目錄TOC\o"1-3"\h\u14244 192911.1降雪條件下城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性 115881.1.1城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性相關(guān)概念 1154371.1.2降雪條件下城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性概念的確定 2195071.2路網(wǎng)韌性的影響因素分析 4299241.3城市路網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 5258141.1.1交通流介數(shù)指標(biāo) 5157081.1.2可達(dá)性指標(biāo) 6182791.4降雪條件下城市路網(wǎng)韌性度量方法 621421.4.1常用路網(wǎng)韌性指標(biāo) 767551.4.2面向出行者最低性能需求的韌性指標(biāo) 8202271.4.3韌性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 9目前已有許多方面的指標(biāo)被用于路網(wǎng)韌性方面的評(píng)估，但綜觀已有的成果來看，對(duì)于路網(wǎng)韌性的研究仍處于起步階段，而各個(gè)指標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。所以需要考慮降雪災(zāi)害對(duì)城市路網(wǎng)的影響，選擇恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo)對(duì)路網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本章首先確定城市路網(wǎng)韌性概念，在以往的研究成果基礎(chǔ)上，構(gòu)建降雪條件下城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過進(jìn)一步分析得出降雪條件下路網(wǎng)韌性的度量方法，全面考慮系統(tǒng)性能在災(zāi)后整個(gè)過程中所受的影響，同時(shí)考慮出行者對(duì)路網(wǎng)最低性能需求，從時(shí)間韌性和性能韌性兩個(gè)角度對(duì)路網(wǎng)系統(tǒng)綜合韌性進(jìn)行度量，為建立降雪條件下的城市路網(wǎng)恢復(fù)決策提供目標(biāo)指引。1.1降雪條件下城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性1.1.1城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性相關(guān)概念關(guān)于城市路網(wǎng)災(zāi)后性能評(píng)價(jià)，在以往研究中，大多主要關(guān)注路網(wǎng)可靠性、脆弱以及魯棒性等的研究，直到近幾年，相關(guān)學(xué)者才將研究開始轉(zhuǎn)向?qū)τ诼肪W(wǎng)性能韌性方面，目前雖然已經(jīng)有了一些交通韌性評(píng)價(jià)相關(guān)的研究成果，但通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)，究其實(shí)質(zhì)與魯棒性、脆弱性、可靠性等研究中指標(biāo)本質(zhì)基本相同，并未明確反映韌性的實(shí)質(zhì)。因此，必須充分了解認(rèn)識(shí)各個(gè)概念的實(shí)質(zhì)，并區(qū)分各自與韌性概念間的不同，才能深入了解韌性概念核心，從而準(zhǔn)確地進(jìn)行韌性評(píng)價(jià)。（1）可靠性。路網(wǎng)可靠性主要衡量的是路網(wǎng)遭受侵?jǐn)_時(shí)，能夠保持正常服務(wù)水平的概率大小。目前關(guān)于路網(wǎng)的可靠性研究主要包括容量可靠性、出行時(shí)間可靠性和連通可靠性三個(gè)不同方面。