城市道路交通網絡脆弱性及幾個相關概念淺析

向懷坤

摘 要：針對城市道路交通網絡脆弱性研究領域幾個相互關聯又容易混淆的概念，比如路網脆弱性、可靠性、恢復力等，本文通過文獻梳理對這些概念進行了較系統的對比分析。其中，重點對城市道路交通網絡脆弱性的概念、定義、內涵、評估指標等進行了總結。在此基礎上，對脆弱性概念與風險概念、恢復力概念和可靠性概念之間的關系進行了界定，給出了城市路網脆弱性研究的發展趨勢。

關鍵詞：城市道路;交通網絡;脆弱性;可靠性;恢復力

中圖分類號：U491.2 文獻標識碼：A

城市道路交通網絡不僅建構了城市的空間形態，還承載著城市的人流、車流及其他交通活動，是城市生存與發展的重要“生命線系統”。然而，隨著城市化、機動化的快速增長，城市路網無論在結構上還是功能上都變得越來越復雜。一方面，傳統的單一城市路網結構如方格形（棋盤式）、放射形或環形路網，隨著城市的發展而不斷拓展演進，成為混合式復雜路網形態;另一方面，隨著交通需求的不斷增長，特別是居民出行需求與出行品質的提升，傳統的城市道路交通網絡，在傳統的較單一的承載機動車出行功能基礎上，不斷增加新的交通、環保、智能等功能。這種日趨復雜的城市道路交通網絡，當面臨突發事件時，比如自然災害、交通事故、重大活動等，其基本的為居民出行和城市活動的交通功能，是否還能正常地或基本正常地得到保障呢？這無疑是值得研究的一個重要科學問題。學術界為此開展了大量的研究工作，提出了許多相關的概念，比如路網的可靠性（reliability）、脆弱性（vulnerability）、恢復力（resilience）等等，這些概念之間存在著一定的關聯，同時也有自己獨特的內涵及應用特征。為了進一步認識這些重要的概念，本文通過文獻梳理，對這幾個概念進行較深入的對比分析。

1 路網脆弱性概念

1.1 脆弱性概念梳理

脆弱性概念最早出現在工程領域，后被社會學家逐步擴展到了社會、經濟、政治及制度層面，被認為源于拉丁語中的“vlunerare”一詞，意指“被傷害”或面對攻擊而無力防御。基于不同的視角，學者們對脆弱性含義的理解也不盡相同[1]。1974 年White G F將脆弱性定義為具有暴露性與敏感性的系統，并使系統、子系統或系統組成部分易受到外界或壓力的妨礙。1989年Bohle W C發現脆弱性與系統自身結構存在關系，將其定義為當系統受到內部或外部影響時，沒有能力進行自我恢復的一種狀態。1996年Cutter S L認為脆弱性與風險類似，因此認為它是一種系統受到不利影響或遭遇損害的可能性。隨著對脆弱性研究的不斷深入，脆弱性概念逐漸變成了一個概念集合，并且隨著不同的應用場景，對其描述的含義、側重點均會有所不同，據不完全統計，目前關于脆弱性的定義達25種之多。總之，脆弱性是一個極具張力的詞匯，到目前為止并沒有一個統一的定義。在實際應用中，脆弱性概念經常與相關概念混用，比爾克曼（Birkman）將這種現象稱為“脆弱性悖論”（vulnerability paradox）。

1.2 路網脆弱性概念發展

將脆弱性概念引入道路交通領域的歷史較短，學術界目前對此仍沒有一個確定的、統一的定義。城市道路交通系統的穩健、可靠運行，對于城市社會經濟發展和居民出行至關重要，因此，圍繞城市道路交通網絡的脆弱性分析逐步引起了眾多學者們的關注。

在國外學者中，Berdica[2]較早分析了道路網絡脆弱性概念，并給出了道路運輸系統脆弱性的定義，認為“道路運輸系統中的脆弱性是對突發事件的敏感度，這些事件可能導致路網可用性大幅降低。” 該定義強調路網脆弱性的發生有一個始作俑者的破壞事件，使得道路運輸系統的基本目的，即向用戶提供運輸服務的能力受到了損害，而且這些損害的后果非常嚴重。Husdal[3]認為道路網絡脆弱性是“在一些特定情景下交通網絡無法正常運行的特性”。Taylor等人[4]認為，路網脆弱性的概念與邊失效的后果關系密切，與失效的概率無關，并基于可達性對路網中節點的脆弱性給出定義：如果道路網絡中的少量路段失效或大幅降級后明顯降低節點的可達性，則網絡的節點是脆弱的;如果某一路段的失效會降低網絡整體或部分節點的可達性，則這條路段就是關鍵的。另外，Jenelius等人[5]認為，道路網絡脆弱性可以定義為研究道路運輸系統的潛在退化及其對社會的影響，可采用風險理論知識來衡量道路網絡的脆弱性。Erath等人[6]研究了瑞士路網的脆弱性，他們將路網脆弱性定義為危險情況下路段失效的概率與中斷所造成的直接和間接后果之和的乘積。

