城市轨道交通是作为城市公共交通方式中的骨干交通模式,拥有容量大、动力环保、运行准点、高效快捷等优点,逐渐成为解决大城市中交通拥堵和交通污染等连锁问题的主导力量。在我国,城市轨道交通线网规模得到快速发展,各大城市城市轨道交通正逐步形成网络化运营格局。随着轨道交通成网化运营,轨道交通路网结构、换乘组织与行车组织手段发展也愈加复杂和多样化。与此同时,地铁和公交网络作为城市交通网络中的主要运输模式,地铁与公交双层网络的协同对于发挥公交系统的效力具有重要作用,因此优化双层网络结构是建立高效的协同体系的关键。同时,城市交通网络作为一个庞杂的巨系统,其运营安全至关重要。特别是在地铁线网规模的不断扩大下,日常突发事件不断増加的情况下,一旦发生紧急事故,一般会造成车站失效停运,严重可能引发整个地铁线网的级联故障。因此,研究地铁遭受攻击后的客流动态具有紧迫的现实需求。本文的主要工作和成果如下:(1)引入双层复杂网络理论,利用城市交通网络多层表示方法说明和解释地铁和公交网络两个层面的相互协作和影响,并通过双层复杂网络理论构建地铁-公交双层耦合网络模型,基于此研究地铁-公交耦合双层交通网络的路径选择和交通流动态规律,并进一步研究地铁-公交耦合双层交通网络上的协同优化和级联失效演变。其目的是利用当前的网络特征和旅客的行为变化来确定当前网络规模下的最佳结构,以及预防城市公共交通网络中出现大规模的级联故障,规划交通网络节点级联失效的重点防御策略,以此提高地铁-公交交通网络的网络效率、提高网络的抗毁性。(2)提出一种相互激励的双层城市交通网络协同优化方法。针对城市交通网络中旅客在公共交通出行路径选择时面临的地铁与公交双层网络在换乘衔接协同中存在的部分换乘站点之间距离过远、衔接导向不明确、局部换乘供需不平衡等问题,提出基于双层复杂网络的城市交通网络协同优化方法。首先,采用逻辑网络拓扑方法对城市交通网络进行拓扑,并基于复杂网络理论建立地铁-公交双层网络模型。然后,以换乘车站为研究对象,提出一种基于K-shell分解法和中心性权重分配的节点重要度评价方法,对大规模网络中的地铁、公交车站进行粗粒度和细粒度划分和识别,并在此基础上提出一种相互激励的双层城市交通网络协同优化方法,即在双层网络结构优化中引入复杂网络理论中对于网络拓扑中节点重要度的识别和筛选方法,通过对路径选择中高集聚效应的识别和有利节点的定位更新双层网络结构以优化现有网络的车站布局和衔接关系。最后,将提出的方法应用于成都市地铁-公交网络,优化了现有网络结构,得到了现有网络的最佳优化节点位置和优化数量,并且通过相关指标系统验证了该方法的有效性。(3)研究了地铁网络的级联失效演变,考虑到地铁网络节点的客流方向属性差异,以及不同节点方向的乘客在遇到地铁节点失效情况下的实际路径选择行为,本文提出了一种考虑节点客流方向的级联失效模型,引入公交网络的双层耦合网络机理来避免地铁网络在遭受攻击后引发网络大范围的级联失效故障,以基于客流加载的复杂网络节点方向客流强度为初始荷载,在失效持续时间内采用交通量延迟加载方式对失效节点方向的客流重加载;失效方向客流的重加载考虑乘客在节点失效后路径选择的主观因素以及针对不同方向客流的最优加载方向,基于前景理论确定了失效方向客流重加载的动态择优效用。模型采用改进的Frank-Wolfe算法对网络原始OD流量加载,以求解路段、路径以及节点方向客流量;最后,采用FW-MSA算法对模型求解;并运用成都市地铁网络进行实例验证,模拟了失效节点方向客流的动态加载。同时通过模拟对不同攻击强度、不同阈值水平下,成都市地铁网络在接入公交网络和不接入公交网络两种情况下的级联失效演变,对于研究地铁车站遭受攻击后的微观动态有了更加清晰的解释。