交通运输系统韧性研究综述

刘 洁， 张丽佳， 石振武， 王永亮

(1.东北林业大学 土木工程学院， 哈尔滨 150040； 2.哈尔滨电站设备成套设计研究所有限公司， 哈尔滨 150040)

城市中建筑、人口繁密集中，各类基础设施互通互联，这些特征使得都邑得以稳定运行且更加宜居，但与此同时也增加了城市面对各类自然及人为灾难时的敏感性[1]。联合国预计：至2050年，中国人口总体数量将不会继续增加，但城市人口数量仍会持续上升，即78%的中国人(约10亿)将会生活在城市中。与此同时，中国汶川特大地震、山东寿光遭受严重暴雨洪涝灾害等接续发生。21世纪以来，“韧性城市”一种基于生态系统理论所形成的城市安全管理理念，追求城市与外部突发灾害事件之间的适应、共生为核心目标[2]，同时其作为当前世界城市的主流发展方向，相关研究早已为学界热议。本文介绍了交通运输系统 “韧性思维”研究的全新发展、用于建模和最大限度地提高交通运输系统韧性的定量方法的新进展、更有对于已有文献的分类研究，以期为未来韧性城市研究提供关于评估交通运输系统性能及其管理的见解和工具。

1 交通运输系统韧性

起源于“resilio”(Lingua Latīna，属印欧语系-意大利语族)的“resilience”一词，意即恢复到原始的/原先的/初始的状态，对韧性这一概念内涵的探索先后经过了“单一平衡系统—多重平衡系统—复杂适应系统”的情态，同时有很大可能转换为其他相对稳态。这一说法否认了工程韧性理论所认同的单一、均衡稳态的观点；社会-生态韧性理论则突出存有外界干预与否，系统的本质总会伴随着时间时刻改变。斯德哥尔摩复原中心提出的社会-生态韧性是系统应对变化并继续发展的能力，它是通过运用冲击或干扰的刺激来实现自身更新和创新的能力，这种社会-生态环境系统将人类社会和生物圈视为密切相关的整体化系统，并将韧性视为解决可持续发展的重要组成部分，因为它致力于从长远角度提升社会-生态环境系统的灵活性和适应能力[4]。

