《城市互补公共交通系统中距离对乘客换乘偏好和地铁扩建的脆弱性影响》外文翻译资料

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译文出处：

Liu Hong,Yongze Yan,Min Ouyang,Hui Tian,Xiaozheng He

Vulnerability effects of passengers intermodal transfer distance preference and subway expansion on complementary urban public transportation systems

Reliability Engineering and System Safety 158 (2017) 58–72

《城市互补公共交通系统中距离对乘客换乘偏好和地铁扩建的脆弱性影响》

文章信息

关键词：脆弱性 城市公共交通系统 优势互补 地铁扩建

摘要

有关城市公共交通系统的脆弱性研究，近年来由于其在城市经济发展和人民生活中的重要作用而受到越来越多的关注。本文提出了一种由公交系统和地铁系统组成的城市互补公共交通系统（CUPTSs）中，在考虑乘客的换乘距离（PITDP）不同而得出不同级别的两个系统之间的互相弥补的脆弱性模型。在该模型的基础上，进一步提出了CUPTSs目标易损性分析方法，从两个具体方面：（一）不同PITDP值时的脆弱性影响，从而根据改变PITDP，减少系统的脆弱性而制定政策；（b）不同地铁扩建计划的脆弱性影响，有利于目前地铁扩建计划的脆弱性调查和从系统脆弱性视角下制定最优扩张方案。用CUPTSs目标易损性分析方法研究中国武汉的公交和地铁系统的互相补充。这项研究的结果，有助于从脆弱性的角度为其他CUPTSs提供宝贵的规划建议。

1. 介绍

城市公共交通系统能够为广大市民提供低成本、高效、安全的共享交通服务，在一个城市的经济发展和公民的生活中起着举足轻重的作用。在世界上大多数大城市中，城市公共交通系统主要由公共汽车系统和地铁系统组成，它为乘客提供理想的可供选择的运输服务工具。由于它们的重要性，这些系统中的任何破坏或事故都会降低城市居民的流动性，并在很大程度上影响他们的日常生活。因此，关于城市公共交通系统的脆弱性建模与分析，近年来受到了越来越多的关注[30]。

先前的许多研究主要集中在脆弱性和单一种类的城市公共交通系统 [15,19,40,44 ] 吴等人[ 46 ]研究了北京公交系统的拓扑特性并分析了在随机故障和刻意破坏下的脆弱性。Dribble 和Kennedy[ 12 ]采用网络理论分析了世界上33种地铁系统的脆弱性。章等人【49】研究上海地铁系统的拓扑特征并分析了其脆弱性。王等人[ 43 ]分析了三藩和波士顿城市轨道交通系统的脆弱性，确定了最脆弱的铁路段。设Rodriacute;guez-Nuacute;ntilde;ez和Garciacute;a-Palomares [ 38 ]提出了一种方法分析了公共交通系统的临界性和脆弱性，并用它来分析马德里地铁系统的脆弱性。Kpotissan Adjetey Bahun等人[ 1,2 ]以旅客延误和乘客载荷作为系统性能指标，提出了一种新的量化铁路运输系统弹性的模型，并且它们之间相互依存的子系统，也被认为在模型之内。这些研究提高了我们对不同类型的城市公共交通系统的脆弱性的理解，但从乘客的角度来看，这些系统并不独立：他们互相关联，尽管有些站点虽然距离较近并一起为公众提供多式联运服务，但是其实是属于不同的系统的。

在不同运输方式之间主要有两种关系：竞争与互补。比如：在非高峰时间，这些系统通过竞争价格或其他比如比较方便的特点，吸引使用者，在高峰时段，他们互相补充，把使用者送到目的地。许多研究关注的是不同运输方式之间的竞争关系 [3,42]. 一些研究使用历史客运数据，通过经验讨论这些系统之间的市场竞争。Behrens和 Pels[5] 研究了巴黎-伦敦客运市场在2003—2009期间的高铁与航空公司间及内部竞争。Dobruszkes [ 13 ]在西欧从供应的角度讨论高速铁路和航空公司之间的竞争。其他研究使用博弈论来分析竞争关系。Hsu等人[ 22 ]开发了一个博弈论模型来讨论高速铁路系统和常规铁路系统之间的共同完工。杨和张[ 47 ]讨论了高速铁路和航空公司在价格，利润和福利方面竞争的相互影响。在考虑公共交通系统的脆弱性，互补关系是比竞争更重要的关系因为前者可以减少系统的脆弱性，提供替代运输服务。例如，在交通运输系统在一个中断或丧失运输能力的情况下，如果附近属于另一个运输系统B的一些站可以提供替代服务，那么，该地区的对A的运输需求可以被B系统代替并且将减小A系统脆弱性。

