極端事件對交通運輸系統(tǒng)的影響分析綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u30912極端事件對交通運輸系統(tǒng)的影響分析綜述 1193851.1影響交通運輸系統(tǒng)的極端事件 1184211.2極端事件的空間影響區(qū)域近似 3本節(jié)將明確本文中所考慮的極端事件類型，并分析它們對交通運輸系統(tǒng)造成的影響。進一步地，本節(jié)討論如何研究具有空間影響范圍的極端事件。1.1影響交通運輸系統(tǒng)的極端事件不論是本文所研究空間覆蓋范圍較大的高鐵和航空網(wǎng)絡(luò)，還是范圍較小的城市交通運輸系統(tǒng)，如城軌和路面公交網(wǎng)絡(luò)，都會因開放的運行環(huán)境而受到各類事件的影響而導(dǎo)致不能正常工作。依據(jù)事件的發(fā)生是否具有規(guī)律性可以將影響交通運輸網(wǎng)絡(luò)運行的擾動分為兩類。其中最常見的一類是具有規(guī)律性的常發(fā)事件，城市交通中的早晚高峰和路面交通中的擁堵現(xiàn)象都屬于此類。這些事件具有常發(fā)性和規(guī)律性且不會對交通運輸系統(tǒng)造成劇烈的擾動，因此如2.1.3中所述，此類事件更多地影響交通運輸系統(tǒng)的可靠性。本文所考慮的是另一類偶發(fā)且不可預(yù)測發(fā)生概率的極端事件，包括極端天氣（如霧霾、風(fēng)暴等），地質(zhì)災(zāi)害（如泥石流，地震等），設(shè)施故障（如動車組或航班故障等），人為蓄意破壞（如恐怖襲擊，人為封鎖等）等。從造成列車和航班的晚點，到若干車站或區(qū)間的封閉，乃至區(qū)域性的交通運輸中斷，都是極端事件可能造成的潛在損失。在表2-1中，本文整理了部分極端事件，歸納了其致因及其后果。表2-SEQ表2\*ARABIC1典型極端事件致因及后果Table2-1Thecausesandconsequencesoftypicalextremeevents事件時間事故致因事故后果冰島火山爆發(fā)2010.04地質(zhì)災(zāi)害英國、挪威、芬蘭等多個國家機場關(guān)閉，一周內(nèi)取消超過七萬多個航班日本地震引發(fā)海嘯2011.03地質(zhì)災(zāi)害日本成田、羽田以及仙臺機場關(guān)閉魯塞爾火車站爆炸事件2017.06恐怖襲擊火車站封鎖，駛?cè)牖疖囌玖熊嚾客ｑ偘腿_那恐怖襲擊2017.08恐怖襲擊巴塞羅那當(dāng)?shù)鼗疖囌救筷P(guān)閉華北霧霾2017.12極端天氣華北地區(qū)包括北京、濟南、天津、石家莊、鄭州、青島等機場航班取消中國綿陽地震2018.06地質(zhì)災(zāi)害扣停地震波影響范圍內(nèi)列車，地震波影響范圍內(nèi)軌道區(qū)段停運京滬高鐵動車組故障2018.08機械故障G40次列車旅客被困，沿線列車晚點中國中東部地區(qū)冰凍雨雪災(zāi)害2018.12極端天氣湖北省內(nèi)京廣線沿線車站大范圍列車晚點，湖南、湖北、江蘇多省內(nèi)出現(xiàn)航班延誤和取消蘭新高鐵張家莊隧道發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害2018.12地質(zhì)災(zāi)害隧道附近三座車站關(guān)閉美國中西部暴雪2018.12極端天氣美國中西部堪薩斯州、新墨西哥州、明尼蘇達州、內(nèi)華達州多處機場封閉臺風(fēng)利奇馬登陸中國2019.08極端天氣福建、浙江、江蘇、山東等省份列車和航班取消倫敦暴雨2019.12極端天氣倫敦市內(nèi)四座主要車站關(guān)閉滬寧城際列車大范圍晚點2021.04機械故障滬寧城際沿線車站動車晚點可以看到表2-1中的極端事件致因各異，但相較常發(fā)性的事件而言，這些偶發(fā)極端事件難以準(zhǔn)確預(yù)測發(fā)生的概率。