conception and related connotation is presented, vulnerability metric sets are built. Then, the systems are modeled by considering the systems characteristics of topology, function and interdependences. On this basis, This project intends to provide an assessment on the perspective of global vulnerability, local vulnerability, and key components. A set of research platform is designed to give a scientific assessment process. Finally, empirical analysis will be given to verify the effectiveness of the adopted measures to the systems under emergencies. The research results of this project can provide important reference for the planning and design of mountainous urban transportation systems.

由轨道交通、路网以及其它交通方式组成的城市交通系统是重要的城市基础设施，是典型的复杂系统。保证其安全、可靠、高效运行事关群众正常生活和城市发展。山地城市因其地域地貌的特殊性和不同交通方式间的关联性，使城市交通系统更具脆弱性。本课题拟以山地城市轨道交通与路网为背景，采用复杂网络理论与方法，针对由交通异常事件而触发的系统关联脆弱性问题，从单一系统入手，以关联系统为重点来研究系统的关联脆弱性。拟分析系统脆弱性内涵，建立适用于山地城市轨道交通与路网的脆弱性指标体系；结合山地城市轨道交通与路网的拓扑结构、功能特性与关联关系，分别对其结构、功能与关联性进行建模；从全局、局部以及关键组件三个不同视角提出评估脆弱性的手段和方法；搭建脆弱性仿真和评估平台，形成科学的关联脆弱性评估流程；通过实证分析，验证提高山地城市交通系统应对突发事件能力措施的有效性。本课题研究成果可为山地城市交通系统规划设计提供重要参考。

.由轨道交通、路网以及其它交通方式组成的城市交通系统是重要的城市基础设施，是典型的复杂系统，其脆弱性问题关乎国计民生。分析、理解、识别其脆弱性，进而提出相应的抗干扰措施和改进策略，提高基础设施系统的可靠性，成为了当前研究的一个热点课题。倍受各国政府及学术界重视。在青年科学基金项目（61503166）资助下，本项目组已在脆弱性指标体系建立，单一、关联网络建模、关联关系建模、以及它们在不同攻击模式下的脆弱性分析等方面取得了一定的成绩, 发表相关学术论文16篇，其中SCI收录12篇，EI收录3篇。具体地，主要工作如下：① 针对地铁网络，对地铁网络的拓扑属性使用复杂网络理论与方法进行了定量分析; 提出了一种从城市轨道交通网络中提取枢纽网络的方法，并分析了枢纽网络的特点；研究了地铁网络在随机攻击和蓄意攻击下的相变过程；提出了最可能成为恐怖袭击目标的关键密集区域的识别方法，给出了地铁网络关键区域脆弱性值的计算方法；计算了控制整个网络的驱动节点的最小数目。② 对于路网，利用复杂网络理论给出了高速铁路网在不同恶意攻击下的结构脆弱性评估方法；以山地城市路网的桥梁基础设施系统为对象，提出了一种基于机敏网的裂纹监测方法，对裂纹的萌生时间、长度、扩展、形状、位置等不同特征进行监测。③ 对于电力网络，建立了一个从结构和功能两方面研究电网鲁棒性的框架；提出了多角度多维度脆弱性分析方法，讨论了不同脆弱性模型的相关性；分析了恐怖袭击下电力系统的脆弱性；研究了由节点和边过载导致的级联故障下的脆弱性，分析了电力系统在级联故障下的响应，探讨了关键部件的识别策略。④ 对于关联基础设施网络，给出了一个框架来分析相互依赖的基础设施网络在蓄意攻击下的脆弱性，分别从关联类型、运行状态、基础设施特性、故障类型、耦合和响应行为、基础设施环境等不同方面分析了其关联性，结合基础设施系统脆弱性分析框架，对关联基础设施系统进行了脆弱性分析。同时考虑了攻击的情景，提出了一种基于社团检测的关键区域识别方法。结合真实网络数据，研究了单一和关联环境下不同关键区域的脆弱性。