韧性这一概念目前已在诸多领域得到丰富和发展。特定领域的韧性讨论范畴从生态系统到经济和环境系统，再到运输系统。运输系统韧性，涉及城市在抵御灾害时的庇护以及应急反应能力，作为都邑应对灾害时维持安全和良好运转的保证，一经涉及便成为韧性城市研究者的关注焦点。人们对道路网络韧性的最初看法常常遵循Holling对“工程弹性”的定义。从经济与福利角度来看，了解产生路网系统韧性的机制及相互关系从而获得健全可靠的道路网络是极其重要的。这一重要意义催生出大量研究成果，如Goldberg指出的，两个主要属性与韧性相关，即干扰水平和道路网络从扰动中恢复的速度。TRB公示的统计资料表明，零零年之前未出现过整体性研究运输系统及其韧性的文章，运输领域的韧性研究仅限于工程材料的破坏研究，直至1990年Hansen研究Loma Prieta地震产生的道路封闭影响，才开创了交通系统韧性新领域研究的新时代。近些年，外国运输系统韧性研究成果数量不断增长，在事件应急、灾难响应等领域，均获得长足进步，对于韧性的研究先后经历了概念框架、指标体系、定量评价三个阶段。概念构架时期，道路网络韧性的定义可以从两个不同的角度加以描述：一些人着眼于从交通网络吸收外部扰动、维持和恢复网络正常功能及固有功能等方面进行韧性内涵探索，另一些人则将韧性定义扩展为危机发生时的应对能力及防止触发事件发生的能力。这一时期出现的经典文章包括Tierney，Regianni等，Shinozuka和Chang等。其中Bruneau等人提出了经典的韧性概念框架，将其定义为系统减缓灾害影响并维持自身功能的能力，并以系统功能损失程度、灾害的干扰程度、系统恢复正常功能的时间所构成的韧性三角形予以衡量[6]。基于此，Berdica将运输系统韧性定义为其在受到扰动后恢复至正常状态的能力，并讨论交通网络能够恢复的最大扰动及恢复速度；系统工程国际委员会(INCOSE)将韧性定义为网络自身所具有的吸收干扰并在一定可接受期限内恢复并维持正常功能水平的特定属性；Dalziell和McManus将韧性定义为系统抵御、适应极端突发灾害并从灾害中恢复的能力；Murray-Tuite提出交通系统韧性揭示交通系统在非常态条件下的性能、恢复速度，以及恢复至初始状态所需的外界援助数量；Westrum认为韧性概念框架由灾前的预测、预防及准备措施，灾中的生存、管理、维持基本功能和结构的能力，灾后的恢复原始平衡状态或新平衡状态的能力3部分构成； Battlelle认为韧性表征交通运输系统在遭受极端突发性灾害侵袭造成设施损毁时仍旧能够确保系统补偿损耗和保障功能的特性；Cutter等人定义韧性为系统应对并从灾难中复原的本领，包括系统吸收及抵御灾害不利影响，促进系统在应对灾害的过程中，自组织、改变并学习的适应过程[7]；Ta等人将交通系统韧性定义为系统吸收灾害后果，减少灾害对其影响，保持系统正常运行，或在一定时间间隔内恢复至原有服务水平的能力；Paton、Longstaff等人、Ainuddin和Routray对交通韧性概念进行了详细的论述，并将韧性定义为交通系统的两大能力：①灾害发生时吸收干扰的能力；②灾害发生后快速恢复的能力； Judith Y.T. Wang认为生态系统和交通运输系统是相似的，它们都是复杂的、适应性的且具备自我组织能力，其认为 “韧性、可靠性和可持续性”的质量(quality)即交通系统综合韧性。作者认为可转换性已被普遍忽视，可转换性必须被纳入分析框架，以实现交通运输系统综合韧性；Lars-Göran Mattsson和Erik Jenelius认为韧性的概念旨在捕捉系统在大规模破坏或灾难之后保持其功能的能力。它还可能包括在这样的事件之后系统返回到正常操作状态的速度[8]。基础设施安全伙伴关系指出一个具有韧性的道路网络将“准备、预防、应对或减轻任何预期的或意料之外的重大威胁或事件”并且“以最小的损伤迅速恢复及重建关键资产、运营及服务”，这一观点正是另一研究角度的生动诠释。就交通系统的分支之一——城市道路交通系统而言，由于专家学者偏重点各异，其对韧性的界定也不尽相同，由此致使城市道路交通运输系统韧性的概念研究中尚未形成统一的概念界定，基于探究分析已形成的研究成果，上述专家对于都邑道路运输系统韧性概念的阐述存在三个关键共识点：

表1 韧性理论的视角转变[5]

1)城市道路交通运输系统韧性指该系统所具备的抵御、应对及从灾害中恢复的一种能力而非系统所处的一种状态或结果。因此系统应对灾害所表现出的是“社会-生态韧性”，而并非“工程韧性”。即城市道路交通运输系统韧性表征出系统吸收干扰维持原状的能力、自组织能力及学习并适应能力。这种不主张系统平衡态的韧性被称为演进韧性，即城市道路交通运输系统韧性作为适应不确定性灾害扰动的能力，通过系统完善的整体布局及其功能的不间断运行，能够适应并消解灾难，基本维持相仿的功能、结构或系统，并能实现灾后迅速复原，其通过积淀适灾经验，加强学习，提升城市本身的灾难应急处理能力，进而保持系统的活力。

2)城市道路交通运输系统韧性更加强调系统面对灾害时的适应性而并非稳定性。旧有防灾观念希望维持城市道路交通运输网络稳定性，认同系统可持续发展只能通过系统稳定加以实现。但实际上城市道路交通运输系统稳态是动态改变中的相对稳定状态，系统功能丧失而非脱离平衡点才是真正的失衡。新型的防灾理念建立于整体生态学观点的基础之上，要求城市道路交通运输系统的发展建设适应自然灾害，即通过社会、生态及适当工程手段将自然风险造成的生命安全和财富侵害降到最低，并且能在灾后迅速复原并维持优良的功能运营，使其既能卓有成效地应对各种自然及人为灾害，又能维持城市道路交通网络自身的生机与活力。

3)城市道路交通运输系统韧性强调其系统的学习能力，即系统可以通过人类机构有目的性的学习并改善其自身内部固有属性，使系统具有更高的综合能力以应对未来灾害的侵袭。就是需要在面临各种自然及人为灾难带来的压力之时，各系统组分之间应具有强联系及强反馈作用，需要韧性系统高度灵活机动，可以实现学习及自我反馈，各组分能主动维护并提升自我调节能力，完成快速反馈、灵活消散、吸收灾害对网络整体的冲击与破坏。因此在灾害发生后的恢复阶段，系统学习能力的高低直接决定系统未来是恢复到其原有状态，还是变革到新的理想状态。

