基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)特性分析

李奔

摘 要：本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，采用Spcae-L方法構(gòu)建重慶市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相關(guān)指標(biāo)分析了拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)特征。結(jié)果表明：重慶市軌道交通網(wǎng)絡(luò)在L空間下度值超過平均度的站點，均為換乘站，度值大于2的站點僅占11.83%，表示大多數(shù)車站不是換乘站;具有高度數(shù)的站點并不都具有高介數(shù);度數(shù)與介數(shù)兩個特征指標(biāo)中度相關(guān)。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通網(wǎng)絡(luò);復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論;度數(shù);介數(shù)

0 引言

城市軌道交通因速達(dá)性、準(zhǔn)時性、運輸能力強等優(yōu)勢，已成為我國居民出行的首先公共交通工具。截止2020年12月31日，在重慶通過城市軌道交通出行者達(dá)8.4億人次（即每天約230萬人次），占公共交通出行的比例為47%，位居全國第六位。學(xué)者們應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對城市軌道交通做了大量的研究。朱燕煌等[1]利用兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建了青島市城市軌道交通線路網(wǎng)絡(luò)。Zeng Junwei等[2]分析天津城市軌道交通的靜態(tài)特性并識別了關(guān)鍵站點和關(guān)鍵線路。因此本文將利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對重慶市城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，揭示了城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在機理，可為軌道交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計做出貢獻(xiàn)，對軌道交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更為深入的分析和評價。

1 城市軌道交通的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析

1.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建立

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋硎痉椒ㄓ袃煞N[2]：L型空間（Space-L）即把站點抽象成節(jié)點，若同一條線路上的2個站點是相鄰的，它們之間就有連邊;P型空間（Space-P）即把站點抽象成節(jié)點，若同一條線路上的2個站點是聯(lián)通的，它們之間就有連邊。

城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)是由車站和線路兩個基本要素組成的，因此可以將車站抽象成節(jié)點、線路抽象成邊，構(gòu)成城市軌道交通的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。Spcae-P更加注重?fù)Q乘空間的表達(dá)，而Spcae-L注重相鄰站點之間的聯(lián)系。因此本文采用Spcae-L方法對城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)行分析，通過節(jié)點和邊的組合來構(gòu)造城市軌道交通復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本框架，將軌道交通網(wǎng)絡(luò)表示為無向連通網(wǎng)絡(luò)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)

（1）節(jié)點度。度是用來刻畫復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點特性的最基本參數(shù)[3]，節(jié)點度是指節(jié)點的與鄰邊數(shù)量關(guān)系，利用進(jìn)行計算，平均度為，而度為的節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中所占的比例就是度分布。

在軌道交通網(wǎng)絡(luò)中，倘若一個節(jié)點度值越大，則表明該節(jié)點與其他節(jié)點連接越多。

（2）介數(shù)。介數(shù)用于描述節(jié)點和邊在網(wǎng)絡(luò)中的重要性[4]，點介數(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點間的所有最短路徑包含該節(jié)點的比例。若為節(jié)點s與節(jié)點t之間的最短路徑的數(shù)量，可表示為;為節(jié)點s與節(jié)點t之間最短路徑經(jīng)過節(jié)點i的最短路徑的數(shù)量，由此得到介數(shù)值Bi的計算公式：

則網(wǎng)絡(luò)的平均介數(shù)：

邊介數(shù)與點介數(shù)定義相似，邊介數(shù)是指任意兩節(jié)點間的所有最短路包含該邊的比例。

在軌道交通網(wǎng)絡(luò)中，介數(shù)可以直觀反映某站點或線路在運輸過程中提供最短路的能力，該特性統(tǒng)計值越大，說明該站點或線路的影響力越大。

2 重慶市城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)特性分析

本文根據(jù)2020年重慶市軌道交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括支線在內(nèi)共8條線路和169個站點（已開通運營的站點），對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點進(jìn)行編號，應(yīng)用Python語言所開發(fā)圖論、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)建模工具的networkx庫來構(gòu)建重慶軌道交通網(wǎng)絡(luò)的無向圖，如圖1。

重慶市軌道交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)節(jié)點數(shù)169，具有列車折返功能的節(jié)點84，邊數(shù)181，表示重慶市軌道交通運營網(wǎng)絡(luò)共有169個站點，84個折返站點，181段區(qū)間線路。

在L空間下度值超過平均度的站點，均為換乘站，其中除了牛角沱站、紅旗河溝站、五里店站、大龍山站、重慶北站南廣場站及冉家壩站均為列車折返站，重慶北站南廣場站為對外交通樞紐。圖2為重慶市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的度分布，度分布反映了網(wǎng)絡(luò)中不同度的比例，其度值為2的節(jié)點度占81.66%，度值大于2的站點僅占11.83%，表示重慶市軌道交通網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)車站不是換乘站。

圖3為各節(jié)點介數(shù)，介數(shù)較大的前20個站點，除了觀音橋站、華新街站、光電園站、花卉園站、大足林站、渝魯站、民心佳園站其他站點均為換乘站，列車折返站有光電園站、渝魯站、民心佳園站，顯然介數(shù)特性與度特性相比有較大差異，具有高度數(shù)的站點并不都具有高介數(shù)，度數(shù)與介數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.697，度數(shù)與介數(shù)兩個特征指標(biāo)中度相關(guān)，亦可證明該結(jié)論。

3 結(jié)論

本文利用復(fù)雜理論構(gòu)造重慶市城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相關(guān)指標(biāo)的計算結(jié)果對其特性進(jìn)行分析。重慶市城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)大部分車站不是換乘站，占88.17%，介數(shù)特性與度特性相比有較大差異，具有高度數(shù)的站點并不都具有高介數(shù)，度數(shù)與介數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.697為中度相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱燕煌，胡致遠(yuǎn)，孫麗君.青島市城市軌道交通線路網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜特性分析[J].北京測繪，2020，34（5）：596-599.

[2]Zeng J，Y Qian，Liu X ，et al.Reliability analysis of Tianjin urban rail transit network based on complex network evolution characteristics[J].Modern Physics Letters B，2020（5）.

[3]杜斐，黃宏偉，張東明，等.上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性及魯棒性研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2016，49（5）：701-707.

[4]韋怡林.基于客流加權(quán)的軌道交通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其脆弱性分析[D].重慶交通大學(xué)，2019.