容量和行程時(shí)間可靠性不僅考慮了容量限制，同時(shí)也反映出用戶出行選擇行為，而連通可靠性只能反映道路基本通行能力變化?？偠灾煽啃阅芊从陈肪W(wǎng)災(zāi)后保持正常性能的概率，而韌性反映路網(wǎng)災(zāi)后吸收和恢復(fù)正常性能的能力，二者衡量角度不同，可靠性強(qiáng)，但吸收能力和恢復(fù)能力均不一定會(huì)強(qiáng)，韌性能力不一定會(huì)強(qiáng)。（2）脆弱性。路網(wǎng)脆弱性是指路網(wǎng)遭受極端天氣、自然災(zāi)害等事件侵?jǐn)_后，路網(wǎng)性能水平的下降程度，反映了路網(wǎng)對(duì)災(zāi)害事件的敏感程度。脆弱性與韌性二者之間具有一定的交叉關(guān)系，其中韌性包含脆弱性，韌性主要包括吸收和恢復(fù)兩階段，而脆弱性等同于韌性的吸收階段。（3）魯棒性。路網(wǎng)魯棒性衡量路網(wǎng)在遭受突發(fā)事件侵?jǐn)_時(shí)，仍能維持路網(wǎng)基本性能的能力。通常指災(zāi)害開始發(fā)生時(shí)的路網(wǎng)性能，反映了韌性曲線中性能下降開始階段，因此韌性包含魯棒性，魯棒性只能量化韌性的一小部分。在對(duì)韌性與其他路網(wǎng)災(zāi)后性能評(píng)價(jià)指標(biāo)含義進(jìn)行對(duì)比分析之后，之后可以發(fā)現(xiàn)韌性建立在其他指標(biāo)本質(zhì)基礎(chǔ)之上，融合了其他指標(biāo)特性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也進(jìn)一步彌補(bǔ)了其他相關(guān)指標(biāo)的不足之處，可以綜合反映路網(wǎng)災(zāi)后抵御干擾的吸收、適應(yīng)以及恢復(fù)能力，體現(xiàn)了多階段多方面的性質(zhì)特征。韌性關(guān)注的是災(zāi)后性能伴隨時(shí)間的變化狀況，并非維持正常性能的概率以及路網(wǎng)受損機(jī)理。韌性既反映災(zāi)害發(fā)生時(shí)刻路網(wǎng)狀況，又體現(xiàn)出恢復(fù)階段性能變化，綜合分析得知，路網(wǎng)韌性和路網(wǎng)性能息息相關(guān)，因此，韌性概念的確定也應(yīng)考慮從路網(wǎng)性能出發(fā)。目前，關(guān)于路網(wǎng)性能的衡量指標(biāo)主要包括三類：基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能度量，例如中間中心性、最短路徑長度和介數(shù)等；基于屬性的性能度量，如恢復(fù)速度等；基于交通流的性能度量，如出行時(shí)間、路網(wǎng)容量等。1.1.2降雪條件下城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性概念的確定近幾年，韌性受到廣大學(xué)者的關(guān)注，已經(jīng)成為非常熱門的話題之一,被廣泛應(yīng)用于城市關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、組織行為等多學(xué)科交叉系統(tǒng)方面的研究。對(duì)于韌性概念，不同學(xué)科對(duì)其定義有所不同。Murray-Tuite[60]第一次對(duì)交通韌性進(jìn)行定義并提出相應(yīng)的度量方法。其中將交通韌性細(xì)化為冗余、移動(dòng)性、多樣性、安全性、效率、適應(yīng)性和快速恢復(fù)能力等10個(gè)維度。根據(jù)以往交通韌性相關(guān)研究，主要將交通韌性概括為當(dāng)路網(wǎng)系統(tǒng)受到災(zāi)害沖擊時(shí)，其本身吸收能力以及恢復(fù)至預(yù)期性能水平能力。本文根據(jù)路網(wǎng)在降雪條件下的系統(tǒng)性能動(dòng)態(tài)變化過程，從吸收和恢復(fù)兩個(gè)角度定義降雪條件下的城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性[61]，從多方面系統(tǒng)地刻畫路網(wǎng)災(zāi)后恢復(fù)過程。