道路交通系统恢复力研究进展综述

杨金顺 孙洪运 李林波 吴 兵

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海201804）

0 引 言

为有效应对自然灾害，降低灾害带来的损失，国内外专家开展了大量研究，其中恢复力研究作为灾害风险管理的重要组成部分，已被国际学术界高度重视，并逐渐应用到气候和生态环境等领域，恢复力的研究和应用已取得了较大发展［1］。联合国国际减灾战略（UN／ISDR）指出，在面对气候变化带来的诸多灾害压力时，恢复力是自然界和人类社会1个有价值的特性，有助于可持续发展及减小脆弱性，值得深入研究［2］。

道路交通基础设施作为灾害应急疏散和救援的生命线工程，对道路交通系统本身正常运行和整个社会经济系统抗灾救灾发挥着巨大作用，研究交通系统恢复力显得尤为重要。但在交通领域，我国道路交通恢复力的研究还基本处于空白。笔者从交通恢复力的概念、评价体系与方法、指标计算及交通恢复力特性等方面进行文献总结梳理，提出一些观点和建议，以期促进国内道路交通恢复力研究的开展，为解决我国灾害频发条件下道路交通系统在规划设计、运营养护及风险管理等方面存在的相关问题提供新视角。

1 恢复力概念

1.1 恢复力研究历程

《现代汉语大辞典》（2000年版）中解释恢复是指失而复得或回复原状，恢复力是指当振动受到干扰而离开平衡位置后，受到1个恒指向平衡位置促使物体返回的力。Merriam－Webster词典（2003年版）中解释恢复力（resilience）来源于拉丁文“resalire”，意为弹回，又被引申为从不幸或变化中恢复或适应的能力。恢复力最早应用于力学领域，指材料在没有断裂或完全变形的情况下，因受力而发生形变并存储恢复势能的能力。Holling［3］于1973年将恢复力引入生态学领域，用以表征动态系统（例如：生态系统、社会和组织）受到压力或失去平衡状态时的行为特性。近40年来，恢复力概念已被广泛应用于不同的研究领域，其研究基本上经历了从力学到生态学领域，再到社会经济及环境变化领域，又到灾害学领域的发展历程［4－7］。现有研究表明，恢复力的主要研究方向可分为2种：工程恢复力和生态恢复力，工程恢复力关注干扰发生后系统恢复到稳定状态的速度或时间，强调系统的效率、稳定和预见性；生态恢复力关注系统重构前能够吸收的扰动量，强调系统的持久性、可变性和不可预测性。［8］

国内的恢复力研究才刚刚起步，研究范围主要集中在生态环境和灾害管理领域。刘婧等［1］对恢复力的科学价值和重要性进行了论述，分析了灾害脆弱性与灾害恢复力的关系，总结了恢复力评估的主要方法、特点和难点，并在此基础上对灾害恢复力未来的研究进行了展望。郑菲等［9］认为恢复力是指1个系统及其组成成分从潜在的危险事件影响中，以迅速有效的方式，预测、承受、适应或恢复的能力。

1.2 交通恢复力概念

根据美国交通研究委员会（TRB）的统计数据，2000年以前，基本没有关于交通和恢复力的综合性研究，恢复力在交通领域的研究仅局限于工程材料的破坏研究，例如，道路结构、沥青配制、桥梁预应力等。1990年Hansen［10］研究了Loma Prieta地震造成的道路封闭影响，开始了交通恢复力新领域的研究。但直到2000年以后，交通恢复力才开始成为1个专门的研究领域，特别是2005年的卡特里娜飓风后，美国及其他国家开始关注恢复力在交通的研究与应用。

近几年，国外交通恢复力的研究开始持续增加，在事故应急、灾害响应、地区疏散等领域，取得了一些成果。2005年Wolshon等［11］用调查研究的方法总结了美国18个州的疏散规划和实际情况，认为可以利用火车等交通方式进行疏解，提高交通系统恢复力。2008年，TRB［12］的报告中汇总了38个大都市地区的应急响应和疏散规划，认为应加强公共交通在受灾地区疏散中的作用，保证疏散交通的多样化，在项目投资中应考虑作为紧急交通疏散的公交和公路系统的恢复力。Sanchez－Silva［13］明确了交通系统的风险管理策略，将德州的道路网络模拟为动态结构功能单元进行研究。Dewar等［14］考虑出行预测过程中的不确定性限制条件，提出了相应的不确定性计算方法。Heaslip等［15］建立了交通恢复力的量化框架，并应用到美国的95号交通走廊。2009年FEMA［16］的国家基础设施保护规划明确制定了在不确定性条件下保护关键设施和资源的措施。这些研究表明在应急响应和疏散规划中利用多种交通方式能显著提高系统恢复力，同时在交通供需不确定条件下，评价、识别和投资改善关键基础设施单元恢复力对于保障整个交通系统功能有重要意义。