國內學者也分別從不同角度，對道路交通網絡脆弱性進行了研究。尹洪英[7]認為，脆弱性所關注的問題是“道路交通運輸系統中哪些區域是易于中斷的”和“哪些連接對于整個系統的運作是最關鍵的”這兩大問題，因此路網的脆弱性可以看成是導致路段失效的可能性和失效的潛在影響程度的集成。楊露萍等人[8]認為，道路交通網絡脆弱性是道路交通網絡中某些單元（包括節點和路段）受到突發事件攻擊導致該部分損毀或失效，通過路網單元間的相互作用以及外界的持續影響，這種損失或失效不同程度地在其他單元間傳遞，并最終引起整個道路交通網絡損失的量度。楊超等人[9]根據異常事件及其影響的尺度不同，認為城市交通網絡脆弱性問題可分成拓撲、擁擠及需求3個層次。其中拓撲脆弱性是指異常事件極其嚴重而導致網絡的連通性受到影響的情況;擁擠脆弱性討論的是異常事件使得路段通行能力降低而導致網絡總延誤增加的情況;需求脆弱性則是同時考慮交通網絡的需求和供給兩方面的變化，基于異常事件下交通系統供需平衡的變化程度來評價網絡承受異常事件的能力。

由此看來，國內外學者對于道路交通網絡脆弱性概念的認識，總體上涉及以下幾個方面的內容。其一，脆弱性伴隨突發事件的發生，即路網的脆弱性一般是在突發事件發生后表現出來，而且這些突發事件具有明顯的不確定性、復雜性和破壞性;其二，脆弱性體現了一定的概率性，這種概率與突發事件的作用有關，但也與路網本身的結構及交通運行有關;其三，脆弱性體現了某種程度的損失，包括擁堵、中斷等導致的出行延誤增加、通行能力下降等等。

1.3 城市路網脆弱性內涵分析

城市路網脆弱性具有一般路網脆弱性的全部特性，其內涵分析應著眼于突發事件發生前、發生中、發生后的三個階段，如圖1所示。在圖1中，時間軸上的點表示突發事件剛發生的時刻，點表示突發事件結束的時刻，點表示道路交通網絡恢復正常的時刻。從到再到表示了突發事件從發生到結束再到道路交通網絡恢復正常的整個時段。

脆弱性可以被認為是路網的固有屬性。對于一個地區、一個城市、一個城區、一條道路，甚至一個交叉口而言，其脆弱性在路網被規劃設計后就已經存在了。受規劃設計的社會、經濟、人文、地理、交通等諸多要素的影響，城市路網脆弱性很難用一個固定值來進行量化。當道路建成投入使用后，城市路網在面對各類突發事件如道路維修、交通事故、臺風、暴雨、地震、恐怖活動等的沖擊時，道路通行能力、服務水平等都將受到不同程度的影響，從而使得道路交通運輸產生不同程度的損失。這種因外在突發事件而使道路交通網絡遭受損失的特性，是道路交通網絡脆弱性最明顯的一種體現。另外，當突發事件發生后，受到影響的道路交通網絡是否能夠順利地、快速地、可靠地得到恢復，這也體現了道路交通網絡的脆弱性強弱。從這個意義上講，筆者認為道路交通網絡的恢復力是道路交通網絡脆弱性的另一種表現形式。

通過以上分析，我們提出以下結論：①脆弱性是道路交通網絡的固有屬性，任何一個道路交通網絡都存在脆弱性，在沒有遭遇突發事件時，這種脆弱性會一直隱性地存在下去;②在遭遇突發事件時，道路交通網絡固有的脆弱性會顯現出來，如果道路交通網絡越容易受突發事件影響，則表明其固有的脆弱性越強，反之表明脆弱性越弱;③在突發事件產生影響的過程中，道路交通網絡如果產生的損失程度越嚴重，表明其固有的脆弱性越強，反之表明脆弱性越弱;④在突發事件影響并產生損失以后，道路交通網絡在外力修復下如果其服務水平越容易被恢復，表明其固定的脆弱性越弱，反之表明脆弱性越強。城市道路交通網絡脆弱性的這些特性可以用圖2來表示。