對于一些具有季節(jié)性的極端事件而言，雖然在一些季節(jié)更有可能發(fā)生，如暴雨，泥石流等，但這也只是基于以往經(jīng)驗的推測，無法獲得準(zhǔn)確的發(fā)生概率分布。除了無法估計的概率外，偶發(fā)的極端事件還會對運輸系統(tǒng)造成劇烈的擾動，如部分基礎(chǔ)設(shè)施和運輸工具無法正常工作甚至是交通運輸系統(tǒng)的運行中斷。由此可見，極端事件的不可預(yù)測性和可能造成的巨大損失決定了本文需要從脆弱性的角度來分析極端事件對高鐵航空綜合運輸網(wǎng)絡(luò)的影響。除此之外，這些極端事件也存在著一定的空間影響范圍。如2017年發(fā)生于布魯塞爾的恐怖襲擊導(dǎo)致該車站暫時封閉，2019年倫敦暴雨導(dǎo)致倫敦市內(nèi)的四座車站關(guān)閉；也可能對一定區(qū)域內(nèi)的運輸網(wǎng)絡(luò)造成影響，如2018年發(fā)生于綿陽的地震導(dǎo)致地震波影響范圍內(nèi)的所有列車扣停，2017年發(fā)生于中國華北地區(qū)的霧霾導(dǎo)致內(nèi)蒙、河北等多個省內(nèi)的機場被關(guān)閉，而2010年的冰島火災(zāi)爆發(fā)更是導(dǎo)致歐洲范圍內(nèi)多個國家在很長時間范圍內(nèi)的航空運輸中斷。雖然這些極端事件的致因各異且影響范圍也有不同，但其后果普遍體現(xiàn)為車站或機場的封閉以及列車和航班的晚點甚至取消。綜上所述，本文所考慮的極端事件明確定義為會對交通運輸系統(tǒng)的供給造成影響的偶發(fā)事件，這些事件的發(fā)生概率難以預(yù)測且會對基礎(chǔ)設(shè)施和運輸工具（即動車組和航班）的運行造成劇烈影響且具備一定的空間影響范圍（關(guān)于空間影響范圍的討論見1.2節(jié)）。需要說明的是，對于已經(jīng)可以準(zhǔn)確判斷是否會發(fā)生的極端事件，可以依據(jù)判斷結(jié)果來進行針對性的事故預(yù)防，而這屬于運營層面的策略。如衛(wèi)星云圖已經(jīng)明確顯示某一區(qū)域會發(fā)生暴雨時，可以提前告知區(qū)域范圍內(nèi)旅客改變出行計劃；在得到情報某處會發(fā)生恐怖襲擊時，會采取行動阻止襲擊的發(fā)生。本文旨在從規(guī)劃層面降低這些事件可能造成的潛在損失，因此如何應(yīng)對這些可預(yù)知的的極端事件并不在本文的研究范圍內(nèi)。1.2極端事件的空間影響區(qū)域近似本節(jié)討論極端事件在空間上的影響范圍。極端事件往往會造成一定空間范圍內(nèi)所有交通基礎(chǔ)設(shè)施的運行都受到影響，而基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致某一設(shè)施在失效后與其相鄰的其他設(shè)施也被影響[174]。如鐵路區(qū)段被洪水沖斷后，列車不能通過該區(qū)段。但實際上不僅是該區(qū)段，這一區(qū)段相鄰的車站也會因為這一區(qū)段失效而停止接發(fā)列車，即使這些車站并沒有受到直接的破壞。除此之外，如地震、暴雪等極端事件并不是只造成單一設(shè)施不能正常工作，而是導(dǎo)致一個空間范圍內(nèi)的全部交通運輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的運行受影響。在對交通運輸系統(tǒng)脆弱性的研究中，分析某一設(shè)施（車站，機場或軌道）失效可能造成的損失是常見的研究內(nèi)容。而實際上此類研究也可以視為一個空間影響范圍很小的極端事件，在這一事件的空間影響范圍內(nèi)只有一個設(shè)施。為了分析發(fā)生在不同區(qū)域的極端事件對交通運輸系統(tǒng)脆弱性的影響，常見的手段是分別令不同極端事件影響范圍內(nèi)的設(shè)施失效，然后觀察交通運輸系統(tǒng)所受的影響。