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基于站点互馈效应的城市地铁网络脆弱性评价模型构建与实证研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着城市化进程的加速，城市人口急剧增长，交通拥堵问题日益严重。城市地铁作为一种高效、便捷、大运量的公共交通方式，在缓解城市交通压力、提升居民出行品质方面发挥着关键作用。近年来，中国城市地铁建设进入了快速发展期，各大城市纷纷加大对地铁建设的投入，地铁线路不断延伸，网络结构日趋完善。截至2024年，中国内地已有50个城市开通城市轨道交通，运营线路总长度达到10643.73公里，车站总数达到6603座，有力地推动了城市的发展与经济社会的繁荣。

随着地铁网络规模的不断扩大和复杂性的增加，地铁系统面临的风险也日益增多。城市地铁网络是一个庞大而复杂的系统，由众多站点和线路相互连接而成，各站点之间存在着紧密的联系和相互影响。一个站点的故障或异常事件，可能会通过网络的传导效应，引发其他站点甚至整个网络的运营问题，进而影响城市的正常运转。例如，2023年某城市地铁因一个关键站点突发设备故障，导致该站点周边线路拥堵，列车运行延误，波及多条线路，造成大量乘客滞留，给市民出行带来极大不便，也对城市的交通秩序和经济活动产生了负面影响。

此外，地铁系统还面临着自然灾害、人为破坏、设备老化等多种潜在威胁。这些因素都可能导致地铁网络的脆弱性增加，使其在面对突发情况时难以保持稳定运行。因此，对城市地铁网络的脆弱性进行深入研究，评估其在各种干扰下的抗风险能力，具有重要的现实意义。

通过构建考虑站点相互影响的城市地铁网络脆弱性评价模型，可以更加准确地识别地铁网络中的薄弱环节和关键节点，为地铁运营管理部门制定科学合理的风险防范措施和应急预案提供有力依据。这有助于提高地铁网络的安全性和可靠性，保障市民的出行安全，减少因地铁故障或事故带来的经济损失和社会影响，对于促进城市的可持续发展具有重要的支撑作用。

1.2国内外研究现状

城市地铁网络脆弱性研究在国内外受到了广泛关注，众多学者从不同角度开展了深入研究，取得了一系列有价值的成果。

在国外，早期的研究主要集中在复杂网络理论在地铁网络分析中的应用。例如，Albert等人通过对复杂网络的研究，提出了节点度、介数等概念，并将其应用于交通网络分析，为地铁网络脆弱性研究奠定了基础。他们发现，在复杂网络中，少数节点具有较高的度和介数，这些节点对网络的连通性和稳定性起着关键作用，一旦这些节点失效，可能会导致网络性能大幅下降。此后，许多学者基于复杂网络理论，对地铁网络的拓扑结构进行分析，通过计算节点度、介数、接近中心性等指标来评估节点的重要性，进而识别地铁网络中的脆弱节点。如Barabási和Albert提出的无标度网络模型，揭示了复杂网络中节点度的幂律分布特性，为理解地铁网络的结构特征提供了重要理论依据。

随着研究的深入，学者们逐渐考虑到地铁网络的实际运营特性，如客流量、列车运行时刻表等对脆弱性的影响。一些研究通过将客流数据动态加载到地铁网络模型中，分析不同客流条件下网络的脆弱性变化。例如，Jiang等人利用实际的地铁客流数据，建立了考虑客流动态变化的地铁网络脆弱性评估模型，发现客流量的分布不均匀会导致部分站点和线路的脆弱性增加。此外，部分学者还关注到地铁网络与其他交通方式的相互作用对其脆弱性的影响，通过构建多模式交通网络模型，研究不同交通方式之间的替代和互补关系，以及这种关系如何影响地铁网络在面临突发事件时的脆弱性。

在国内，城市地铁网络脆弱性研究起步相对较晚，但发展迅速。近年来，随着我国城市地铁建设的快速推进，相关研究成果不断涌现。早期的研究主要借鉴国外的研究方法和理论，对我国部分城市的地铁网络进行拓扑结构分析和脆弱性评估。例如，曲迎春等人以北京地铁和深圳地铁为研究对象，利用复杂网络理论分析了两个城市轨道交通网络的拓扑结构，并提出了相应的脆弱性评价指标。他们通过建立城市公共交通双层网络，对轨道交通网络的脆弱性进行了更深层次的分析，发现轨道交通网络的脆弱性与其网络复杂度密切相关，城市常规公交网络可以降低城市轨道交通系统的脆弱性。

近年来，国内学者在考虑站点相互影响的地铁网络脆弱性研究方面取得了一些进展。一些研究通过构建复杂的数学模型，如耦合映射格子模型、贝叶斯网络模型等，来描述站点之间的相互作用关系，并评估这种相互作用对网络脆弱性的影响。例如，Lu等人基于改进的耦合映射格子模型，研究了级联失效下的地铁网络脆弱站点和失效传播过程，发现站点之间的耦合强度和节点的初始负载对网络的脆弱性有显著影响。此外，还有学者从系统工程的角度出发，综合考虑地铁网络的物理结构、运营管理、人员行为等多方面因素，构建了综合的脆弱性评价体系。如马超群等将乘客需求特性集成到轨道交通网络特征分析和脆弱性评估中，分析并确定了西安