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城市交通系统的韧性研究:概念、特征与议题

2024-02-26 10:11 来源:城市规划

城市交通系统包含的子系统众多,系统内关系复杂,同时与城市经济、社会等其他系统密切相关,有必要厘清城市交通系统的韧性概念、特征与研究重点,完善韧性测度方法,促进系统韧性提升,并实现与城市其他系统的协同优化。

1.城市交通系统的韧性概念与内涵

从既有研究来看,城市交通系统韧性的内涵包括“遭受扰动时失效概率低”“吸收事件扰动能力强”“恢复速度快”等共识,但并没有一个统一的概念,主要区别在于扰动事件发生时用来描述系统性能的动词,如抵抗、吸收、恢复和适应等的不同,这些能力也对应了灾前、灾中、灾后抗扰动的全过程。因对能力的选择和定义的不同,不同交通系统韧性定义存在差异。

本文提出城市交通系统的韧性定义为:城市交通系统抵抗、减少和吸收扰动(冲击、中断或灾难)的影响,保持可接受的服务水平(静态韧性),并在合理的时间和成本内恢复正常和平衡运行的能力(动态韧性)。

2.城市交通系统的韧性特征

韧性这一特性本身存在多种特征,如鲁棒性(robustness)、冗余性(redundancy)、快速性(rapidity)、应变力(resourcefulness)、灵活性(flexibility)、效率(efficiency)、协作性(components)、相互依存性(interdependence)、移动性(mobility)、安全性(safety)、响应能力(responsiveness)、适应性(adaptability)、预防性(preparedness)等。这些特征,有些涵义比较近似,如冗余性和灵活性都指运输系统应对中断时超出通常组成部分的“额外”能力,但冗余性的覆盖范围和研究时间跨度更广,可以包括并代替灵活性作为交通系统主要韧性特征。有些涵义有所重叠,如应变力和响应能力。还有一些特征存在一定的涵义混淆,如相互依存性、移动性等,这是交通系统的固有属性,不宜作为韧性的代表特征考虑。

经归纳简化后,研究总结出6个主要的城市交通系统韧性特征,分别是预防性、鲁棒性、冗余性、快速性、应变力和适应性(表1)。

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▲ 表1 | 交通系统的韧性特征

韧性本身需要应对扰动的不同阶段(扰动前、扰动中、扰动后),也具有应对不同阶段扰动的能力,包括预防能力、抵抗能力、吸收能力、恢复能力、适应能力。不同特征与不同抗扰动能力相对应,也在扰动的不同阶段发挥着特定的重要作用(图1)。

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▲ 图1 | 不同阶段的韧性特征

3.城市交通系统的韧性研究进程与热点

英文文献中,城市交通系统的韧性研究主要从2006年开始,可以划分3个研究阶段:2014年前,以交通网络的评价方法研究为主;2014-2017年,研究重点转向对于韧性特征的认知以及多种交通系统的韧性研究;2017年后,各类灾害、极端天气等使得相关研究关注减灾、恢复、系统进化等方面的内容,对城市交通系统韧性提升的需求再次促进了韧性评估方法的研究。

中文文献从2017年开始逐渐采用“韧性”这一特性来描述城市交通系统。2017年前,主要探索归纳国外研究,虽没有提出和采用“韧性”这一明确术语,但已对交通韧性的特征以及相近特性如鲁棒性、脆弱性的理论研究和测度方式进行了一定的探索。2017-2019年,由于气候灾害频发以及“韧性城市”建设需求,城市交通系统的“韧性”研究开始兴起[6-7]。2019年后,疫情防控和应急保障成为主要关注点,城市交通网络与系统韧性评估和建设[8-9]成为研究热点之一,韧性提升以及交通系统韧性与城市的关系被重点关注[10-11]。

近来年,“韧性评估(评价)”“交通工程”“道路网络”“提升策略”“复杂网络”“影响”“性能”“恢复”等词突现明显,是当下研究的热点内容(图2)。

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▲ 图2 | 城市交通系统韧性研究关键词TOP20

4.当前城市交通系统韧性研究的重要议题

4.1 不同维度的城市交通系统的韧性测度

4.1.1 以“复杂网络”方法为主的交通网络韧性评估

交通系统是一个存在大量状态变化和多个平衡的复杂系统,而“复杂网络”是用于研究复杂系统的关键方法。大量研究者通过将交通系统抽象为复杂网络来研究其拓扑性质,采用介数、节点度、聚类系数和紧密度等指标来评估交通系统韧性。针对实际情况中交通系统在面临扰动时存在不确定性的情况,有学者引入流量熵、渗流网络等模型来扩充研究。用随机方法解释随机的和认知的不确定性,以获得其韧性的度量是目前研究中新的趋势。

4.1.2 以“4R”特征评估为主的交通系统韧性评估

基于系统特征的评估主要关注上文所提到的特征中的一个或多个,并往往根据特定阶段特征度量城市交通系统的韧性。其中4R特征即鲁棒性、冗余性、快速性、应变力得到最多关注。也有学者针对所要评估的不同交通系统类型以及拟应对的不同扰动,提出多类型特征和多样化指标,如适应性、安全性、移动性、恢复性等特征。不同交通系统对特征的关注不同,如航空运输网络格外关注鲁棒性,公共交通系统往往聚焦恢复性,城市道路系统相比其他系统还额外关注冗余性等。