對于空間影響范圍很小，只會造成單一設(shè)施失效的極端事件來說，由于交通運輸網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點和邊的數(shù)量是有限的，因此這一方法可以直觀地體現(xiàn)不同極端事件的后果。但對于具有較大空間影響范圍的極端事件來說，這一方法需要進行進一步改進。極端事件的發(fā)生地點和影響區(qū)域難以準(zhǔn)確預(yù)測（如地震、暴雪、泥石流等），可能發(fā)生在研究區(qū)域中的任何地方，而且一個極端事件的實際影響范圍往往只有在事件發(fā)生后通過實地測量才能得到。因此潛在的受極端事件影響的區(qū)域在數(shù)量上是無窮的。為了解決這一問題，常用的方式是用規(guī)則或不規(guī)則的幾何圖形來分割研究區(qū)域，并用分割得到的子區(qū)域近似局部極端事件的影響范圍，然后分別考慮這些子區(qū)域內(nèi)設(shè)施失效造成的影響。本文以下圖2-2(a)中中國大陸華東及華南地區(qū)的簡化高鐵網(wǎng)絡(luò)來介紹上述兩種方式的優(yōu)缺點。在應(yīng)用規(guī)則的幾何圖形來近似局部極端事件影響區(qū)域的方法中，正方形或正六邊形等網(wǎng)格是常用的分割圖形。圖2-2(b)以75km×75km的正方形為例來分割研究區(qū)域。可以看到這一方法可以將全部研究區(qū)域進行分塊而不會出現(xiàn)交通設(shè)施的遺漏，除此之外，通過調(diào)整正方形的邊長可以體現(xiàn)不同影響范圍的極端事件。但應(yīng)用這一方式來對研究區(qū)域進行分割得到的結(jié)果并不唯一。將圖2-2(c)中的網(wǎng)格向下平移10km如2-2(c)中所示，可以看到這一移動會產(chǎn)生與2-2(b)中不同的結(jié)果。如在2-2(b)中深圳和惠州處于不同的網(wǎng)格，但在平移后則位于同一網(wǎng)格內(nèi)。而應(yīng)用其他規(guī)則圖形來分割空間區(qū)域，不論是三角形，正六邊形等，都存在這一缺陷。以此方法來探討極端事件對交通運輸網(wǎng)絡(luò)的影響往往會受規(guī)則網(wǎng)格位置的影響。圖2-2基于四邊形和泰勒多邊形的區(qū)域劃分結(jié)果Figure2-2ThedivisionresultsbasedonthesquareandThiessenpolygon在應(yīng)用不規(guī)則幾何圖形來近似局部極端事件影響區(qū)域的方法中，泰森多邊形也得到了應(yīng)用[175]。利用泰森多邊形，可以以交通運輸方式節(jié)點（車站或機場）為中心，來對研究區(qū)域進行結(jié)果唯一的分割，如圖2-2(d)所示。但這一方式難以考慮不同局部極端事件的影響范圍。從2-2(d)中可以看到，所有小區(qū)域都擁有一個節(jié)點，但在大范圍的局部極端事件中，如雪災(zāi)，霧霾等，往往會造成一個省級的區(qū)域范圍內(nèi)所有交通設(shè)施都受到影響。從上述兩種方式的對比可以看到，合理的研究區(qū)域分割方式應(yīng)滿足如下研究需求：（1）研究區(qū)域內(nèi)的全部交通設(shè)施都可以被至少一個子區(qū)域覆蓋而不會出現(xiàn)遺漏。這一需求保證了基于此劃分方式的研究可以考慮所有可能的極端事件。（2）子區(qū)域的劃分結(jié)果應(yīng)是唯一的。這一需求保證了基于此劃分方式的研究結(jié)果體現(xiàn)了極端事件對運輸網(wǎng)絡(luò)的影響，而非子區(qū)域的劃分方式。（3）子區(qū)域的劃分方式應(yīng)可以體現(xiàn)不同規(guī)模極端事件的影響區(qū)域。不同極端事件的影響范圍有所差異，可以靈活調(diào)節(jié)的影響范圍便于規(guī)劃人員衡量不同極端事件對運輸網(wǎng)絡(luò)的影響。