在交通领域，国外已经初步建立了恢复力的概念框架，这些概念主要从系统吸收抵抗外界干扰、维持系统正常功能和恢复系统原有功能等方面来研究恢复力内涵，已有成果主要有：

1）交通系统在受到干扰后恢复正常的能力，要同时考虑系统能恢复的最大干扰和恢复的速度［17］。

2）交通系统从1个短暂的超负荷状态重新恢复的能力，最好可以在短时间内恢复。交通系统恢复力可以通过快速专业的应急服务来有效加强［18］。

3）交通系统非常态条件下的性能，恢复速度，以及需要恢复到最初状态的外界援助数量［19］。

4）1种即使在设施损坏和毁坏情况下仍能保证系统补偿损耗和维持功能的特性［20］。

5）系统适应多变和突发情况而不会有灾难性失效的能力［21］。

6）交通系统吸收灾害后果，减少灾害影响，保持货物运输的能力［22］。

7）系统维持服务水平，或者在一定的期限内恢复自身服务水平的能力［15］。

国内的交通恢复力研究基本处于空白，未见相关报道。上述文献虽从多种角度对交通恢复力进行了概念性研究，但并没有形成统一公认的定义。综合现有的研究，笔者认为，交通恢复力可以定义为道路交通系统在受到外界或自身的干扰（自然灾害、交通事故、拥挤等）后，维持原有状态或者在一定时间期限内恢复到可接受状态的能力。这种可接受的状态是指可以保证基本交通功能的状态，时间期限可以根据不同的干扰等级进行相应的规定。

1.3 相关概念区分

迄今为止，恢复力的研究还不很成熟，与许多相似的概念联系在一起，例如，脆弱性、可靠性、鲁棒性和适应性等，这些概念相互联系，但又各有侧重，并且随着研究的深入，其内涵和外延都在不断的变化与相互交叉。为便于区分将相关概念介绍如下。

1）脆弱性。脆弱性（vulnerability）是与恢复力密切相关的概念，并且脆弱性的研究要比恢复力早，恢复力是在脆弱性研究的基础上逐渐发展起来的。在交通领域，脆弱性也没有1个公认的定义，被较多接受的是Berdica［17］提出概念的：交通网络对造成网络服务能力下降的重大事件的敏感性。脆弱性与恢复力的关系主要有2种观点。1种认为脆弱性与恢复力是完全对立的概念，恢复力是脆弱性的反面，如果一个系统是脆弱的，其恢复力就小，反之亦然［23］。另一种观点认为脆弱性与恢复力的关系呈双螺旋结构，两者相互联系交叉，既可正相关，又可负相关，当系统恢复力由小变大时，脆弱性可能由小变大，也可能由大变小，双螺旋结构形象地表现了两者不可分离的关系［24］。

2）可靠性。可靠性（reliability）是指系统在规定的使用期限和预定的工作条件下，能正常工作的概率。交通系统可靠性研究始于20世纪80年代，主要分为连通可靠性、运行时间可靠性和容量可靠性等方面［25］。可靠性是对交通系统性能的概率性评价，其概率测度可靠度是衡量交通网络，特别是紧急事件情况下，交通功能是否正常发挥、运行能否达到预期要求的重要指标。可靠性强调的是交通系统维持正常运行的概率情况，而恢复力关注于交通系统在遭受干扰后恢复到正常状态的能力。可靠性与恢复力并没有直接的关系，从不同角度反映交通系统在灾害条件下的性能指标，可靠性强的交通系统，其抗扰动性和稳定性可能强，但恢复力不一定强。

3）鲁棒性。鲁棒性（robustness）是系统在其特性或参数发生摄动时仍可使性能指标保持不变的特性，也叫稳健性。在交通领域，鲁棒性是指交通网络应对供需模式异常变化时的能力（例如严重的交通事故、应急、疏散等），侧重于描述交通系统的稳健程度，而恢复力侧重于刻画交通系统的快速复原［19］。

4）适应性。适应性（adaptability）是反映系统应对外部环境改变的能力。在交通领域，适应性多在社会可持续发展范畴下进行研究，也是应对气候变化的策略之一，认为交通系统不是只承担气候变化带来的后果，应该采取行动，对实际的或可能的气候因素及影响进行调整，以更好地与未来气候相适应［26］。适应性强调的是系统对外界环境的改变，最后不一定要回到初始状态或具有变化前系统的基本功能，而恢复力则是为了维持系统功能或回到变化前的状态。另外，适应可以作为系统恢复力在干扰事件发生阶段的初期反应，但在恢复力后期阶段应更多地考虑系统的复原能力。

