第32卷第4期铁道学报V01.32No.42010年8月文章编号:1001—8360

(2010)04—0018—05铁路网抗毁性分析王伟9刘军,李海鹰'蒋髓(北京交通大学交通运输学院,北京100044)

铁路网抗毁性分析.pdf

摘要:铁路网抗毁性是指发生内部或外部突发事件,引起设施或服务失效后,网络性能维持和恢复到一个可接受程度的能力在设施修复和运输调度策略下,铁路网的适应性和恢复性,是其抗毁性分析的重要方面本文在分析铁路网抗毁性的基础上,建立铁路网抗毁性评估模型,提出以旅行时间为测度的网络可达性和区域可达性指标及其计算方法,并实证分析2008年雪灾对铁路网的影响结果表明,与基于营业里程测度的可达性指标相比,基于旅行时间测度的可达性指标更符合实际情况

关键词:铁路网;抗毁性;分析模型;可达性中图分类号:X43;U298文献标志码。良好的抗毁性对适应高负载和突发事件,保障铁路网功能具有重要作用影响铁路网抗毁性的因素很多,如路网拓扑结构备用能力等网络抗毁性研究主要集中两个方面:一是网络拓扑结构的抗毁性,侧重于探讨网络中的节点或边在随机失效或蓄意攻击下的网络连通性,如文献[1—33;二是突发事件下,网络的性能和承载能力,着力于探讨突发事件对网络功能的影响,在这方面的研究主要集中在通信网计算机网等,如文献[4—5]本文研究铁路网抗毁性问题,分析铁路网抗毁性的影响因素,建立铁路网抗毁性评估模型,提出以收稿日期:2009—12—14;修回日期:2010-04—19基金项目:国家自然科学基金资助项日

(60736047);轨道交通控制与安全国家重点实验窀资助课题(R(￥2009ZT009)作者简介:王伟

(1983一),男,宁夏平罗人,博士研究生E-mail:05121053@bjtu.edu.ca旅行时间为测度的网络可达性和区域可达性指标及其计算方法,并将此方法用于分析中国南方雨雪冰冻灾害对铁路网造成的影响,为铁路网的规划设计改进提供科学依据1铁路网抗毁性定义网络抗毁性(Survivability)的定义目前还没有形成统一的表述从软件工程的角度定义抗毁性为:当系统的一部分遭受攻击并已经瘫痪时,关键服务仍然能够使用的程度在通信网或计算机网络的研究中,抗毁性的定义为:当网络中出现确定性或随机性故障时(如链路或节点故障),网络维持或恢复其性能到一个可接受程度的能力H]由以上定义可知,网络抗毁性强调的是遭受到入侵系统的关键部分遭到损害或第4期铁路网抗毁性分析19被摧毁时,系统的适应性恢复性以及关键服务的完成情况,关注的是潜在毁坏事件的影响过程№]铁路网抗毁性是指当内部或外部突发事件引起的铁路网设施或服务失效时,铁路网维持或恢复其性能到一个可接受程度的能力,考察的是铁路物理网的牢固性和业务功能的健壮性,其定义包括以下3个方面:

(1)突发事件突发事件是指可能影响铁路网系统完成运输任务向客户提供运输产品的事件主要分为外部攻击自然灾害恶劣天气客流大幅波动等

(2)适应性适应性是指在突发事件出现的情况下,系统隔离异常部分,重新配置资源,维持关键服务的能力外界环境变化可能会带来运输需求在数量和质量上的较大波动,面对运输需求这种不确定性时,运输系统应该保持相应的服务水平

(3)恢复性恢复性是指系统在遭受攻击后,对受损设施设备修复,并恢复所有服务的能力突发事件发生后,铁路部门采用相应的应急技术和措施,恢复铁路运输过程到稳定的状态(指车站和线路功能恢复,采用突发事件发生前列车运行图时的状态),其中包括铁路物理网修复和铁路运输的调度调整活动设备的储备,如在路段上增加备用机车,应对客货流激增;在电气化区段上储备内燃机车,应对自然灾害等原因导致的电力设备故障铁路网的备用能力,直接影响突发事件下满足特殊需求的能力