1.4 路網脆弱性評判指標

城市道路交通網絡是一種復雜網絡。路網脆弱性研究其實與復雜網絡的研究存在緊密的聯系。對于復雜網絡的研究，主要集中在四個方面，其一是網絡結構與實證研究，其二是網絡的演化特性與機制研究，其三是網絡傳播動力學研究，其四是網絡的穩定性研究。為了對城市道路交通網絡脆弱性進行定量分析和評估，學者們從不同角度提出了各自的評判指標，總體上可概括為三個方面：即基于網絡拓撲結構的評價指標、基于網絡運行特征的評價指標和基于出行需求的評價指標。

1.4.1 基于網絡拓撲結構的評價指標

網絡拓撲結構分析是路網脆弱性研究中最基本的部分，通常基于拓撲結構的路網脆弱性指標是從失效對網絡結構，特別是連通特性的影響的角度來進行分析的。對于道路網絡的抽象方法，通常采用的是原始法或對偶法。前者將交叉口視為節點而將道路視為邊，被稱為primal approach;后者將道路映射為網絡中的節點，將道路間的交叉口映射為節點間的連邊，被稱為dual approach。Quium A[10]用γ和α指標對路網的連通程度進行評估，衡量路網面臨洪水時的脆弱性。Grubesic T H[11]對圖論中的相關指標如度、度分布、平均路徑長度、介數等等進行了比較全面的闡述，并將其劃分為全局性指標和局部性指標兩大類。國內學者胡一竑等人[12]基于GIS技術和復雜網絡理論中的點度分布、路徑長度分布和網絡效率指標，以杭州、蘇州在內的江浙4座城市的街道網絡為實例進行隨機和蓄意兩種攻擊策略下的脆弱性辨識。李彥瑾、羅霞[13]等人采用網絡效率和最大連通子圖這兩個與網絡拓撲結構有關的指標來進行路網的壓縮處理。

1.4.2 基于網絡運行特征的評價指標

學者們逐漸意識到，單純從路網結構方面研究網絡脆弱性，這明顯與實際情況不符，于是人們開始從路網的運行性能方面來考察路網的脆弱性。D'Este等[14]首先將可達性應用到對脆弱性的定義中，基于廣義出行費用對脆弱性進行了量化分析，并將廣義出行成本定義為路段損壞所產生的負效用，如出行距離、出行時間及出行費用的增加值等。Taylor[15]在研究道路網絡脆弱性時除了考慮傳統因素（如形成時間、延誤等），還加入了社會和經濟因素。在各路段行程時間已知的前提下，他從個體效用和消費者剩余的角度，用迭代法求出各路段的權重，構建道路網絡用戶多維選擇的邊際選擇概率logit模型，給出道路網絡可達性的標準，以此來識別道路網絡中的關鍵位置。Scott D M等人[16]提出以網絡魯棒性指標NRI（Network Robust Index）作為網絡脆弱性的系統性衡量指標，Jenelius E.等[17]也采用魯棒性指標NRI作為評估指標，但考慮了路段的移除所引發的網絡不連通的問題，并采用受此影響的交通需求與總的交通需求的比例來衡量路段的脆弱性。

國內學者張勇[18]建立了考慮路段排隊容量約束和斷面通行能力約束的網絡交通流模型，通過依次斷裂交通網絡各路段，評價各斷裂路段對應的道路網絡魯棒性指數，進而依據指數的排序結果辨識了道路網絡的脆弱性。國內學者李彥瑾、羅霞等人采用網絡效率的變化量和最大連通子圖的變化量來表征道路的魯棒性。BELL M. G. H等[19]用二人非協作零和博弈來刻畫攻擊者的目標選擇與出行者的路徑選擇之間的互動過程，并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。Murray Tuite P. M.等[20]也采用博弈論的方法，提出雙層網絡規劃模型進而尋找脆弱路段。

1.4.3 基于出行需求的評價指標

異常事件的發生通常會引起交通網絡供給能力的降低，進而引起交通需求的變化。需求脆弱性指標用于定量評價網絡承受某類異常事件的能力，該能力越強，則意味著異常事件的發生對交通網絡上供需平衡關系的影響越小;反之，網絡越脆弱，則意味著在異常事件下，網絡供需平衡關系的變化越大。因此，需求脆弱性指標的核心是定量描述供需平衡關系。

