《南京地铁网络韧性分析》魔法香蕉nanb

4、南京地铁网络韧性分析

　　通过上个章节，论文构建了南京地铁网络拓扑结构并通过其计算出代表网络拓扑性质的指标，这些数据为本章节提供了数据基础。本章节先归因了南京地铁运营过程中的风险因素，以此来设计节点攻击策略，依据计算结果来分析南京地铁网络韧性。为了实现研究目标，本部分从计算节点综合重要程度出发，选取排序前6的节点计算用来韧性评估的网络全局效率和最大连通子图相对大小2个指标，最后对计算结果进行数据分析并根据分析结果中存在的问题提出优化建议。
　　4.1南京地铁运营风险分析
　　所谓地铁网络韧性分析，主要研究的目的就在于控制地铁在运营过程中可能发生的变量。
　　近几年来，我国发生地铁事故的概率逐年升高，这些事故不仅导致了地铁运营部门的重大工作负担和经济损失，还严重威胁了居民的日常生活以及生命财产安全。因此，为了尽可能规避这种事故的发生，就必须对地铁运营过程中存在的安全风险进行评估和管理。这有助于提高地铁运行的稳定性与安全性，可以确保地铁的日常运输作用。
　　而为了制定韧性分析策略，就需要先对影响南京地铁运营过程中的风险因素进行归因分析。致因因素大致可以归为：人员因素、环境因素、设备因素以及管理因素4种。
　　4.2韧性分析策略
　　4.2.1节点攻击策略
　　地铁网络的韧性研究主要分为两个方面，地铁网络的抗毁性及地铁网络的生存性。这两种性质的区别主要在于研究攻击网络方式的不同，不同的攻击方式对应不同的地铁运营风险，借助上个部分的地铁运营风险归因梳理，可以更好地选择节点攻击策略。抗毁性是指当网络中出现确定性故障即受到社会环境因素下的蓄意攻击（人为纵火、恐怖袭击、战争等）时，网络维持其正常运行或恢复性能到一个可被日常生活接受程度的能力。生存性是指发生随机故障（自然环境灾害、信号干扰故障、机械设备故障等）时，网络尽快利用其他空闲资源为受影响的线路进行客流重分配使地铁网络正常运行的能力，以减少因故障而造成的社会影响和经济损失。
　　论文对于地铁网络的生存性研究采用了网络中随机选取节点并进行攻击的方式，抗毁性研究则通过站点先进行综合重要度排序，合理选取排序在前的节点，每次通过删除一个节点来观察变化对网络的影响程度。本文假设需要考虑网络级联失效的情况，因此选取攻击的节点数量为导致网络崩溃的合理节点数即可。
　　4.2.2节点综合重要程度
　　节点的重要程度排序主要有3种指标进行参考计算：节点度、节点介数和节点紧密度，其中节点度的排序是最简单、应用最广的。但从前文拓扑指标计算分析的结论就可以看出，节点度并不能完全准确定义点在网络中的重要程度，尤其是对于相同较小节点度但实际在网络中起到关键纽带作用的节点。依据节点介数指标的排序准确度高，但计算难度复杂，无法精确计算所有站点的介数指标。
　　此外，地铁网络的韧性分析是为乘客服务的，客流量也在衡量地铁运营建设中站点的重要性起到了决定性作用，因此，加入客流量指标会使节点排序更具实际意义。站点的精确客流量数据难以获取，所以本文假设各站点客流量为4月份站点各经过线路日最大客流量之和，4月份地铁日客流量如下：
　　4.3韧性评价指标
　　地铁网络的韧性到现在学术领域还没有统一度量标准，本文选取网络全局效率、最大连通子图相对大小这两个指标来分析单个节点失效时对全局网络的影响程度，并通过前面分析过的站点级联失效点个数、网络连通度来综合分析南京地铁网络的韧性。为了简化计算，选取节点综合重要程度排序的前6名的站点进行分析。
　　4.3.1网络的全局效率
　　网络全局效率，能够表现出地铁网络整体的有效性，能反映南京地铁网络的韧性。而网络效率变化率则能够直观地反映删除研究节点后，网络整体效率的变化，进而分析得出实验节点在地铁全局网络中的重要程度。网络全局效率及网络效率变化率的计算公式如下：
　　4.3.2最大连通子图相对大小
　　最大连通子图与前文连通度指标作用相似，都可以反映网络的抗毁性及网络整体工作性能。在网络节点遭受模拟攻击后，某些节点及其级联节点被摧毁，导致原地铁网络被拆分成多个碎片网络。在这种情况下，最大联通子图相对大小指标，解释为攻击后最大连通子图与原地铁网络图的相对大小，则可以直观反映被攻击后网络的破碎程度，进而可以对地铁网络的韧性进行分析。计算公式如下：
　　式中，F—地铁网络中最大连通子图相对大小；
　　N0—网络遭受攻击后剩余所有联结子图中最大连通子图的节点数目；
　　N—原地铁网络中的节点数目。
　　4.3.3韧性分析计算
　　按照公式（4.1）对南京地铁网络节点的综合重要程度进行计排序，选取其中重要程度排序前6的节点即南京南站、南京站、大行宫、安德门、鸡鸣寺、五塘广场站分别进行蓄意攻击，以此来研究单个地铁节点失效对整体地铁网络产生的影响，进而可以分析评价南京地铁网络的韧性。如表4.3所示，为地铁网络节点单个失效时网络的特征参数值计算结果。
　　从表4.3的数据可知，攻击某一节点导致其失效引发的级联失效节点个数越多，网络连通度越小，最大连通子图相对大小越小，而网络效率则更高。这是因为，随着蓄意攻击而导致的网络失效节点越多，地铁网络的破碎程度越高，所以网络连通度减小，最大连通子图相对大小变小。但随着网络范围缩小，网络平均最短距离缩短，冗余线路损毁，形成的新网络全局网络效率会更高。
　　其中，五塘广场虽然只是节点度为1中间站，但其综合重要程度以及站点失效所导致的网络效率变化率也高于大多数其他一般换乘站。因为这个节点在位置上是部分换乘点间连接的唯一纽带，即桥梁站，一旦失效不但会致使客流量最多的3号线濒临崩溃，而且会影响拥有重合站点的重要线路S8及1号线的正常运行，网络的全局效率将大幅降低。其余5个站点既是换乘站也是桥梁站，在实际运营中日常客流量较大，起着联通中转的重要作用，所以这些控制点是地铁网络拓扑结构中的关键节点，一旦遭到破坏，不但会使其他节点断开连接，还会导致整个网络效率的显著下降。
　　而其他部分站点虽然综合重要程度计算排序靠前且节点度高，但在遭到攻击后网络效率变化并不大，这是因为这些地铁节点所在周围的线路较密集，一旦失效后不会马上导致网络崩溃，其他运行线路可替代起到网络疏导的作用，如本次研究的大行宫站，但考虑其位于2号线、3号线连接处站点客流量大，失效后会引起周边可替代站点客流量的超负载，容易导致网络崩溃，因此这些站点同样需要韧性优化。