(4)铁路物理网修复和运输调度策略在突发事件发生后,客货流量的不均衡性和时间的紧迫性决定在铁路网修复和运输调度过程中时间效益高于经济效益,需要及时疏通重要径路及节点,同时采用迂回方式,绕开故障节点或路段,提供关键服务其物理网修复和运输调度调整策略实施的好坏,直接影响突发事件下铁路网最优性能的发挥,进而影响到铁路网的抗毁性2.2铁路网抗毁性分析模型铁路网抗毁性模型是对从突发事件发生时起,到通过采取调度维修等措施使铁路网恢复到稳定状态时止整个过程的描述突发事件发生后,铁路系统的稳定有序状态(假设无突发事件情况下,铁路网处在稳定的状态)被打乱,管理部门制订相应应急措施,但是新的扰动事件随着扰动传播被触发,需要根据当时情况随机变更应急措施,这个过程将持续进行,直到铁路系统重新达到新的稳定状态其具体过程见图12铁路网抗毁性分析在既有的抗毁性研究中,更多关注的是设施性能,对于铁路网整体性能的抗毁性分析还不多见当突发事件发生时,铁路网系统通过维修调度集中调整等措效传磊.厅禽施,恢复到稳定状态,因此铁路网是一个可恢复性网I突发事件1新扰动事件应急技术J络,对其抗毁性的分析是一个对恢复过程和结果的分析'4|2.1铁路网抗毁性影响因素铁路网抗毁性主要关注系统的适应性和恢复性,与其相关的因素有:

(1)特定场景下突发事件的规模和强度突发事件的规模越大,对铁路网的影响越大,并且其强度越强,对铁路网的损坏越严重

(2)网络拓扑结构铁路网抗毁性与网络拓扑结构有着密切的关系,拓扑结构的好坏能够直接影响网络抗毁性的高低在高负载出现突发危机的情况下,铁路车站或线路将会出现故障或阻塞,影响铁路网的连通性,为尽可能提高客货流输送能力,在一些区段将采用迂回运输

(3)铁路网的备用能力E7-83备用能力储备包括图1铁路网抗毁性分析模型从图1可以看出,发生外部攻击故障或灾害等突发事件后,铁路系统状态的跃迁过程可以分为K个阶段。

(1)储备包括修建同一OD间的多条路段或径路,增加节点之间的连通度设备的储备包括固定设施的备份和2.3突发事件下铁路网恢复模型铁路物理网是业务网的承载基础,物理网节点或边发生失效或故障,将会影响到业务的开展。

(3)式中,D(五)是网络的可达性测度;A(忌)是网络的可达率是突发事件后,在第k阶段网络中节点i与节点歹之间的实际旅行时间;t¨是正常情况下,节点i与节点歹之间的实际旅行时间;f为常数,根据横跨网图2突发情况F铁路网恢复模型络最长运输通道在突发事件发生后与发生前的旅行时由图2可知,铁路网恢复包括两个方面:一是拓扑间的比值7确定l厂=Iyl结构,通过修复铁路物理网上的节点或边,恢复路网连通性;二是业务功能,通过调度调整运输计划恢复路网区域可达性反映该区域与其相邻区域的可达程度,其定义如下业务功能突发事件发生后,铁路物理网受损,业务功能受到影响,运用铁路物理网修复计划,修复受损节点或边,同时调度调整运输计划,尽可能保证关键运输服务的开展运输需求变化和业务的调整,促使铁路物理网的修复计划发生变更,路网部分功能的修复,又会使调度调整运输计划,铁路物理网修复计划和调整计。

(6)划随着状态的跃迁而发生相应变化

(1)铁路物理网修复策略铁路物理网中的节点或边发生故障或失效,考虑节点对之间流量的大小和网络中故障节点或边在路网中的重要性,优先修复业务重要的节点,重要节点的疏解对于提高突发危机情况下的网络性能具有决定性的作用

(2)运输调度调整策略式中,D(忌)是突发事件后,在第k阶段网络中区域s的可达度,s∈Z,Z为网络中区域的集合;挖,是区域5中节点个数;A,(正)是区域S的可达率;Ai(忌)是区域5内节点i的可达率;硼Ⅱ是节点J的权重。

