《南京地铁网络韧性分析》魔法香蕉nanb

1、研究背景

　　1.1研究背景意义
　　随着城市人口总数的剧增，我国的城市化率也大幅提高。其中，城市基础设施作为一个城市赖以生存的基石，一旦出现纰漏将会严重危及社会安全。城市基础设施网络中的交通网络日趋复杂，城市出行问题也得到了广泛关注。地铁由于其方便、舒适、快捷、客容量大等优点，很大效率缓解了城市交通网络的压力，便利了城市居民的出行。但随着地铁网络规模的扩大及智能网络运营化的普及，其特有的脆弱性也被逐渐放大，包括自然环境灾害（如地震、飓风、火灾）、社会公共安全（如恐怖袭击、疫情爆发）、设备设施故障（如电网断电失效、信号中断故障）等突发事故的发生会直接导致交通网络系统的中断甚至瘫痪，进而导致人们生产生活的经济损失，影响人们的正常生活。
　　现今，韧性城市的研究已经成为了社会关注的热点。但从整体现状来看，目前国内对于韧性城市的研究还仅仅停留在定性的层面，运用科学、完整的计算研究分析韧性的较少。这也就导致了对于如何提高一个城市的韧性，人们的认知还停留在表面假设，没有现实意义。城市地铁线路是城市的生命线，也是城市基础设施韧性系统中最重要的要素之一。因此，以具体城市南京为目标实证研究城市地铁网络的韧性，分析找出南京地铁网络的关键控制点并针对其韧性的不足提出优化建议对从深入探讨如何从根本上提高一个城市的韧性有着重要的意义。
　　地上交通荷载过大所带来的道路拥堵、空气污染等已经成为了世界各地都亟待解决的问题。因此，以地铁为代表的城市轨道交通系统由于具有强大的客运能力、运速稳定、受地面条件约束小、耗能低且较为环保，已经逐渐代替地面交通方式成为了现代化城市交通方式的主要发展方向。值得关注的是，北京、南京、上海、武汉、成都等城市的地铁运营体系已经从单线运营时代过渡发展到智能网络化运营时代，其他城市也在智能网络化大环境下不断完善轨道交通网络的运营规划建设。
　　南京作为现代轨道线路长度排名前列的大城市，根据2030年的运营规划，南京地铁线路将建成20余条，总长将超过775公里。随着时间流逝，轨道交通网络化运营时代即将全面到来。在这种社会背景下，运用复杂网络理论去分析理解南京地铁网络拓扑结构更加具有现实价值。同时，通过韧性分析结论进行南京地铁网络结构的优化改进也有助于后续南京地铁网络资源配置优化及运营风险的进一步管理。
　　1.2国内外研究现状
　　分析国内外对于城市地铁网络韧性分析相关的研究成果主要集中在以下三个方面：（1）地铁领域内的复杂网络理论；（2）韧性及韧性评估；（3）地铁网络韧性分析。
　　1.2.1地铁领域的复杂网络理论研究
　　随着我国城市交通网络的飞速发展，城市路网结构日趋复杂，为了保证研究目标的完整性，复杂网络理论开始被人们应用于研究中，近年来针对复杂网络理论方向的研究逐渐深入。
　　复杂理论被研究应用于各个方向，刘丹[1]基于复杂网络理论构建了关于电力网络系统的拓扑模型，并在此基础上计算分析脆弱性评估指标。莫霜叶等[2]基于复杂网络分析研究了关于电力网络线路的脆弱性，并将复杂网络理论与电抗测量方法结合起来，用来研究电力线路的脆弱性。王庆国等[3]依据武汉市路网拓扑结构特性，运用复杂网络理论，构建对偶拓扑网络图，并分析得出武汉市路网同时具有无标度网络和小世界网络的特性。孙文霞等[4]利用 Space- L 模型、Space- P模型，构建了有关于自行车概念的接驳距离的模型，并在此基础上建立了城市公交网络有向网络模型。Shishebori等学者[5]运用复杂网络理论，在针对医疗服务中心选址的网络设计问题上创新地应用构建混合整数线性规划模型。