結(jié)合韌性定義，可將降雪條件下的城市道路網(wǎng)絡(luò)韌性定義為：當(dāng)城市路網(wǎng)遭受降雪災(zāi)害侵?jǐn)_時(shí)，路網(wǎng)吸收災(zāi)害擾動(dòng)的能力以及恢復(fù)至原先性能水平的能力。降雪條件下城市道路網(wǎng)絡(luò)性能變化曲線如圖3-1所示，其中清楚地反映出路網(wǎng)對(duì)雪災(zāi)的吸收和恢復(fù)能力。圖3-1系統(tǒng)性能變化曲線圖如圖3-1所示，路網(wǎng)在初始正常狀態(tài)時(shí)性能值為P0。假設(shè)t0時(shí)刻雪災(zāi)對(duì)路網(wǎng)造成一定沖擊，路網(wǎng)系統(tǒng)性能不斷下降。至t1時(shí)刻，路網(wǎng)系統(tǒng)性能水平降至最低值Pmin，將t0至t1這段時(shí)間稱為路網(wǎng)災(zāi)后吸收階段。之后伴隨恢復(fù)作業(yè)的進(jìn)行，路網(wǎng)系統(tǒng)性能開始逐漸恢復(fù)。至t2時(shí)刻,系統(tǒng)性能恢復(fù)至新的平衡狀態(tài)，性能值為Pnew，此刻系統(tǒng)恢復(fù)過程結(jié)束。其中P(t)為出行者最低性能需求。將t1至t2這段時(shí)間稱為系統(tǒng)災(zāi)后恢復(fù)階段。降雪條件下的路網(wǎng)狀態(tài)變化從t0時(shí)刻開始至t2時(shí)刻結(jié)束。在此過程中： （3-1） （3-2）此時(shí)，降雪災(zāi)害事件可以用以下公式表示： （3-3）式中P(t)為t時(shí)刻的系統(tǒng)性能值。1.2路網(wǎng)韌性的影響因素分析針對(duì)較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，韌性具有重要的研究意義。城市道路網(wǎng)絡(luò)作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)形式之一，具有諸多特性，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性、遭受的干擾形式多樣、應(yīng)對(duì)干擾恢復(fù)策略較多等。由于路網(wǎng)具有這些特征，因此，影響路網(wǎng)韌性的因素也有很多，主要包括路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交通供給的隨機(jī)性以及用戶出行選擇行為三個(gè)方面。（1）路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反映出路網(wǎng)各組成單元（路段及交叉口）間的連通狀況，屬于影響路網(wǎng)韌性最基本的因素。路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為用戶提供OD點(diǎn)間出行路徑，因此，直接關(guān)系當(dāng)路網(wǎng)某些路段遭受干擾受損時(shí)，路網(wǎng)中是否有替代路徑提供以及替代路徑數(shù)目。路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然并不能決定路網(wǎng)運(yùn)行效率，但直接影響路網(wǎng)基本性能的滿足。（2）交通供給的隨機(jī)性當(dāng)路網(wǎng)遭受雨雪、交通事故等侵?jǐn)_時(shí)，會(huì)造成路段通行能力的下降，進(jìn)一步使路網(wǎng)通行效率大大降低。本文將路網(wǎng)韌性研究中的侵?jǐn)_事件定義為降雪天氣所造成的路段通行能力降低，進(jìn)一步導(dǎo)致路網(wǎng)性能下降的事件。侵?jǐn)_性事件會(huì)直接導(dǎo)致路網(wǎng)供給的隨機(jī)性。（3）用戶出行選擇行為與城市其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施（如電網(wǎng)、供水網(wǎng)絡(luò)、等）相比，城市道路網(wǎng)絡(luò)的參與者為人，而人具有自主選擇性，例如出行目的地、出行時(shí)間、出行方式等的不同。