　　4.3.4计算结果分析
　　结合计算结果进行韧性分析可知，当攻击以南京南站点为例的重要节点时，虽然只攻击了一个站点，却导致了地铁网络效率61.49%的变化率，最大连通子图相对大小仅为0.752，这说明包括该节点及其级联失效点在内，这些控制点对于整个网络都极为重要，起到了连通整个网络的关键作用，一旦失效将给网络带来重创。所以日常运营中一定要注意重要节点的防护和韧性设计。
　　南京地铁网络在运营和建设的过程中不但要常规重视综合重要度排序靠前的重要站点，如南京南站、南京站等，同时，也要注意目前客流量较少但充当桥梁作用的站点，如五塘广场站的日常安保工作和运行维护工作，这些节点的失效同样会引起整个网络的连通性和网络效率大幅下降，为保证地铁网络的正常运行也一定要避免此类节点失效。
　　从网络效率角度进行分析，由级联失效点的个数和网络全局效率的关系以及相关计算可以推出，小范围内的随机攻击故障对地铁网络体系正常运行影响较小，但随着攻击广度不断扩大，攻击到重要节点的概率也会增大，就会开始对网络产生较大的影响。而当网络节点遭受蓄意攻击的破坏时，因为目标明确，清楚节点重要程度及级联失效点，所以网络效率会快速下降。
　　结合全文分析，我们还能分析出，随机攻击下所造成的地铁网络效率下降速度更慢，这可以解释为进行随机攻击时一些介数较高的重要节点暂时没受到攻击，在后续的攻击下才失效。而采用蓄意攻击时由于越靠后的节点介数越小，对网络产生的影响就越小，所以先攻击的重要节点就对网络产生了重创。因此，虽然随机攻击网络效率下降较慢，但当失效节点达到峰值时，一定攻击到的都是重要节点，网络效率也会突变为 0，这将导致地铁网络运营能力的瘫痪。通过两种形式的对比分析，在地铁网络韧性设计及应急方案设计时都更应该重视对蓄意攻击的防控。
　　4.4结论总结及优化建议
　　4.4.1结论总结
　　本章节通过分析南京地铁运营风险因素来制定节点攻击策略，进而通过计算结果分析南京地铁网络的全局韧性，可以得到下面的结论：
　　地铁站点因为攻击而导致其失效引发的级联失效节点数目越多，网络连通度越小，最大连通子图相对大小越小，网络效率更高。
　　地铁日常运营中一定要注意重要节点的防护和韧性设计，还要注意桥梁站点的重要程度。
　　小范围内的随机攻击故障会对地铁网络正常运行影响较小，但随着攻击范围的不断扩大也会对网络产生较大的影响。
　　地铁网络韧性设计及应急方案设计时更应该重视对蓄意攻击的防控。
　　4.4.2优化建议
　　根据论文的分析研究结论，结合南京地铁网络的特性提出以下优化性的建议：
　　基于复杂网络理论，得到南京地铁网络的平均度为1.121，平均最短路径长度为13.16，表明南京地铁网络站点之间联系程度有待加强，在