城市轨道交通网络关键站点识别方法对比与分析

分类：论文范文 发表时间：2022-06-06 09:20

　　摘要：为总结城市轨道交通网络关键站点识别方法的研究成果，推动其在关键交通设施保护领域的更广泛应用，调研了关键站点识别方法的研究现状，总结了国内外城市轨道交通网络关键站点识别的主要方法，将城市轨道交通网络关键站点的识别方法归纳为两类，并以上海市地铁网络为例对不同方法进行了对比与分析。分析结果表明，不同方法识别出的关键站点各不相同，呈现出不同的分布规律和特性，不同方法之间的相关性大小也存在差异。本文指出了不同方法识别结果的差异;分析了不同方法之间的相关性;明确了不同方法差异的原因;提出了不同方法的适用场景。在实际应用中应结合不同场景选取相应的评估方法，采取针对性地管理和保护方案。在后续研究中应综合考虑网络的拓扑结构与交通特性;还应考虑站点失效后级联失效影响的大小;考虑与站点相连线路的不同特性;考虑轨道交通网络与其它网络的耦合关系;考虑交通系统外部因素对轨道交通运营的影响。

　　关键词：城市轨道交通;关键站点;相关性分析;交通特性;拓扑结构;复杂网络

　　0引言

　　交通系统作为重要的基础设施系统，对重大战略的实施以及现代化经济的发展至关重要。近年来，在道路网络加速建设的同时，轨道交通网络的规模也在不断扩大。截至2020年底，我国共有45个城市开通轨道交通运营线路244条，投运车站总计4681座，全年累计完成客运量175.9亿人次[1]。随着轨道交通网络规模不断扩大，其面临人为破坏、自然灾害、运营故障的风险也在不断增大，在2007-2018年期间，我国城市轨道交通系统在运营阶段发生的事故共1911起，对交通网络的运行造成了严重的破坏，严重影响了人们的日常出行及生命财产安全[2]。

　　1城市轨道交通网络关键站点的识别方法

　　多数研究基于复杂网络理论，分析网络的拓扑特性，将对交通网络结构性能影响最大的站点定义为关键站点。有的学者则从交通网络运行性能的角度，考虑了实际的客流量、用户出行时间以及交通系统中交通需求和供应的变化，将对交通网络运行性能影响最大的站点定义为关键站点。在关键站点的评估中，主要是从静态和动态两个角度进行评估。静态评估是指在交通网络正常运营的状态下，即网络中没有站点失效，通过计算网络中节点的度、介数和客流强度等，以此来识别网络中的关键站点。动态评估则是指通过模拟网络中站点失效，分析站点失效后对网络造成的影响，根据失效影响的大小，识别网络中的关键站点[7]，站点失效后造成的影响主要是通过网络效率、网络可达性的降低程度以及用户平均出行时间损失等进行衡量。

　　1.1基于交通网络拓扑结构的关键站点识别

　　当交通网络处于正常运营状态，即网络中没有站点失效时，当前文献常用的基于交通网络拓扑结构识别关键站点的评估指标包括节点的度中心性、介数中心性等中心性指标[8-12]。谌微微等[8]基于站点的度中心性、紧密中心性、介数中心性三个中心性指标对轨道交通网络中站点的重要程度进行了评价。Yang等[9]提出了基于加权度和加权介数中心性的节点重要性评估指标，以此识别关键站点。陈锦渠等[10]基于节点的度、介数以及改进的LeaderPank算法识别了高铁网络中的关键站点。Zhang等[11]基于节点的度、聚集系数，同时考虑了网络约束、网络规模等对节点的影响，以此来识别网络中的关键站点。Meng等[12]在节点的度中心性、介数中心性的基础上，结合节点的紧密中心性和特征向量中心性，对轨道交通网络中关键站点进行了识别。梁青槐[13]通过主客观集成赋权法建立了站点在网络拓扑结构中的综合重要度模型，以此对城市轨道交通网络中站点的重要性进行评价。

