城市交通系统韧性评估及提升策略研究

李菡超

(奥雅纳交通工程咨询(上海)有限公司北京分公司，北京 100020)

2020年10月29日审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中提出，推进以人为核心的新型城镇化，强化历史文化保护、塑造城市风貌，加强城镇老旧小区改造和社区建设，增强城市防洪排涝能力，建设海绵城市、韧性城市. 按照国际组织倡导地区可持续发展国际理事会(ICLEI)定义，韧性城市是指城市能凭借自身能力抵御外部冲击与灾害，减轻灾害损失，并合理地调配资源以从冲击与灾害中快速恢复过来. 城市韧性的核心在于有效应对各类变化与冲击，减轻城市各系统的脆弱性与不确定性. 交通系统是城市运行的重要保障，交通韧性的核心在于面对各类冲击与变化下依然能提供基本的出行服务，维持城市的正常运行.

1 压力与冲击对交通系统产生的影响

交通系统面临的压力与冲击不仅包括气候变化、资源供给等慢性压力，地震、洪水等自然灾害冲击，还包括较为常见的大雨大雪等天气变化、车祸等人为事故，特殊活动(演唱会、体育赛事等)引起的大规模人员聚集情况等. 这些压力与冲击将导致交通系统设施供给能力降低或者引起出行需求变化.

1.1 交通设施供给能力降低

地震洪水等自然灾害、大雨大雪等特殊天气、车祸事故等急性冲击，将导致交通设施供给能力下降. 交通系统中的必要需求与常态下相比无明显变化，因部分节点供给能力下降，交通流向其他交通系统流入，其他系统除消化常态需求外还需消化因故障溢出的需求，交通系统整体压力增加.

城市道路受到压力与冲击将导致交通拥堵，拥堵具有显著的传播性. 发生交通事故或暴雨内涝等极端天气下，道路通行出现瓶颈点，上游路段通行能力开始降低，出现排队，随时间的推移，排队逐渐延伸至上游整个路段甚至周边交叉口，从而导致交叉口通行能力下降，拥堵向各个方向扩散，造成更大区域的交通堵塞. 极端天气下路网将同时出现多处瓶颈点，交通流向其他道路涌入导致严重拥堵，整体道路拥堵情况加剧.

公共交通遭遇压力与冲击易造成大规模的乘客情况滞留. 当地铁中某趟列车发生事故，事故列车线路上的站台乘客在前序列车经过后，均无法乘车，潜在出行者持续不断地前往站台，导致线路中出现大规模乘客滞留. 公交发生车辆故障，该车辆的全部乘客将滞留在事故发生点，若此故障影响道路通行，在路网中形成瓶颈点，该事故影响将按照点- 线- 面的传播方式扩散至更大范围.

1.2 出行需求变化

突发卫生事件与大型活动等带来的压力与冲击将引起出行需求的变化. 系统中的设施供给能力与常态相比无明显变化，因为事件发生，出行者有选择其他出行方式的倾向，出行需求因事件增大或减小.

突发卫生事件下个体的出行会因防疫要求以及对卫生风险的担忧而产生变化，居家办公等政策导致城市整体交通量减少. 若有需要出行时，出行方式由公共交通向个体机动化出行转变，有调查显示，有私家车的人会增加使用私家车出行的频率.

图1 2020年3月调查问卷：与疫情爆发前相比， 自驾车通勤/上学的频率[5]

举办大型活动在有限的空间内吸引数万游客，产生强烈的交通冲击，可能导致举办场所(体育场馆等)交通设施供给无法满足需求，需要采取引导措施缓解交通压力. 大型场馆如国家体育场(鸟巢)举办体育赛事或文艺演出时，观众容量可达8万人，小型场馆如五棵松体育馆也可容纳观众1.8万人. 活动开始前，活动参与者从不同区域出发向活动场所聚集，越接近活动场所游客越集中；活动结束后，参与者从活动场所前往不同区域，游客人数以活动场所为圆心向外扩散. 交通系统在活动开始前后承受的压力最大，压力集中在举办场所周边.