　　在城市轨地铁通网络相关研究领域中，基于复杂网络理论，国内外学者对地铁网络开展了不同程度的研究。曲迎春等[6]通过Space-L模型方法构建了地铁网络拓扑结构，研究地铁网络的脆弱性；DENG等学者[7]则运用实证分析法分析了南京市地铁线路网络，分析出该网络具有小世界性和无标度特性；高鹏等[8]则采用加权计算的方式计算评估了地铁网络的鲁棒性；蔡虹等[9]对南京地铁网络的各项拓扑指标计算进行对比分析，提出如果要正确识别一个网络的关键节点，就要考虑将网络本身的静态结构与其动态的流量因素结合起来综合分析。蔡辉等[10]基于复杂网络理论，忽略了拓扑地铁网络中间节点度为1的普通站点，只考虑了线路起点站、换乘站以及终点站，并将其构建为简化网络来研究地铁网络的复杂特性。殷勇等[11]将复杂网路理论与香港的城市轨道交通网络结合起来，通过计算复杂网络指标分析出网络特性，并采用随机攻击和蓄意攻击两种方式攻击节点来进一步分析韧性得出结果，在蓄意攻击方式下的交通网络的抗毁性较弱。
　　1.2.2韧性及韧性评估
　　生态学家Holling[12]在其研究范围内第一次将“韧性”的概念引入生态学领域，并基于多角度概念定义韧性为：系统在面对冲击、扰动时的吸收能力和缓冲能力。学者Hosseini S[13]从吸收、自适应和恢复能力三个方面出发，构建多变量韧性值关系的贝叶斯网络模型，分析构建不同工程系统韧性策略。Yodo N[14]创造性地将使用控制理论的韧性建模及分析方法应用于配电系统的作韧性研究。李彤玥[15]以冗余性、迅速性、鲁棒性和智慧性4个参考指标构建了参考韧性指标体系。黄浪[16]将韧性理论第一次引入安全科学管理领域，构建运用安全韧性概念的韧性评估模型。陈群[17]第一次将韧性概念引入工程系统领域，并把地铁工程系统韧性完整地定义为地铁建造过程中系统抵抗和应对风险灾害的系统性能。
　　随着研究逐步深化，学者们开始将韧性的关注重点引入现今具有重大意义的城市韧性方向。孙阳等学者[18]从生态学系统的角度出发，通过对长三角地区进行量化计算分析来构建城市韧性层次图，为不同时间和空间尺度内的城市性质评估提供了新的研究思路。方东平等[19]从社会、信息、物理不同空间系统分析韧性的内涵与特征，更是着重研究管理方面，将有限的资源合理分配到广阔的城市子系统中，提升韧性管理。谢起慧等学者[20]则把发达国家韧性城市的建设工作当作研究对象，从政策的角度出发对发达国家的韧性城市建设做出总结。
　　随着韧性理论在交通系统范围内的运用发展， Henry等[21]将系统韧性准确定义为系统在恢复期内性能恢复的程度与扰动事件所造成的性能损失程度比值，自此之后成为了包括地铁在内的交通系统韧性评估的主流指标。
　　1.2.3地铁网络韧性的研究
　　随着城市的发展，交通运输网络规模不断发展，其特殊的韧性和脆弱性也成为国内外学者关注的热点，学者们分别对交通运输网络定义范围内的高速铁路网络、城市地铁交通网络等开展了多方面的研究。因为现实中的各个交通运输网络间节点紧密相连的所以学者们普遍将级联失效模型广泛应用于交通运输网络中。ZHANG Jianhua 等[22]从广度上不仅对比分析了不同国家间高速铁路的脆弱性，也分别针对长沙、北京、南京地铁网络运用移动块技术建立了城市轨道网络级联失效模型，分析了其脆弱性。于宝等[23]则根据综合度和介数建立了评价指标体系，且对比分析了我国不同时期高铁网络结构的脆弱性。
　　在韧性标准出现前，城市地铁网络的研究集中在通过构建复杂网络的方法下评估地铁网络的脆弱性和鲁棒性。王志如等学者[24]通过地铁换乘次数脆弱性研究车站和区间在蓄意攻击下的脆弱性及鲁棒性; 薛锋等[25]以成都为对象，构建地铁网络节点重要度评价体系，识别出网络中度或介数不高的非正常关键节点; SUN Daniel 等[26]采用客流变化、平均路径长度、网络效率三个综合指标从线路运营角度评估网络脆弱性，表明客流量是造成网络脆弱性的关键因素。
　　此外，在地铁网络韧性的研究基础上，为了更加清晰地表现出动态变化下的城市地铁交通网络韧性，冯春等[27]在复杂网络理论的基础下提出了改进网络鲁棒性的评估方法，结合静态指标和动态站点模拟遭受攻击后网络效率等指标的变化。强添纲等[28]根据复杂网络研究方法，应用Pajek和Ucine分析软件，实证分析了以哈尔滨为例的加权多模式地铁网络的特性及其遭受不同攻击时的稳定性。
