暴雨內澇下公交應急方案評價方法

薄坤　楊正

摘要：為甄選出不同暴雨內澇情景下的最優公交應急方案，提出一種公交應急方案評價方法。提出不與地鐵聯動和與地鐵聯動兩種公交應急路徑設計思路。以公交出行成本最低為目標，搜索最優公交應急路徑。構建公交線網的連通效率、運行效率和應急效率3個評價指標對公交應急方案進行評價。結果表明，不與地鐵聯動時宜啟動臨時公交接駁線路，與地鐵聯動時宜采用原線接駁的方式。假設3種暴雨內澇情景，從情景1到情景3暴雨內澇程度逐步加劇。與原公交線網相比，各公交應急方案的運行效率降幅較小且接近；不與地鐵聯動和與地鐵聯動時情景1下的應急效率最高。

關鍵詞：城市交通； 應急路徑優化； 應急方案評價； 大規模公交線網； 暴雨內澇

中圖分類號：? U491.17; U121 文獻標志碼：? A

Evaluation method of bus emergency plans under rainstorm and road waterlogging

BO Kun1， YANG Zheng2

（1.Higher Technical College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;

2.School of Naval Architecture， Ocean & Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： To select the optimal bus emergency plan in different scenarios of rainstorm and road waterlogging， an evaluation method of bus emergency plans is proposed. Two design ideas of bus emergency path are put forward under the conditions of linkage with metros or not. Aiming at the minimum bus travel cost of passengers， the optimal path of bus emergency is searched. Three evaluation indices of connectivity efficiency， operation efficiency and emergency efficiency of the bus network are constructed to evaluate the bus emergency plans. The results show that， the temporary feeder bus lines should be started under the condition of not linkage with metros， and the original bus lines should be reused under the condition of linkage with metros. Assume three scenarios of rainstorm and road waterlogging， and the degree of rainstorm and road waterlogging gradually increases from scenario 1 to scenario 3. Compared with the original bus network， the operation efficiency of each bus emergency plan is of smaller decrease and close. Under the condition of linkage with metros or not， the emergency efficiency under scenario 1 is the highest.

Key words： urban traffic; optimization of? emergency path; emergency plan evaluation; large-scale bus network; rainstorm and road waterlogging

0 引 言

全球變暖導致極端天氣發生頻率增加，其中氣象災害中具有突發特性的臺風、暴雨天氣的發生最為頻繁且呈增加趨勢，這樣的極端天氣對公共交通的影響受到國內外的重視［1］。類似“7·20”鄭州特大暴雨的事件及臺風等對城市公交、地鐵運行安全和居民出行的影響巨大，實施有計劃、有組織的城市公共安全管理十分必要。

城市暴雨內澇的危險程度由暴雨強度和排水標準決定。我國尚有城市中心區的排水基礎設施達不到百年一遇、千年一遇暴雨內澇

的排澇要求，在遭遇暴雨內澇災害時道路通行能力降低甚至喪失，為了不使其降低太多或喪失，需要對現有公交線網進行臨時應急調整。

常態公交線網調整優化問題的研究成果豐富，有基于決策變量、網絡結構、需求模式、需求特征、約束條件和運營策略的調整優化模型［2-3］。非常態公交線網調整優化問題集中在由極端突發事件引起的交通中斷情況下的客流安全疏散問題［4］，軌道交通中斷情況下的公交橋接問題尤其受到關注［5-6］。通常采用一般分析法和啟發式算法確定與評估路徑［7-8］。對氣象災害發生后的公交線網應急調整的研究不足。

綜上所述：已有的城市公交應急方案的設計多以小規模公交線網為例進行測算，少有基于大規模公交線網的實驗［9］；現有研究結論缺乏適應城市公交韌性管理數字化轉型要求的公交應急方案設計與定量評價方法，同時缺乏暴雨內澇情景下不同的城市交通基礎設施下公交應急方案的設計框架；多級災害場景下的應急方案的輸出缺乏可操作性。

本文針對城市在遭遇暴雨內澇災害時道路通行能力降低且在局部區域存在車輛限行的情況，以保障公交運行服務為目的，提出不同暴雨內澇情景下公交應急路徑優化與評價方法，提出公交應急路徑的搜索算法和設計框架，構建公交應急方案評價指標。該方法能實現不同暴雨內澇情景下針對大規模公交線網（站點數量達到千級）的最優公交應急方案的確定。

1 公交應急路徑設計框架

1.1 公交應急路徑設計思路

暴雨內澇會引起城市交通通行能力降低乃至喪失。當公交運行服務降級后，如何維持公共交通基本服務以及控制突發事件下公交出行成本，是公交應急管理的重點。本文面向不同的城市交通基礎設施條件，提出不與地鐵聯動和與地鐵聯動的公交應急路徑設計思路，見圖1。

