道路交通網絡脆弱性研究現狀綜述

(西南交通大學希望學院 四川 成都 610400)

一、前言

隨著城市化進程的不斷加快，道路交通網絡面臨頻繁發生的突發事件，導致服務水平降低、背離通行能力的風險越來越大。在城鎮路網發展的過程中，由于缺乏合理的規劃，普遍存在路網結構簡單、交通組織混亂等問題。道路網絡脆弱性研究是在近幾年才得到越來越多的關注。道路網絡脆弱性反映了路網和路網單元容易受各類干擾因素影響的程度。

二、國外研究現狀

(一)路網脆弱性

道路網絡脆弱性研究開展歷史較短，目前的研究主要集中在概念和評價指標的定義和完善。近年來，出行者交通行為逐漸引入道路網絡脆弱性研究中。

Berdica最早提出了道路網絡脆弱性的定義，他認為道路網絡脆弱性是一個易于受事件影響而導致路網服務水平極大下降的敏感系數。這類定義認為脆弱性是和風險相關的概念，不僅考慮路網單元失效造成的后果，同時考慮單元失效的概率[1]。另一類道路網絡脆弱性的定義最初起源于D’Este和Taylor，他們認為個別路段的失效或退化使節點的可達性顯著降低，這些路段被稱為關鍵路段[2]。這類關于道路網絡脆弱性的定義只關注路網的薄弱處以及失效的后果，不考慮其失效的概率。

目前脆弱性指標研究大多大多聚焦于從拓撲結構脆弱性和網絡運行性能脆弱性兩個角度進行評價。Grubesic等重新劃分了圖論中的相關指標，將其劃分為全局性指標和局部性指標兩大類，常見指標有、、、路網中環線數量最大值、平均最短路距離等指標[3]。Quium等利用圖論中的、指標，研究了1998年孟加拉國在遭受洪水災害時的路網脆弱性[4]。研究路網脆弱性的傳統方法并沒有考慮到實際交通流特性的影響，因此所得到的結果不能真實、全面地反映路網的真實脆弱性。

基于網絡運行性能的脆弱性評價指標，主要從可達性、魯棒性、博弈論的角度進行構建。Taylor等從網絡可達性角度出發，提出三個基于可達性的指標評價脆弱性：一個指標是廣義出行成本的增加，一個是漢森積分可達性的減少，還有一個指標是偏遠性的增加[5]。Bell等采用博弈論的方法，通過路徑選擇來最小化最大預期損失，即風險規避路徑選擇原則，將達到納什均衡時的網絡總出行費用作為網絡脆弱性評價指標[6]。

在考慮用戶交通行為的脆弱性研究方面，Chen等同時考慮一條或多條路段失效引起的出行時間和廣義出行成本增加及用戶改變路徑、改變出行方式、改變目的地和取消出行等行為反應，建立一個在網絡中斷情況下長期均衡網絡的需求組合模型[7]。Jenelius考慮到路段失效及恢復過程中信息傳播的滯后性和出行者的動態反應，研究了道路網絡由非平衡狀態向平衡狀態的演化路徑及脆弱性[8]。

(二)突發事件下道路網絡設計

突發事件會降低道路交通網絡的交通承載力，影響交通運行狀況，在交通網絡設計中考慮到各種突發事件的破壞情況應得到關注。應急疏散和路網恢復屬于道路網絡設計。Walhed等建立了震后路段修復規劃的穩定模型，并采用神經網絡算法獲得最優解，使交通網絡的系統功能損失最小[9]。Wang等出于疏散及救援時間限制的考慮，構建基于車道約束的路網修復雙層規劃模型，結合模擬退火算法和拉格朗日梯度投影算法求解[10]。

在應急疏散方面，被疏散者的出行行為分析是準確估計疏散路網清空時間的重要前提。已有的研究工作一方面側重于疏散行為的調查和統計，Carnegie等通過新澤西州北部居民的調查，對居民在颶風、工業事故、恐怖襲擊、核爆炸四種不同災害情景下的疏散行為特征進行分析得出風險感知和災害距離是影響疏散行為的重要因素[11]。另一方面，Samiul Hasan等考慮到疏散人群彼此的差異性，建立隨機參數Logit模型，利用模型分析不同隨機變量對疏散決策的影響[12]。Dash和Gladwin考慮疏散人群彼此的差異性，提出了颶風疏散決策混合Logit模型，分析了不同影響因素以及災害認知對疏散決策的影響[13]。

