一種基于安全域的交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及交通網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，本發(fā)明將配電網(wǎng)安全域跨學(xué)科應(yīng)用于交通網(wǎng)絡(luò)，尤其 涉及一種基于安全域的交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 交通網(wǎng)絡(luò)需對交通運(yùn)行、交通環(huán)境及社會(huì)公共事件具有承受力[1]。對于交通網(wǎng)絡(luò) 在服務(wù)能力嚴(yán)重下降時(shí)能否維持穩(wěn)定運(yùn)行的特性被定義為交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性，它強(qiáng)調(diào)的是隨 機(jī)事件或有意攻擊對交通網(wǎng)絡(luò)造成的損失或影響 [2]。這里的事件包括惡劣的環(huán)境以及自然 條件、突發(fā)性的公共事件、日常性的交通事故[3]。脆弱性是交通網(wǎng)絡(luò)研究中新的熱點(diǎn)和難點(diǎn) 問題。在交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營管理時(shí)合理考慮脆弱性因素，可以避免因突發(fā)事件攻擊 導(dǎo)致交通系統(tǒng)服務(wù)水平過度降低。
[0003] 交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性的研究主要在兩個(gè)方面:一是單純從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕嵌?，考慮突發(fā) 事件攻擊對網(wǎng)絡(luò)連通性能的影響[44];二是在前者基礎(chǔ)上考慮車流運(yùn)行情況，研究路段阻塞 時(shí)交通網(wǎng)絡(luò)通行時(shí)間的變化 [6]。交通網(wǎng)絡(luò)的脆弱性等指標(biāo)側(cè)重對整體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能的評 價(jià)，而缺乏對于部分路段發(fā)生故障可能性的預(yù)測及預(yù)防性的控制的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種基于安全域的交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法，本發(fā)明可以確定任意給 定交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)生N-I阻塞后，其余路段的流量是否飽和，從而確定交通網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定運(yùn)行， 詳見下文描述：
[0005] -種基于安全域的交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法，所述交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法基于N-I 安全域，所述交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法包括以下步驟：
[0006] 計(jì)算N-I約束下交通網(wǎng)絡(luò)安全域，通過交通網(wǎng)絡(luò)安全域獲取交通網(wǎng)絡(luò)安全域邊界 方程組；
[0007] 計(jì)算某一條路段阻塞后，其余各路段的安全邊界距離；
[0008] 通過安全邊界距離對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全評價(jià)，并對安全評價(jià)結(jié)果進(jìn)行可視化。
[0009] 其中，所述交通網(wǎng)絡(luò)安全域具體為：
[0010] 對于確定拓?fù)浜腿萘康慕煌ňW(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中，所有路段都滿足N-I安全性工作 點(diǎn)的集合，集合在多維空間中具有唯一確定的邊界，邊界內(nèi)的所有工作點(diǎn)是安全的，邊界外 的工作點(diǎn)是不安全的。
[0011] 所述通過安全邊界距離對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全評價(jià)具體為：
[0012] 若所有路段的安全邊界距離均大于0,表明在發(fā)生N-I阻塞時(shí)交通網(wǎng)絡(luò)仍能保證正 常運(yùn)行；
[0013] 若存在安全邊界距離小于0,表明發(fā)生N-I阻塞時(shí)會(huì)導(dǎo)致其余部分路段過飽和；
[0014] 若存在安全邊界距離等于0,則交通網(wǎng)絡(luò)為臨界安全狀態(tài)。
