灾害对道路网络的影响

灾害对道路网络的影响

0应对突发事件的交通需求自然灾害的发生将严重影响道路网络，整个地区的交通运作几乎瘫痪。近几年我国连续发生几起特大灾害事故,如2008初我国南方城市罕见低温雨雪冰冻灾害、2008年5月12日汶川大地震、2011年6月10日湖南泥石流、2012年4月14日玉树地震,以及刚刚发生的2013年4月20日的雅安地震都给国家带来了极大的伤害和损失。且在灾害事件发生后,不可靠的交通网络不仅会阻碍事故后救援,减缓该区域的修复过程,而且会导致更多的间接经济损失。本文通过研究道路网络需求不确定情况下的容量可靠性,目的之一就是找出道路网络中的薄弱环节,通过种种措施重点改造或加以改善,以保证突发事件发生时整个道路网络的畅通有序运行。由于这类突发事件诱发异常的交通需求,部分容量可靠性差的道路极易造成瘫痪,进而影响整个路网的运行。因此,研究突发事件下路网容量可靠性,保证某些路段遭受破坏时,整个区域的交通网络仍能正常运行,是亟待解决的一个问题,具有重要的现实意义。1交通需求状况突发事件下路网容量可靠性的研究重点是对突发事件时关键路段容量可靠性的研究,只有提高关键路段的容量可靠性,改善关键路段的运行条件,才能保证突发事件发生时整个道路网络的畅通运行。实际城市交通网络中每条路段上的自然条件和运行条件状况各不相同,道路的交通需求状况也就不一样。在计算城市道路网络容量可靠性时有两种方法。其一是正向思维路网容量可靠性的概念最早由美国犹他州州立大学AnthonyChen等提出在道路网络交通量最大乘子的基础上定义路段a的容量可靠性如下:Ra(Da)=Pa(μ≥Da)(1)式中:Ra(Da)为路段a在需求水平Da时的容量可靠性;μ为求得的路网整体交通量最大乘子2道路沿线的识别2.1路网容量可靠性影响因素的分析在道路网络中,不同的路段受路网结构和交通流分布的影响,在路网中的作用并不相同,而道路网络是由路段相互连接而成从而实现通行功能的综合系统,它的功能受对其影响最大的路段的制约。因此,可以认为在评价路网容量可靠性的时候,找出了对其影响最大的路段(即关键路段),即找出了路网容量可靠性影响的关键环节。关键路段指的是影响范围大而且影响的可能性高的路段2.2识别路网关键路段的识别包括3个重要的步骤:①识别路网中的重要路段;②识别路网中的薄弱路段;③识别路网中的关键路段,即识别重要路段和薄弱路段的交集。交通分配模型和od对数的关系在道路网络中,路段的通行需求主要反映在通过的交通量和OD对数两个方面,因此,重要路段的识别也需要从路段通过的交通量和OD对数2个方面来考虑。交通分配模型是获得路网交通需求的最佳手段,通过宏观交通分配模型能够直接得出路网中每一个路段上的通行交通量,并且在模型分配过程的中间成果中,能够提取出每一个出行的行走OD对,从而能够得出路网中每一个路段上的通行OD对数。然后分别针对路段流量和通行OD对数进行分位数统计,并按照90th分位数的判断阈值识别出重要路段。状态不稳定路段薄弱路段即实际被破坏的频率更高、被破坏发生可能性更大的路段。薄弱路段的识别来源于常发生拥堵的路段和运行状态不稳定的路段。常发生拥堵的路段是指根据历史数据发现经常发生拥堵的路段。状态不稳定的路段是指路网中在相同外界环境下,路段上的交通出行状态不稳定,即该路段不能持续地提供稳定等级的通行服务。薄弱路段的识别主要是定性识别,相关因素难以量化。事实上,无论是常发性拥堵路段还是状态不稳定路段,其识别都与该路段的运行条件有关,例如路面状况、服务水平等等。因此,如果将这些条件整合成一个费用函数(参考文献[5]对此进行了相关的研究),则可以按照论文所述方法通过路段的容量可靠性加以识别,可靠性差的路段即为薄弱路段。对路段容量可靠性值进行分位数统计,并按照90th分位数的判断阈值识别出薄弱路段。识别主要路段关键路段是重要路段和薄弱路段的交集,突发事件时,保证整个区域的交通网络仍能正常运行的关键是确保关键路段的畅通运行。3突发事件路段容量可靠性对比突发事件时对路网容量可靠性的研究主要分2种情况进行:1突发事件对关键路段和非关键路段容量可靠性的影响对比分析;2路网中关键路段遭受破坏时对整个道路网络容量可靠性的影响分析。