【《降雪条件下城市道路网络韧性评价方法分析案例》6000字】

目录TOC\o"1-3"\h\u14244 192911.1降雪条件下城市道路网络韧性 115881.1.1城市道路网络韧性相关概念 1154371.1.2降雪条件下城市道路网络韧性概念的确定 2195071.2路网韧性的影响因素分析 4299241.3城市路网性能评价指标 5258141.1.1交通流介数指标 5157081.1.2可达性指标 6182791.4降雪条件下城市路网韧性度量方法 621421.4.1常用路网韧性指标 767551.4.2面向出行者最低性能需求的韧性指标 8202271.4.3韧性综合评价指标体系 9目前已有许多方面的指标被用于路网韧性方面的评估，但综观已有的成果来看，对于路网韧性的研究仍处于起步阶段，而各个指标的侧重点也有所不同。所以需要考虑降雪灾害对城市路网的影响，选择恰当的指标对路网进行评价。本章首先确定城市路网韧性概念，在以往的研究成果基础上，构建降雪条件下城市道路网络韧性评价指标，通过进一步分析得出降雪条件下路网韧性的度量方法，全面考虑系统性能在灾后整个过程中所受的影响，同时考虑出行者对路网最低性能需求，从时间韧性和性能韧性两个角度对路网系统综合韧性进行度量，为建立降雪条件下的城市路网恢复决策提供目标指引。1.1降雪条件下城市道路网络韧性1.1.1城市道路网络韧性相关概念关于城市路网灾后性能评价，在以往研究中，大多主要关注路网可靠性、脆弱以及鲁棒性等的研究，直到近几年，相关学者才将研究开始转向对于路网性能韧性方面，目前虽然已经有了一些交通韧性评价相关的研究成果，但通过阅读相关文献发现，关于韧性评价指标，究其实质与鲁棒性、脆弱性、可靠性等研究中指标本质基本相同，并未明确反映韧性的实质。因此，必须充分了解认识各个概念的实质，并区分各自与韧性概念间的不同，才能深入了解韧性概念核心，从而准确地进行韧性评价。（1）可靠性。路网可靠性主要衡量的是路网遭受侵扰时，能够保持正常服务水平的概率大小。目前关于路网的可靠性研究主要包括容量可靠性、出行时间可靠性和连通可靠性三个不同方面。容量和行程时间可靠性不仅考虑了容量限制，同时也反映出用户出行选择行为，而连通可靠性只能反映道路基本通行能力变化。总而言之，可靠性能反映路网灾后保持正常性能的概率，而韧性反映路网灾后吸收和恢复正常性能的能力，二者衡量角度不同，可靠性强，但吸收能力和恢复能力均不一定会强，韧性能力不一定会强。（2）脆弱性。路网脆弱性是指路网遭受极端天气、自然灾害等事件侵扰后，路网性能水平的下降程度，反映了路网对灾害事件的敏感程度。脆弱性与韧性二者之间具有一定的交叉关系，其中韧性包含脆弱性，韧性主要包括吸收和恢复两阶段，而脆弱性等同于韧性的吸收阶段。（3）鲁棒性。路网鲁棒性衡量路网在遭受突发事件侵扰时，仍能维持路网基本性能的能力。通常指灾害开始发生时的路网性能，反映了韧性曲线中性能下降开始阶段，因此韧性包含鲁棒性，鲁棒性只能量化韧性的一小部分。在对韧性与其他路网灾后性能评价指标含义进行对比分析之后，之后可以发现韧性建立在其他指标本质基础之上，融合了其他指标特性的优点，同时也进一步弥补了其他相关指标的不足之处，可以综合反映路网灾后抵御干扰的吸收、适应以及恢复能力，体现了多阶段多方面的性质特征。韧性关注的是灾后性能伴随时间的变化状况，并非维持正常性能的概率以及路网受损机理。韧性既反映灾害发生时刻路网状况，又体现出恢复阶段性能变化，综合分析得知，路网韧性和路网性能息息相关，因此，韧性概念的确定也应考虑从路网性能出发。