三、國內研究現狀

(一)路網脆弱性

在脆弱性的定義方面，涂穎菲等人認為路網本身承受異常事件的能力不足是造成巨大損失的重要原因之一，這種系統特質就是路網脆弱性[14]。鐘志新將路網脆弱性定義為在給定時間內，在異常事件作用下交通網絡不能恢復到一定服務水平而造成的直接和間接損失[15]。楊露萍等認為路網脆弱性在外界的持續影響以及單元間相互作用的影響下這種損失在網絡中不同程度地傳遞并最終對路網所造成損失的量度[16]。

在基于拓撲結構的脆弱性指標研究方面，涂穎菲等基于通信領域的最小割頻率向量建立了脆弱性評價指標[17]。胡一竑等基于復雜網絡理論分析了街道網絡的基本拓撲性質指標，比較隨機和蓄意兩種攻擊策略下城市道路網絡的脆弱性[18]。而上述研究僅僅考慮了網絡的拓撲結構，與路網的實際情況并不相符。

基于網絡運行性能的脆弱性評價指標方面，杜倩倩基于最重要邊理論MVE考慮網絡中出行者的路徑選擇行為，通過路段移除前后所有用戶的出行時間對比來衡量路網脆弱性[19]。王芳結合路網破壞對居民交通行為的影響，確立了基于路段出行成本、節點可達性、區域出行需求的3個不同層面的路網脆弱性的評價指標。

在考慮用戶交通行為的脆弱性研究方面，來學權基于交通供需相互作用機理的分析，建立道路交通網絡脆弱性概念模型，借鑒模糊綜合評判方法建立脆弱性微觀分析模型，可以合理的評價路網的運行狀態。

(二)突發事件下道路網絡設計

網絡設計問題在我國是從20世紀90年代開始得到研究的。近年來，將路網可靠性引入網絡設計當中，受到了廣泛而深入的研究，孫華、李夏溪等都利用魯棒優化的方法建立OD需求不確定環境下的交通網絡設計。總的來說，有待進一步加強道路網絡脆弱性管理在與網絡設計中的應用研究。

四、研究結論

道路網絡脆弱性及其在道路網絡設計研究中，逐漸得到相關學者的重視，也取得了相應的成果，但目前研究還處于起步階段，尚存在許多需要解決的重要問題：

(1)泥石流災害下城鎮居民疏散行為研究尚顯不足。目前大多數脆弱性研究沒有考慮泥石流災害下居民疏散行為。城鎮區域發生災害后脆弱的道路網絡極易遭受破壞，交通網絡運行狀態發生明顯變化，這些變化有怎樣的特征規律、哪些影響及這些變化對路網脆弱性的影響尚未看到相關研究。因此有必要對泥石流災害下城鎮居民的疏散行為進行深入的理論與實踐研究。

(2)脆弱性評價指標的研究大多從路段或節點的方面的性質構建相應的脆弱性指標，缺乏不同層面指標的考慮。同時，在對于交通運行特征指標構建過程中，往往假設交通需求是固定不變的，泥石流災害下居民疏散行為往往會引起網絡中交通需求的隨機波動，路網脆弱性的研究不能全面反映當泥石流發生時，對于道路網絡造成的影響，目前研究方法得到的網絡組成單元脆弱性排序不夠準確，需要對路網拓撲結構和交通運行狀態的耦合機理進行深入分析提出一套更符合網絡實際運行特征的脆弱性評價指標和評價方法。

(3)脆弱性在道路網絡設計方面的應用研究在近幾年才受到關注，相關研究主要集中于道路網絡中關鍵路段或關鍵節點的識別方法和指標的研究，而從道路網絡設計的角度提出道路網絡脆弱性改善措施的研究尚未系統的展開。因此，有必要在道路網絡設計階段考慮路網脆弱性約束，從而構建一個更為穩定、高效、可靠的道路網絡。