Dalziell和Nicholson[21]指出，當出行路徑不可用時，出行者行為可能有以下幾種反應：取消出行、推遲出行、改變目的地、改變交通方式、更換路徑。若忽略交通需求的變化，會對交通網絡所受到影響的估計產生一定偏差。因此學者們提出需求脆弱性的概念，考慮異常事件下供給與需求的變化對網絡穩定性的影響。肖瑤[22]從城市道路網絡拓撲結構特性和交通需求特性的角度，闡釋了狀態脆弱性與結構脆弱性的內在聯系，提出了城市道路網絡單元結構-狀態參數的概念，并以此作為網絡脆弱源識別的依據。何珊珊[23]等人針對路段型隨機用戶均衡模型，提出了將隨機均衡狀態下的加權平均出行成本作為交通網絡效率的度量方法，應用泰勒中值定理，給出了基于該網絡效率的需求脆弱性指標的敏感性分析。涂穎菲等人[24]在總結國內外對城市道路交通網絡脆弱性指標研究的基礎上，將交通網絡脆弱性問題分成拓撲、擁擠及需求3個層次。對基于出行需求的路網脆弱性評估指標，學者們研究的還相對較少，仍需不斷探索。

2 脆弱性與風險概念

前面對脆弱性概念及其評估指標進行了分析，但是在相關文獻中，還有一個概念與脆弱性緊密相關，這就是“風險”。事實上，脆弱性常常與風險（risk）、災害聯系在一起使用。其中，有兩個等式被用來表述三個概念之間的關系，它們分別是：

風險（R）=危險源（H）+? 脆弱性（V） （1）

風險（R）=危險源（H）×脆弱性（V） （2）

兩個等式中的“危險源”（hazard）是指極端的并可能造成災害的自然事件。脆弱性（vulnerability）是指可能造成損失的社會背景因素。等式中的風險概念也不再是表述為一種一般意義的“不確定性”，而是極端事件發生的一種可能性，風險（risk）被認為是災害結果出現的可能性（risk of disaster）。兩個等式表達出的核心思想是災害的出現是由于自然事件與群體或個體所具有的社會特征共同作用的結果。但是，兩個等式在使用上卻有細微差別，即等式右邊危險源和脆弱性之間的關系是加抑或乘，而這種差別正體現出脆弱性概念從靜態走向動態的變化。從文獻來看，等式（1）的提出早于等式（2），維斯勒等人提出并使用了等式（1）并被其他學者所采用，即視災害是極端自然事件與脆弱的人群相互作用的結果。但這個等式后來被認為存在問題，因為它將脆弱性視為靜態。路易斯（Lewis）在等式（1）的基礎上進行改造并提出相對精確的等式（2），輕微的改動在于將加法關系改為乘法關系，因為等式（2）中認為造成脆弱性的原因是多方面的，如貧困、性別、種族、年齡等方面，而這些脆弱性特征又會導致災害脆弱性成倍增加（increase exponentially）。同時，相對于前者，后者所強調的極端災害的脆弱性更加多元化，等式（2）也被最廣泛使用。

3 脆弱性與恢復力概念

“恢復力”（resilience）是目前應急管理領域較熱門的與脆弱性緊密相關的概念。調研表明，脆弱性概念出現在前，恢復力概念出現在后。關于這兩個概念的內涵與關系目前仍存在較多的爭論。恢復力概念一般都與應對與恢復能力（capacity）和適應力（adaptive）聯系在一起，較為典型的如威爾達夫斯基將恢復力定義為“非預期危險成為現實后的應對能力和迅速恢復力”。路易斯·康福同樣將恢復力定義為“利用現存資源和技能以適應新的系統和操作環境的能力”。

有學者曾將這兩個概念之間的關系主要區分為兩種：

（1）二者分別處于連續統的兩極。一極為脆弱性，即是導致災害的原因，另一極則是恢復力，即抵抗與應對災害的能力。脆弱性更多的被認為是被威脅或暴露于危險中，而造成群體處于危險境地的原因，其中包括社會、經濟、政治、技術、地理區位等因素。從災害管理周期角度上看，脆弱性關注的是減災（mitigation）階段，而恢復力關注的是災害發生后的應對與恢復階段。

