道路连通性能震害评估方法研究

马 海 建，陆 楠，李 晓 璇，游 新 兆

(1.地壳运动监测工程研究中心，北京 100036；2.环境保护部信息中心，北京 100029)



道路连通性能震害评估方法研究

马 海 建1，陆 楠2*，李 晓 璇1，游 新 兆1

(1.地壳运动监测工程研究中心，北京 100036；2.环境保护部信息中心，北京 100029)

历史地震救援的经验表明，道路是抗震救灾的主要地面交通生命线，道路的破坏除了造成直接经济损失外，也直接影响相连道路的连通性能，间接影响了整个灾区路网的连通性能，从而降低了灾区交通运输效率。目前，缺乏对道路连通性能的客观、定量震害评估指标与方法。该文在复杂网络“网络效率”指标的基础上，发展了一种道路连通性能震害评估方法。首先，利用网络效率分别建立路线、路网的连通效率指标，然后根据震前、震后两个时相的路线、路网连通效率的变化，建立道路连通震害指数，评估道路连通性能的震害情况。试验表明，该方法可以有效地度量与区分不同震害情况下的道路连通性能，能够为应急救援提供定量的决策依据。

地震;道路;连通性能;震害评估

0 引言

汶川、芦山、岷县等多次地震救灾的经验表明，道路畅通是快速进入灾区挽救人民群众生命财产的必要保障。然而，由于道路呈网状分布，非常容易遭受地震及次生灾害的破坏。因此，地震灾害发生后，及时获取道路震害情况，评估道路连通性能对地震应急救援具有重要意义。

通常可以从路段、路线和路网3个层次分析道路的连通性[1-3]。路段是道路连通的基本单元；路线是出发地和目的地之间的连通路径，是一系列路段的连通集合；路网则是一定区域范围内相互连接的路段集合。路段是一种孤立的单元，而路线和路网则是多个路段的连通集合。因此，从连通性能的角度而言，任何一段道路的破坏，都有可能对与之相连的路线乃至整个路网造成影响。

目前，常见的道路震害评估指标主要包括路段层次的震害位置、里程和面积等，以及路线、路网层次的统计指标，如破坏里程总数、破坏里程百分比等[4-8]。这些指标都与道路震害的直接经济损失相关。然而，对路线和路网的连通性能进行震害评估的指标和方法则比较少见。因此，本文发展了一种道路连通性能震害评估方法，利用复杂网络中网络效率[9]指标建立路线、路网的道路连通性度量指标，然后根据震前、震后道路连通性能指标的变化，建立道路连通震害指数，评估道路连通性能的震害情况。

1 道路连通性度量指标

为了能够客观、定量地分析道路连通性的震害变化，首先必须选择一种可靠的道路连通性能的定量指标。连通性是道路网的拓扑特性，反映了网络中各节点的连通状况[9,10]。道路网的结构决定其连通性能,路段或者节点的破坏都会改变道路网的结构，降低其连通性能。因此，不同的震害分布将会对道路网造成不同程度的影响。

目前，许多学者从经典图论的角度提出了很多反映道路网连通的指标,从不同的角度反映了道路的连通程度。例如，α指数为道路网络的实际回路数与它可能存在最大回路数之比，γ指数为道路网实际的边数与它可能存在的最大的边数之比。

复杂网络是近年来发展的研究具有海量节点和复杂拓扑结构的网络模型[11]。与经典图论相比，复杂网络引入了许多新的网络统计指标，如度分布、最短路径、聚类系数、平均度、平均距离、边密度、相关系数、网络效率等[9]。其中，网络效率是一种有效的网络连通性指标，它利用网络中两节点间距离的倒数计算连通效率，用于度量网络连通性能；其优点是能够在网络部分中断或形成孤立点的情况下评估网络状态，非常适合评价道路网络连通性能的变化情况。

道路网络通常可以用图表达，计为N(V,E)，其中V是路网N的节点集合，E是路网N的边集合。路线和路网的连通效率分别定义如下。

1.1 路线的连通效率

路线是指网络中任意两个网络节点的连通路径。在此，定义节点vi和vj之间的连通路径长度为其所经过边的物理长度之和dij。如果两个节点之间有多条路线连接，最短路线是指具有最短长度的路线。网络中任意两个节点vi和vj之间的效率εij定义为最短路线长度的倒数，即：

(1)

其中，当vi和vj之间不连通时，两点之间相距无穷远，则该条路线连通效率为0。因此，vi和vj的理论取值范围为(0+∞)，取值越大，连通效率越高。

1.2 路网的连通效率

对于一个区域而言，道路相互连接，构成一个整体的网络。利用所有节点对之间的效率的平均值衡量整个网络的连通效率，用公式表达如下：

(2)

式中：n表示网络中的节点数目，vi和vj代表任意两个节点。Eglob(N)的理论取值范围为(0+∞)，表明Eglob(N)越大，路网的整体连通效率越高。

2 道路连通震害指数

地震发生后，灾区道路的连通状况受到普遍关注。地震及次生灾害的破坏会改变道路的网络结构，从而降低路网的连通性能。不同的震害分布和程度，对网络结构破坏的程度也不同，当然对道路网络的连通性能造成的影响也不相同。为此，本文定义了道路连通震害指数(RoadConnectivityDamageIndex，RCDI)，用于度量地震对震区的道路网络连通性能造成的破坏。该指数是个无量纲数值，以震前的道路连通性能为参考，反映震后连通性能的下降程度。

