基于復雜網(wǎng)絡的城市軌道交通關鍵節(jié)點分析

王沙沙

摘 要：本文基于復雜網(wǎng)絡模型，首先提取復雜城市軌道交通網(wǎng)絡的特征，利用UCINET建立其拓撲結構，采用TOPSIS方法根據(jù)其特征構造節(jié)點意義模型，并以南京地鐵為例對軌道交通站點進行排序，確定南京市軌道交通線網(wǎng)中的關鍵節(jié)點，為提高軌道交通運營管理水平提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通;復雜網(wǎng)絡;站點重要度

伴隨著我國城市化進程的不斷擴大，越來越多的城市開始進行軌道交通建設，部分城市已經(jīng)形成了以軌道交通為主的路網(wǎng)結構。在當前城市軌道交通網(wǎng)絡建設的新形勢下，針對我國城市軌道交通網(wǎng)絡的特點，研究如何選擇城市軌道交通中最重要的站點，分析車站在城市軌道交通中的重要性，對于城市軌道交通的規(guī)劃、運營都具有十分重要的意義。

1 城市軌道交通復雜網(wǎng)絡理論基礎

1.1 復雜網(wǎng)絡的統(tǒng)計特征

復雜性網(wǎng)絡是多個單元相互作用的復雜系統(tǒng)。單元個體是網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，它們之間的關系是隨機的。以往研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)真實復雜網(wǎng)絡都具有網(wǎng)絡行為統(tǒng)計、網(wǎng)絡連通性不足、節(jié)點復雜性、網(wǎng)絡結構復雜性和網(wǎng)絡變動性等基本特征。過去，科學家們根據(jù)復雜網(wǎng)絡的特點，提出了一種網(wǎng)絡模型。研究人員選擇不同的靜態(tài)指標來描述網(wǎng)絡特征，即復雜網(wǎng)絡的統(tǒng)計特征[1]。

1.2 城市軌道交通復雜網(wǎng)絡模型

利用空間L法構建的網(wǎng)絡規(guī)模大，節(jié)點多，結構復雜，直觀地反映了實際網(wǎng)絡的復雜性。從空間上看， R和 P方法主要從網(wǎng)絡的連接關系考慮網(wǎng)絡的傳輸關系，而空間L方法更能反映網(wǎng)絡節(jié)點的特征，更能反映城市軌道交通自然網(wǎng)絡的形態(tài)。根據(jù)本論文的研究內(nèi)容和城市軌道交通的特點，采用空間L法進行軌道交通的開發(fā)。

2 城市軌道交通站點重要度評估

在2018年6月之前，南京地鐵一共有10條線路投入了運營，線路總長378千米，共有174座車站，本文將車站逐一編號后應用Ucinet 軟件構建網(wǎng)絡拓撲圖如圖1，在靜態(tài)路網(wǎng)特征指標的基礎上，分析了城市軌道交通線網(wǎng)，確定了評價指標體系，如圖2：

2.1 度值

站值（站點度值）是與一個車站直接連接的一個車站站點的數(shù)目，也就是說，在城市軌道交通網(wǎng)絡中，一個車站到另一個車站的距離對于一個傳輸站點來說往往更大。站值越高，在站內(nèi)換乘的線路越多，說明車站站點對整個城市軌道交通線網(wǎng)的影響越大[2]。

從圖3可以看出，在城市軌道交通網(wǎng)絡中換乘站的度值巨大。換乘線較多，多數(shù)站點度值為2。這一現(xiàn)象符合城市軌道交通線網(wǎng)的基本特征。

2.2 介數(shù)

站點之間的相互依賴關系反映了節(jié)點對整個城市軌道交通網(wǎng)的重要性。一般而言，經(jīng)過一個車站站點的最短路線越多，它就越重要。

2.3 聚類系數(shù)

實際上，很多大型網(wǎng)絡都有聚類效應，即本地節(jié)點趨向于集中化。軌道交通線網(wǎng)中，城市布局影響著軌道交通的發(fā)展。軌道交通將明顯集中在中心城區(qū)和重要交通節(jié)點。部分地區(qū)的臺站密度明顯增加，區(qū)內(nèi)臺站聚類效率也相對較高。