由于個(gè)體間的差異進(jìn)而加劇路網(wǎng)的復(fù)雜性。一方面，出行者對(duì)于突發(fā)侵?jǐn)_事件對(duì)路網(wǎng)所造成影響程度的認(rèn)知程度、出行時(shí)間、出行目的、出行方式等的不同會(huì)直接導(dǎo)致出行者對(duì)路徑選擇行為的不同；另一方面，出行者經(jīng)濟(jì)收入以及出行目的的不同會(huì)直接導(dǎo)致路徑選擇傾向的不同，比如有的傾向于選擇花費(fèi)出行成本最小的路徑，而有的人會(huì)考慮首選花費(fèi)時(shí)間最短的路徑。很明顯，各種因素的差異將直接影響路網(wǎng)中交通流量分配的不同，進(jìn)一步影響路網(wǎng)韌性。1.3城市路網(wǎng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)本文主要研究的是降雪條件下城市道路網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)問題。此處的恢復(fù)問題主要指的是城市路網(wǎng)性能的恢復(fù)。城市路網(wǎng)的主要功能就是幫助交通出行者能夠快速有效的從路網(wǎng)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)（起點(diǎn)）到達(dá)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)（終點(diǎn)），在該過程中所反映的就是起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)（即OD點(diǎn)對(duì)）間路徑具有的通行功能，因此路網(wǎng)的整體性能可通過路網(wǎng)系統(tǒng)中各OD點(diǎn)對(duì)間路徑通行功能的加權(quán)平均和進(jìn)行度量。路網(wǎng)韌性與其系統(tǒng)性能密切相關(guān)，度量路網(wǎng)韌性可以從度量路網(wǎng)性能出發(fā)，用于衡量路網(wǎng)性能的指標(biāo)主要包括三類，一類是基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，如中心性、介數(shù)、有效性、最短路徑長度等；另一類是基于交通流的性能指標(biāo)，如出行時(shí)間、交通容量、路網(wǎng)效率、可達(dá)性等；最后一類是基于屬性的性能指標(biāo)，如恢復(fù)速度等。1.1.1交通流介數(shù)指標(biāo)介數(shù)指標(biāo)是基于路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，主要被用于體現(xiàn)路網(wǎng)拓?fù)渲懈鞴?jié)點(diǎn)或者各個(gè)路段在路網(wǎng)中的影響能力。路段介數(shù)指的是經(jīng)過某路段的最短路徑數(shù)目占路網(wǎng)中所有OD點(diǎn)對(duì)間最短路徑總數(shù)目的比例。路網(wǎng)某條路段的介數(shù)在一定程度上可反映該路段在路網(wǎng)中的重要度。某路段的介數(shù)值越大，表示該路段對(duì)路網(wǎng)的重要程度越大，所以，由此可見當(dāng)介數(shù)較大的路段受到外界攻擊時(shí)，對(duì)于路網(wǎng)的整體性能影響也相對(duì)較大。關(guān)于路段介數(shù)指標(biāo)計(jì)算公式如下所示：（3-4）式中：Ba——路段a的介數(shù)值Nw(a)——OD點(diǎn)對(duì)w所經(jīng)過路段a的最短路徑數(shù)目Nw——OD點(diǎn)對(duì)w所有最短路徑總數(shù)n——路網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目流量反映出路網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，介數(shù)較大的路段，表明經(jīng)過該路段的最短路徑相對(duì)較多，因此，一般情況下該路段的流量也會(huì)較大。所以介數(shù)可以在一定程度上粗略的表示交通流情況。