[0015] 所述交通網(wǎng)絡(luò)安全域的表達(dá)式為：
[0017]其中，fu為兩點(diǎn)間第k條路徑的流量;Clj為兩點(diǎn)間第k條路徑允許通過的最大車流 量，即容量;fmn與Cmn分別表示最短路徑中各路段的流量與容量;hmn表示流量分配到最短路 徑的比例;Q為容量的倍數(shù)，為常數(shù)。
[0018]所述安全邊界距離的表達(dá)式為：
[0020] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明將電力網(wǎng)絡(luò)的安全域理論在城市交 通網(wǎng)絡(luò)中加以實(shí)現(xiàn)，為分析城市交通網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與安全性提供了一種新的方法，可以對 拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的安全性進(jìn)行評價(jià)，它具有以下特點(diǎn)：
[0021] (1)僅需拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、流量、車速，就可描述城市路網(wǎng)的穩(wěn)定性能；
[0022] (2)安全邊界距離的正負(fù)描述了路網(wǎng)能否在路段擁堵時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而判斷工作 點(diǎn)是否安全，安全邊界距離的數(shù)值可量化表現(xiàn)路網(wǎng)的穩(wěn)定程度。
【附圖說明】
[0023]圖1為一種基于安全域的交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法的流程圖；
[0024]圖2為算例示意圖；
[0025] 圖3為工作點(diǎn)與安全邊界的位置關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0027] 本發(fā)明提出了一種與脆弱性不同的新方法，稱為安全域方法。安全域最早應(yīng)用于 電力網(wǎng)絡(luò)的研究[7]，而智能電網(wǎng)的發(fā)展 [8]為安全域向其他領(lǐng)域的普及提供了便利。本發(fā)明 將研究配電網(wǎng)安全域[9]在交通網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。這里的"安全"并非交通安全，而是指交通網(wǎng)絡(luò) 在外部事件后，仍然能保證順暢運(yùn)行，不發(fā)生大面積長時(shí)間擁堵。如果當(dāng)前流量狀態(tài)(工作 點(diǎn)）滿足安全條件，則稱其為安全的（即路網(wǎng)在較穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行），否則稱其不安全(路 網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定）。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)安全工作點(diǎn)和不安全工作點(diǎn)之間存在一個(gè)安全邊界，安全 邊界構(gòu)成封閉的區(qū)域，稱為安全域。安全域邊界內(nèi)部工作點(diǎn)都是安全的，外部工作點(diǎn)都是不 安全的。安全域給出了網(wǎng)絡(luò)滿足安全約束的最大利用范圍，能夠非常方便進(jìn)行安全評價(jià)并 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。
[0028] 實(shí)施例1
[0029] -種基于安全域的交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法，參見圖1，該交通網(wǎng)絡(luò)安全評價(jià)方法包 括以下步驟：
[0030] 101:計(jì)算N-I約束下交通網(wǎng)絡(luò)安全域，通過交通網(wǎng)絡(luò)安全域獲取交通網(wǎng)絡(luò)安全域 邊界方程組；
[0031] 102:計(jì)算某一條路段阻塞后，其余各路段的安全邊界距離；
[0032] 103:通過安全邊界距離對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全評價(jià)，并對安全評價(jià)結(jié)果進(jìn)行可視 化。
[0033]其中，交通網(wǎng)絡(luò)安全域具體為：
[0034]對于確定拓?fù)浜腿萘康慕煌ňW(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中，所有路段都滿足N-I安全性工作 點(diǎn)的集合，集合在多維空間中具有唯一確定的邊界，邊界內(nèi)的所有工作點(diǎn)是安全的，邊界外 的工作點(diǎn)是不安全的。