总的来说，这些概念之间并没有明显的界限，只是从不同侧面开展不同研究。恢复力强调系统功能的维持和快速恢复到一定服务水平的能力；可靠性侧重于维持系统性能的概率性研究，较少关注事件后果；脆弱性侧重于系统受损概率和后果的结合；鲁棒性侧重于网络稳定性；适应性侧重于对外界环境的改变。由此可见恢复力的含义更为全面和复杂，这也造成了恢复力量化的困难。

2 交通恢复力评价

2.1 评价体系与方法

在交通领域，美国国家地面交通政策和投资研究委员会的报告着眼于交通网络中断或正常使用条件下的冗余度研究，认为冗余度必须从整个网络的角度予以考虑，以充分获得所需信息，如网络冗余容量、内部形态、脆弱点，以及由于网络使用者的偶然行为和因网络管理技术影响而造成的变化等［20］。Heaslip等［15］建立了1个量化恢复力的框架并应用到美国95号交通走廊，创新性地研究了恢复力循环概念和交通网络满足社会需求的层次体系，利用模糊指数分析，建立与个体、社会、经济以及恢复水平等层次相关的恢复力变量集来度量交通恢复力。Brabhaharan［27］认为生命线基础设施的恢复力取决于道路设施质量或服务能力的损失情况，以及道路恢复到初始使用状态的时间。关注于美国华盛顿货物运输，Goodchild等［28］识别了运输系统薄弱节点，提出在系统失效期间继续运营，发挥最大潜能的改进措施，定义了运输重要环节，并开展了系统恢复力改善的投资计划。Morlok等［29］通过量化需求改变的弹性容量评价了网络剩余容量，包括交通量、货物调配和流量方式。Buckle［30］针对交通、通讯等基础设施建立了1个损失模型，该模型包括设施质量减少程度、剩余容量以及恢复时间。Werner［31］通过量化地震后增加的行程时间来检验交通恢复力。Serulle［32］提出了1种量化恢复力的模糊参数法。上述交通恢复力量化评价框架，主要包括2个维度（见图1），恢复力三角区反映了系统因破坏导致的性能损失，以及系统复原时间情况，可以通过改善基础设施的性能（纵轴）及减少复原时间（横轴），以减少恢复力三角区面积，来增加系统恢复力。

图1 恢复力量化评价框架Fig.1 Resiliency assessment framework

2.2 指标计算

国外对与交通恢复力相关的指标选取和计算也进行了广泛研究，但国内未见有关研究。Hamad［33］基于传统的速度和延误矩阵来度量交通拥挤恢复，考虑实际情况下的模糊性以及交通网络使用者和分析者之间的差异性，用模糊分析将速度和延误综合为1个指标（指标取值范围从0到1，0代表最好，1代表最差）。Scott等［34］通过定义关键连接的网络鲁棒性指数（NRI）来评价交通网络性能，该指数考虑了连接数量和可能连接数量间的关系来量化网络连通性，反映因路段失效重新选择系统线路而造成的出行时间成本的变化，NRI综合考虑了网络空间关系、变更线路的网络拓扑结构、OD需求和单个道路路段的通行能力。Murray－Tuite［19］在“系统最优化”和“使用者均衡”交通分配条件下分别对交通恢复力的协作性、机动性、安全性和快速复原能力进行了比较研究，发现使用者均衡分配具有更好的适应性和安全性，然而系统最优化分配在机动性和快速恢复方面更好。Heaslip等［35］进一步深化恢复力研究，优化了关键变量的定义和取值区间，调整模型结构，编写计算程序，选取基本变量来度量网络恢复力，并综合为4个网络性能指标（网络可靠性、出行者偏好、交通成本和网络可达性），这4个指标又综合为1个网络性能指标，作为最后的恢复力指标。

上述研究对恢复力评价做了初步探讨，但对详细的道路网络恢复力量化评价还有待进一步深入研究，特别是在区域和国家路网层面还需对交通恢复力给出有效的评价体系和指标计算方法。另外，如何合理使用建设资金最有效地建设道路系统恢复力，也是未来恢复力量化评价迫切需要解决的问题。