　　1.2基于交通网络运行性能的关键站点识别

　　基于复杂网络理论的方法侧重考虑了网络的拓扑结构，忽略了网络的交通性能，如用户的出行时间，客流量等。因此，近几年学者们在基于交通网络运行性能的识别方法上进行了探索。薛峰等[19]在考虑网络拓扑结构的基础上，考虑了站点客运进站量、车站出口数等因素，构建了地铁网络中节点重要度的评估指标体系。Sun等[23]在节点度、介数的基础上，考虑了节点的客流强度，对轨道交通网络中的关键站点进行了识别。胡映月等[24]综合考虑了客流在网络中的传播、线路能力与线网结构三个方面的因素，提出了识别轨道交通网络关键站点的评估指标。Li和Rong[25]基于网络中节点的度中心性和客流，对高铁网络中各站点的重要性进行了评估。徐澍锟[26]提出了一种基于客流量的城市轨道交通网络站点重要度评估方法，研究表明与传统重要度算法相比，引入客流量因素可提高重要站点的评估精度。

　　2不同识别方法的对比与分析

　　2.1上海市地铁网络

　　为对上述归纳的不同轨道交通关键站点的识别方法进行分析和讨论，本文以上海市2015年地铁网络为例，采用SpaceL法[36]进行网络建模，如图1所示。该网络中节点代表实际的地铁站点，边表示的是地铁站点之间的轨道交通线路，所使用的客流数据是2015年每天高峰时段客流量的平均值。

　　2.2不同方法的评估结果

　　选取8个常用的用于识别关键站点的评估指标：节点的度中心性(C1)、介数中心性(C2)、紧密中心性(C3)、客流强度(C4)、客流介数中心性(C5)、网络效率损失(C6)、网络可达性损失(C7)、未满足的出行需求(C8)，对上海市地铁网络中的关键站点进行识别。由于各评估指标的值域不同，为了方便对比与分析，将各项评估指标的评估值进行了0-1标准化。各站点标准化的评估值分布如图2中(a)~(h)图所示。由图2可以看出，采用不同评估指标得到的结果，其峰值对应的站点是不同的，即采用不同的评估指标，识别出的关键站点存在差异。

　　3结论

　　基于以上对比与分析，本文得到的主要结论如下：

　　(1)城市轨道交通网络关键站点的识别方法主要分为两类，一类是基于复杂网络理论，分析网络拓扑特性;另一类是基于交通网络运行性能，考虑了交通网络中实际的交通特性。两类方法考虑的角度和侧重点不同，识别出的关键站点存在差异，在实际应用中应明确不同方法的差异，采取针对性地管理和保护方案。

　　(2)不同方法识别出的关键站点的分布规律存在差异。例如基于站点的度中心性和站点介数中心性指标识别出的关键站点主要是网络中的换乘站点;基于站点紧密中心性识别出的关键站点主要分布在网络的中心区域;基于站点失效前后网络效率损失识别出的关键站点主要位于网络核心区域与边缘区域之间的中部区域。

　　(3)不同方法之间的相关性大小存在差异。对于客流介数中心性较高的站点，一旦失效后，对网络可达性的损失也更大;对于未满足出行需求较高的站点，一旦失效后，对网络效率的损失也较大。站点的客流强度以及站点紧密中心性的大小对网络效率损失的影响不大。站点度中心性和紧密中心性的大小对站点未满足出行需求的影响不大。

　　(4)现有的多数研究中仅仅基于网络拓扑结构或者仅仅基于交通网络运行性能识别关键站点，得到的结果比较片面、不准确。在后续研究中应综合考虑网络的结构特性与交通特性;同时，应考虑站点失效后级联失效影响的大小以及与站点相连线路的不同特性;还应考虑轨道交通网络站点与其它网络节点的耦合关系以及交通系统外部因素对轨道交通网络站点的影响。

　　参考文献：

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　　[2]夏泽郁,汤育春,李启明.基于韧性理论的城市轨道交通事故统计分析[J].都市快轨交通,2020,33(3):148-156.[XIAZY,TANGYC,LIQM.StatisticalanalysisofurbanrailtransitaccidentsinChinabasedonresilience[J].UrbanRapidRailTransit,2020,33(3):148-156.]

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　　路庆昌*1，崔欣1，谢驰2，徐鹏程1，张磊1

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