暴雨内涝下公交应急方案评价方法

薄坤　杨正

摘要：为甄选出不同暴雨内涝情景下的最优公交应急方案，提出一种公交应急方案评价方法。提出不与地铁联动和与地铁联动两种公交应急路径设计思路。以公交出行成本最低为目标，搜索最优公交应急路径。构建公交线网的连通效率、运行效率和应急效率3个评价指标对公交应急方案进行评价。结果表明，不与地铁联动时宜启动临时公交接驳线路，与地铁联动时宜采用原线接驳的方式。假设3种暴雨内涝情景，从情景1到情景3暴雨内涝程度逐步加剧。与原公交线网相比，各公交应急方案的运行效率降幅较小且接近；不与地铁联动和与地铁联动时情景1下的应急效率最高。

关键词：城市交通； 应急路径优化； 应急方案评价； 大规模公交线网； 暴雨内涝

中图分类号：  U491.17; U121 文献标志码：  A

Evaluation method of bus emergency plans under rainstorm and road waterlogging

BO Kun1， YANG Zheng2

（1.Higher Technical College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;

2.School of Naval Architecture， Ocean & Civil Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： To select the optimal bus emergency plan in different scenarios of rainstorm and road waterlogging， an evaluation method of bus emergency plans is proposed. Two design ideas of bus emergency path are put forward under the conditions of linkage with metros or not. Aiming at the minimum bus travel cost of passengers， the optimal path of bus emergency is searched. Three evaluation indices of connectivity efficiency， operation efficiency and emergency efficiency of the bus network are constructed to evaluate the bus emergency plans. The results show that， the temporary feeder bus lines should be started under the condition of not linkage with metros， and the original bus lines should be reused under the condition of linkage with metros. Assume three scenarios of rainstorm and road waterlogging， and the degree of rainstorm and road waterlogging gradually increases from scenario 1 to scenario 3. Compared with the original bus network， the operation efficiency of each bus emergency plan is of smaller decrease and close. Under the condition of linkage with metros or not， the emergency efficiency under scenario 1 is the highest.

Key words： urban traffic; optimization of  emergency path; emergency plan evaluation; large-scale bus network; rainstorm and road waterlogging

0 引 言

全球變暖导致极端天气发生频率增加，其中气象灾害中具有突发特性的台风、暴雨天气的发生最为频繁且呈增加趋势，这样的极端天气对公共交通的影响受到国内外的重视［1］。类似“7·20”郑州特大暴雨的事件及台风等对城市公交、地铁运行安全和居民出行的影响巨大，实施有计划、有组织的城市公共安全管理十分必要。

城市暴雨内涝的危险程度由暴雨强度和排水标准决定。我国尚有城市中心区的排水基础设施达不到百年一遇、千年一遇暴雨内涝

的排涝要求，在遭遇暴雨内涝灾害时道路通行能力降低甚至丧失，为了不使其降低太多或丧失，需要对现有公交线网进行临时应急调整。

常态公交线网调整优化问题的研究成果丰富，有基于决策变量、网络结构、需求模式、需求特征、约束条件和运营策略的调整优化模型［2-3］。非常态公交线网调整优化问题集中在由极端突发事件引起的交通中断情况下的客流安全疏散问题［4］，轨道交通中断情况下的公交桥接问题尤其受到关注［5-6］。通常采用一般分析法和启发式算法确定与评估路径［7-8］。对气象灾害发生后的公交线网应急调整的研究不足。

综上所述：已有的城市公交应急方案的设计多以小规模公交线网为例进行测算，少有基于大规模公交线网的实验［9］；现有研究结论缺乏适应城市公交韧性管理数字化转型要求的公交应急方案设计与定量评价方法，同时缺乏暴雨内涝情景下不同的城市交通基础设施下公交应急方案的设计框架；多级灾害场景下的应急方案的输出缺乏可操作性。

本文针对城市在遭遇暴雨内涝灾害时道路通行能力降低且在局部区域存在车辆限行的情况，以保障公交运行服务为目的，提出不同暴雨内涝情景下公交应急路径优化与评价方法，提出公交应急路径的搜索算法和设计框架，构建公交应急方案评价指标。该方法能实现不同暴雨内涝情景下针对大规模公交线网（站点数量达到千级）的最优公交应急方案的确定。

1 公交应急路径设计框架

1.1 公交应急路径设计思路

暴雨内涝会引起城市交通通行能力降低乃至丧失。当公交运行服务降级后，如何维持公共交通基本服务以及控制突发事件下公交出行成本，是公交应急管理的重点。本文面向不同的城市交通基础设施条件，提出不与地铁联动和与地铁联动的公交应急路径设计思路，见图1。

设计思路1：不与地铁联动的公交应急路径。包括在原公交线路上运行的公交车绕开中断路段后再回到原线原站继续运行（原车绕行）和启用临时公交车进行中断路段两端状况站点的接驳运输（临时公交接驳）。