(8)受影响严重的列车,要停运;由于客货流增加的影响,可以组织加开列车;为保证故障列车或车站有充分的处理时间,使行车间隔均匀,应该对相关列车进行限速增加停站时间等式中,钉,是突发事件前,区域S与区域r之间的客(货)流量,s∈Z,r∈Z;N,是区域r中节点的集合;N,是区域S中节点的集合4实例分析3基于可达性的铁路网抗毁性评估2008年初,南方大部分地区遭遇历史上罕见的持铁路网抗毁性评估应该包含从正常状态到失效状态,再恢复到正常状态整个过程的评估,过程持续的时间越长,系统的抗毁性越差在上述抗毁性分析模型中的每个状态可以从网络可达性和区域可达性[91两个方面进行分析评估以可达性为网络分析目标时,并不关心运输径路上是否有充足的容量可达性是指在铁路网上从某一车站到达目的车站的便捷程度本文提出以旅行时间为测度的网络可达性,其定义如下续大范围的雨雪冰冻灾害天气,导致公路民航等交通运输大范围受阻,京广京九等铁路大动脉受到巨大的冲击,干扰了国民经济的有效运行本文以此为背景,通过选取京广京九沪昆等铁路线路(图3),对我国铁路网抗毁性进行分析场景构建[1o]是抗毁性分析的重要方面,构建的场景要能够准确描述实际情况,并且具有一定的代表性对于铁路网抗毁性来说,要分析铁路物理网活动设备(运载工具)和业务三者之间的相互作用关系,第4期铁路网抗毁性分析,距离口时间11_~21图3相关路网示意图注:数字代表营业里程,单位km要影响因素,在不㈠|向陌¨题本质的情况下对选择因素。进行转化处理,最后构建出符合实际的场景jjjjjj_一大部分供电线路受损,供电中断,电力机车无法有效牵引列车运行,导致京广线沪昆线部分区段堵塞,列车迂回运输,但线路上备用的内燃机车严重不足,本文将此场景模拟为怀化一株洲株洲一向塘西株洲一衡阳衡阳一韶关等线路区段中断,京广沪昆线路其余区段以内燃机车牵引运行,此场景用A表示随后,铁路部门从各铁路局调集大量内燃机车投入供电线路受损区段,中断线路恢复通车,假设此时内燃机车能够满足运输需求,此场景用B表示假设电气化双线铁路列车运行速度为160km/h;电气化单线铁路列车运行速度为80km/h;非电气化双线铁路列车运行速度为100km/h;非电气化单线铁路列车运行速度为50km/h在本案例中,根据突发事件发生后与发生前沪昆线的旅行时间比值确定,的值,取厂一4根据式

(2)和式

(3),在不考虑网络能力的情况蕤一越掰¨㈣¨下,得出路网的可达性指标值,见图4本文计算基于营业里程测度的可达性指标值与其对比,其计算结果5结论见图4在场景B中,基于营业里程测度的可达性指标值为1,与实际情况不符在区域的可达性指标值计算方面,区域之间客流量以两个地区之间开行列车数量为参考量,直达列车取为1,途经站列车取0.5,以2007年年底的列车时刻表为基础,根据式

(7),算出节点权重训d,再根据式(2)~式

(6),得出区域可达性指标值,其结果如图5本文提出铁路网抗毁性的分析评估方法,从适应性恢复性及灾害影响后果等方面进行分析,研究铁路网抗毁性的评估模型,提出基于旅行时间测度的网络可达性区域可达性指标及其计算方法通过案例研究,南方发生雪灾后,广州和武昌地区的可达性受到较大影响,基于旅行时间测度的可达性比基于营业里程京广线沪昆线为双线电气化铁路,雪灾导致南方22铁道学报第32卷测度的可达性更符合实际情况铁路网抗毁性分析能够为铁路网规划既有线路[33谭跃进,吴俊,邓宏钟,等.复杂网络抗毁性研究综述[J].系统工程,2006,24

(10):1-10.网优化高品质运输产品的设计和运输产品可靠性分TANYue-jin,WUJun,DENGHong—zhong,eta1.Invul—析等提供理论依据在路网规划阶段,针对可能发生nerabilityofComplexNetworks:ASurvey[J].Systems的各种突发事件,建立相对应的场景,分析规划路网的抗毁性能,为优化路网的拓扑结构提供理论依据;在既[43Engineering,2006,24

(10):1-10.POULEHeegaard,KISHORSTrivedi.NetworkSurviv—abilityModeling[J].ComputerNetwork,2009,53:1215—有线路网优化方面,利用抗毁性分析理论,发现既有线路网的能力受限区段或车站,通过增加受限区段或车站的通过能力,并重新配置活动资源,达到优化既有线1334.[5]潘丽君.战场通信网络战时抗毁性初探[J].装甲兵工程学院学报,2006,20

