1绪论

1.1研究背景及意义

随着经济和社会的快速发展，城市交通拥挤状况日趋严重，地面交通已经无法满足人们日益增长的交通出行需求，交通需求和交通供给之间的矛盾十分严重。城市轨道交通由于具有运量大、快速、安全可靠、准时、舒适和节能环保等特点，在中国、日本、美国、欧洲、俄罗斯等多个国家和地区已经发展成为改善城市交通结构、缓解日益紧张的交通供给和交通需求矛盾的有力交通工具。城市轨道交通系统的发展为城市经济的发展提供了强大保障和动力，为居民出行带来了极大的方便，对缓解城市交通压力起到了重要作用。然而由于城市轨道交通系统运行环境封闭，同时客运量非常大，一旦发生事故，容易造成极大的人员伤亡和财产损失，对所在地区的社会和经济发展造成负面影响。因此，在不断加强城市轨道交通路网建设、提升运输能力和运输效率的同时，还需要强化城市轨道交通的安全风险管理，确保城市轨道交通安全、可靠运营，保障乘客的生命和财产安全。安全评估作为安全系统工程的一个重要组成部分，是生产经营单位实现科学化、系统化安全管理的基础，是保障城市轨道交通网络化安全运营的重要手段和途径。随着城市轨道交通的快速发展，部分特大城市的轨道交通进入网络化运营时代，路网规模不断扩大，客流量与日剧增。城市轨道交通网络化运营特点与以往单线运营相比发生了变化，主要体现在运力运量矛盾突出，站站之间关联度增强，局部问题对整个网络系统的波及联动效应更加突出，运营风险增大。但是，既有的城市轨道交通运营安全评估大多数限于车站或者线路的局部评估，缺少面向全路网运营的安全评估指标和方法；同时，传统的应用于安全和可靠性工程的FMEA (Failure Mode and Effects Analysis,故障模式分析）、FTA (Fault TreeAnalysis,故障树分析）、概率风险评价等方法已不能满足城市轨道交通网络化运营这一复杂系统的安全性分析。

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1.2研究内容

本论文以路网拓扑结构为基础，以系统功能和客流为主线，研究面向城市轨道交通网络化运营的风险分析、安全评估理论和方法。主要研究内容包括以下几个方面：(1)城市轨道交通网络化运营风险分析和安全评估框架给出了城市轨道交通网络化运营的定义，分析运营安全与风险的辨证关系，在此基础上，从全局行为风险和安全性出发，提出了城市轨道交通网络化运营风险分析和安全评估框架。城市轨道交通网络化运营风险分析从城市轨道交通路网的功能出发，考虑到乘客出行行为、列车运行图和客流时空分布的特点，分别构建了城市轨道交通路网的动态有向加权路网模型和运输网模型：在网络两个最基本和最重要的测度一度和介数基础上，构建能够表征网络模型各类组分局部和全局静态与动态属性的多维测度；从异质性（拓扑结构、运输能力和客流量)、脆弱性（拓扑结构、运输能力和客流量)、连通性和客流分布不均衡等多个角度对城市轨道交通网络化运营的风险进行了分析：基于构建的表征网络模型各类组分局部和全局静态与动态属性的多维测度，釆用综合评估方法对城市轨道交通网络化运营中的关键车站和区间进行评估和辨识，得到比釆用单一指标评估更为准确的重要性评估结果，找出网络化运营中的“核心节点和边”。

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2综述

2.1城市轨道交通概述

国际上对“城市轨道交通（Urban rail transit，URT) ”没有统一的定义。在中国国家标准《城市公共交通常用名词术语》⑴中，将城市轨道交通定义为：以电能为动力，釆取轮轨运转方式的快捷大运量公共交通的总称。按运输能力、车辆类型及主要技术特征，城市轨道交通可分为地铁、有轨电车、轻轨、市郊铁路和磁悬浮等。不同类型都其适合应用的范围，例如地铁适合在大城市的客流密集度较高的区域，轻轨则适合在中等客流密集度的区域。开通于1863年1月的伦敦地铁是世界上第一个城市轨道交通系统，经过140多年的发展，伦敦地铁系统网络四通八达，线路总里程超过400 km，车站300多个（包括码头区轻便铁路和伦敦地上铁），已成为现今世界上先进技术的范例之一。随着世界经济和城市化进程飞快发展，发达国家的机动车数量急剧增加，城市道路基础设施的有限通行能力和日益增长的交通需求之间的矛盾日益突出，机动车排放的尾气对城市的环境污染日益严重。为了缓解交通需求和交通供给之间的矛盾，世界上多个国家和地区纷纷幵始建设城市轨道交通。据不完全统计，截止2013年底，全世界56个国家和地区中，共计200多个城市已投入运营或者规划、在建城市轨道交通系统。其中拥有城市轨道交通线路里程、车站数量、年客流量排名前10的城市如图2-1至图2-3所示。

