铁路通道关键节点识别与抗毁性评估方法及系统

本发明涉及铁路网络分析与安全评估，具体是铁路通道关键节点识别与抗毁性评估方法及系统，适用于铁路客运服务网络的关键枢纽识别、脆弱性分析及网络韧性评估。

背景技术：

1、随着铁路网络规模持续扩大和高速铁路建设的快速推进，长链型铁路通道承担着重要的跨区域旅客运输功能。该类通道通常由若干核心客运站通过列车开行联系构成复杂的加权网络结构，其网络可靠性与抗毁能力直接关系到区域旅客运输安全与效率。

2、在铁路网络分析领域，现有技术中已提出多种节点重要性评价方法和网络抗毁性评估方法。例如，采用度中心度评价节点的直接联系广度，采用介数中心度评价节点的路径中转控制能力，采用网络效率或最大连通子图尺寸评价网络在节点失效后的性能衰退程度。

3、然而，现有技术仍存在以下不足：

4、第一，现有节点重要性评价多采用单一中心度指标，仅能刻画节点某一侧面的网络特征，无法全面反映节点在网络中的综合地位。虽然部分研究尝试采用多指标加权求和方式，但指标权重多依赖专家经验主观赋值，缺乏客观性，难以适应不同网络结构特征的差异。

5、第二，现有抗毁性评估多集中于无权网络拓扑分析，未能充分利用列车开行频次等运营数据反映真实的客运服务联系强度。同时，多数评估方法未能区分服务功能衰减与物理结构断裂两个不同层面，导致评估结果难以全面反映节点失效的实际影响。

6、第三，现有研究多针对环形或网状铁路网络，对于东西向长链延展、西部区段替代路径有限的通道型铁路网络，缺乏针对性的关键节点识别方法和抗毁性分析手段。长链型通道中部分节点虽客运强度不高，但承担维系廊道连续性的关键桥接功能，现有方法难以有效识别该类隐性咽喉节点。

7、第四，现有抗毁性评估方法对网络早期的脆弱性缺乏精细化量化手段，难以刻画关键节点失效初期的网络性能陡降特征，制约了差异化防护策略的制定。

8、因此，针对以上现状，迫切需要提供铁路通道关键节点识别与抗毁性评估方法及系统，以克服当前实际应用中的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供铁路通道关键节点识别与抗毁性评估方法及系统，有效解决上述背景技术中的问题。

2、本发明是这样实现的，铁路通道关键节点识别与抗毁性评估方法，包括以下步骤：

3、s1.获取铁路通道沿线核心客运站节点数据以及站点之间的列车开行数据，所述列车开行数据包括站点之间的双向列车开行频次；

4、s2.以所述核心客运站作为网络节点，以连接两站点之间的铁路线路作为网络边，基于space l模型构建铁路拓扑网络，并采用所述双向列车开行频次作为边权，构建加权铁路客运服务网络g=(v,e,w)，其中v为车站节点集合，e为列车开行联系集合，w为边权矩阵；

5、s3.计算所述加权铁路客运服务网络中每个节点的多个中心度指标，所述多个中心度指标包括度中心度、点强度中心度、加权紧密中心度和介数中心度；

6、s4.采用熵权法对所述多个中心度指标确定客观权重，计算每个节点的综合中心度，并根据综合中心度值由大到小对节点进行排序，识别关键节点；

7、s5.分别设置随机攻击和选择性攻击两种节点失效情景，在所述加权铁路客运服务网络的基础上计算网络效率保持率，并在铁路通道物理骨架网络的基础上计算最大连通子图保持率，根据计算结果评估网络抗毁性；

