铁路网抗毁性分析

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)

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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。