一些解决交通系统脆弱性的研究中，会考虑它们之间的互补关系。Cats和Jenelius [ 9 ]分析公共交通系统组成的地铁线路的脆弱性，一个随机动态的公共交通网络的脆弱性概念，比如干线公交线路和轻轨列车线路是考虑供需动态之间的相互作用而发展的。Berche等人[ 6 ]将不同运输系统中的车站视为网络建模中的均匀节点，研究了世界14个大城市公共交通系统在随机破坏和蓄意攻击下的脆弱性。Ferber等人【16】比较了伦敦与巴黎公共交通系统在随机故障和蓄意攻击下的脆弱性，其中的公共交通系统，包括公共汽车、地铁和有轨电车都是由L-空间模型建模。金等人[ 23 ]探讨如何透过本地化整合巴士服务提升地铁网络弹性，并开发了一个两阶段随机规划模型来评估地铁固有网络弹性并优化区域整合策略。杨等人【48】基于复杂网络理论研究了北京互补公交系统的统计特性和连锁故障。欧阳等人[ 35 ]基于网络的方法分析了中国铁路和航空系统的脆弱性互补能力，并从脆弱性角度引入了互补强度度量来描述这两个系统之间的互补强度。

虽然上述研究分析了交通系统之间的互补关系，以减少其脆弱性的积极影响，但是他们忽略了在CUPTSs的一个重要因素，换乘距离对乘客换乘的意向。而换乘距离在不同城市交通方式之间将严重影响互补关系建模甚至进一步影响系统的脆弱性。PITDP意味着乘客从一种运输方式转移到另一个种时，由于受年龄、体重、性别或其他个人特征影响，愿意接受最长换乘距离。例如，年长的人和孩子和年轻人相比，换乘时通常不愿意走很长的距离。这将说明年轻人比老年人和小孩更愿意把不同交通方式的相近车站视为互补车站。增加平均PITDP可以加强不同CUPTSs的互补关系，进一步降低系统的脆弱性。

特别的是，在紧急情况下，政府或者设施的利益相关者为了减少CUPTS的不足可以发布一些政策来增加PITDP的价值。比如说，在车站周边提供免费的自行车或者在巴士站与附近地铁站之间建设有趣的室内画廊，这些措施都是来提高PITDP有用的方法。此外，现有的文献研究中并没有讨论在CUPTSs脆弱性中交通系统扩张的影响。城市公共交通系统的拓扑结构总是在不断变化和扩大以满足城市交通需求的快速增长。例如，在中国的许多大城市中城市地铁系统经历着快速扩张，在最近几年里，有几个城市每年都将开通一条新的地铁线路。在系统扩展过程中，CUPTSs的脆弱性一直在变化。很少有研究在分析CUPTSs脆弱性将系统的扩展过程考虑进去，并讨论最佳的扩张计划，以尽量减少cuptss的易损性。

本文基于此模型提出了一种将考虑CUPTSs在内的PITDP易损性模型，介绍了一种为了探讨不同的PITDP值和不同的地铁扩建序列对CUPTSs脆弱性的影响而提出针对CUPTSs目标易损性分析方法。本文的其余部分组织如下：第二节为CUPTSs提出了一个基于网络漏洞模型；第三节从两个方面具体介绍了cuptss目标易损性分析方法：不同PITDP值和不同地铁扩建序列的脆弱性影响；第四节以中国武汉为例，利用互补的公交和地铁系统分析了CUPTSs的脆弱性；第五节讨论结果和扩展，并提供结论和未来的研究方向。

1. 基于网络的CUPTSs易损性模型

本文解释了脆弱性与破坏性事件，并且事件脆弱性做为系统性能下降的标志将被量化[ 36 ]。根据这个易损性定义来说，本文基于网络漏洞提出的CUPTSs模型包含四个部分：基于网络的cuptss的描述，CUPTSs业绩度量选择，中断的cuptss模型和cuptss脆弱性评价模型。