在路段介數(shù)基礎(chǔ)上考慮路段流量，從而建立交通流介數(shù)TB，公式如下所示。（3-5）式中：qa——路段a上的交通流量（veh/h）D——所有OD點(diǎn)對(duì)的總交通需求量（veh/h）1.1.2可達(dá)性指標(biāo)Luathep[62]將可達(dá)性表述為“在某段時(shí)間內(nèi)借助某種交通工具從一個(gè)地方到達(dá)另一個(gè)地方的便利程度。”由此可見，可達(dá)性指標(biāo)既反映了某時(shí)刻道路連通度，又反映了出行者對(duì)路網(wǎng)性能的滿意程度。基于上述對(duì)可達(dá)性指標(biāo)的定義，本文將OD點(diǎn)對(duì)w間的可達(dá)性指標(biāo)定義為：（3-6）其中，表示第t天OD點(diǎn)對(duì)w間的可達(dá)性值。qw表示OD點(diǎn)對(duì)w間的出行需求量。fwp(t)指的是OD點(diǎn)對(duì)w間第p條路徑在第t天的流量值。zwp(t)指的是OD點(diǎn)對(duì)w間第p條路徑在第t天的通行成本。從式（3-6）可知，滿足每單位出行需求所花費(fèi)的通行成本越低，可達(dá)性指標(biāo)就會(huì)越高，也就是OD點(diǎn)對(duì)的出行更加便利?？紤]路網(wǎng)中所有OD點(diǎn)對(duì)間的可達(dá)性，進(jìn)行較簡單的求和運(yùn)算，則整個(gè)路網(wǎng)可達(dá)性公式如下：（3-7）基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)主要從路網(wǎng)本身結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，并未考慮出行主體交通參與者的路徑選擇行為，故不能全面的反映降雪條件影響下的路網(wǎng)性能情況。而基于交通流的性能指標(biāo)充分考慮了降雪條件影響下交通出行者的認(rèn)知程度和路徑選擇行為，較全面的反映了路網(wǎng)性能的動(dòng)態(tài)變化過程。因此，綜合考慮，為符合實(shí)際，本文將選取可達(dá)性指標(biāo)作為路網(wǎng)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。1.4降雪條件下城市路網(wǎng)韌性度量方法目前已有研究大多從單一角度入手選定韌性指標(biāo)，僅從路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)度量韌性，往往忽視路網(wǎng)中交通流量的影響，在此基礎(chǔ)上所獲取的結(jié)果很大程度會(huì)偏離實(shí)際情況，難以有效的全面反映路網(wǎng)韌性程度。另一方面，城市交通系統(tǒng)的直接參與者是交通出行者，所以當(dāng)路網(wǎng)系統(tǒng)遭受惡劣天氣（降雪條件）的侵?jǐn)_后，對(duì)災(zāi)后路網(wǎng)采取恢復(fù)策略時(shí)，對(duì)于路網(wǎng)系統(tǒng)的韌性評(píng)估不應(yīng)僅僅考慮路網(wǎng)系統(tǒng)自身性能的變化情況，還應(yīng)考慮交通出行者所能接受的路網(wǎng)系統(tǒng)剩余的最低性能。因此，本文從出行者需求出發(fā)，考慮出行者的感受，提出了一種面向出行者需求的路網(wǎng)韌性評(píng)估方法，在原有韌性指標(biāo)基礎(chǔ)上，引入時(shí)間指標(biāo)，從時(shí)間韌性和性能韌性兩個(gè)角度對(duì)路網(wǎng)系統(tǒng)綜合韌性進(jìn)行度量，更加全面的對(duì)降雪條件下城市路網(wǎng)韌性進(jìn)行評(píng)估。1.4.1常用路網(wǎng)韌性指標(biāo)關(guān)于系統(tǒng)韌性的度量，不同學(xué)科領(lǐng)域?qū)ζ涠攘坑兴煌鲗W(xué)科學(xué)者通過進(jìn)行相應(yīng)的研究均給出了對(duì)應(yīng)合理的觀點(diǎn)，但到目前為止還沒有統(tǒng)一度量公式。