3.1关键路段与非关键路段容量可靠性比较突发事件引发道路交通需求的变化,对关键路段与非关键路段容量可靠性的影响存有差异。现结合例子分析突发事件对不同类型路段容量可靠性的影响情况。3.1.1建立和假设示例模型图1为一个包含有1个OD对,16个道路节点,24条路段的小型道路网络。论文采用C++编程,运用VC6.0实现上述算法。3.1.1.交通量运行要求由于路段通行能力是一个随机变量,最大乘子也就是一个随机变量,当给定路径选择模型后,路网OD交通量最大乘子就取决于路段通行能力变量的分布。使用蒙特卡罗法具体求解步骤如下步骤一:确定OD交通量最大乘子值的上界μ第1步:确定一个合适的增量Δμ,令μ第2步:对于给定的μ①初始化。基于c②更新各路段的阻抗。对∀a,令c③确定迭代方向。基于{x④确定步长。α⑤更新流量。令:⑥收敛性检查。判断是否满足收敛性准则:第3步:对任意路段a∈A,如果满足约束步骤二:求解路网容量可靠性。第1步:假定一个OD交通量乘子的初始值μ第2步:令抽样数i=1;第3步:用随机数发生器生成路段通行能力向量C第4步:基于交通量μ第5步:收集数据构造可靠性指标的分布函数;第6步:判断抽样数i是否小于预定的抽样数i第7步:如果μ3.1.1.算法生成和求解假设a.路段行程时间函数使用BPR函数作为计算路段走行时间的效用函数。其中,Tb.假设OD对之间现有交通量为100,随机生成各路段的相关数据见表1。c.对算法求解假设如下:①为简化计算,迭代步长取1/m,m为迭代次数(更精确的步长求解方法可采用二分法严格求得,参照文献[8]);②判定收敛的误差ε取值0.01;③为简化起见,交通量需求函数采用线性形式:q3.1.2关键路段容量可靠性现假定各路段的需求水平D,见表2。按照公式(1)和以上提供的算法计算各路段的路段容量可靠度如下(假定η=0.5,λ=0.5,θ=0.5,γ=0.5基于文章描述的关键路段识别方法,得到算例路网中的关键路段4条,分别为路段4、7、14、15(见图2,图3)。现假设由于突发事件,导致路段12中断(见图3),在出行量以及各假设条件不变的情况下,重新计算道路网络中各路段的容量可靠性如表4所示。比较正常情况和突发事件时各路段容量可靠性的变化情况如图4所示,从图4中可以看出:突发事件发生时路网中各路段的容量可靠性均有一定程度的下降,但关键路段容量可靠度的下降程度明显于非关键路段,且与发生事件的路段相临的路段可靠度变化程度也较大。这也说明,突发事件发生时,要尽可能保证道路的可靠性最主要的是改善关键路段以及与发生事件路段相毗邻的路段的行驶条件。在日常的道路维护和改造中,要更加重视对关键路段的维护和道路改造。3.2路段容量可靠性前文通过算例表明突发事件对关键路段可靠度的影响比较大,本小节讨论关键路段的运行条件发生变化时对整个道路网络的可靠性影响程度。依旧沿用前文的算例路网,以及各路网属性。现假设某路段由于突发事件而导致关闭,在出行量以及各假设条件不变的情况下,重新计算道路网络的容量可靠性。当突发事件发生在不同性质的路段(关键路段和非关键路段)上时,对整个道路网络的容量可靠度产生的影响程度不同。选取算例路网的8条路段(4条关键路段,4条非关键路段)进行模拟,通过计算得到整个路网的容量可靠度如表5所示。在道路网络运行状况正常(即没有路段发生突发事件)的情况下,整个道路网络的容量可靠度为0.74(假定η=0.5,λ=0.5,θ=0.5,γ=0.5由图5可以看出:关键路段发生异常时,对整体道路容量可靠度的影响程度比较大,算例路网中的4条关键路段对网络容量可靠度的影响幅度均超过了15%,而四条非关键路段则均在15%以下。由此说明,关键路段的运行情况对整体路网容量可靠度的波动情况影响比较大。4关键路段的运行通过上述分析可以看出:①当道路网络发生突发事件时,各路段的容量可靠度均有一定程度的下降,但相比非关键路段,路网中的关键路段更易遭受影响;②突发事件发生在关键路段与发生在非关键路段对整体路网容量可靠度的影响程