一种基于安全域的交通网络安全评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交通网络领域，本发明将配电网安全域跨学科应用于交通网络，尤其 涉及一种基于安全域的交通网络安全评价方法。
【背景技术】
[0002] 交通网络需对交通运行、交通环境及社会公共事件具有承受力[1]。对于交通网络 在服务能力严重下降时能否维持稳定运行的特性被定义为交通网络脆弱性，它强调的是随 机事件或有意攻击对交通网络造成的损失或影响 [2]。这里的事件包括恶劣的环境以及自然 条件、突发性的公共事件、日常性的交通事故[3]。脆弱性是交通网络研究中新的热点和难点 问题。在交通网络规划、建设和运营管理时合理考虑脆弱性因素，可以避免因突发事件攻击 导致交通系统服务水平过度降低。
[0003] 交通网络脆弱性的研究主要在两个方面:一是单纯从网络拓扑的角度，考虑突发 事件攻击对网络连通性能的影响[44];二是在前者基础上考虑车流运行情况，研究路段阻塞 时交通网络通行时间的变化 [6]。交通网络的脆弱性等指标侧重对整体网络运行性能的评 价，而缺乏对于部分路段发生故障可能性的预测及预防性的控制的研究。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种基于安全域的交通网络安全评价方法，本发明可以确定任意给 定交通网络发生N-I阻塞后，其余路段的流量是否饱和，从而确定交通网络是否稳定运行， 详见下文描述：
[0005] -种基于安全域的交通网络安全评价方法，所述交通网络安全评价方法基于N-I 安全域，所述交通网络安全评价方法包括以下步骤：
[0006] 计算N-I约束下交通网络安全域，通过交通网络安全域获取交通网络安全域边界 方程组；
[0007] 计算某一条路段阻塞后，其余各路段的安全边界距离；
[0008] 通过安全边界距离对交通网络进行安全评价，并对安全评价结果进行可视化。
[0009] 其中，所述交通网络安全域具体为：
[0010] 对于确定拓扑和容量的交通网络在运行过程中，所有路段都满足N-I安全性工作 点的集合，集合在多维空间中具有唯一确定的边界，边界内的所有工作点是安全的，边界外 的工作点是不安全的。
[0011] 所述通过安全边界距离对交通网络进行安全评价具体为：
[0012] 若所有路段的安全边界距离均大于0,表明在发生N-I阻塞时交通网络仍能保证正 常运行；
[0013] 若存在安全边界距离小于0,表明发生N-I阻塞时会导致其余部分路段过饱和；
[0014] 若存在安全边界距离等于0,则交通网络为临界安全状态。
[0015] 所述交通网络安全域的表达式为：
[0017]其中，fu为两点间第k条路径的流量;Clj为两点间第k条路径允许通过的最大车流 量，即容量;fmn与Cmn分别表示最短路径中各路段的流量与容量;hmn表示流量分配到最短路 径的比例;Q为容量的倍数，为常数。
[0018]所述安全边界距离的表达式为：
[0020] 本发明提供的技术方案的有益效果是:本发明将电力网络的安全域理论在城市交 通网络中加以实现，为分析城市交通网络的稳定性与安全性提供了一种新的方法，可以对 拓扑网络的安全性进行评价，它具有以下特点：
[0021] (1)仅需拓扑结构、流量、车速，就可描述城市路网的稳定性能；
[0022] (2)安全边界距离的正负描述了路网能否在路段拥堵时稳定运行，进而判断工作 点是否安全，安全边界距离的数值可量化表现路网的稳定程度。
【附图说明】
[0023]图1为一种基于安全域的交通网络安全评价方法的流程图；
[0024]图2为算例示意图；
[0025] 图3为工作点与安全边界的位置关系示意图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0027] 本发明提出了一种与脆弱性不同的新方法，称为安全域方法。安全域最早应用于 电力网络的研究[7]，而智能电网的发展 [8]为安全域向其他领域的普及提供了便利。本发明 将研究配电网安全域[9]在交通网络的应用。这里的"安全"并非交通安全，而是指交通网络 在外部事件后，仍然能保证顺畅运行，不发生大面积长时间拥堵。如果当前流量状态(工作 点）满足安全条件，则称其为安全的（即路网在较稳定的状态下运行），否则称其不安全(路 网运行状态不稳定）。本发明发现安全工作点和不安全工作点之间存在一个安全边界，安全 边界构成封闭的区域，称为安全域。安全域边界内部工作点都是安全的，外部工作点都是不 安全的。安全域给出了网络满足安全约束的最大利用范围，能够非常方便进行安全评价并 优化网络状态。
