一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法技术

本发明专利技术提供了一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法，涉及轨道交通技术领域，包括以下步骤：根据地铁站点信息和地铁行驶信息构建地铁网络累加行驶时间矩阵和地铁网络拓扑结构；使用蒙特卡洛模拟方法模拟乘客随机出行行程，并顺序破坏节点，分别得到破坏前和破换后的平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；通过K

【技术实现步骤摘要】
一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法


[0001]本专利涉及轨道交通
，尤其是一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法。

技术介绍

[0002]地铁网络是城市交通系统中重要的组成部分之一，它通常由地下隧道和地面铁路构成，为城市居民提供了快速、高效、便捷的公共交通服务。地铁网络的建设和运营对于现代城市的发展和城市交通疏解具有至关重要的作用。
[0003]传统的地铁网络评价指标主要是基于网络的拓扑结构，例如节点数量、边数量、网络直径、平均路径长度等，这些指标能够反映出地铁网络的基本特征，但是对于地铁网络的实际运行和管理并不能提供太多的帮助。
[0004]在地铁网络中，类似于中转站的关键节点对于地铁的运行和管理具有重要意义。这些关键节点的韧性评估可以帮助我们了解在某些节点出现故障或拥堵的情况下，地铁网络的运行是否会受到重大影响。而目前的关键节点评估方法大多基于网络的结构特征，忽略了节点的实际运行情况和运输需求，因此在地铁网络中的应用受到了一定的限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法，包括以下步骤：
[0008]根据地铁站点信息和地铁行驶信息构建地铁网络累加行驶时间矩阵和地铁网络拓扑结构；
[0009]使用蒙特卡洛模拟方法模拟乘客随机出行行程并得到平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；顺序破坏地铁站点并计算破坏后的平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；通过破坏前与破坏后的平均行驶时间，平均换乘次数，节点的度，节点的介数中心性的数值计算比值；
[0010]通过K
‑
means聚类和轮廓系数法对破坏后的平均行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵加权确定权重；通过平均行驶时间比值，平均换乘次数比值与权重的加权组合确定Ⅰ类弹性指数；
[0011]通过计算节点度数、节点介数对网络全局效率的影响确定权重；通过节点的平均度数比值，平均介数比值与权重的组合确定Ⅱ类弹性指数；
[0012]对Ⅰ类弹性指数和Ⅱ类弹性指数进行加权平均得到总弹性指数，根据总弹性指数确定节点的韧性。
[0013]作为本专利技术的进一步技术方案为，所述根据地铁站点信息和地铁行驶信息构建地铁网络累加行驶时间矩阵和地铁网络拓扑结构；具体包括：
[0014]通过地铁相邻站点之间的距离，地铁行驶速度，不同地铁线路相同中转站的换乘时间，计算地铁网络所有站点之间的互达时间，构建地铁网络累加行驶时间矩阵，根据该时间矩阵计算出任意两个站点之间的最短路径；以地铁站点为节点，以地铁线路为边，构建地铁网络拓扑结构。
[0015]作为本专利技术的进一步技术方案为，所述使用蒙特卡洛模拟方法模拟乘客随机出行行程并得到平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；通过破坏前与破坏后的平均行驶时间，平均换乘次数，节点的度，节点的介数中心性的数值计算比值；具体包括：
[0016]使用蒙特卡洛模拟方法，随机选择起始站点，中转站点，目的站点，设置模拟次数与模拟乘客数量，模拟乘客随机出行行程；得到破坏前的平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；计算破坏前与破坏后的平均行驶时间，平均换乘次数，节点的度，节点的介数中心性的比值；
[0017]其中，平均行驶时间为：
[0018][0019]ATT表示平均行驶时间，t
i