設計思路1：不與地鐵聯動的公交應急路徑。包括在原公交線路上運行的公交車繞開中斷路段后再回到原線原站繼續運行（原車繞行）和啟用臨時公交車進行中斷路段兩端狀況站點的接駁運輸（臨時公交接駁）。

設計思路2：與地鐵聯動的公交應急路徑。包括在原公交線路上運行的公交車行駛至中斷路段后改變線路運行至地鐵站點（原車接駁）和啟用臨時公交車在中斷路段的狀況站點與地鐵站點之間進行接駁運輸（臨時公交接駁）。

1.2 公交應急路徑生成邏輯

基于圖1提出4種公交應急路徑生成邏輯，得到6種公交應急路徑，見圖2。

①針對1對狀況站點的路徑規劃，即在原公交線路上的公交車或新增的臨時公交車只為1條公交線路上的1對狀況站點提供應急運輸服務。

②針對多對狀況站點的路徑規劃，即新增的臨時公交線路為一定區域內多條公交線路的多對狀況站點提供應急運輸服務。

③針對1個狀況站點和1個地鐵站點的路徑規劃，即原公交線路上的公交車或新增的臨時公交車為該中斷路段上的1個狀況站點提供接駁至最近地鐵站點的應急運輸服務。

④針對多個狀況站點和1個地鐵站點的路徑規劃，即新增的臨時公交車為一定區域內多條公交線路上的多個狀況站點提供接駁至最近地鐵站點的應急運輸服務。

2 公交應急路徑搜索模型

2.1 模型假設

4 案例分析

暴雨天氣對我國城市交通的影響最為普遍，嚴重時會導致相關公交線路癱瘓。基于雨量激增具有時變性的特點，根據暴雨內澇對道路交通影響程度的不同，假設3種暴雨內澇情景，從情景1到情景3暴雨內澇程度逐步加劇。情景1：局部道路積水，積水深度達100 mm，個別路段無法通行或即將無法通行，經行公交繞行。情景2：局部道路積水，積水深度達200 mm，多處路段無法通行或即將無法通行，經行公交繞行或縮線運行。情景3：局部道路積水，積水深度達300 mm，多處路段無法通行，經行公交繞行、縮線運行或停運。

根據暴雨內澇對城市路網影響的歷史數據，選擇一條重要的過江通道作為中斷路段，即該路段無法通行，所有經過該路段的公交無法按原線路運行。案例以寧波公交線網中上、下行單向共95條線路為基礎，構建常態天氣下的公交線網方案P1，其中包含19條途徑此中斷路段的公交線路。

根據公交應急路徑設計思路，提出2個公交應急方案集，即不與地鐵聯動方案集（方案集1）和與地鐵聯動方案集（方案集2）。當路網中一個路段中斷后，公交線網發生變化，在不調整原公交線路的情況下，形成方案P2。根據公交應急路徑搜索模型得到公交應急方案集，方案集1包括方案P2、P3、P4、P5，方案集2包括方案P6、P7、P8。表1體現了各公交應急方案的運營組織復雜程度。

19條受影響的公交線路中涉及的狀況站點對為（16， 17）、（57， 58）、（16， 1 196）、（1 218， 58）、（636， 17）、（57， 629）、（1 217， 629）。計算可得各方案在應急路段上的運行時間，部分結果見表2。

4.1 連通效率比較

公交線網連通效率指標反映網絡的拓撲連通性。采用L-Space方法構建以公交站點為節點、公交區間為邊的無向無權拓撲網絡，見圖3。

經計算得到各應急方案下的公交線網連通效率，見表3。由表3可知：方案P1的連通效率為7.29%；方案集1中的方案根據連通效率由高到底排序為P4=P5P2P3，方案P4和P5最優；方案集2中的方案根據連通效率由高到底排序為P6P7P8，方案P6最優；公交線網中線路數和線路走向發生變化后，其連通效率將發生不同程度的下降。

4.2 運行效率比較

暴雨內澇程度對公交車運行速度有不同程度的影響，計算不同暴雨內澇情景下各應急方案的運行效率。常態天氣下，公交車行駛速度為16 km/h。根據上海公交車在不同暴雨內澇天氣下的歷史GPS數據，得到情景1、情景2、情景3下公交車行駛速度分別為10、 7、 4 km/h。

常態天氣下公交線網的平均出行時間是62 min；暴雨內澇發生后，情景1、情景2、情景3下公交線網的平均運行時間分別為95、119、168 min。公交線網的運行效率隨著暴雨內澇程度的加劇而大幅降低。不同方案在不同情景下的運行效率比較見圖4。在圖4中，以方案P1的平均運行時間為基準，計算新方案與方案P1的平均運行時間的差值，定義該差值與方案P1的平均運行時間的比值為運行效率差，運行效率差越小的方案，運行效率越高。方案集1中運行效率最高的是方案P2，方案集2中運行效率最高的是方案P7。