设计思路2：与地铁联动的公交应急路径。包括在原公交线路上运行的公交车行驶至中断路段后改变线路运行至地铁站点（原车接驳）和启用临时公交车在中断路段的状况站点与地铁站点之间进行接驳运输（临时公交接驳）。

1.2 公交应急路径生成逻辑

基于图1提出4种公交应急路径生成逻辑，得到6种公交应急路径，见图2。

①针对1对状况站点的路径规划，即在原公交线路上的公交车或新增的临时公交车只为1条公交线路上的1对状况站点提供应急运输服务。

②针对多对状况站点的路径规划，即新增的临时公交线路为一定区域内多条公交线路的多对状况站点提供应急运输服务。

③针对1个状况站点和1个地铁站点的路径规划，即原公交线路上的公交车或新增的临时公交车为该中断路段上的1个状况站点提供接驳至最近地铁站点的应急运输服务。

④针对多个状况站点和1个地铁站点的路径规划，即新增的临时公交车为一定区域内多条公交线路上的多个状况站点提供接驳至最近地铁站点的应急运输服务。

2 公交应急路径搜索模型

2.1 模型假设

4 案例分析

暴雨天气对我国城市交通的影响最为普遍，严重时会导致相关公交线路瘫痪。基于雨量激增具有时变性的特点，根据暴雨内涝对道路交通影响程度的不同，假设3种暴雨内涝情景，从情景1到情景3暴雨内涝程度逐步加剧。情景1：局部道路积水，积水深度达100 mm，个别路段无法通行或即将无法通行，经行公交绕行。情景2：局部道路积水，积水深度达200 mm，多处路段无法通行或即将无法通行，经行公交绕行或缩线运行。情景3：局部道路积水，积水深度达300 mm，多处路段无法通行，经行公交绕行、缩线运行或停运。

根据暴雨内涝对城市路网影响的历史数据，选择一条重要的过江通道作为中断路段，即该路段无法通行，所有经过该路段的公交无法按原线路运行。案例以宁波公交线网中上、下行单向共95条线路为基础，构建常态天气下的公交线网方案P1，其中包含19条途径此中断路段的公交线路。

根据公交应急路径设计思路，提出2个公交應急方案集，即不与地铁联动方案集（方案集1）和与地铁联动方案集（方案集2）。当路网中一个路段中断后，公交线网发生变化，在不调整原公交线路的情况下，形成方案P2。根据公交应急路径搜索模型得到公交应急方案集，方案集1包括方案P2、P3、P4、P5，方案集2包括方案P6、P7、P8。表1体现了各公交应急方案的运营组织复杂程度。

19条受影响的公交线路中涉及的状况站点对为（16， 17）、（57， 58）、（16， 1 196）、（1 218， 58）、（636， 17）、（57， 629）、（1 217， 629）。计算可得各方案在应急路段上的运行时间，部分结果见表2。

4.1 连通效率比较

公交线网连通效率指标反映网络的拓扑连通性。采用L-Space方法构建以公交站点为节点、公交区间为边的无向无权拓扑网络，见图3。

经计算得到各应急方案下的公交线网连通效率，见表3。由表3可知：方案P1的连通效率为7.29%；方案集1中的方案根据连通效率由高到底排序为P4=P5P2P3，方案P4和P5最优；方案集2中的方案根据连通效率由高到底排序为P6P7P8，方案P6最优；公交线网中线路数和线路走向发生变化后，其连通效率将发生不同程度的下降。

4.2 运行效率比较

暴雨内涝程度对公交车运行速度有不同程度的影响，计算不同暴雨内涝情景下各应急方案的运行效率。常态天气下，公交车行驶速度为16 km/h。根据上海公交车在不同暴雨内涝天气下的历史GPS数据，得到情景1、情景2、情景3下公交车行驶速度分别为10、 7、 4 km/h。

常态天气下公交线网的平均出行时间是62 min；暴雨内涝发生后，情景1、情景2、情景3下公交线网的平均运行时间分别为95、119、168 min。公交线网的运行效率随着暴雨内涝程度的加剧而大幅降低。不同方案在不同情景下的运行效率比较见图4。在图4中，以方案P1的平均运行时间为基准，计算新方案与方案P1的平均运行时间的差值，定义该差值与方案P1的平均运行时间的比值为运行效率差，运行效率差越小的方案，运行效率越高。方案集1中运行效率最高的是方案P2，方案集2中运行效率最高的是方案P7。

4.3 应急效率比较

在各应急方案下，乘客改变了原出行路径，其出行时间将随之改变。使用TransCAD软件重新对客流进行分配。考虑到不同天气情况下客流和公交车行驶速度的变化，分别根据常态天气、情景1、情景2、情景3下的客流和公交车行驶速度数据，计算得到方案P1下乘客在状况站点间的平均行程时间分别为2.65、4.31、5.83和9.48 min。

