基于复杂网络理论的地铁系统脆弱性研究

This project uses the real metro system as the background, and investigates the vulnerability of metro systems subjected to failures from the perspective of complex networks, the main research works include: we adopt complex network theory to abstract the topological structure of metro rail network to construct the related conceptual system of metro system and to investigate the characteristics of metro rail network, personality and individuality and common property; from the idea of system science, we apply complex network theory and method to construct networked theoretical model and vulnerability indicator of network, so as to investigate the vulnerability of metro rail network from two aspects of topological structure and transport functionality, respectively; we construct the model of interdependent metro network, and discuss the interface design program among the rail network and the related power grid and communication network, so as to investigate the dependent indicators between two networks; for interdependent metro network, we construct research model of vulnerability, design vulnerability indicator, so as to investigate the vulnerability of interdependent metro system subjected to failures. This project use the theory and method of system science and complex network to construct information platform of metro system, establish theory and method system for investigating the vulnerability of metro system, design research program, discuss vulnerability indicators of metro system, which can provide theoretical method and engineering practice supports for the planning and construction of metro systems,therefore this project possesses important theoretical and practical significance.

本课题以现实的地铁系统为背景，从复杂网络的视角研究地铁系统对于故障的脆弱性，主要的研究内容包括：运用复杂网络理论抽象出地铁轨道网络的拓扑结构，构建相关的概念体系，研究地铁轨道网络的性态，即个性和共性；根据系统科学的思想，运用复杂网络的理论与方法建立网络化的理论模型，构建网络脆弱性指标，从拓扑结构和运输功能两个方面分别研究地铁轨道网络的脆弱性；建立相互依赖的地铁网络模型，讨论轨道网络与相应的电力网络和通信网络之间的端口设计方案，研究网络之间依赖性指标；针对相互依赖的地铁网络，构建其脆弱性研究模型，设计脆弱性指标，研究其对于故障的脆弱性。 本课题运用系统科学和复杂网络的理论方法，搭建地铁系统信息平台，构建研究地铁系统脆弱性的理论方法体系，设计研究方案，讨论地铁系统脆弱性的指标，为地铁系统的规划和建设提供理论方法和工程实践的支持,具有重要的理论和现实意义。

地铁已经成为现代城市居民日常出行的重要交通工具，是城市系统有效运行的交通基础。然而，随着地铁系统在全世界范围内的快速发展，地铁安全隐患及事故层出不穷，因此，对地铁系统遭受故障后的安全性和脆弱性研究就成为亟待解决的问题。本项目以地铁系统为研究背景，运用复杂网络和系统科学的理论与方法，研究地铁系统对于故障的脆弱性问题。. 本项目运用图理论将地铁系统的站点抽象为图的节点，将地铁系统的线路抽象为图的边，如此抽象出地铁系统的网络化图形。首先，本项目抽象了地铁网络的枢纽网络，研究了其性态特征，发现枢纽网络是一个层次网络，存在一个生成节点，并发现枢纽网络兼具小世界特性和无标度特性。其次，本项目运用网络中的网络思想，建立了一种相互依赖的网络脆弱性研究模型，详细分析了网络之间的依赖性和端口设计，研究了相互依赖的地铁系统对于电力和通讯故障的脆弱性问题。我们发现网络之间的依赖强度越大，地铁网络的运输功能损失越大，并识别了电力网络和通讯网络的关键节点。同时，我们提出了互补城市公共交通系统的脆弱性分析框架及分析方法，并以武汉市的公交系统和地铁系统为例，讨论了分析框架及分析方法的有效性。再次，项目组以中国、日本和美国高速铁路为例，研究了高速铁路网络对于故障的结构脆弱性问题，发现高速铁路网络对于恶意故障表现出极强的脆弱性，日本高速铁路网络具有最好的全局连通性，中国高速铁路网络具有最好的局部连通性和最高的运输能力。同时，我们给出了一种交通基础设施系统在自然灾害下的脆弱性分析框架，并以中国铁路系统为例分析其在洪水灾害下的脆弱性，进而提出了降低系统脆弱性的有效方法。第四，项目组以美国西部电网为例，设计了一种负荷局部再分配规则，研究了电力网络对于故障的脆弱性问题。同时，项目组对关联基础设施系统的脆弱性问题开展了相关的研究工作。另外，项目组运用非线性混合整数规划的思想，研究了无标度网络的最优度分布和最优鲁棒性问题，对相关优化算法进行了分析和研究，并对系统稳定性和系统可视化问题开展了相关的研究工作。. 相关研究成果进一步拓展了复杂网络理论与方法的应用领域，为搭建地铁系统的各种信息平台提供理论与方法支持。同时将帮助规划者和工程师从理论上掌握地铁系统的本质特征，为规划和建设地铁系统提供可靠的信息支持，并为研究其他基础设施系统提供工程实践的支持。