[0035]其中，通過安全邊界距離對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全評價(jià)具體為：
[0036]若所有路段的安全邊界距離均大于0,表明在發(fā)生N-I阻塞時(shí)交通網(wǎng)絡(luò)仍能保證正 常運(yùn)行；
[0037]若存在安全邊界距離小于0,表明發(fā)生N-I阻塞時(shí)會(huì)導(dǎo)致其余部分路段過飽和； [0038]若存在安全邊界距離等于0，則交通網(wǎng)絡(luò)為臨界安全狀態(tài)。
[0039] 綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過上述步驟101-步驟103實(shí)現(xiàn)了可以確定任意給定交 通網(wǎng)絡(luò)發(fā)生N-I阻塞后，其余路段的流量是否飽和，從而確定交通網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定運(yùn)行。
[0040] 實(shí)施例2
[0041]下面結(jié)合具體的計(jì)算公式對實(shí)施例1中的方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，詳見下文：
[0042] 201:計(jì)算N-I約束下交通網(wǎng)絡(luò)安全域，通過交通網(wǎng)絡(luò)安全域獲取交通網(wǎng)絡(luò)安全域 邊界方程組；
[0043] 其中，交通網(wǎng)絡(luò)的安全域可定義為:對于確定拓?fù)浜腿萘康慕煌ňW(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程 中，使所有路段都滿足N-I安全性工作點(diǎn)的集合，該集合在多維空間中具有唯一確定的邊 界。邊界內(nèi)的所有工作點(diǎn)是安全的，邊界外的工作點(diǎn)是不安全的。
[0044] 本發(fā)明實(shí)施例采用了以下的計(jì)及用戶均衡的流量分配方式：
[0046] 式中，tA為路段A的阻抗;Vlj為各路段車速;Ilj為各路段長度;Z(X)為所有車輛的阻 抗之和;f A為路段A上的車流量;f ^與f 別為兩點(diǎn)間第k條路徑的流量及兩點(diǎn)間的車流量； Iuj則為流量分配比，為b與^的比值;m為經(jīng)過路段A的路徑的數(shù)目。
[0047] 此用戶均衡的流量分配方式的基本思想是:交通網(wǎng)絡(luò)平衡時(shí)，所有車輛選擇的路 徑阻抗最小，即車輛選擇的是最短路徑。
[0048]在正常工作時(shí)應(yīng)滿足各路段車流量不超過容量。任意一條路段阻塞(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。本發(fā)明實(shí)施例取容 量的Q倍為上界，超過此上界則視為路段過飽和。用f mn與Cmn分別表示最短路徑中各路段的 流量與容量，則N-I約束下交通網(wǎng)絡(luò)安全域表達(dá)式為：
[0050] 其中，(?為兩點(diǎn)間第k條路徑允許通過的最大車流量，即容量。
[0051] 用hmn表示流量分配到最短路徑的比例，則通過式(2)得到安全域邊界方程組為
[0053] 其中，BhByBn為多維空間中的曲面JabJwfij為各路段的流量;C aWiij為 各路段容量。
[0054] 202:計(jì)算某一條路段阻塞后，其余各路段的安全邊界距離；
[0055]本發(fā)明實(shí)施例中的安全邊界距離定義為工作點(diǎn)至安全域邊界的距離，計(jì)算式為
[0057]式子(4)表示任意一條路段阻塞，車輛重分配后各路段容量的Q倍與流量之差的最 小值除以
即為安全邊界距離。
[0058] 203 :通過安全邊界距離對交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全評價(jià)，并對安全評價(jià)結(jié)果進(jìn)行可視 化。
[0059]如果所有路段的Dij均大于0,說明在發(fā)生N-I阻塞時(shí)網(wǎng)絡(luò)仍能保證正常運(yùn)行，沒有 路段過飽和;若存在Dlj小于0，說明發(fā)生N-I阻塞時(shí)會(huì)導(dǎo)致其余部分路段過飽和，路網(wǎng)難以穩(wěn) 定運(yùn)行;若存在D lj等于0，則網(wǎng)絡(luò)為臨界安全狀態(tài)。
[0000] 綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過上述步驟201-步驟203實(shí)現(xiàn)了可以確定任意給定交 通網(wǎng)絡(luò)發(fā)生N-I阻塞后，其余路段的流量是否飽和，從而確定交通網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定運(yùn)行。
[0061 ] 實(shí)施例3
[0062]下面結(jié)合具體的算例、圖2和圖3對實(shí)施例1和2中的方案進(jìn)行可行性驗(yàn)證，詳見下 文描述；
[0063]本發(fā)明實(shí)施例取容