分别以4.31、5.83和9.48 min为基准数据，计算各方案在各情景下的应急效率差。如在情景1下，计算某方案下乘客在状况站点间的行程时间与4.31 min的差值，该差值与4.31 min的比值即为该方案在情景1下的应急效率差。应急效率差越小的方案，应急效率越高。结果见图5。

情景1下，方案集1中的最优方案为P3（4.19 min），方案集2中的最优方案为P6（4.12 min）；情景2下，方案集1中的最优方案为P4（5.84 min），方案集2中的最优方案为P6（5.81 min）；情景3下，方案集1中的最优方案为P5（9.28 min），方案集2中的最优方案为P8（9.42 min）。

综上，根据公交线网的连通效率、运行效率和应急效率3个指标的计算结果对各应急方案进行评价，甄选出最优方案，结果见表4。在辅助公交运营方制定暴雨内涝下公交线路应急方案时，可以根据侧重目标不同进行方案甄选。

5 结 论

本文提出了不同暴雨内涝情景下公交应急方案的评价方法，对大规模公交线网（站点数量达千级）公交应急方案的确定提供定量决策依据。提出不与地铁联动和与地铁联动的两种公交应急路径设计思路和生成逻辑。以公交出行成本最低为目标进行应急路径搜索，这里的公交出行成本由公交车费、车上时间成本、等车时间成本和换乘时间成本组成，采用Pathfinder分配法得到最优公交应急路径。根据提出的公交应急方案评价指标对各应急方案进行评价，得出不同情景下的最优应急方案。在不与地铁联动的情况下，宜启动临时公交接驳线路；在与地铁联动的情况下，宜采用原线接驳的方式。不同暴雨内涝情景、不同评价指标下的最优方案不同，决策方在制定暴雨内涝下的公交应急方案时可以根据侧重目标不同进行方案甄选。

参考文献：

［1］PACHAURI R K， ALLEN M R， BARROS V R， et al. Climate change 2014： synthesis report. Contribution of working groups I， II and III to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change［R］. Geneva： The Intergovernmental Panel on Climate Change， 2014： 1-169.

［2］陈维亚， 刘晓飞， 吴良江. 数据驱动的公交网络动态优化调整方法［J］. 交通运输系统工程与信息， 2017， 17（6）： 114-119. DOI： 10.16097/j.cnki.1009-6744.2017.06.017.

［3］MATHERLY D， CARNEGIE J A， MOBLEY J. Improving the resilience of transit systems threatened by natural disasters， volume 1： a guide［R］. Washington D C： National Academy of Sciences， 2017： 1-163. DOI： 10.17226/24973.

［4］MATHERLY D， CARNEGIE J A， MOBLEY J. Improving the resilience of transit systems threatened by natural disasters， volume 3： literature review and case studies［R］. Washington D C： National Academy of Sciences， 2017： 1-447. DOI： 10.17226/24972.

［5］QAZI A-N， NARA Y， OKUBO K， et al. Demand variations and evacuation route flexibility in short-notice bus-based evacuation planning［J］. IATSS Research， 2017， 41： 147-152. DOI： 10.1016/j.iatssr.2017.01.002.

［6］HU H， GAO Y F， YU J， et al. Planning bus bridging evacuation during rail transit operation disruption［J］. Journal of Urban Planning and Development， 2016， 142（4）： 04016015. DOI： 10.1061/（ASCE）UP.1943-5444.0000335.

［7］馬昌喜， 王超， 郝威， 等. 突发公共卫生事件下应急定制公交线路优化［J］. 交通运输工程学报， 2020， 20（3）： 89-99. DOI： 10.19818/j.cnki.1671-1637.2020.03.008.

［8］查伟雄， 冯涛， 严利鑫. 地铁运营中断下多目标应急公交调度模型研究［J］. 北京交通大学学报， 2021， 45（3）： 8-14. DOI： 10.11860/j.issn.1673-0291.20200083.

［9］薄坤， 杨正， 赖雄飞， 等. 暴雨内涝下城市公交线网应急点识别方法［J］. 交通运输工程与信息学报， 2022， 20（3）： 57-67. DOI： 10.19961/j.cnki.1672-4747.2021.07.001.

［10］汤天波. Pathfinder算法优化研究［J］. 计算机应用与软件， 2015， 32（11）： 277-280. DOI： 10.3969/j.issn.1000-386x.2015.11.064.

（编辑 赵勉）

收稿日期： 2021-11-04

修回日期： 2022-03-21

作者简介： 薄坤（1982—），女，辽宁锦州人，讲师，博士，研究方向为城市公共交通应急管理，（E-mail）vipbo@126.com