（2）脆弱性包含恢復力。即恢復力是構成脆弱性的一個因素，脆弱性和恢復力在能力層面上達成統一。那么，脆弱性的定義中同時包含了負面和正面雙重作用，它是二者相互作用的結果。相似地，恢復力也可以同樣包含脆弱性。脆弱性與恢復力這種互為包含的關系，形成了“恢復力是脆弱性的一部分，同樣脆弱性也可是恢復力的一部分”。這種認識方式可能“過于簡單”，導致將脆弱性認識局限在“造成脆弱性是缺乏恢復力，而恢復力不足是由于脆弱性造成的”。

4 脆弱性與可靠性概念

可靠性概念本身屬于系統工程學科的范疇，描述的是在工程系統里提供高質量服務水平的穩定性。一般來說，可靠性（reliability）是指系統在一定時間內、在一定條件下無故障地執行指定功能的能力或可能性，可通過可靠度、失效率、平均無故障間隔等來進行評價。可靠性和脆弱性是兩個不同的概念，但有時人們會把這兩個概念混淆。例如，在道路交通領域，Berdica[25]就曾提出路網脆弱性可以看成是對路網可靠性的補充。Husdal[26]將路網可靠性和路網脆弱性作為兩個對立的方面，認為路網可靠就不脆弱，路網可靠性可以看成是路網給社會帶來的利益，路網脆弱性可以看成是社會成本，在項目投資時應該對兩者加以考慮。

從概念的內涵來看，可靠性是一種概率型測度指標，在系統工程里面，可靠性的定義是在特定的時間和給定的環境和運行條件下，實現某種預期的功能并達到可接受的運行水平的概率。路網可靠性是系統工程可靠性概念在交通系統的綜合應用，它描述了在交通需求和交通供給波動情況下，路網性能能夠滿足某一特定要求的概率。而路網脆弱性是由路網中斷的概率和路網中斷的后果兩個部分組成的，它不是一個概率值。

Jenelius等[27]提出如果站在不同的觀察者的角度，脆弱性和可靠性的概念很容易被分辨。例如Immers等將可靠性看成是用戶對道路運輸系統的性質評價而不是系統自身的特征，他們定義可靠性為“一個出行者能夠估計他自己的旅行時間的確定性程度”，而路網脆弱性則不是站在單個用戶的角度來說的，它是描述一個系統整體特征的概念。

從道路交通領域來看，雖然路網可靠性和路網脆弱性這兩個概念的內涵具有一定的關聯性，但是路網可靠性更關注于路網連通性和連通的概率，側重于從單個用戶的角度來分析道路運輸網絡，而路網脆弱性則更關注于網絡的薄弱環節和網絡失效的后果，是從系統整體的角度來分析運輸網絡的。脆弱并不一定意味著不可靠，可靠也并不意味著就不脆弱。可靠性和脆弱性是兩個不同的概念，他們之間沒有線性或者互反的關系。路網可靠性聚焦于維持一個連接的可能性，而路網脆弱性則聚焦于一個連接中斷或者退化的可能性。因此，路網的脆弱性分析的目的是找出道路網絡拓撲結構中使得網絡在某種條件下易于失效或者退化的薄弱環節。

5 結語

本文通過對城市道路交通網絡脆弱性概念、內涵及其判別指標進行綜述，一方面系統地梳理了當前國內外在該領域的研究現狀，另一方面對路網脆弱性的本質特征進行了剖析。在此基礎上，本文認為路網脆弱性是城市路網的固有屬性。這種屬性的盡管目前主要通過復雜網絡的特征參數來進行表達，但是仍有待進一步的研究與完善。最后，本文對與脆弱性相關的風險、恢復力和可靠性概念進行了對比分析，對這些概念之間的關系進行了初步界定，為進一步全面開展城市道路交通網絡脆弱性研究奠定了基礎。隨著認識的不斷深入，城市道路交通網絡脆弱性研究，正日益表現出以下幾個方面的研究趨勢：

（1）擁擠網絡以及用戶交通行為逐漸引入道路網絡脆弱性研究中。

（2）交通系統各部分之間的聯系在道路網絡脆弱性研究中得到加強。

（3）多場景下道路網絡脆弱性的比較分析逐漸受到重視。

（4）交通流的隨機、動態特性在道路網絡脆弱性分析中逐漸有所體現。

以上幾個方面的研究發展趨勢，將伴隨城市規劃、設計、建設、運營、管理和評價工作的，以及城市道路交通應急管理工作的不斷深入而得到重視。

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