目前，关于路网性能的衡量指标主要包括三类：基于网络结构的性能度量，例如中间中心性、最短路径长度和介数等；基于属性的性能度量，如恢复速度等；基于交通流的性能度量，如出行时间、路网容量等。1.1.2降雪条件下城市道路网络韧性概念的确定近几年，韧性受到广大学者的关注，已经成为非常热门的话题之一,被广泛应用于城市关键基础设施、组织行为等多学科交叉系统方面的研究。对于韧性概念，不同学科对其定义有所不同。Murray-Tuite[60]第一次对交通韧性进行定义并提出相应的度量方法。其中将交通韧性细化为冗余、移动性、多样性、安全性、效率、适应性和快速恢复能力等10个维度。根据以往交通韧性相关研究，主要将交通韧性概括为当路网系统受到灾害冲击时，其本身吸收能力以及恢复至预期性能水平能力。本文根据路网在降雪条件下的系统性能动态变化过程，从吸收和恢复两个角度定义降雪条件下的城市道路网络韧性[61]，从多方面系统地刻画路网灾后恢复过程。结合韧性定义，可将降雪条件下的城市道路网络韧性定义为：当城市路网遭受降雪灾害侵扰时，路网吸收灾害扰动的能力以及恢复至原先性能水平的能力。降雪条件下城市道路网络性能变化曲线如图3-1所示，其中清楚地反映出路网对雪灾的吸收和恢复能力。图3-1系统性能变化曲线图如图3-1所示，路网在初始正常状态时性能值为P0。假设t0时刻雪灾对路网造成一定冲击，路网系统性能不断下降。至t1时刻，路网系统性能水平降至最低值Pmin，将t0至t1这段时间称为路网灾后吸收阶段。之后伴随恢复作业的进行，路网系统性能开始逐渐恢复。至t2时刻,系统性能恢复至新的平衡状态，性能值为Pnew，此刻系统恢复过程结束。其中P(t)为出行者最低性能需求。将t1至t2这段时间称为系统灾后恢复阶段。降雪条件下的路网状态变化从t0时刻开始至t2时刻结束。在此过程中： （3-1） （3-2）此时，降雪灾害事件可以用以下公式表示： （3-3）式中P(t)为t时刻的系统性能值。1.2路网韧性的影响因素分析针对较为复杂的网络，韧性具有重要的研究意义。城市道路网络作为复杂网络形式之一，具有诸多特性，如内部结构具有复杂性、遭受的干扰形式多样、应对干扰恢复策略较多等。由于路网具有这些特征，因此，影响路网韧性的因素也有很多，主要包括路网拓扑结构、交通供给的随机性以及用户出行选择行为三个方面。（1）路网拓扑结构路网拓扑结构反映出路网各组成单元（路段及交叉口）间的连通状况，属于影响路网韧性最基本的因素。路网拓扑结构为用户提供OD点间出行路径，因此，直接关系当路网某些路段遭受干扰受损时，路网中是否有替代路径提供以及替代路径数目。路网拓扑结构虽然并不能决定路网运行效率，但直接影响路网基本性能的满足。（2）交通供给的随机性当路网遭受雨雪、交通事故等侵扰时，会造成路段通行能力的下降，进一步使路网通行效率大大降低。本文将路网韧性研究中的侵扰事件定义为降雪天气所造成的路段通行能力降低，进一步导致路网性能下降的事件。侵扰性事件会直接导致路网供给的随机性。（3）用户出行选择行为与城市其他关键基础设施（如电网、供水网络、等）相比，城市道路网络的参与者为人，而人具有自主选择性，例如出行目的地、出行时间、出行方式等的不同。由于个体间的差异进而加剧路网的复杂性。一方面，出行者对于突发侵扰事件对路网所造成影响程度的认知程度、出行时间、出行目的、出行方式等的不同会直接导致出行者对路径选择行为的不同；另一方面，出行者经济收入以及出行目的的不同会直接导致路径选择倾向的不同，比如有的倾向于选择花费出行成本最小的路径，而有的人会考虑首选花费时间最短的路径。