為滿足上述需求，本文引入Ouyang提出的最大覆蓋集（MaxCoverSet,MCS）來近似局部極端事件的影響區(qū)域。最大覆蓋集定義為一個被給定半徑為r的圓覆蓋的設(shè)施的集合，添加任何一個新的設(shè)施都不能再被這個圓形區(qū)域覆蓋[176]。最大覆蓋集不依賴于區(qū)域的地圖，而是將交通設(shè)施的空間位置信息作為依據(jù)來尋找可以覆蓋最多交通設(shè)施的圓形區(qū)域。相較其他規(guī)則圖形而言，應(yīng)用圓形區(qū)域來分割研究區(qū)域以近似局部極端事件影響區(qū)域的優(yōu)勢在于：可以在給定的半徑下，利用點和邊的空間位置關(guān)系來劃分得到數(shù)量有限且結(jié)果確定的圓形區(qū)域。根據(jù)圓形的幾何特性，共有四類MCS，本節(jié)以圖2-3為例說明如何找到所有的MCS并計算其圓心坐標(biāo)。為便于理解，圖2-3中點的坐標(biāo)用平面坐標(biāo)系表示，在實際應(yīng)用中可以應(yīng)用三維球面坐標(biāo)得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，其圓心坐標(biāo)可用Ouyang給出的方法進行計算[176]。在圖2-3中，包括四個點n1，n2，n3和n4以及四個邊e1，e2，e3和e4。點的橫縱坐標(biāo)分別表示為（1）對于第一類MCS，根據(jù)以下圓形的幾何特征尋找：在給定半徑r下，以網(wǎng)絡(luò)中點為圓心的圓形區(qū)域是唯一的。檢查網(wǎng)絡(luò)中的所有點，可以得到滿足這一關(guān)系的所有最大覆蓋集，如下圖2-3(a)所示。滿足此要求的MCS的圓心坐標(biāo)即為點的坐標(biāo)。（2）對于第二類MCS，根據(jù)以下圓形的幾何特征尋找：在給定半徑r下，存在兩個同時過兩點的圓形區(qū)域。檢查網(wǎng)絡(luò)中所有點對，可以得到滿足這一關(guān)系的所有最大覆蓋集，如下圖2-3(b)所示。以n1和n(（2-8）（3）對于第三類MCS，根據(jù)以下圓形的幾何特征尋找：在給定半徑r下，同時過一點且與另一邊相切的圓形區(qū)域是唯一的。檢查網(wǎng)絡(luò)中所有點和邊的組合，可以得到滿足這一關(guān)系的最大覆蓋集，如下圖2-3(c)所示。以點n3和邊e4為例。設(shè)邊A（2-9）其中A=yn4?yn2，B=x（2-10）（4）對于第四類MCS，根據(jù)以下圓形的幾何特征尋找：在給定的半徑r下，不平行的兩條邊可以確定唯一的圓形區(qū)域。檢查網(wǎng)絡(luò)中的所有邊對，可以得到滿足這一關(guān)系的所有最大覆蓋集，如下圖2-3(d)所示。以邊e2和e3為例。設(shè)e2AA（2-11）其中A2=yn4?yn3，B2=xnx（2-12）進一步對上述最大覆蓋集進行篩選，去掉具有相同交通設(shè)施的重復(fù)最大覆蓋集后，就得到了在同一給定的局部極端事件影響半徑下，可以覆蓋網(wǎng)絡(luò)中所有交通設(shè)施、總量有限且劃分結(jié)果唯一的區(qū)域劃分結(jié)果，如下圖2-3(e)所示。圖2-3不同類型的MCSFigure2-3DifferenttypesofMCSs從圖2-3(e)中可以看到，對于給定的某一半徑r，所有可能的覆蓋集組合都已被展示在圖中。如不存在同時覆蓋點n3和n4的圓形區(qū)域（n3與n4間的距離已超過2r，不能被同一圓形區(qū)域覆蓋）；不存在同時覆蓋點n1和邊e2的圓形區(qū)域（n1與e2間的距離已超過2r，不能被同一圓形區(qū)域覆蓋）；不存在同時覆蓋邊e1和邊e2的圓形區(qū)域（e1而應(yīng)用圓形區(qū)域的另一優(yōu)勢在于可以通過調(diào)整圓形區(qū)域的半徑來反映不同極端事件的影響范