8、s6.输出关键节点识别结果和抗毁性评估结果。

9、作为本发明进一步的方案：步骤s3中度中心度的计算公式为：

10、；

11、其中，为节点的度，即与节点直接存在列车开行联系的节点数量；为节点在网络中可能连接的最大节点数。

12、作为本发明进一步的方案：步骤s3中点强度中心度的计算公式为：

13、；

14、；

15、其中，为节点的点强度中心度，为节点与节点之间的列车开行频次边权，为节点的点强度。

16、作为本发明进一步的方案：步骤s3中加权紧密中心度的计算方法为：

17、首先，将列车开行频次边权转换为边阻抗：

18、；

19、然后，计算节点的加权紧密中心度：；

20、其中，为节点的加权紧密中心度，为节点与节点之间基于阻抗计算得到的最短路径长度。

21、作为本发明进一步的方案：步骤s3中介数中心度的计算公式为：

22、；

23、其中，为节点的介数中心度，为节点与节点之间的最短路径条数；为节点与节点之间经过节点的最短路径条数。

24、作为本发明进一步的方案：步骤s4中采用熵权法计算综合中心度的具体步骤为：

25、s41.将各节点的各中心度指标原始值构成原始评价矩阵，其中为节点编号，为中心度指标编号，n为节点总数，

t为中心度指标总数；

26、s42.采用正向极差标准化方法对各中心度指标进行无量纲化处理：；

27、其中，为节点在第类指标下的标准化值，和分别为第类指标在全部节点中的最大值和最小值；为极小正数；

28、s43.计算节点在第类指标下的比重：；

29、s44.计算第类指标的信息熵：；

30、s45.计算第类指标的差异系数：；

31、s46.计算第类指标的熵权：；

32、且满足：；

33、s47.计算节点的综合中心度：；

34、其中，为节点的综合中心度。

35、作为本发明进一步的方案：步骤s5中所述网络效率保持率的计算方法为：在节点失效前和失效后，分别计算所述加权铁路客运服务网络的全局效率，根据失效前和失效后的全局效率确定网络效率保持率；

36、所述最大连通子图保持率的计算方法为：在节点失效前和失效后，分别确定所述铁路通道物理骨架网络的最大连通子图，根据失效前和失效后的最大连通子图节点数确定最大连通子图保持率；

37、所述铁路通道物理骨架网络为基于所述加权铁路客运服务网络中的节点和铁路线路连接关系构建的拓扑网络。

38、作为本发明进一步的方案：步骤s5中所述随机攻击为按照随机顺序依次删除节点，并通过多次重复取平均值降低随机误差；

39、所述选择性攻击为按照步骤s4中综合中心度由高到低的顺序依次删除节点。

40、作为本发明进一步的方案：步骤s5中所述评估网络抗毁性包括：

41、分别记录随机攻击和选择性攻击两种模式下，网络效率保持率首次低于预设阈值时所对应的删除节点数，以及最大连通子图保持率首次低于预设阈值时所对应的删除节点数；

42、和/或，分别计算随机攻击和选择性攻击两种模式下，删除前p%节点后的网络效率保持率和最大连通子图保持率，其中p为预设百分比。

43、本发明还提供一种铁路通道关键节点识别与抗毁性评估系统，执行如上所述的方法，包括：

44、数据获取模块，用于获取铁路通道沿线核心客运站节点数据以及站点之间的列车开行数据，所述列车开行数据包括站点之间的双向列车开行频次；

45、网络构建模块，用于以所述核心客运站作为网络节点，以连接两站点之间的铁路线路作为网络边，基于space l模型构建铁路拓扑网络，并采用所述双向列车开行频次作为边权，构建加权铁路客运服务网络g=(v,e,w)；

46、中心度计算模块，用于计算所述加权铁路客运服务网络中每个节点的度中心度、点强度中心度、加权紧密中心度和介数中心度；

47、综合中心度评价模块，用于采用熵权法对所述多个中心度指标确定客观权重，计算每个节点的综合中心度，并根据综合中心度值由大到小对节点进行排序，识别关键节点；

48、抗毁性评估模块，用于分别设置随机攻击和选择性攻击两种节点失效情景，在所述加权铁路客运服务网络的基础上计算网络效率保持率，并在铁路通道物理骨架网络的基础上计算最大连通子图保持率，根据计算结果评估网络抗毁性；

49、输出模块，用于输出关键节点识别结果和抗毁性评估结果。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果：

51、1、本发明同时采用度中心度、点强度中心度、加权紧密中心度和介数中心度四个维度的中心度指标，分别从直接联系广度、客运服务强度、全网通达便利性和路径中转控制作用四个侧面刻画节点重要性，克服了单一指标评价的片面性，能够同时有效识别"显性枢纽"和"隐性咽喉"两类关键节点。

52、2、本发明采用熵权法根据各指标在不同节点间的离散程度自动确定权重，无需依赖专家经验主观赋值。对于介数中心度离散程度高的长链型通道网络，熵权法能够自适应地赋予介数中心度较高权重，准确反映少数桥接节点对跨区域最短路径的控制作用。

53、3、本发明将抗毁性划分为服务功能保持和物理骨架连通保持两个层面，分别基于加权客运服务网络计算网络效率保持率、基于物理骨架网络计算最大连通子图保持率，有效区分了客运服务效率衰减与通道空间结构断裂两种不同失效模式，避免了仅用高密度客运服务网络评价物理断裂风险而高估网络连通韧性的问题。

54、4、本发明通过对前20%删除区间内网络效率损失auc和连通损失auc的计算，精细刻画了网络在关键节点失效初期的性能陡降特征，为差异化防护策略的制定提供了量化依据。

55、5、本发明同时设置随机攻击和选择性攻击两种失效情景，通过对比两种模式下网络性能的衰退差异，能够准确识别网络对关键节点失效的敏感性，有效评估网络的冗余缓冲能力和结构性脆弱点。

56、6、本发明针对东西向长链延展、西部区段替代路径有限的通道型铁路网络，通过综合中心度识别和双维度抗毁性评估，能够同时定位大客流枢纽和桥接型咽喉节点，为差异化防护策略提供科学依据。