表示第i条路径的行驶时间，n表示路径的总数量。
[0020]平均行驶时间比值为：
[0021][0022]其中，avg_time_R表示平均行驶时间比值，ATT表示平均行驶时间，D_ATT表示破坏后的平均行驶时间；
[0023]平均换乘次数为：
[0024][0025]ATC表示平均换乘次数，c
i
表示第i个乘客的换乘次数，m表示乘客的总数量。
[0026]平均换乘次数比值为：
[0027][0028]其中，avg_transfer_R表示平均换乘次数比值，ATC表示平均换乘次数，D_ATC表示破坏后的平均换乘次数；
[0029]节点的度及平均节点度为：
[0030][0031][0032]其中，D i为节点i的度；N为节点总数；δ
ij
为节点i与j是否相连。若节点i与j相连，则δ
ij
为1，反之为0；avg_D
i
为平均节点度；
[0033]节点的介数及平均介数为：
[0034][0035][0036]其中，B
v
表示节点v的介数；d
ij
(v)表示节点i和j之间经过节点v的最短路径的条数；d
ij
表示节点i和j之间经过的所有最短路径数目；avg_B
v
表示平均介数；N为节点总数；
[0037]模拟次数与需要模拟的节点数量(评估的指标数量)具有如下关系式：
[0038][0039]其中，C是模拟的次数；α和β是常数；N是拓扑网络中的节点数量或需要评估的指标数量。
[0040]作为本专利技术的进一步技术方案为，所述K
‑
means聚类和轮廓系数法对破坏后的平均行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵加权确定权重；通过平均行驶时间比值，平均换乘次数比值与权重的组合确定I类弹性指数；具体包括：
[0041]所述K
‑
means聚类方法的表达式如下：
[0042][0043]其中，c
j
表示第j个簇的簇中心点，也就是簇内所有数据点坐标的平均值；S
j
表示第j个簇内包含的所有数据点的集合；|S
j
|表示第j个簇内数据点的数量，也就是簇的大小；x
i
表示第i个数据点的坐标；
[0044]损失函数：
[0045][0046]其中，为损失函数，c
j
是第j个簇的簇中心点，x
i
是第i个数据点，||x
i
‑
c
j
||表示欧几里得距离；该等式的含义是将所有数据点按照与其所属簇的簇中心的距离平方的总和作为损失函数，我们的目标是通过优化该损失函数来找到最优的簇划分和簇中心点；
[0047]然后，对于所有不同于C
i
的其他簇C
j
，计算数据点i与簇C
j
中所有数据点的平均距离b
i
，即：
[0048][0049]如果簇C
j
中没有其他数据点，则其平均距离b
i
定义为0；
[0050]最后，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：根据地铁站点信息和地铁行驶信息构建地铁网络累加行驶时间矩阵和地铁网络拓扑结构；使用蒙特卡洛模拟方法模拟乘客随机出行行程并得到平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；顺序破坏地铁站点并计算破坏后的平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；通过破坏前与破坏后的平均行驶时间，平均换乘次数，节点的度，节点的介数中心性的数值计算比值；通过K
‑
means聚类和轮廓系数法对破坏后的平均行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵加权确定权重；通过平均行驶时间比值，平均换乘次数比值与权重的组合确定Ⅰ类弹性指数；通过计算节点度数、节点介数对网络全局效率的影响确定权重；通过节点的平均度数比值，平均介数比值与权重的组合确定Ⅱ类弹性指数；对Ⅰ类弹性指数和Ⅱ类弹性指数进行加权平均得到总弹性指数，根据总弹性指数确定节点的韧性。2.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法，其特征在于，所述根据地铁站点信息和地铁行驶信息构建地铁网络累加行驶时间矩阵和地铁网络拓扑结构；具体包括：通过地铁相邻站点之间的距离，地铁行驶速度，不同地铁线路相同中转站的换乘时间，计算地铁网络所有站点之间的互达时间，构建地铁网络累加行驶时间矩阵，根据该时间矩阵计算出任意两个站点之间的最短路径；以地铁站点为节点，以地铁线路为边，构建地铁网络拓扑结构。3.