1.3 压力与冲击下交通系统动态调整过程分析

压力与冲击引起供给能力与交通需求变化，从而导致交通服务水平变化. 以下将重点讨论服务水平降低的情况，公共卫生事件属于特殊的交通需求管理情形，不在此详细讨论.

系统服务水平在压力与冲击下会经历先下降后恢复的过程(见图2)，P0是平时系统服务水平，系统在遭受冲击的当下服务水平降至P1，随后由于故障的连锁效应，故障节点将向外扩散导致系统服务水平持续下降至P2，当采取了恢复措施或故障移除后，系统服务水平将逐渐恢复至P0.交通系统韧性可描述为遭受压力与冲击后，短时间内系统服务水平恢复至平时服务水平的能力，结合分析图可描述为阴影部分面积越小，韧性越好.

图2 压力与冲击引起交通系统服务水平变化示意图(作者自绘)

描述系统韧性的指标包括系统服务水平变化(P1和P2)及冲击期、恢复期时间长短.提升系统韧性即为缩小分析图中阴影部分面积，具体表现为提升冲击后系统服务水平P1和P2，缩短冲击期与恢复期时长.分析与关键指标相关的影响因素如图3所示，包括冲击、冲击位置、冲击后响应速度与资源分配效率等.

图3 系统韧性关键指标与影响因素关系图(作者自绘)

关键指标受多因素影响，分析影响因素内涵如表1所示.冲击包含冲击类型、严重程度及持续时间，冲击严重程度越小，持续时间越短，系统服务水平受影响越小.冲击位置的含义为冲击发生位置交通设施使用人数规模及设施抵御冲击的能力.当同样的冲击发生在较少人使用的道路与早高峰主要通勤道路上，发生在到达维护年份的设施与新建设施上，其服务水平的下降程度是明显不同的，连锁反应影响范围也不同，从而导致冲击期时长的差异.冲击后响应速度与资源分配效率描述的是冲击发生后应急措施实施的有效性与及时性，快速响应与资源高效分配能缓解冲击带来的连锁效应，从而减小系统服务水平下降程度，缩短冲击期与恢复期时长.

表1 交通系统韧性相关因素分析表

韧性提升可从事前预防措施与事后应急措施2方面入手. 事前预防措施作用于冲击与冲击位置这2个影响因素. 通过对过往冲击的经验积累，在事前预测可能发生冲击的位置与持续时间，对于系统中较为脆弱的位置提前布置防御措施. 在规划阶段充分考虑冲击带来的影响，确保当发生冲击时，系统中的人群能快速使用其他交通方式或交通廊道疏散. 事后应急措施作用于提升冲击后响应速度与资源分配效率，重点在于及时性，当冲击发生后决策者能第1时间启动应急预案，实施者根据决策及时采取有限措施，最大程度降低系统发生崩溃及重大安全事故发生的概率.

2 交通系统韧性评估

城市交通系统是包含多个子系统的巨系统，子系统之间相互关联，这就导致一旦发生冲击与灾害，故障将迅速传播，系统整体服务水平迅速下降. 交通系统韧性评估旨在找出系统中的“短板”位置，即该位置受到冲击与灾害后，系统服务水平下降更多，冲击期及恢复期时常更长. 根据评估结果将有限资源优先向短板位置倾斜，能最大程度减轻冲击与灾害对系统造成的影响.

2.1 韧性评估

韧性评估依据不同的评估指标对交通设施进行筛选与分类，得到受到冲击灾害后对系统影响最大的设施位置. 评估结果是资源优先倾斜的方向，既可作为事前预防中需要重点设计的位置，也可作为事后应急中首先启动应急预案的地点.

考虑到现实因素与评估的可实施性，引入系统脆弱性评估与重要性评估2项评估指标.

脆弱性评估旨在找出易遭受冲击的交通设施，评估将结合地质灾害、洪涝灾害、强降水、气象信息、地理信息等资料，利用GIS技术生成不同冲击的风险评价图，位于高风险地区的交通设施脆弱性高.