(2):21-25.路网整体性能的目的;在运输产品的设计和可靠性分PANLi—jun.ResearchonSurvivabilityforCommunication析方面,通过分析其在不同场景下的抗毁性,为运输产NetworkinBattleSpace[J].JournalofAcademyofAr—品的可靠性提供定量评估方法,进而为基于可靠性的moredForceEngineering,2006,20

(2):21—25.高品质运输产品设计提供理论指导[6]NANCYRMead,ROBERTJEllisonRICHARDCLin—运用可达性指标对铁路网的抗毁性进行分析,没ger,eta1.SurvivableNetworkAnalysisMethodrR].Pitts—有考虑车站及线路的能力在雪灾发生后,铁路网上burgh:SoftwareEngineeringInstitute,2000.[7]STEVENHarrod.RailwayCapacityManagementand车站和线路的实际能力以及活动设备数量等因素都对Planning[D].Cincinnati:UniversityofCincinnati,2007.铁路运输效率产生很大影响,铁路网抗毁性分析能把[83PANATDAKasikitwiwat.CapacityReliabilityandCapaci—这些因素考虑进去,可以丰富铁路网抗毁性分析理论,tyFlexibilityofaTransportationNetwork[D3.Logan:并对实践有更加重要的参考作用UtahStateUniversity,2004.参考文献:[9]STEPHANIEPost—disasterEChang,NOBUOTOTransportationSystemNojima.MeasuringPerformance:the[13KRINGSAWAzADMANEsHA.AGraphBased1995KobeEarthquakeinComparativePerspective[J].ModelforSurvivabilityApplications[J].EuropeanJournalTransportationResearchPartA,2001,35:475—494.ofOperationalResearch,2005,164:680—689.[10]YORAMShiftan,SIGALKaplan,SHALOMHakkert.[2]海军.战时铁路网络生存性定量评价研究[J].铁道学报,ScenarioBuildingasaToolforPlanningaSustainable2005,27

(4):110-113.TransportationSystem[J3.TransportationResearchPartHAlJun.QuantitativeAppraisalofRailwayNetworkVia—D,2003,8:323-342.bilityintheWartime[J].JournaloftheChinaRailwaySo—(责任编辑李淑萍刘梅林)ciety,2005,27

(4):110-113.《铁道学报》网上投稿系统于2009年8月1日正式开通《铁道学报》网上投稿系统(http://www.tdxb.org)在詹天佑科学技术发展基金会的资助下于2009年8月1日正式开通欢迎广大作者使用该系统投稿查询稿件;审稿专家审阅稿件;读者反馈意见以及在线上传订阅单,等等使用中遇到问题希望与编辑部及时联系,以利问题的解决以及系统的不断改进和完善多谢支持与合作!本刊编辑部铁路网抗毁性分析作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):王伟,刘军,李海鹰,蒋熙,WANGWei,LIUJun,LIHai-ying,JIANGXi北京交通大学,交通运输学院,北京,100044铁道学报JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETY2010,32

(4)参考文献

(10条)1.YORAMShiftan;SIGALKaplan;SHALOMHakkertSenarioBuildingasaToolforPlanningaSustainableTransportationSystem20032.STEPHANIEEChang;NOBUOTONojimaMeasuringPost-disasterTransportationSystemPerformane:the1995KobeEarthquakeinomparativePerspetive20013.PANATDAKasikitwiwatapaityReliabilityandapaityFlexibilityofaTransportationNetwork20044.STEVENHarrodRailwayapaityManagementandPlanning20075.NANCYRMead;ROBERTJEllison;RICHARDCLingerSurvivableNetworkAnalysisMethod20006.潘丽君战场通信网络战时抗毁性初探[期刊论文]-装甲兵工程学院学报2006(02)7.POULEHeegaard;KISHORSTrivediNetworkSurvivabilityModeling20098.谭跃进;吴俊;邓宏钟复杂网络抗毁性研究综述[期刊论文]-系统工程2006

(10)9.海军战时铁路网络生存性定量评价研究[期刊论文]-铁道学报2005(04)10.KRINGSAW;AZADMANESHAAGraphBasedModelforSurvivabilityAppliations2005引证文献

(1条)1.陈世明.江冀海.庞少鹏.赖毅平.聂森列车运行网络抗毁性能的量化研究[期刊论文]-计算机应用研究2011