道路交通网络脆弱性研究现状综述

(西南交通大学希望学院 四川 成都 610400)

一、前言

随着城市化进程的不断加快，道路交通网络面临频繁发生的突发事件，导致服务水平降低、背离通行能力的风险越来越大。在城镇路网发展的过程中，由于缺乏合理的规划，普遍存在路网结构简单、交通组织混乱等问题。道路网络脆弱性研究是在近几年才得到越来越多的关注。道路网络脆弱性反映了路网和路网单元容易受各类干扰因素影响的程度。

二、国外研究现状

(一)路网脆弱性

道路网络脆弱性研究开展历史较短，目前的研究主要集中在概念和评价指标的定义和完善。近年来，出行者交通行为逐渐引入道路网络脆弱性研究中。

Berdica最早提出了道路网络脆弱性的定义，他认为道路网络脆弱性是一个易于受事件影响而导致路网服务水平极大下降的敏感系数。这类定义认为脆弱性是和风险相关的概念，不仅考虑路网单元失效造成的后果，同时考虑单元失效的概率[1]。另一类道路网络脆弱性的定义最初起源于D’Este和Taylor，他们认为个别路段的失效或退化使节点的可达性显著降低，这些路段被称为关键路段[2]。这类关于道路网络脆弱性的定义只关注路网的薄弱处以及失效的后果，不考虑其失效的概率。

目前脆弱性指标研究大多大多聚焦于从拓扑结构脆弱性和网络运行性能脆弱性两个角度进行评价。Grubesic等重新划分了图论中的相关指标，将其划分为全局性指标和局部性指标两大类，常见指标有、、、路网中环线数量最大值、平均最短路距离等指标[3]。Quium等利用图论中的、指标，研究了1998年孟加拉国在遭受洪水灾害时的路网脆弱性[4]。研究路网脆弱性的传统方法并没有考虑到实际交通流特性的影响，因此所得到的结果不能真实、全面地反映路网的真实脆弱性。

基于网络运行性能的脆弱性评价指标，主要从可达性、鲁棒性、博弈论的角度进行构建。Taylor等从网络可达性角度出发，提出三个基于可达性的指标评价脆弱性：一个指标是广义出行成本的增加，一个是汉森积分可达性的减少，还有一个指标是偏远性的增加[5]。Bell等采用博弈论的方法，通过路径选择来最小化最大预期损失，即风险规避路径选择原则，将达到纳什均衡时的网络总出行费用作为网络脆弱性评价指标[6]。

在考虑用户交通行为的脆弱性研究方面，Chen等同时考虑一条或多条路段失效引起的出行时间和广义出行成本增加及用户改变路径、改变出行方式、改变目的地和取消出行等行为反应，建立一个在网络中断情况下长期均衡网络的需求组合模型[7]。Jenelius考虑到路段失效及恢复过程中信息传播的滞后性和出行者的动态反应，研究了道路网络由非平衡状态向平衡状态的演化路径及脆弱性[8]。

(二)突发事件下道路网络设计

突发事件会降低道路交通网络的交通承载力，影响交通运行状况，在交通网络设计中考虑到各种突发事件的破坏情况应得到关注。应急疏散和路网恢复属于道路网络设计。Walhed等建立了震后路段修复规划的稳定模型，并采用神经网络算法获得最优解，使交通网络的系统功能损失最小[9]。Wang等出于疏散及救援时间限制的考虑，构建基于车道约束的路网修复双层规划模型，结合模拟退火算法和拉格朗日梯度投影算法求解[10]。

在应急疏散方面，被疏散者的出行行为分析是准确估计疏散路网清空时间的重要前提。已有的研究工作一方面侧重于疏散行为的调查和统计，Carnegie等通过新泽西州北部居民的调查，对居民在飓风、工业事故、恐怖袭击、核爆炸四种不同灾害情景下的疏散行为特征进行分析得出风险感知和灾害距离是影响疏散行为的重要因素[11]。另一方面，Samiul Hasan等考虑到疏散人群彼此的差异性，建立随机参数Logit模型，利用模型分析不同随机变量对疏散决策的影响[12]。Dash和Gladwin考虑疏散人群彼此的差异性，提出了飓风疏散决策混合Logit模型，分析了不同影响因素以及灾害认知对疏散决策的影响[13]。