重要性评估描述交通出行路径保障级别高低，当受到冲击交通设施发生故障时影响人数越多，保障级别越高，因此定义交通系统中的大客流通道(道路、轨道线路、公交线路等)为高重要性通道. 在缺乏客流数据的情况下，将重要起讫点(CBD、商圈、高密度居住区及交通枢纽等)之间的通道视为高重要性通道.

图4 脆弱性评价示意图(作者自绘)

图5 重要性评价示意图(作者自绘)

将脆弱性评估结果与重要性评估结果合并落位在同一图面上(见图6)，将系统内的交通设施分以下4种情况讨论.

图6 区域道路系统韧性评估示意图(作者自绘)

1)高重要性通道高脆弱性设施. 即在大客流通道上存在容易受到灾害冲击的交通设施，灾害冲击下直接影响人数最多，例如图6中的①区域. 此情况应给予最高程度的关注，根据设施所在位置及冲击类型，分析脆弱性原因，资源优先倾斜，制定重要节点韧性改造计划并实施，当冲击发生时第1时间启动应急预案. 例如易发生洪涝灾害的点位进行市政排水改造，易发生交通事故的点位增加标识牌提示驾驶人小心驾驶等.

2)低重要性通道高脆弱性设施. 即在低客流通道上存在容易受到灾害冲击的交通设施，灾害冲击下直接影响人数一般，例如图6中的②区域. 此情况应给予适当关注，提升设施抵抗灾害冲击的能力，防止故障传播导致受影响人数增加.

3)高重要性通道低脆弱性设施. 即该大客流通道受灾害冲击直接影响较小，灾害冲击下可能承载其他故障通道溢出的出行需求，交通压力增大易产生拥堵，例如图6中的③区域. 此情况应给予适当关注，关注灾害冲击下的出行引导，分散交通压力.

4)低重要性通道低脆弱性设施，例如图6中的④区域. 此情况给予最小程度关注，可将其作为故障通道溢出的出行需求的引导方向.

2.2 案例分析

根据北京城区2021年7月12日预报降雨内涝风险图与高德地图工作日晚高峰路况预测图，对北京道路系统进行韧性评估，内涝风险点位为高脆弱性点位，拥堵路段为高重要性路段. 城区内涝风险较高风险点位分布在德胜门、马甸桥、亮马桥、东四十条、建国门、广渠门、潘家园、十里河、木樨园、田村、西黄村等，二环路与三环路是北京工作日晚高峰较容易出现拥堵的路段.

图7 左：北京城区2021年7月12日预报降雨内涝风险图 [10]右：北京城区工作日晚高峰路况预测图(图片来源：高德地图路况预测)

将高风险点位与路况图结合分析，需要重点注意的“双高”点位是德胜门、马甸桥、亮马桥、广渠门、广安门、潘家园、玉泉营桥. 优先关注这些点位道路市政排水及地铁站进水情况，必要时实施交通引导措施，建议出行者使用其他道路出行，根据雨情建议周边办公单位实行错峰上下班.

图8 韧性评估分析图

3 提升交通系统韧性

结合韧性评估结果，在事前预防阶段提升系统韧性，包括规划阶段注重提升交通出行的多样性，提供尽可能多的出行路径与出行选择；建设阶段充分考虑区域地理特征与地质条件，尽量避开灾害区域并做好设施加固措施. 事后应急阶段，应在重点区域及时启动应急预案，及时引导出行者离开故障地点.

3.1 提升交通出行的多样性

出行者使用城市道路与交通设施出行，利用轨道、公交、小汽车、自行车等多种交通工具. 城市交通系统规划应能保证出行起讫点之间存在多条路径、多种交通方式可选，不同路径与交通方式之间换乘方便快捷，当其中的某条路径或者某种交通方式受到冲击或压力无法提供服务时，出行者能快速换乘至其他路径或交通方式.

城市道路应用“小街区，密路网”规划理念，保证城市重要出行起讫点之间有多条道路连通. 重视步行与自行车交通，在路权分配中保证步行与自行车的通行空间，构建连续的步行廊道，确保重要节点之间步行路径畅通. 公共交通使用共同的票务系统，实现公共交通之间的一卡换乘，提高不同交通方式之间的换乘效率. 道路横断面设计考虑弹性空间，为自动驾驶车辆及其他新型出行方式提供转换空间，后期使用可根据各交通方式使用需求与使用时间制定灵活精细的管理策略，提升空间的使用效率.