但由于城市軌道交通線網(wǎng)本身的結構特點，僅有幾個站點可以實現(xiàn)三元化，使得節(jié)點聚類系數(shù)大多為0，而整個網(wǎng)絡一般為0?？梢?，城市軌道交通線網(wǎng)是一條相對稀疏的線網(wǎng)。

2.4 特征向量

在復雜網(wǎng)絡中，本站特征向量是用相鄰節(jié)點重要性的總和來表示的，如果連接到一些重要的站點，比如換乘站，則本站特征向量的值會更大。實際上，一般情況下，一個車站與另一個車站距離越近，如果一個車站受損，對另一個車站的影響就越大，而且客流比其他車站更為密集，也就是說，換乘站越重要。下面的圖顯示了南京地鐵車站自身的特征向量：

3 城市軌道交通站點重要度評估模型

3.1 指標權重的確立

鑒于本研究屬于城市軌道交通線網(wǎng)，在評價時不應考慮主觀意見，故采用客觀分配的變異系數(shù)法確定各指標的權重。

變異系數(shù)方法的基本原理是：在評價過程中，單一指標數(shù)據(jù)差異越大，可以表達的信息越多，反映的指標差異越大，給具有差異的指標賦予的權重越大。

南京網(wǎng)絡權值的計算確定為：

3.2 網(wǎng)絡節(jié)點重要度綜合評估

在多種評價方法中， TOPSIS方法具有較高的客觀性和廣泛性。為此，采用 TOPSIS方法對城市軌道節(jié)點的總體重要性進行評價。

在 TOPSIS方法的基礎上，本文提出了城市軌道節(jié)點綜合排序的計算步驟：

（1）構造決策矩陣。網(wǎng)絡節(jié)點重要性綜合評價指標體系由四個方面組成。假定一個節(jié)點在網(wǎng)絡中。對于每個節(jié)點的指標值，基本決策矩陣如下：

（7）根據(jù)接近程度對節(jié)點重要度進行排序。在此基礎上，對各節(jié)點與理想解的接近程度進行排序，然后再對各節(jié)點重要度進行排序，從而得到城市軌道交通站點的排序結果。我們可以得出以下結論：1）大多數(shù)的換乘站，如新街口，南京南站，南京站，都是最重要的。在網(wǎng)絡中，這些站點連接的數(shù)量越多，其價值就越高，局部意義就越大，直接連接到換乘站的站點也就越重要。樞紐具有客流聚集、通過樞紐點向其它線路轉移的趨勢。所以說，大部分乘客都要經(jīng)過這些重要的車站，使這些換乘站具有高度穩(wěn)定性。在網(wǎng)絡中，當這些接線較多、客流較大的車站被拆除時，對網(wǎng)絡的連通性和功能有很大影響，因此，這些重要的換乘站是網(wǎng)絡中的關鍵站。2）早期和中期修建城市軌道交通線路時，車站的重要性要高于新建線路。由于南京軌道交通線網(wǎng)具有擴張性，因此這兩個重要站點將分別位于一、二號線。伴隨著軌道交通線網(wǎng)的擴展，新線路上的節(jié)點往往與原有建設線路上的節(jié)點相連，而這些節(jié)點之間又存在著連接。與其他節(jié)點相比，這些節(jié)點具有更大的吸引力，因而具有更高的重要性。

4 結語

在復雜網(wǎng)絡理論的基礎上，建立了城市軌道交通站點重要度綜合評價模型，對南京市軌道交通站點進行排序，并以南京市為例對重要性較高的換乘線路進行分析。城市軌道交通線網(wǎng)建設時，換乘道路的位置要合理規(guī)劃。運行過程中加強對重要車站、線路的預警，制定應急預案，分析車站在城市軌道交通線網(wǎng)中的重要作用，可以為城市軌道交通線網(wǎng)管理提供決策依據(jù)，具有很強的實用性。

參考文獻：

[1]巨玉祥，李文霞，李卓，等.基于客流加載的城市軌道交通網(wǎng)絡關鍵點分析[J].交通科技與經(jīng)濟，2020，22（2）：26-31+47.

[2]李秋璇.基于客流加權的重慶軌道網(wǎng)絡復雜性分析及關鍵節(jié)點識別[D].重慶：重慶交通大學，2019.