3 交通恢复力特性

恢复力由于本身的复杂性，受系统本身及周围环境的影响较大，梳理恢复力的基本特性，对恢复力的理解和量化评价十分重要。现有文献开展了相关研究，得到交通恢复力的基本特性主要有冗余性、多样性、抗击性、适应性、安全性、高效性、自主性、协作性、通达性和复原性等，见表1［19，36］。

4 研究展望

近年来，恢复力的研究已经广泛应用于多个领域，交通恢复力在国外也逐渐成为研究热点，特别是美国、澳大利亚、新西兰和英国等国家取得了一些研究成果。国内在生态学和灾害学领域对恢复力开展了大量研究，并开始了一定的应用性探索，但是在道路交通领域，恢复力的研究很少。鉴于恢复力在交通系统应对突发事件和灾害事件的重要作用，开展交通恢复力的研究与应用显得十分重要和紧迫，未来道路交通系统恢复力研究应重点关注以下内容。

表1 交通恢复力基本特性表Tab.1 Properties of transportation resiliency

1）探讨统一的交通恢复力概念。国外虽然对交通恢复力的概念有了初步的界定，但是并没有统一认可的定义，并且随着研究的不断深入，交通恢复力在交通规划、建设和运营等方面的内涵和外延也不断变化，特别是在非常态条件下的概念认识有待进一步深化。

2）建立交通恢复力量化标准。现有恢复力的研究多局限于概念层面及案例分析的模式上，各个领域内都缺少通用的量化模型，“恢复力衡量、测验仍未取得重大突破”是目前各相关领域等众多学科共同面临的难题［37］。交通恢复力也未建立广泛接受的量化模型与标准，这是未来研究需要迫切解决的问题。

3）建立多学科交叉的恢复力研究体系。交通恢复力的研究应该加强与社会学、灾害学、气象学及地震学等学科的交叉结合，特别是要考虑气候变化、自然灾害和交通拥堵对交通系统带来的影响，对交通恢复力的形成机制、影响因素、基础资料收集等方面开展多学科交叉研究。

4）加强实际应用。由于恢复力本身的复杂性，以及基础数据资料的难以获取，导致恢复力难以准确地回答“什么因素决定恢复力”、“在多大程度上决定”等问题，而这些问题是恢复力建设和交通规划、建设、运行和管理的重要现实问题，交通恢复力研究需要具体的方法来帮助决策者们何处、何时及如何投资，以充分发挥交通恢复力在交通规划、管理层面的实际作用。

［1］ 刘 婧，史培军，葛 怡，等.灾害恢复力研究进展综述［J］.地球科学进展，2006，21（2）：211－218.

［2］ UN／ISDR.Living with risk：aglobal review of disaster reduction initiatives［M］.Geneva：United Nations，2004.

［3］ Holling C S.Resilience and stability of ecological systems［J］.Annual Review of Ecology and Systematics，1973（4）：12－23.

［4］ Foster H.Resilience Theory and System Evaluation［C］∥Verification and Validation of Complex Systems：Human Factor Issues.NATO Advanced Sciences Institute，Series F：Computer and Systems Sciences.New York，USA：Springer Verlag，1993.

［5］ Briguglio L，Cordina G，Bugeja S，et al.Conceptualizing and measuring economic resilience［R］.Malta Valletta：Economics Department，University of Malta，2005.

［6］ RTF－URR.City profile：Climate and disaster resilience［R］.Japan Kyoto：Kyoto University，2008.

［7］ Plodinec M J.Definitions of resilience：An analysis［R］.Tennessee，USA：Community and Regional Resilience Institute，2009.

［8］ Gunderson L H，Pritchard L Jr.Resilience and the behavior of large－scale systems：SCOPE series volume 60［M］.Washington DC，USA：Island Press，2002.

［9］ 郑 菲，孙 诚，李建平.从气候变化的新视角理解灾害风险、暴露度、脆弱性和恢复力［J］.气候变化研究进展，2012，8（2）：79－83.

［10］ Hansen M.Sutter J.The shake with freight：The impact of the loma prieta earthquake on bay area truckers：Studies on the loma prieta earthquake No.1［R］.Berkeley，CA，USA：The University of California Transportation Center，1990.

［11］ Wolshon，Elba Urbina，Chester Wilmot，et al.Review of policies and practices for hurricane evacuation I：Transportation planning，preparedness，and response［J］.Natural Hazards Review，2005（6）：129－142.

［12］ White，Richard A，Sylvia He.The role of transit in emergency evacuation.special report 294［R］.Washington DC，USA：Transportation Research Board，2008.

［13］ Sanchez－Silva M，Rosowsky D V.A systems approach to risk reduction of transportation infrastructure networks subject to multiple hazards［R］.Texas，USA：Texas Transportation Institute：University Transportation Center for Mobility，2008.