很明显，各种因素的差异将直接影响路网中交通流量分配的不同，进一步影响路网韧性。1.3城市路网性能评价指标本文主要研究的是降雪条件下城市道路网络的恢复问题。此处的恢复问题主要指的是城市路网性能的恢复。城市路网的主要功能就是帮助交通出行者能够快速有效的从路网中的某个节点（起点）到达另一个节点（终点），在该过程中所反映的就是起点到达终点（即OD点对）间路径具有的通行功能，因此路网的整体性能可通过路网系统中各OD点对间路径通行功能的加权平均和进行度量。路网韧性与其系统性能密切相关，度量路网韧性可以从度量路网性能出发，用于衡量路网性能的指标主要包括三类，一类是基于网络结构的性能指标，如中心性、介数、有效性、最短路径长度等；另一类是基于交通流的性能指标，如出行时间、交通容量、路网效率、可达性等；最后一类是基于属性的性能指标，如恢复速度等。1.1.1交通流介数指标介数指标是基于路网拓扑结构的性能指标，主要被用于体现路网拓扑中各节点或者各个路段在路网中的影响能力。路段介数指的是经过某路段的最短路径数目占路网中所有OD点对间最短路径总数目的比例。路网某条路段的介数在一定程度上可反映该路段在路网中的重要度。某路段的介数值越大，表示该路段对路网的重要程度越大，所以，由此可见当介数较大的路段受到外界攻击时，对于路网的整体性能影响也相对较大。关于路段介数指标计算公式如下所示：（3-4）式中：Ba——路段a的介数值Nw(a)——OD点对w所经过路段a的最短路径数目Nw——OD点对w所有最短路径总数n——路网中节点数目流量反映出路网的运行状态，介数较大的路段，表明经过该路段的最短路径相对较多，因此，一般情况下该路段的流量也会较大。所以介数可以在一定程度上粗略的表示交通流情况。在路段介数基础上考虑路段流量，从而建立交通流介数TB，公式如下所示。（3-5）式中：qa——路段a上的交通流量（veh/h）D——所有OD点对的总交通需求量（veh/h）1.1.2可达性指标Luathep[62]将可达性表述为“在某段时间内借助某种交通工具从一个地方到达另一个地方的便利程度。”由此可见，可达性指标既反映了某时刻道路连通度，又反映了出行者对路网性能的满意程度。基于上述对可达性指标的定义，本文将OD点对w间的可达性指标定义为：（3-6）其中，表示第t天OD点对w间的可达性值。qw表示OD点对w间的出行需求量。fwp(t)指的是OD点对w间第p条路径在第t天的流量值。zwp(t)指的是OD点对w间第p条路径在第t天的通行成本。从式（3-6）可知，满足每单位出行需求所花费的通行成本越低，可达性指标就会越高，也就是OD点对的出行更加便利。考虑路网中所有OD点对间的可达性，进行较简单的求和运算，则整个路网可达性公式如下：（3-7）基于网络拓扑结构的性能指标主要从路网本身结构特性出发，并未考虑出行主体交通参与者的路径选择行为，故不能全面的反映降雪条件影响下的路网性能情况。而基于交通流的性能指标充分考虑了降雪条件影响下交通出行者的认知程度和路径选择行为，较全面的反映了路网性能的动态变化过程。因此，综合考虑，为符合实际，本文将选取可达性指标作为路网系统性能评价指标。1.4降雪条件下城市路网韧性度量方法目前已有研究大多从单一角度入手选定韧性指标，仅从路网拓扑结构出发度量韧性，往往忽视路网中交通流量的影响，在此基础上所获取的结果很大程度会偏离实际情况，难以有效的全面反映路网韧性程度。