但其核心內(nèi)涵都一致，都是從系統(tǒng)性能隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過程中提取重要指標(biāo)用于定量分析系統(tǒng)韌性。Francis和Bekera[63]在相關(guān)研究中將城市道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)韌性通過如下公式進(jìn)行表述： （3-8）式中表示系統(tǒng)韌性值，表示恢復(fù)速率因子，表示系統(tǒng)遭受破壞后恢復(fù)完成后系統(tǒng)性能達(dá)到新的平衡穩(wěn)定值，表示遭受破壞后系統(tǒng)性能最低值，表示系統(tǒng)性能未遭受破壞前的初始穩(wěn)定值。假設(shè)Sp值為1，系統(tǒng)遭受破壞后經(jīng)過恢復(fù)作業(yè)使系統(tǒng)性能恢復(fù)至災(zāi)前正常服務(wù)水平，此時(shí)Fr等于F0。因此公式（3-8）可簡化為： （3-9）王晶等[2]在式（3-9）基礎(chǔ)之上考慮時(shí)間因素，提出新的狀態(tài)韌性指標(biāo)，公式如下： （3-10）式中Res為路網(wǎng)韌性，（t1-t0）為吸收期時(shí)長，（t2-t0）為系統(tǒng)遭受災(zāi)害沖擊后波動(dòng)總時(shí)長，(Pnew-Pmin)為路網(wǎng)性能最終穩(wěn)定值與最低值兩者間的差，（P0-Pmin）為路網(wǎng)性能的最大損失量。但式（3-10）的韌性指標(biāo)存在一定局限：該指標(biāo)只能對(duì)某幾個(gè)時(shí)刻的路網(wǎng)系統(tǒng)性能變化進(jìn)行描述，對(duì)該時(shí)刻之前的路網(wǎng)性能水平毫無記憶能力，可能會(huì)導(dǎo)致在不同性能變化曲線狀態(tài)下獲取到相同的韌性值。呂彪等[29]提出一種可全面反映當(dāng)系統(tǒng)受到災(zāi)害侵?jǐn)_后整個(gè)過程中的交通系統(tǒng)性能的累計(jì)變化過程的韌性度量指標(biāo),公式具體如下： （3-11）其中R(t)表示交通系統(tǒng)在t時(shí)刻的韌性值，P0(t)表示t時(shí)刻交通系統(tǒng)期望達(dá)到的性能，其中P0(t)=P0。1.4.2面向出行者最低性能需求的韌性指標(biāo)當(dāng)城市遭遇降雪災(zāi)害侵?jǐn)_時(shí)，為滿足出行者的需求，往往會(huì)進(jìn)行道路除雪、融雪等工作，當(dāng)有時(shí)由于資源條件的限制，無法使路網(wǎng)系統(tǒng)性能恢復(fù)原先預(yù)期水平，但為了保證城市的基本運(yùn)作，必須考慮出行者所能接受的最低路網(wǎng)性能水平，在此基礎(chǔ)上，本文提出一種面向出行者最低性能需求的路網(wǎng)韌性評(píng)估指標(biāo)，指標(biāo)構(gòu)建具體如下： （3-12）式中，R(t)指t時(shí)刻的路網(wǎng)韌性值；P(t)表示t時(shí)刻出行者所能接受的最低系統(tǒng)性能值；P0(t)表示t時(shí)刻路網(wǎng)系統(tǒng)的期望性能，令P0(t)=P0；[~]為艾佛森括號(hào)，當(dāng)~為真時(shí)，[~]=1，否則[~]=0；α為0-1變量，屬于時(shí)間韌性與性能韌性兩者間切換參數(shù)。（1）時(shí)間韌性指標(biāo)當(dāng)α=0時(shí)，屬于時(shí)間韌性指標(biāo)，表示在t1至t時(shí)間段內(nèi)路網(wǎng)系統(tǒng)滿足出行者最低性能需求的時(shí)間總和與目前已進(jìn)行恢復(fù)作業(yè)總時(shí)間二者間的比值。R0(t)可以從時(shí)間角度上刻畫路網(wǎng)系統(tǒng)在降雪災(zāi)后整個(gè)過程中路網(wǎng)性能是否有退化到出行者所能接受的最低性能需求以下，以及路網(wǎng)系統(tǒng)在退化至出行者最低需求以下到恢復(fù)至出行者最低需求的速度，速度值越大表明系統(tǒng)在遭受降雪災(zāi)害后能夠快速恢復(fù)至出行者最低性能需求以上。當(dāng)R0(t)=1時(shí)，說明在當(dāng)前階段