2.1 路线连通震害指数

如果两个节点之间的道路遭到破坏，必然影响连通效率。为了定量地衡量震前、震后路网中的节点vi和vj之间路线的连通效率的变化，本文定义了路线连通震害指数RCDIij：

(3)

2.2 路网连通震害指数

道路纵横连接，构成了覆盖一定区域范围的交通路网。任意局部的破坏都会造成路网整体通行能力的降低。目前，在震害评估方面，尚无相关定量指标用于度量路网连通性能的震害情况。因此，本文定义了路网的连通震害指数RCDIglob：

(4)

3 试验与结果分析

为了验证上述指标的有效性，在道路震害快速评估与辅助决策原型系统中，基于ArcEngine网络分析模块[12]，实现了连通效率和震害指数的计算功能，具体流程见图1。首先利用道路数据构建网络数据集，基于最短路径分析实现任意节点间连通效率的计算，遍历所有节点，计算路网的整体连通效率；地震发生后，根据道路震害分布，在网络数据集中设置路障，重新计算任意节点间的连通效率和路网的整体连通效率；根据震前和震后的连通效率计算结果，分别计算各路线以及路网整体的连通效率。

图1 道路连通震害指数计算流程

Fig.1FlowchartofRCDI

为了检验算法的准确性，对相同道路网络的两组不同道路震害情况进行了模拟测试(图2)，深色路段代表地震破坏的路段。两种震害情况下道路网络效率及震害指数计算结果见表1。图2a和图2b中的震前网络效率均为0.000407。在震害模拟情况1下,破坏的路段分布比较离散，震后网络效率下降为0.000195,路网的连通震害指数为0.479；在震害模拟情况2下，震害路段主要分布于主干道路上，震后网络效率下降为0.000151,路网的连通震害指数为0.372。对比两种震害情况下的路网震害指数，情况2明显低于情况1，这表明就道路通行而言，震害情况2的破坏更加严重。分析其原因，图2b中震害主要分布在主干道路上，基本上将路网分割成几个互不连通的子网；而图2a中虽然破坏路段较多，但分布离散，不同的路网节点还存在可以连通路径。测试结果表明，道路连通震害指数能够有效地衡量道路连通性能的震害情况。

图2 道路网与震害模拟数据

Fig.2Roadnetworkanddamagesimulationdata

表1 网络效率计算结果

Table 1 Network efficiency results

指标震害情况1震害情况2Epreglob0．0004070．000407Epostglob0．0001950．000151RCDIglob0．4790．372

4 结论

近年来的地震应急救援经验表明，快速评估道路震害情况，合理制定交通管控措施才能确保应急救援的效率。目前在道路震害评估方面，通常以评估道路震害的直接经济损失指标为主(如损毁里程数等)，缺乏对路线和路网连通性能震害的客观、定量评价指标。因此，本文发展了一种道路连通效能震害评估方法，利用复杂网络中网络效率建立道路连通性度量指标，然后根据震前、震后的道路连通性能指标的变化，建立道路连通震害指数，评估道路连通性能的震害情况。在此基础上，基于ArcEngine开发并实现了相应的软件计算功能。

基于网络效率的道路连通性指标不仅可以在地震前对路线和路网的连通情况进行定量化评估，指导区域的道路建设规划；而且地震发生后，还能对整个路网和任意两点间路线的连通情况进行动态评估，反映道路连通的震害变化过程。基于它定义的道路连通震害指数，可以从总体上衡量路线和路网的震害情况。试验结果也表明，该指标能够有效地度量与区分不同震害情况下的道路连通性能。总之，本文提出的道路连通性能震害评估方法能够提供震后道路连通性能的定量指标，可以为道路修复、运输方案制定等救援决策提供定量依据。

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Research on Assessment Method of Road Connectivity after Earthquake

MA Hai-jian1,LU Nan2,LI Xiao-xuan1,YOU Xin-zhao1

(1.NationalEarthquakeInfrastructureService,Beijing100036; 2.EnvironmentInformationCenterofMEP,Beijing100029,China)

Roads are the main ground traffic lifelines for earthquake relief.Road damage after earthquakes not only causes much economic loss,but also reduces the transport efficiency.It is very important significant to timely and accurate assess road damage.However,some objective and quantitative indicators about road route and network connectivity are rarely presented.Therefore,an assessment method of road connectivity effectiveness after earthquakes is developed based on indicator-network efficiency in the complex network theory.At first,indicators for measuring road route and network connectivity are established by the network efficiency indicator.Then in terms of road network connectivity before and after earthquakes,the Road Connectivity Damage Index (RCDI) is established to assess the damage.The experiment results show that this method can effectively measure and distinguish road route and network connectivity in different damage cases,and provide quantitative basis for the rescue decision-making.

earthquake;road;connectivity;damage assessment

2014-07-14；

2015-01-04

地震科技星火计划项目(XH1036)；遥感地震监测与应急应用示范先期攻关项目(E0311/1112/JS06)

马海建(1984-),男，博士，主要从事遥感信息提取研究。*通讯作者E-mail：lu.nan@mep.gov.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.03.021

P315

A

1672-0504(2015)03-0108-03