三、国内研究现状

(一)路网脆弱性

在脆弱性的定义方面，涂颖菲等人认为路网本身承受异常事件的能力不足是造成巨大损失的重要原因之一，这种系统特质就是路网脆弱性[14]。钟志新将路网脆弱性定义为在给定时间内，在异常事件作用下交通网络不能恢复到一定服务水平而造成的直接和间接损失[15]。杨露萍等认为路网脆弱性在外界的持续影响以及单元间相互作用的影响下这种损失在网络中不同程度地传递并最终对路网所造成损失的量度[16]。

在基于拓扑结构的脆弱性指标研究方面，涂颖菲等基于通信领域的最小割频率向量建立了脆弱性评价指标[17]。胡一竑等基于复杂网络理论分析了街道网络的基本拓扑性质指标，比较随机和蓄意两种攻击策略下城市道路网络的脆弱性[18]。而上述研究仅仅考虑了网络的拓扑结构，与路网的实际情况并不相符。

基于网络运行性能的脆弱性评价指标方面，杜倩倩基于最重要边理论MVE考虑网络中出行者的路径选择行为，通过路段移除前后所有用户的出行时间对比来衡量路网脆弱性[19]。王芳结合路网破坏对居民交通行为的影响，确立了基于路段出行成本、节点可达性、区域出行需求的3个不同层面的路网脆弱性的评价指标。

在考虑用户交通行为的脆弱性研究方面，来学权基于交通供需相互作用机理的分析，建立道路交通网络脆弱性概念模型，借鉴模糊综合评判方法建立脆弱性微观分析模型，可以合理的评价路网的运行状态。

(二)突发事件下道路网络设计

网络设计问题在我国是从20世纪90年代开始得到研究的。近年来，将路网可靠性引入网络设计当中，受到了广泛而深入的研究，孙华、李夏溪等都利用鲁棒优化的方法建立OD需求不确定环境下的交通网络设计。总的来说，有待进一步加强道路网络脆弱性管理在与网络设计中的应用研究。

四、研究结论

道路网络脆弱性及其在道路网络设计研究中，逐渐得到相关学者的重视，也取得了相应的成果，但目前研究还处于起步阶段，尚存在许多需要解决的重要问题：

(1)泥石流灾害下城镇居民疏散行为研究尚显不足。目前大多数脆弱性研究没有考虑泥石流灾害下居民疏散行为。城镇区域发生灾害后脆弱的道路网络极易遭受破坏，交通网络运行状态发生明显变化，这些变化有怎样的特征规律、哪些影响及这些变化对路网脆弱性的影响尚未看到相关研究。因此有必要对泥石流灾害下城镇居民的疏散行为进行深入的理论与实践研究。

(2)脆弱性评价指标的研究大多从路段或节点的方面的性质构建相应的脆弱性指标，缺乏不同层面指标的考虑。同时，在对于交通运行特征指标构建过程中，往往假设交通需求是固定不变的，泥石流灾害下居民疏散行为往往会引起网络中交通需求的随机波动，路网脆弱性的研究不能全面反映当泥石流发生时，对于道路网络造成的影响，目前研究方法得到的网络组成单元脆弱性排序不够准确，需要对路网拓扑结构和交通运行状态的耦合机理进行深入分析提出一套更符合网络实际运行特征的脆弱性评价指标和评价方法。

(3)脆弱性在道路网络设计方面的应用研究在近几年才受到关注，相关研究主要集中于道路网络中关键路段或关键节点的识别方法和指标的研究，而从道路网络设计的角度提出道路网络脆弱性改善措施的研究尚未系统的展开。因此，有必要在道路网络设计阶段考虑路网脆弱性约束，从而构建一个更为稳定、高效、可靠的道路网络。