2.1、基于网络的cuptss的描述

包括公共交通系统在内的工程基础设施系统的脆弱性分析，在文献中存在许多系统建模方法，如经验方法[ 41 ]，基于代理的方法[ 8 ]，基于系统动力学的方法[ 39 ]，经济理论为基础的方法[ 18 ]，基于网络的应用的方法和其他[ 20 ]。这些方法的详细审查被提供出来作为参考[ 33 ]。不同类型的运输系统的模型及其互补关系，它需要每个相关系统的拓扑和地理信息。因此，本文探讨了一种基于网络的方法。

作为互补的城市公共交通系统是由多个系统组成的，每个系统都可以由网络描述，所以多层网络的方法可以应用在本文[ 7 ]。这种类型的方法通过网络和描述这些网络之间的关系以及通过分析系统的拓扑特征的动态行为特征和层间的联系，模拟每个系统或每个字符的多路复用系统。并且近年来已被广泛用于模拟多个现实世界的系统的多项特征[ 24 ]，包括其中不同国家和他们的进出口关系为每一种类型的商品被建模为一个层的国际贸易系统[ 4 ]，包含了语义、句法、同现的语言系统，被分4个层的文字系统，车站和轨道被建模为物理层和车站和火车路线被建模为逻辑层的铁路系统等等。包括道路系统、公交系统、地铁系统的cuptss，可以模拟为一个三层网络，表示为G={G^b, G^s, G^gamma; , M , C},其中在cuptss分别代表G^b, G^s, G^gamma; 三个系统，M代表G^gamma;之间路段的映射，G^b是系统边缘和公交，C表示G^b和G^s之间的互补关系。为了描述如何通过多层网络方法建立cuptss模型和评估其脆弱性，这一节以中国武汉道路、公交和地铁系统为例说明其用途。

武汉是湖北省的省会城市，也是政治，经济，金融，文化中心，同样也是中国教育和交通中心，拥有10338000人口和8494.41平方公里土地面积，而著名的长江穿其而过。武汉的公共交通方式包括巴士、地铁、的士和渡轮，2013的乘客总人次超过21亿7000万，其中大部分是由巴士（约15亿）和地铁（约2亿4000万）承担。随着武汉地铁系统的迅速扩张，地铁乘客将在未来几年大幅增加。与武汉类似，在中国大多数大城市中的公共交通系统也主要由公共汽车和地铁系统。考虑到脆弱性分析的需要，在武汉公共交通系统的基础上构建了三个网络：公交网络、地铁网络和路网。公交和地铁网络及其互补关系被用来评估在突发情况下的系统性能，虽然道路网络被用来定位在公交系统中的中断在哪里，找到对应崩溃的公交线路，并进一步评估系统漏洞。

2.1.1、公交系统

在武汉的公交系统中，有1833个公交车站和646条公交线路，构建成一个G ^b=(N ^b, E^b, L^b)的模型。其中公共汽车站被表示为节点和一条线连接的两个节点，他们之间至少有一条巴士线，没有其他巴士站在其之间。这个网络是由节点集N ^b={n^b1, n^b2, hellip;, n^{bk b}}, 一个边集 E^b={e^b1, e^b2, hellip;, e^bpb }，和公交线路被表示为 L^b={l ^b1, l ^b2, hellip;, l ^bq }, 其中k^b表示节点的个数，P^b表示的边的数目，Q^B表示G^b中公交线的数目，K ^B = 1833，P^B = 3172，Q^B = 646。L^b中A公交线是E^B中线的连续，通常一辆公共汽车线L ^B包含几个E^B。图1（a）显示武汉公交网络的描述与每个站的地理信息系统。通常一辆公共汽车线路L ^b包含几个E^b。图1（a）显示武汉公交网络的描述与每个站的地理信息系统。

2.1.2、地铁系统

在2014和武汉地铁系统有75个地铁站和三条地铁运营线，其他六条新线将从2015到2020一个接一个开始运行，表1给出了从2014到2020在运行的地铁线路，红色加粗斜体字的意思是每年新开一条地铁线。2020地铁系统被建模为网络G =（N^S，E^S，L^S），地铁站是节点，轨道之间是线路。该网络由节点集N^S = { N^S1、N^S2、hellip;、N^SK }，轨道集E^S = { E^S1、E^S2，hellip;，E^SP }，和地铁线集L^S = { l ^S1，l^S2，hellip;，l^sq2}hellip;定义。其中k表示节点的个数，P^S表示边的数目，Q^S指的是G的地铁线路

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