4.1.3 依托“韧性三角形”展开的系统性能量化评估

基于系统性能的度量旨在根据系统在整个受灾过程中的性能变化来衡量系统的抗灾能力,强调系统性能变化过程[9],主要基于“韧性三角形”展开(图3)[3,12]。

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▲ 图3 | 韧性三角形

资料来源:改绘自参考文献[12]。

4.2 城市交通系统的韧性提升

4.2.1 非灾害时期预防性韧性提升研究

相关研究主要包括网络结构优化、出行方式多样化、韧性管理能力提升等内容。网络结构优化主要针对灾前以及长期的预防备灾工作,通过新建组件、调整网络结构、增加备选路径等方面提前优化网络结构,增强交通系统整体韧性。出行方式多样化,即增加网路的连通性、冗余性。这里的冗余性不仅包括一种交通系统内的路径多样化还包括多交通系统并行线路[13]。在韧性管理能力提升方面,融入“平灾结合”理念,加强城市交通治理能力和治理体系现代化建设,保障日常和扰动期间各类资源的顺畅流动以及公共服务的稳定供给,是城市交通系统韧性提升需要关注的重要内容[14]。

4.2.2 灾害下的系统最优恢复策略

最优恢复策略包括最优响应决策和最优修复决策。根据不同阶段、不同灾害场景,各交通系统所选择的性能改善指标不同,但优化方式主要包括场景模拟仿真和目标优化求解,最终目的是通过最优修复决策来提升城市交通系统的恢复能力和适应能力,使其能够从扰动中更快恢复。

4.3 与城市多个系统的协同优化探索

4.3.1 城市交通系统内部协同优化——多式联运系统整体韧性优化

城市交通系统韧性研究不再局限于考虑单一交通系统韧性,而是转向多式联运(multimodal)系统整体韧性。交通网络设计和优化中涉及到的一个关键因素便是互联系统承受潜在中断的能力。学者们采用了多样的模型和方法来评估多式联运系统韧性,提出优化框架、布局、计划等。

4.3.2 城市交通系统与其他基础设施的协同优化——稳健的相互依赖性促进韧性提升

城市运行依赖相互依存的复杂的基础设施系统,例如交通、电力、电信、供水等系统。这些关键基础设施系统相互关联、相互依存,其中一个系统发生的小故障极有可能因级联故障造成更大的灾害性事故。相互依赖性(interdependency)正是描述系统间相互作用影响的概念[15]。评估基于相互依赖性的基础设施韧性以改善关键基础设施系统的维护和管理成为重要议题。

4.3.3 城市交通系统与经济协同优化——经济活动高效稳定与交通系统韧性相互依托促进

交通连接劳动力、资源和市场的经济资产,城市经济增长直接或间接地受到交通的影响。查孔-乌尔塔多(Chacon-Hurtado)等[16]证实经济韧性与交通可达性存在正相关关系,更进一步指出人力资本、产业多样性一定程度上受到交通可达性的影响,并提出将交通与经济韧性相互作用结果作为判断依据应用于加强交通决策。近年来,交通系统中断对经济影响受到学者们的广泛重视,经济损失最小化成为评估交通系统韧性的重要组成部分。

4.3.4 城市交通系统韧性促进社会公平和公共健康

一个有韧性的交通网络可以加强城市居民的福利和投资者的信任,交通网络承载着社会、经济要素的流通作用,人们通过交通系统来到达可以提供服务的区域,因此有效、运行稳定的交通网络是公平获得这些服务的关键。同时,在面对人为和自然灾害,医疗保健和交通系统二者应对突发事件的韧性研究受到广泛关注。一是研究医疗卫生系统与交通系统相互依赖性对韧性的影响,二是研究交通系统可达性对医疗保障系统韧性影响。

5.研究局限与展望

总体来看,研究局限包括:(1)韧性测度对抵抗力讨论较少,对恢复速度关注不足,且评估指标选取主观性较强;(2)“复杂网络”的拓扑方法难以捕捉交通流特征,对人的出行决策关注不足;(3)韧性评估与优化提升的实证研究偏少,理论和方法有待验证;(4)多系统协同研究少,对经济社会视角关注不足。

未来研究需要重视以下几个方面:(1)探索更完善的测度方法,全方位多场景构建新的韧性评估体系;(2)建立城市灾害数据库,加强全过程可持续的韧性提升实证研究;(3)加强多系统的协同研究,重视经济社会因素对城市交通系统韧性的影响;(4)关注新技术带来的变化,深化对韧性的内涵、特征及相关技术方法的研究。

6.结论

在对既有研究梳理总结的基础上,本文认为城市交通系统的韧性是系统抵抗、减少和吸收扰动的影响,保持可接受的服务水平,并在合理的时间和成本内恢复正常和平衡运行的能力。包括了覆盖扰动前、中、后全过程的6个主要特征:预防性、鲁棒性、冗余性、快速性、应变力和适应性。

未来研究应该从关注交通网络的规则拓扑性质到关注“复杂网络”随机方法解释面临扰动时存在的不确定性;从关注特定阶段的特定特征到关注全过程的系统特征;从关注韧性测度到关注基于测度结果的优化提升;从关注城市交通系统硬件完善到关注交通出行方式优化与人的出行决策影响;从关注城市交通系统内部到关注城市交通系统与其他基础设施以及经济社会系统的协同优化,研究内容应逐渐走向多元融合和多学科交叉。未来需要构建全方位多场景的城市交通系统韧性评估体系,建立城市灾害数据库,开展城市交通系统韧性提升的实证研究,并关注新技术带来的变化,深化对城市交通系统韧性的内涵、特征及相关技术方法的研究。

本文撰稿:黄建中 胡刚钰 石佳宁 陈思玲

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