[0028] 实施例1
[0029] -种基于安全域的交通网络安全评价方法，参见图1，该交通网络安全评价方法包 括以下步骤：
[0030] 101:计算N-I约束下交通网络安全域，通过交通网络安全域获取交通网络安全域 边界方程组；
[0031] 102:计算某一条路段阻塞后，其余各路段的安全边界距离；
[0032] 103:通过安全边界距离对交通网络进行安全评价，并对安全评价结果进行可视 化。
[0033]其中，交通网络安全域具体为：
[0034]对于确定拓扑和容量的交通网络在运行过程中，所有路段都满足N-I安全性工作 点的集合，集合在多维空间中具有唯一确定的边界，边界内的所有工作点是安全的，边界外 的工作点是不安全的。
[0035]其中，通过安全边界距离对交通网络进行安全评价具体为：
[0036]若所有路段的安全边界距离均大于0,表明在发生N-I阻塞时交通网络仍能保证正 常运行；
[0037]若存在安全边界距离小于0,表明发生N-I阻塞时会导致其余部分路段过饱和； [0038]若存在安全边界距离等于0，则交通网络为临界安全状态。
[0039] 综上所述，本发明实施例通过上述步骤101-步骤103实现了可以确定任意给定交 通网络发生N-I阻塞后，其余路段的流量是否饱和，从而确定交通网络是否稳定运行。
[0040] 实施例2
[0041]下面结合具体的计算公式对实施例1中的方案进行详细的描述，详见下文：
[0042] 201:计算N-I约束下交通网络安全域，通过交通网络安全域获取交通网络安全域 边界方程组；
[0043] 其中，交通网络的安全域可定义为:对于确定拓扑和容量的交通网络在运行过程 中，使所有路段都满足N-I安全性工作点的集合，该集合在多维空间中具有唯一确定的边 界。边界内的所有工作点是安全的，边界外的工作点是不安全的。
[0044] 本发明实施例采用了以下的计及用户均衡的流量分配方式：
[0046] 式中，tA为路段A的阻抗;Vlj为各路段车速;Ilj为各路段长度;Z(X)为所有车辆的阻 抗之和;f A为路段A上的车流量;f ^与f 别为两点间第k条路径的流量及两点间的车流量； Iuj则为流量分配比，为b与^的比值;m为经过路段A的路径的数目。
[0047] 此用户均衡的流量分配方式的基本思想是:交通网络平衡时，所有车辆选择的路 径阻抗最小，即车辆选择的是最短路径。
[0048]在正常工作时应满足各路段车流量不超过容量。任意一条路段阻塞(N-I)后，依照 最短路段迂回分配后，各路段流量可以稍大于容量，但取值仍存在上界。本发明实施例取容 量的Q倍为上界，超过此上界则视为路段过饱和。用f mn与Cmn分别表示最短路径中各路段的 流量与容量，则N-I约束下交通网络安全域表达式为：
[0050] 其中，(?为两点间第k条路径允许通过的最大车流量，即容量。
[0051] 用hmn表示流量分配到最短路径的比例，则通过式(2)得到安全域边界方程组为
[0053] 其中，BhByBn为多维空间中的曲面JabJwfij为各路段的流量;C aWiij为 各路段容量。
[0054] 202:计算某一条路段阻塞后，其余各路段的安全边界距离；
[0055]本发明实施例中的安全边界距离定义为工作点至安全域边界的距离，计算式为
[0057]式子(4)表示任意一条路段阻塞，车辆重分配后各路段容量的Q倍与流量之差的最 小值除以
即为安全边界距离。
[0058] 203 :通过安全边界距离对交通网络进行安全评价，并对安全评价结果进行可视 化。
[0059]如果所有路段的Dij均大于0,说明在发生N-I阻塞时网络仍能保证正常运行，没有 路段过饱和;若存在Dlj小于0，说明发生N-I阻塞时会导致其余部分路段过饱和，路网难以稳 定运行;若存在D lj等于0，则网络为临界安全状态。
[0000] 综上所述，本发明实施例通过上述步骤201-步骤203实现了可以确定任意给定交 通网络发生N-I阻塞后，其余路段的流量是否饱和，从而确定交通网络是否稳定运行。
[0061 ] 实施例3
[0062]下面结合具体的算例、图2和图3对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下 文描述；
[0063]本发明实施例取容