深圳市軌道交通線網(wǎng)級(jí)聯(lián)失效分析

呂澤軍

摘 要 本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，利用UCINET軟件分析了深圳市軌道交通線網(wǎng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性。并重點(diǎn)結(jié)合運(yùn)營實(shí)際，采取選擇攻擊策略分析了級(jí)聯(lián)失效對(duì)線網(wǎng)的影響。分析結(jié)果表明，級(jí)聯(lián)失效現(xiàn)象對(duì)深圳市軌道交通線網(wǎng)影響顯著。車公廟失效對(duì)線網(wǎng)的平均路徑長度增大最多，對(duì)線網(wǎng)換乘影響最大;前海灣站失效使得線網(wǎng)連通性變得最差，最大連通子圖明顯變小。

關(guān)鍵詞 軌道交通線網(wǎng);復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);級(jí)聯(lián)失效

引言

截至2020年，深圳市已通車運(yùn)營8條地鐵線路，運(yùn)營里程超過300公里，2035年計(jì)劃開通33條線路，總長約1335公里。地鐵運(yùn)營有著諸多突發(fā)性事件，如人員進(jìn)入軌行區(qū)、自然災(zāi)害、施工事故等，會(huì)影響運(yùn)營效率和安全。因此分析突發(fā)事件對(duì)深圳市軌道交通線網(wǎng)的影響，具有重要意義。

軌道交通線網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)的一種，目前已有不少學(xué)者采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析其網(wǎng)絡(luò)特性。文獻(xiàn)[1]運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論分析了城市軌道交通線網(wǎng)的可靠性。文獻(xiàn)[2]研究了全球40座城市軌道交通線網(wǎng)的形態(tài)特征。文獻(xiàn)[3]采用隨機(jī)攻擊和蓄意攻擊的方式分析了武漢地鐵線網(wǎng)的脆弱性。但是已有研究存在一定缺陷，在研究軌道交通線網(wǎng)的脆弱性和可靠性時(shí)，只是簡單地將受影響的站點(diǎn)及鄰邊從網(wǎng)絡(luò)中刪除，沒有結(jié)合運(yùn)營實(shí)際考慮。本文將結(jié)合運(yùn)營實(shí)際，分析突發(fā)事件導(dǎo)致某個(gè)站點(diǎn)不可用時(shí)在線網(wǎng)產(chǎn)生的級(jí)聯(lián)失效現(xiàn)象。

1復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是包含大量組成單元的復(fù)雜系統(tǒng)的抽象，可以看成由節(jié)點(diǎn)和邊組成。城市軌道交通線網(wǎng)中，一般將車站抽象為節(jié)點(diǎn)，將區(qū)間抽象為邊，構(gòu)成一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于城市軌道交通線網(wǎng)，可以從三個(gè)方面分析其特性：平均路徑長度是所有站點(diǎn)最短路徑長度求和的平均值，值越小說明線網(wǎng)便利性、通達(dá)性越好;站點(diǎn)的度表示了與其連接的其他站點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)也可以用于計(jì)算該站點(diǎn)的換乘線數(shù)量，體現(xiàn)了站點(diǎn)的重要性;但是對(duì)于一些起到橋梁作用的站點(diǎn)，其度可能很小，但卻是網(wǎng)絡(luò)中不可分割的一部分，介數(shù)可以用于衡量站點(diǎn)在線網(wǎng)中的中間地位，表示了站點(diǎn)換乘的重要性。

2深圳市軌道交通線網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性分析

軌道交通線網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建方法有兩種，即Space L方法和Space P方法。Spcce L的方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)更接近于線網(wǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，因此本文采用此方法構(gòu)建深圳市軌道交通線網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到無向無權(quán)網(wǎng)絡(luò)。本文統(tǒng)計(jì)了深圳市已運(yùn)營的8條地鐵線路，將多線換乘站視為一個(gè)站點(diǎn)，得到包含182個(gè)站點(diǎn)的深圳市軌道交通線網(wǎng)0-1鄰接矩陣。UCINET是一款非常簡便的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析工具，本文采用該軟件詳細(xì)分析深圳市軌道交通線網(wǎng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性。

經(jīng)計(jì)算，深圳市軌道交通線網(wǎng)的平均路徑長度為11.697，意味著線網(wǎng)中任意兩個(gè)站點(diǎn)之間平均需乘坐12個(gè)站。進(jìn)一步分析站點(diǎn)之間的最短路徑長度發(fā)現(xiàn)，3號(hào)線站點(diǎn)與其他線路的最短路徑長度普遍較大，特別是與深圳西部片區(qū)線路，這說明龍崗區(qū)至南山區(qū)、寶安區(qū)、光明區(qū)等西部片區(qū)的軌道交通非常不便捷。

