城市轨道交通网络拓扑建模及其动力学分析

【摘要】在现代城市发展的过程中,城市交通能力成为制约经济活力的重要因素之一。因此,许多大城市都在建设自己的轨道交通交通网。本文第一部分构建了全球10个城市轨道交通网络的演化模型,分析了不同网络的主要特性(如：节点度、中介数、聚类特性、平均路径长度等)及其演化过程。研究表明,随着中心城区核心网络的形成和郊区地铁的完善,轨道交通网络的平均路径长度和网络直径在演化过程中,呈现先急剧增大后趋向平稳的特点。通过节点度和中介数的分布及相关性分析,表明虽然二者呈正相关关系,但是一些较小度值的站点具有较高的中介数,这些站点通常位于网络中环型结构附近并且承担了较大客流。此外,本文的研究还发现,随着轨道交通网络发展过程中局部小回路的形成,某些站点的流量会降低,这意味着地铁系统的局部拓扑特性随着网络的演化得到了改善。本文还对轨道交通网络中回路长度的分布进行了研究,发现网络中没有形成回路的边占55%左右。第二部分重点研究城市轨道交通系统的级联失效及其抑制策略,发掘轨道交通网络级联失效的特点,为城市轨道交通网建设和保护提供有价值的参考。首先采用复杂网络理论,分别采用中介数和度确定了轨道交通网络中的节点的重要性,之后分析了各大城市的轨道交通系统在随机攻击和恶意攻击情况下的网络性能,发现轨道交通系统同Scale-free网络具有类似的特点,在随机攻击的情形下的鲁棒性优于恶意攻击的情形。另外,随着网络负载容差参数α的变化,我们的研究发现有时随着α的增加,网络在遭受攻击时的鲁棒性反而降低。之后我们对轨道交通网络在遭受攻击时的级联失效传播的过程进行了深入分析。借此,本文也为轨道交通网络的级联失效抑制提出了一些建议,以此来增强轨道交通网络的鲁棒性。最后根据第二部分的研究结果,结合网络中节点对交通流的控制能力和节点的空间位置信息,提出了针对空间网络的含有空间信息的节点中心性指标,并将基于该指标的与度和BC的级联失效结果进行对比,说明加入空间信息后的节点中心性指标更加适合像轨道交通这样的空间网络。
【作者】张治伟；
【导师】韩芳；荣智海；袁栋梁；
【作者基本信息】东华大学，电子与通信工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】城市轨道交通；复杂网络；拓扑演化；级联失效；节点中心性；

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