3.2 提升基础设施的稳定性

交通基础设施的规划建设应能抵御城市常见的灾害，包括地震、内涝、地质灾害、极端天气等，结合城市综合防灾规划与交通韧性评估矩阵，优先关注高重要性通道高脆弱性设施，根据灾害与冲击的类型采取不同的改善措施.

针对地震灾害，在交通设施规划选址阶段应避开地震带，充分考虑地震引起的山体滑坡、崩塌等次生灾害，尽量选址在安全性较高的区域，同时应用抗震加固技术提高交通设施抵御地震灾害的能力. 应对地质灾害的规划思路与地震灾害类似，规划选址避开泥石流、滑坡、崩塌等地质灾害多发地，应用加固技术提升设施稳定性. 针对城市内涝，结合海绵城市规划与城市排水防涝工程体系，城市道路设计建设应在满足道路基本功能的前提下，使道路径流雨水通过各类雨水渗透设施吸收或转移，不再出现暴雨后“城市看海”的现象.

3.3 出行引导

压力与冲击已经发生，故障处理时间对系统服务水平恢复影响极大，因此在故障处理时间内，将前往故障地点的交通流引导至其他正常运营系统十分重要.

城市道路上发生交通事故或其他故障时，诱导信息的发布过程一般为“故障发生—管理部门接到报警或预警信息—采取引导措施”. 事故处理过程中应选择合适的节点采取交通诱导措施. 根据与故障点的距离与道路流量流向情况，靠近故障点的路段采取现场交通管制，距离较远可利用可变导向标识、交通广播等方式引导车流不再前往故障点. 除路面设施外，导航也是有效的引导方式之一. 目前手机导航等主要依靠用户自行上报路况对其他用户进行提示. 可考虑构建统一的交通诱导信息发布平台，由交警等管理部门通过平台第一时间发布信息提示，在路面导向标识、导航系统、交通广播等同步提示，实现各种方式的协同引导.

一般轨道交通系统发生故障达到封站停运级别时，才会对旅客发布信息，引导旅客尽快离开故障车站. 但仍存在预计故障时间在数小时以内，未达到封站停运级别的情况，此情况也应给予旅客信息提示. 若无信息提示，处于故障线路之中的出行者倾向于在原地等待，潜在出行者也将源源不断地前往故障线路车站. 车站内人员数量伴随晚点时间增加，若故障发生在高峰时期，短时间的延误也会出现大规模人员聚集情况，拥挤踩踏事件发生概率也将增加. 建议根据故障持续时间向站内旅客广播，“本次列车已晚点5 min，恢复运营时间预计在30 min之后/恢复运营时间未知，请赶时间的旅客选择其他出行方式”，引导部分旅客离开故障线路.

当发生特殊事件，出行需求超过交通设施供给能力时，应在事件周边进行出行引导，缓解局部交通压力. 以举办体育赛事或文艺演出为例，举办场所周边引导措施分为人行引导与车行引导2部分，引导重点是以场所为圆心周边留有足够空间承载人群集散. 因此举办活动当天，举办场所周边将实施交通管制措施，如封闭周边地铁站、周边道路仅允许工作车辆驶入等，利用广播与临时标识牌引导活动参与者按照指定路线到达离开场所.

4 结束语

城市交通系统面临各类变化与冲击，具有韧性的交通系统遭遇冲击后依然能提供基本的出行服务，维持城市的正常运行. 压力与冲击将导致交通系统设施供给能力降低或者引起出行需求变化，导致交通服务水平下降. 通过对交通系统韧性评估可找出城市交通系统的短板位置，将资源优先向高重要性高脆弱性设施倾斜. 在事前预防阶段，将韧性的理念融入规划与建设中. 在事后弥补阶段，遭受冲击后迅速启动应急预案，在事故处理时间内引导出行者前往其他系统能有效缓解事故点周边系统压力.