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法，其特征在于，所述使用蒙特卡洛模拟方法模拟乘客随机出行行程并得到平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；顺序破坏地铁站点并计算破坏后的平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；通过破坏前与破坏后的平均行驶时间，平均换乘次数，节点的度，节点的介数中心性的数值计算比值；具体包括：使用蒙特卡洛模拟方法，随机选择起始站点，中转站点，目的站点，设置模拟次数与模拟乘客数量，模拟乘客随机出行行程；得到破坏前的平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；顺序破坏地铁站点并计算破坏后的平行行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵，节点的度，节点的介数中心性；计算破坏前与破坏后的平均行驶时间，平均换乘次数，节点的度，节点的介数中心性的比值；其中，平均行驶时间为：ATT表示平均行驶时间，t
i
表示第i条路径的行驶时间，n表示路径的总数量；平均换乘次数为：ATC表示平均换乘次数，c
i
表示第i个乘客的换乘次数，m表示乘客的总数量；平均行驶时间比值为：
其中，avg_time_R表示平均行驶时间比值，ATT表示平均行驶时间，D_ATT表示破坏后的平均行驶时间；平均换乘次数比值为：其中，avg_transfer_R表示平均换乘次数比值，ATC表示平均换乘次数，D_ATC表示破坏后的平均换乘次数；节点的度及平均节点度为：节点的度及平均节点度为：其中，D
i
为节点i的度；N为节点总数；δ
ij
为节点i与j是否相连；若节点i与j相连，则δ
ij
为1，反之为0；avg_D
i
为平均节点度；平均度数比值为：其中，avg_d_R
i
为节点i的平均度数比值，avg_D
i
为节点i平均节点度，D
i
为节点i的度数；节点的介数及平均介数为：节点的介数及平均介数为：其中，B
v
表示节点v的介数；d
ij
(v)表示节点i和j之间经过节点v的最短路径的条数；d
ij
表示节点i和j之间经过的所有最短路径数目；avg_B
v
表示平均介数；N为节点总数；平均介数比值为：其中，avg_b_R
v
表示节点v的平均介数比值，avg_B
v
表示节点v的平均介数，B
v
表示节点v的介数；模拟次数与需要模拟的节点数量(评估的指标数量)具有如下关系式：其中，C是模拟的次数；α和β是常数；N是拓扑网络中的节点数量或需要评估的指标数
量。4.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛方法的地铁网络节点韧性评估方法，其特征在于，所述通过K
‑
means聚类和轮廓系数法对破坏后的平均行驶时间矩阵和平均换乘次数矩阵确定Ⅰ类弹性指数；具体包括：所述K
‑
means聚类方法的表达式如下：其中，c
j
表示第j个簇的簇中心点，也就是簇内所有数据点坐标的平均值；s
j
表示第j个簇内包含的所有数据点的集合；|S
j
|表示第j个簇内数据点的数量，也就是簇的大小；x
i
表示第i个数据点的坐标；损失函数：其中，为损失函数，c
j
是第j个簇的簇中心点，x
i
是第i个数据点，||x
i
‑
c
j
||表示欧几里得距离；该等式的含义是将所有数据点按照与其所属簇的簇中心的距离平方的总和作为损失函数，我们的目标是通过优化该损失函数来找到最优的簇划分和簇中心点；然后，对于所有不同于C
i
的其他簇C
j
，计算数据点i与簇C
j
中所有数据点的平均距离b
i
，即：如果簇C
j
中没有其他数据点，则其平均距离b
i
定义为0；最后，数据点i的轮廓系数s
i
定义为：其中，s
i
表示数据点i的轮廓系数，a
i
表示数据点i到其所在簇内其他数据点的平均距离，b
i
表示数据点i到其最近的不同于所在簇的其他簇中所有数据点的平均距离；根据K
‑
means聚类和轮廓系数法得到平均行驶时间和平均换乘次的权重，具体包括：合并数据矩阵并标准化：将平均行驶时间矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：安毅生，白帆，李颖，李婷，牛明博，慕晨，刘树美，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：