城市交通网络韧性综合评估研究 ——以中国40个城市路网为例

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城市交通网络是一个城市不可或缺的组成部分,它能够为城市提供基础的运输服务,是保证城市其他功能系统正常运行的基础和关键所在。但是,城市交通网络不可避免地会遭受到各种异常事件的扰动,这些扰动不仅会对交通系统的物理设施造成破坏,更会影响社会经济的正常运转,导致严重的经济财产损失。因此,研究城市路网遭受到扰动后的韧性特征,明确影响路网韧性的因素,分析各城市的韧性优劣是非常重要的研究课题。本研究以中国40个城市的路网为对象,从结构和功能两个角度研究交通网络遭受到不同种类扰动后的韧性。首先,建立了一个路网韧性评估综合模型,该模型包含三层:(1)交通流仿真层,(2)异常事件仿真层,(3)影响分析评估层。在交通流仿真层,利用Voronoi图对研究区域进行空间划分,基于公开的人口数据得到每个Voronoi图的出行需求,在此基础上通过交通流分配得到每条路段的交通流量。利用公开的拥堵指数数据集,进行模型参数的标定和验证。其中20个城市的数据用于模型参数标定,模型的平方值是0.825;剩余20个用于模型参数的验证,模型的平方值是0.632,以此验证本文建立的交通流仿真模型的合理性以及可靠性。在异常事件仿真层,本文将可能影响路网正常运行的异常事件分为随机攻击、局部攻击和洪水扰动。利用Ca Ma-Flood水文模型得到每条路段的洪水淹没深度。当确定破坏的类型及其破坏强度后,可以通过模型计算所得拥堵指数和最大连通子图占比两个指标变化来分别量化研究路网的功能和结构韧性。之后,基于上述所建韧性评估模型,通过10080次独立重复仿真实验,得到每个城市的路网在不同破坏强度下的韧性值。为了更好地研究各城市的韧性特征,引入相对韧性的概念。研究发现,在特定的破坏强度比较小的区间内,随着破坏强度的增大,路网的功能韧性反而越来越好。通过研究处于拥堵状态的交通流分布情况,定量分析出这一现象产生的原因:随着越来越多的路段遭受到直接破坏,能够进入连通路网中的OD需求越来越少,导致拥堵指数的下降,即功能韧性的提高。同时定量分析出三种异常事件的破坏强度,在绝大多数情况下,不论是基于功能韧性还是结构韧性的衡量,洪水的破坏强度最小,随机攻击的破坏强度最大,局部攻击则介于两者之间。其次,通过计算“初始韧性—破坏强度”和坐标轴围成的面积,引入广义韧性的概念。以实际研究的城市为样本,通过相关性和回归分析,得到影响路网韧性的因素以及这些因素对路网韧性的影响机理。结果表明,在三种破坏模式下,包含道路总长度、初始拥堵指数和人口数量三个变量的回归模型能够很好地解释三种破坏下的路网功能韧性,该模型的平方值大于0.6;包含介数和平均度的回归模型能够很好地解释随机攻击和局部攻击发生后的路网结构韧性,该模型的平方值接近0.5。最后,通过计算“相对韧性—破坏强度”曲线与坐标轴围成的面积,引入韧性能力概念,用以评估各城市的韧性优劣。发现部分城市具有一些典型的特征,比如上海在三种类型的破坏下的结构韧性都比较好但功能韧性比较差。根据回归分析的结果,并结合各个城市的路网、交通需求以及经济发展特征,分析这些城市典型韧性特征产生的原因。在此基础上,将这些城市分为三类,并给出对应的灾前准备和灾后恢复策略建议,以有效提高路网的韧性。
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