［14］ Dewar J A，Wachs M.Transportation planning，climate change，and decision－making under uncertainty［R］.Washington，D.C，USA：Transportation Research Board Special Report 290，2008.

［15］ Heaslip K，Louisell W，Collura J.A methodology to evaluate transportation resiliency for regional networks［C］∥Transportation Research Board：TRB 88th Annual Meeting，Washington D C，USA：TRB，2009.

［16］ Federal Emergency Management Agency.National infrastructure protection plan［R］.Washington，D.C，USA：Department of Homeland Security，2009.

［17］ Berdica K.An introduction to road vulnerability：what has been done，is done and should be done［J］.Transport Policy，2002，9（2）：117－127.

［18］ Immers Ben，Bleukx A，Stada J，et al.Robustness and resilience of road network structures［C］∥Proceedings of the 9th International Scientific Conference MOBILITA，Bratislava，Slovenia：MOBILITA，2004.

［19］ Murray－Tuite P M.A Comparison of transportation network resilience under simulated system optimum and user equilibrium conditions［C］∥Proceedings of the 2006Winter Simulation Conference，Monterey CA USA：IEEE，2006：1398－1405.

［20］ Battelle.Evaluation of the system＇s available redundancy to compensate for loss of transportation assets resulting from natural disasters or terrorist attacks［R］.Washington，D.C，USA：National Surface Transportation Policy and Revenue Study Commission，2007.

［21］ Victoria Transport Policy Institute.Evaluation transportation resilience：Evaluating the transportation system＇s ability to accommodate diverse，variable and unexpected demands with minimal risk［R］.Victoria，B C，Canada：TDM Encyclopedia，2010.

［22］ Ta C，Goodchild A V，Pitera K.Structuring a definition of resilience for the freight transportation system［J］.Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2009（2097）：9－25.

［23］ Folke C，Carpenter S，Elmqvist T，et al.Resilience and sustainable development：building adaptive capacity in a world of transformations［J］.AMBIO：A journal of the human environment，2002，31（5）：437－440.

［24］ Buckle P，Graham M，Smale S.Assessing resilience and vulnerability：principles，strategies and actions［R］.Victoria，Australia：Emergency Management Australia，Department of Defense Project，2001.

［25］ 陈艳艳，刘小明，梁 颖.可靠度在交通系统规划与管理中的应用［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［26］ UK Highways Agency.Climate Change Adaptation Strategy and Framework［R］.London，UK：Highways Agency，2009.

［27］ Brabhaharan P.Recent advances in improving the resilience of road networks［C］∥Remembering Napier 1931－Building on 75Years of Earthquake Engineering in New Zealand.Napier，New Zealand：Annual Conference of the New Zealand Society for Earthquake Engineering.2006.

［28］ Goodchild A，Ta C，Pitera K.Structuring a definition of resilience for the freight transportation system［J］.Transportation Research Record： Journal of the Transportation Research Board，2009（2097）：19－25.

［29］ Morlok E K，Chang D J.Measuring capacity flexibility of a transportation system［J］.Transportation Research Part A：Policy and Practice，2004，38A（6）：405－420.

［30］ Buckle I.Protecting critical infrastructure systems［C］∥CAE Resilient Infrastructure Conference，Rotorara New Zealand：CAE，2005.

［31］ Werner S D，et al.New Developments in Seismic Risk Analysis of Highway Systems［R］.New York，USA：Research Progress and Accomplishments 2003－2004，Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research，2005.

［32］ Serulle N，Heaslip K，Brady B，et al.Resiliency of transportation network of santo domingo，dominican republic：Case study［J］.Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2011（2234）：22－30.

［33］ Hamad K，Kikuchi S.Developing a measure of traffic congestion：Fuzzy inference approach［J］.Transportation Research Record.Traffic Flow Theory and Highway Capacity，2002（1802）：77－85.

［34］ Scott D，Novak D，Aultman－Hall L，et al.Network robustness index：A new method for identifying critical links and evaluating the performance of transportation networks［J］.Journal of Transport Geography，2006，14（3）：215－227.

［35］ Heaslip K，Louisell W，Collura J，et al.An evaluation of network transportation resiliency for disasters and other events［C］∥The 89th Transportation Research Board Annual Meeting，Washington，D.C.，USA：TRB，2010.

［36］ Godschalk D R.Urban hazard mitigation：Creating resilient cities［J］.Natural Hazards Review，2003，4（3）：136－143.

［37］ 葛 怡，史培军，徐 伟，等.恢复力研究的新进展与评述［J］.灾害学，2010（3）：119－124.