　　1.2.4国内外研究现状概况评述
　　通过对上述国内外研究成果的梳理可知，韧性科学现今已经广泛应用于生态学、灾害学、安全学等各个学科领域方面，各个学科领域对于韧性这一问题的研究角度不同，出发点不同。大多数学者从城市韧性的角度出发，重视分析灾害风险对于整个城市的威胁，之后再逐层递进到基础设施、地铁网络等层面，将韧性理念渗透到城市的各个方面。其中，基于韧性的安全管理系统强调概念为系统在应对风险事件和不利事件时的抵抗能力、应对能力、适应能力和恢复能力，并通过各种韧性管理表现使系统达到新的安全状态的能力，这不但是地铁网络韧性研究的重点也是整个韧性学科研究的核心内容。
　　但从总体来看，现阶段复杂网络理论在关于城市地铁网络的研究方向仍处于初步探索阶段，尚未形成完整的理论框架，且局限于研究证明地铁网络的复杂性、脆弱性，但在韧性方面基本没有进行深入探讨，没有将重点放在地铁网络受到攻击后续进行动态恢复的过程中，即没有进行动态因素的分析。对于到底哪些因素对城市地铁的韧性产生了关键性影响，有待进一步探究。同时，部分研究通过分析发现了影响地铁网络的综合复杂因素，但并没有对这一问题提出优化性的解决建议。
　　1.3研究目的
　　在现今社会的高速发展环境下，各个城市的地铁网络都基本形成了符合自己发展进程特性的成熟体系，我们要做的就是在此基础上尽可能改进完善系统的问题和漏洞。优化城市地铁交通网络，重点在于提升关键控制节点的韧性，进而实现对整个地铁网络的控制优化，这对于实现网络的高效率运转有重要的意义。因此，论文基于复杂网络理论，构建南京地铁网络拓扑结构，通过计算南京市地铁网络拓扑指标（包括节点度、介数、平均最短距离、连通度等）并与一线城市代表（北京市、长沙市）地铁网络拓扑结构数据进行对比分析，来对南京市地铁网络韧性水平进行大致评估，分析出现平均水平差距的原因，以便后续提出优化建议。
　　此外，论文还运用节点攻击策略，通过计算节点综合重要度选取重要程度前6的节点进行后续分析，简化多余复杂计算。并对目标节点的网络全局效率和最大连通子图相对大小这两个韧性评价指标进行计算分析，通过计算结果进一步对南京地铁网络的进行韧性分析，得出网络的关键控制点，清楚这些节点单个失效时控制点是怎样影响网络的运行。最终，结合前文分析结果为南京地铁网络优化提出建设性的建议。
　　1.4研究内容和方法
　　1.4.1研究内容
　　本文研究主要从相关概念界定及理论基础、南京地铁网络拓扑图、南京地铁网络韧性分析三个方面展开。
　　相关概念界定及理论基础：相关概念界定是对关键控制点和韧性这两个概念的界定，理论基础部分是对复杂网络理论进行阐述。其中，关键控制点概念界定是论文韧性分析的基础出发点，为后面南京地铁网络的优化做理论铺垫。韧性概念界定是对城市韧性方向相关概念的界定，为论文内容明确主题。复杂网络理论概念界定是对论文拓扑结构研究的理论基础进行阐述，以及其如何在地铁网络结构方面进行分析研究。
　　南京地铁网络拓扑图：结合复杂网络理论，将南京地铁复杂网络平面化为拓扑网络结构进行研究分析。首先对南京地铁基本情况进行阐述，在此基础上构建符合现实情况的地铁网络拓扑结构平面图。之后再依据拓扑结构图，计算南京地铁网络的节点度、平均最短距离、介数以及连通度，并与一线城市平均水平进行对比，找出存在差距的原因。
　　南京地铁网络韧性分析：分为韧性分析策略、韧性评价指标、韧性分析计算及网络韧性优化四个部分。先解释韧性分析的策略，即用节点攻击策略来分析网络的韧性。依据策略，先按照综合重要程度对南京地铁网络节点进行排序，选取排序的前6名进行下一步分析，在简化后续计算步骤的基础上又保证了分析过程的严密完整。最后，分别对韧性计算指标——网络的全局效率和最大连通子图相对大小进行分析，并根据分析结果对南京的地铁网络提出优化性建议。