另一方面，城市交通系统的直接参与者是交通出行者，所以当路网系统遭受恶劣天气（降雪条件）的侵扰后，对灾后路网采取恢复策略时，对于路网系统的韧性评估不应仅仅考虑路网系统自身性能的变化情况，还应考虑交通出行者所能接受的路网系统剩余的最低性能。因此，本文从出行者需求出发，考虑出行者的感受，提出了一种面向出行者需求的路网韧性评估方法，在原有韧性指标基础上，引入时间指标，从时间韧性和性能韧性两个角度对路网系统综合韧性进行度量，更加全面的对降雪条件下城市路网韧性进行评估。1.4.1常用路网韧性指标关于系统韧性的度量，不同学科领域对其度量有所不同，各学科学者通过进行相应的研究均给出了对应合理的观点，但到目前为止还没有统一度量公式。但其核心内涵都一致，都是从系统性能随时间的动态变化过程中提取重要指标用于定量分析系统韧性。Francis和Bekera[63]在相关研究中将城市道路网络系统韧性通过如下公式进行表述： （3-8）式中表示系统韧性值，表示恢复速率因子，表示系统遭受破坏后恢复完成后系统性能达到新的平衡稳定值，表示遭受破坏后系统性能最低值，表示系统性能未遭受破坏前的初始稳定值。假设Sp值为1，系统遭受破坏后经过恢复作业使系统性能恢复至灾前正常服务水平，此时Fr等于F0。因此公式（3-8）可简化为： （3-9）王晶等[2]在式（3-9）基础之上考虑时间因素，提出新的状态韧性指标，公式如下： （3-10）式中Res为路网韧性，（t1-t0）为吸收期时长，（t2-t0）为系统遭受灾害冲击后波动总时长，(Pnew-Pmin)为路网性能最终稳定值与最低值两者间的差，（P0-Pmin）为路网性能的最大损失量。但式（3-10）的韧性指标存在一定局限：该指标只能对某几个时刻的路网系统性能变化进行描述，对该时刻之前的路网性能水平毫无记忆能力，可能会导致在不同性能变化曲线状态下获取到相同的韧性值。吕彪等[29]提出一种可全面反映当系统受到灾害侵扰后整个过程中的交通系统性能的累计变化过程的韧性度量指标,公式具体如下： （3-11）其中R(t)表示交通系统在t时刻的韧性值，P0(t)表示t时刻交通系统期望达到的性能，其中P0(t)=P0。1.4.2面向出行者最低性能需求的韧性指标当城市遭遇降雪灾害侵扰时，为满足出行者的需求，往往会进行道路除雪、融雪等工作，当有时由于资源条件的限制，无法使路网系统性能恢复原先预期水平，但为了保证城市的基本运作，必须考虑出行者所能接受的最低路网性能水平，在此基础上，本文提出一种面向出行者最低性能需求的路网韧性评估指标，指标构建具体如下： （3-12）式中，R(t)指t时刻的路网韧性值；P(t)表示t时刻出行者所能接受的最低系统性能值；P0(t)表示t时刻路网系统的期望性能，令P0(t)=P0；[~]为艾佛森括号，当~为真时，[~]=1，否则[~]=0；α为0-1变量，属于时间韧性与性能韧性两者间切换参数。（1）时间韧性指标当α=0时，属于时间韧性指标，表示在t1至t时间段内路网系统满足出行者最低性能需求的时间总和与目前已进行恢复作业总时间二者间的比值。R0(t)可以从时间角度上刻画路网系统在降雪灾后整个过程中路网性能是否有退化到出行者所能接受的最低性能需求以下，以及路网系统在退化至出行者最低需求以下到恢复至出行者最低需求的速度，速度值越大表明系统在遭受降雪灾害后能够快速恢复至出行者最低性能需求以上。当R0(t)=1时，说明在当前阶段