線網(wǎng)中站點(diǎn)度的平均值為2.297，由于中間站的度為2，可知線網(wǎng)中換乘站較少，導(dǎo)致平均度較小。車公廟站、前海灣站和福田站是度最大的三個(gè)站，在線網(wǎng)中重要程度較大。大多數(shù)換乘站的度為4，也即多數(shù)換乘站為兩線換乘，這主要是因?yàn)檎军c(diǎn)采用三線及以上數(shù)量線路換乘時(shí)，站點(diǎn)實(shí)施難度大、造價(jià)高，在進(jìn)行線路規(guī)劃時(shí)一般不予推薦。

經(jīng)計(jì)算線網(wǎng)中介數(shù)排名前十的站點(diǎn)如表1所示。由表可知，車公廟站介數(shù)最大，是線網(wǎng)中最重要的換乘點(diǎn)，其后依次為福田站、紅樹灣南站、后海站和前海灣站，這5個(gè)站均是11號(hào)線與其他線路的換乘站。將介數(shù)排名與度排名對(duì)比發(fā)現(xiàn)，度排名高的站點(diǎn)介數(shù)排名不一定高，如前海灣站;度值較小的站點(diǎn)，介數(shù)可能會(huì)很大，如南山站。

3深圳市軌道交通線網(wǎng)級(jí)聯(lián)失效分析

軌道交通線路在運(yùn)營過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些突發(fā)事件，一個(gè)站點(diǎn)受影響往往會(huì)導(dǎo)致其他站點(diǎn)受到波及。如2020年3月深圳地鐵3號(hào)線布吉站發(fā)生進(jìn)人事件，受此影響紅嶺-塘坑區(qū)間暫停服務(wù)，11座車站暫停服務(wù)。所謂級(jí)聯(lián)失效是指一個(gè)站點(diǎn)發(fā)生事故無法投入使用時(shí)，與其相鄰的站點(diǎn)受此影響功能無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，事故的影響在線網(wǎng)擴(kuò)散的現(xiàn)象。級(jí)聯(lián)失效現(xiàn)象更符合線路設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，因?yàn)樵谝粋€(gè)站點(diǎn)失效時(shí)，其相鄰站點(diǎn)如果沒有可用于折返的配線，列車行駛到此站時(shí)無法折返，所以這類車站受失效車站影響運(yùn)營受限[4]。

在已有研究基礎(chǔ)上，本文采用選擇攻擊策略分析深圳市軌道交通線網(wǎng)級(jí)聯(lián)失效現(xiàn)象。介數(shù)更能體現(xiàn)一個(gè)站點(diǎn)在線網(wǎng)中的作用，使用選擇攻擊策略時(shí)將按介數(shù)大小，依次分析。介數(shù)排名前5的站點(diǎn)級(jí)聯(lián)失效分析結(jié)果見下表2：

從上表可知，由于配線原因，每個(gè)站點(diǎn)失效產(chǎn)生級(jí)聯(lián)失效現(xiàn)象時(shí)，影響的站點(diǎn)數(shù)不同，福田站和前海灣站產(chǎn)生的影響范圍最大，說明這兩站相鄰站點(diǎn)配線設(shè)置情況較差。車公廟站受到攻擊失效時(shí)線網(wǎng)平均路徑長度由11.697增大至15.398，明顯增大了任意兩站點(diǎn)之間換乘距離，對(duì)線網(wǎng)影響最大，這與其起到的橋梁作用最大相一致。福田站、紅樹灣南站和后海站失效時(shí)線網(wǎng)的平均路徑長度也有較為明顯增大，但前海灣站失效時(shí)線網(wǎng)平均路徑長度增大不明顯，主要是因?yàn)樵撜臼r(shí)線網(wǎng)最大連通子圖明顯變小，11號(hào)線寶安至碧頭段從線網(wǎng)中脫離，最大連通子圖連通性與線網(wǎng)相近[5]。

4結(jié)束語

本文利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建了深圳市軌道交通線網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并結(jié)合運(yùn)營實(shí)際，重點(diǎn)分析了級(jí)聯(lián)失效對(duì)線網(wǎng)的影響。分析結(jié)果表明，線網(wǎng)中最重要的5個(gè)站點(diǎn)依次為車公廟站、福田站、紅樹灣南站、后海站及前海灣站。選擇這5個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行級(jí)聯(lián)失效分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，車公廟站失效會(huì)明顯增加線網(wǎng)平均路徑長度，對(duì)乘客換乘影響最大;紅樹灣南站失效導(dǎo)致線網(wǎng)的最大連通子圖明顯變小，11號(hào)線寶安至碧頭段與線網(wǎng)分離，線網(wǎng)連通性變差。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭蘭蘭.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的城市軌道交通線網(wǎng)可靠性研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

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[3] 吳賢國，黃艷華，劉惠濤，等.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的地鐵線網(wǎng)脆弱性分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，35（4）：93-99.

[4] 吳賢國，黃艷華，張立茂，等.地鐵線網(wǎng)抗毀性優(yōu)化分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，25（12）：87-92.

[5] 周珺，楊永泰，羅欽.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的深圳城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)脆弱性研究[J].中國高新科技，2018，（12）：49-51.