4.3 應急效率比較

在各應急方案下，乘客改變了原出行路徑，其出行時間將隨之改變。使用TransCAD軟件重新對客流進行分配。考慮到不同天氣情況下客流和公交車行駛速度的變化，分別根據常態天氣、情景1、情景2、情景3下的客流和公交車行駛速度數據，計算得到方案P1下乘客在狀況站點間的平均行程時間分別為2.65、4.31、5.83和9.48 min。

分別以4.31、5.83和9.48 min為基準數據，計算各方案在各情景下的應急效率差。如在情景1下，計算某方案下乘客在狀況站點間的行程時間與4.31 min的差值，該差值與4.31 min的比值即為該方案在情景1下的應急效率差。應急效率差越小的方案，應急效率越高。結果見圖5。

情景1下，方案集1中的最優方案為P3（4.19 min），方案集2中的最優方案為P6（4.12 min）；情景2下，方案集1中的最優方案為P4（5.84 min），方案集2中的最優方案為P6（5.81 min）；情景3下，方案集1中的最優方案為P5（9.28 min），方案集2中的最優方案為P8（9.42 min）。

綜上，根據公交線網的連通效率、運行效率和應急效率3個指標的計算結果對各應急方案進行評價，甄選出最優方案，結果見表4。在輔助公交運營方制定暴雨內澇下公交線路應急方案時，可以根據側重目標不同進行方案甄選。

5 結 論

本文提出了不同暴雨內澇情景下公交應急方案的評價方法，對大規模公交線網（站點數量達千級）公交應急方案的確定提供定量決策依據。提出不與地鐵聯動和與地鐵聯動的兩種公交應急路徑設計思路和生成邏輯。以公交出行成本最低為目標進行應急路徑搜索，這里的公交出行成本由公交車費、車上時間成本、等車時間成本和換乘時間成本組成，采用Pathfinder分配法得到最優公交應急路徑。根據提出的公交應急方案評價指標對各應急方案進行評價，得出不同情景下的最優應急方案。在不與地鐵聯動的情況下，宜啟動臨時公交接駁線路；在與地鐵聯動的情況下，宜采用原線接駁的方式。不同暴雨內澇情景、不同評價指標下的最優方案不同，決策方在制定暴雨內澇下的公交應急方案時可以根據側重目標不同進行方案甄選。

參考文獻：

［1］PACHAURI R K， ALLEN M R， BARROS V R， et al. Climate change 2014： synthesis report. Contribution of working groups I， II and III to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［R］. Geneva： The Intergovernmental Panel on Climate Change， 2014： 1-169.

［2］陳維亞， 劉曉飛， 吳良江. 數據驅動的公交網絡動態優化調整方法［J］. 交通運輸系統工程與信息， 2017， 17（6）： 114-119. DOI： 10.16097/j.cnki.1009-6744.2017.06.017.

［3］MATHERLY D， CARNEGIE J A， MOBLEY J. Improving the resilience of transit systems threatened by natural disasters， volume 1： a guide［R］. Washington D C： National Academy of Sciences， 2017： 1-163. DOI： 10.17226/24973.

［4］MATHERLY D， CARNEGIE J A， MOBLEY J. Improving the resilience of transit systems threatened by natural disasters， volume 3： literature review and case studies［R］. Washington D C： National Academy of Sciences， 2017： 1-447. DOI： 10.17226/24972.

［5］QAZI A-N， NARA Y， OKUBO K， et al. Demand variations and evacuation route flexibility in short-notice bus-based evacuation planning［J］. IATSS Research， 2017， 41： 147-152. DOI： 10.1016/j.iatssr.2017.01.002.

［6］HU H， GAO Y F， YU J， et al. Planning bus bridging evacuation during rail transit operation disruption［J］. Journal of Urban Planning and Development， 2016， 142（4）： 04016015. DOI： 10.1061/（ASCE）UP.1943-5444.0000335.

［7］馬昌喜， 王超， 郝威， 等. 突發公共衛生事件下應急定制公交線路優化［J］. 交通運輸工程學報， 2020， 20（3）： 89-99. DOI： 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.03.008.

［8］查偉雄， 馮濤， 嚴利鑫. 地鐵運營中斷下多目標應急公交調度模型研究［J］. 北京交通大學學報， 2021， 45（3）： 8-14. DOI： 10.11860/j.issn.1673-0291.20200083.

［9］薄坤， 楊正， 賴雄飛， 等. 暴雨內澇下城市公交線網應急點識別方法［J］. 交通運輸工程與信息學報， 2022， 20（3）： 57-67. DOI： 10.19961/j.cnki.1672-4747.2021.07.001.

［10］湯天波. Pathfinder算法優化研究［J］. 計算機應用與軟件， 2015， 32（11）： 277-280. DOI： 10.3969/j.issn.1000-386x.2015.11.064.

（編輯 趙勉）

收稿日期： 2021-11-04

修回日期： 2022-03-21

作者簡介： 薄坤（1982—），女，遼寧錦州人，講師，博士，研究方向為城市公共交通應急管理，（E-mail）vipbo@126.com