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2.2城市轨道交通运营安全评估方法研究现状

国内外学者对多年来城市交通各类事故（火灾、爆炸、脱轨、停电、撞车坠落、坊塌、躁踏等）进行了统计分析，采用定性和定量方法（PHA、安全检查表、故障类型诊断和影响分析、事故树、指数评价法、概率风险评价法等）从“人-机-环-管”四个方面找出了影响城市轨道交通安全运营的影响要素:例如，Roh等分析了地铁列车火灾中屏蔽门对人员安全的影响[3，4]。George Rozorea[5]等人针对布加勒斯特（罗马尼亚首都）地铁网络，提出了针对火灾的一系列方法措施。Shi等[6]从疏散人员、疏散路线、疏散区域和疏散时间几个方面研究了地铁车站的安全疏散策略，并基于Agent仿真模型，仿真了不同火灾情况下人员疏散行为、疏散时间和乘客流量等，为中国地铁人员安全疏散设计提供了指导。FU[7]等通过仿真分析了地铁列车运行过程中速度、时间和位置的关系。目前随着城市轨道交通的发展，部分线路通过弓网（受电弓一接触网）相互作用向机车和车辆提供电力供应。弓网性能的好坏是列车能否实现快速、安全、高效运行的关键。一旦列车速度运行过快，接触网的动态变化显著增大，弓网之间会出现离线现象；另外，自然灾害及外界侵入物也会严重影响供弓网的性能，危及列车的运行。

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3 城市轨道交通路网风险研究......... 29

3.1 城市轨道交通路网模型构建......... 29

3.1.1静态属性测度......... 31

3.1.2动态属性测度......... 33

3.2 路网风险测度指标研究......... 34

3.3 实例分析一北京城市轨道交通......... 41

3.4 本章小结......... 56

4 城市轨道交通运输网风险研究......... 57

4.1 城市轨道交通运输网模型构建......... 57

4.2 运输网风险测度指标研究......... 59

4.2.1连通可靠度......... 59

4.2.2运输脆弱性 .........63

4.2.3客流分布不均衡性......... 64

4.3 实证分析一北京城市轨道交通......... 67

4.4 本章小结 .........84

5 关键节点和边的辨识......... 8

55.1 关键节点和边的定义.........85

5.2 关键节点和边重要度评估......... 86

5.3 实例分析-北京城市轨道交通......... 90

5.4 小结 .........106

6网络化运营安全评估方法研究

6.1指标的归一化

通过对上述构建的指标分析得出，该指标体系主要分为经济型指标和效益型指标2类：经济型指标是指属性值越小越好，例如脆弱性、不均衡性；效益型指标是指属性值越大越好，例如连通度、剩余承载能力。为消除各风险指标的量纲和统一各评估指标的变化范围,同时确保评估指标经过归一化处理后，由小到大变化时，各风险指标的性能均能表示由差向优的变化趋势,对风险指标进行归一化处理，使得处理后指标的属性值均为之间变化的效益型指标，属性值越大，指标越优。城市轨道交通网络化运营安全状态由多个风险测度指标共同决定，其评估属于多属性决策问题。由H.Wang.C.和Yoon K.S首次提出的理想点法Topsis(technique for order preference by similarity to ideal solution,逼近样本点或者理想点的排序方法）是最经典和应用范围最广的多属性决策方法之一，其基本思想是决策方案在和最优方案距离最近的同时应和和最劣决策方案距离最远。Topsis法计算简单、便于理解、应用灵活，同时对数据分布、样本含量的多少和关联性无严格限制，在煤矿[115]、道路航空["力等多个领域得到了广泛的应用。

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结论

本文针对城市轨道交通网络运营的特点，从全局行为风险和安全性出发，提出了城市轨道交通网络化运营风险分析和安全评估体系框架。从城市轨道交通路网的功能出发，考虑到乘客出行行为、列车运行图和客流时空分布的特点，分别构建了城市轨道交通动态有向加权路网模型和运输网模型：在网络两个最基本和最重要的测度一度和介数基础上，构建了能够表征网络模型各类组分局部和全局静态与动态属性的多维测度；从异质性（拓扑结构、运输能力和客流量)、脆弱性(拓扑结构、运输能力和客流量）、连通度和客流分布不均衡性对城市轨道交通网络化运营的风险进行了分析：提出了城市轨道交通网络化运营关键车站和区间的辨识方法。通过对北京城市轨道交通网络运营的实例分析发现：在各种不同蓄意失效策略下，相同比例的节点和边失效，节点失效对网络性能的影响均大于对边失效对网络性能的影响。

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参考文献（略）