翻阅大量文献，本文认为道路交通运输系统韧性为系统响应全周期扰动(变化或扰动之前、之中或之后)，承担影响，调整功能并在预期或意外事件发生条件下迅速恢复至系统正常状态的内在能力，且对其动态稳定性影响最小，亦即动态韧性[9]在灾害发生后的恢复阶段，学习能力的高低直接决定系统未来是恢复到其原有状态，还是变革到新的理想状态。

2 交通运输系统韧性测度

交通运输系统作为一个城市基础设施体系的重要组成部分，其研究最初源于专家学者对于城市基础设施韧性的研究。都邑基础设施韧性的量化评价研究早期开始于地震工程研究领域，Bruneau[6]等运用基础设施功能曲线随时间的变化函数予以表征其震灾韧性，定义基础设施韧性即图中曲线段与横纵坐标轴围成图形的面积，如图1中深色区域。

图1 城市基础设施韧性的定量评估计算图[6]

Bruneau等学者开创性的研究成果为道路交通运输网络等城市基础设施韧性的量化评价奠定了坚实的基础，随着研究的深入，学者们从自身视角出发不断地延伸与拓展这一基础模型及方法，从而得出新的计算思路和方法，例如Attoh-Okine等提出基于信度函数构架的都邑基础设施的韧性判定标准并将其应用于高速公路系统的韧性测度之中；Omer等定义受灾之后与受灾之前的网络传导价值之比为电信网络韧性度，并提供了一种基于网络拓扑结构的量化方法以测度电信网络韧性[10]。这其中，李亚[11]比较研究了几个经典的城市基础设施韧性量化评价方案，如表2所示。

近年来，自然及人为灾害的发生频率增加到前所未有的水平。系统复杂性、连通性及依赖程度的增加、易受灾地区城市化等使得此类事件对交通运输系统的影响不断加剧。1995年神户地震发生后，交通运输系统灾害性能为主题的相关期刊论文无论是在质量还是数量方面都有显著而持续的增长，这些文章的涵盖范围也在不断扩展。随着探索的深入，研究人员持续改善交通运输系统韧性测度的基本模型与方法，展现出多样化的韧性测度方案。本节以上文李亚等人的经典城市基础设备韧性量化评价方法的比较研究为基础，分类研究已有文献。

表2 几个经典城市基础设施韧性量化评价方案比较[11]

1) 基础模型的扩展：①基于韧性特征的交通运输系统韧性测度：Reza Faturechi和Elise Miller-Hooks 全面综述了交通基础设施系统在灾害中的表现。作者发现韧性常常通过风险、脆弱度、可靠度、鲁棒性、机动性、生存能力等特征来衡量；Murray-Tuite将韧性视为交通网络在异常的极端灾害情况下如何正常运行的网络特征，并将交通网络韧性划分成10个指标：合作，冗余性，多样性，效率，安全性，自组织，强度，适应性，流动性，快速恢复的能力；Scott等人凭借定义关键连接的交通网络鲁棒性指数(NRI)来评价交通运输网络韧性； Jin等基于脆弱性网络概念构建了公共交通网络中断分析模型，以韧性指标定义用于满足出行需求的城域交通网络从自然或人为灾害所造成破坏状态中恢复的能力，并利用该指标量化评估城域网络韧性；Hamad利用模糊分析法综合速度和延误，并以此为交通韧性的评价指标；Werner通过量化震灾发生后增长的车行时长来查验运输系统韧性；Serulle提供了一种模糊参数法以量化韧性的；②基于最优模型的交通运输系统韧性测度：Murray-Tuite在“系统最优化”和“用户均衡”分配条件下比较研究了交通系统韧性的协作性、灵活性、安全性和快速复原能力；Bhavathrathan和Patil提出了一个测量链路容量降低条件下交通运输网络韧性的随机模型。论文通过定义对应于网络调控者无法通过变更行程流量来降低系统总预期成本情况的临界状态，运用极值优化确定网络中可能导致此种临界状态的一组链路容量集，最后利用遗传算法求解此优化问题；Wang等提出了一个能最大程度地模仿受到自然或人为事件干扰的道路交通运输系统的快速恢复过程的每日收费计划。文章将投影动态系统理论应用于模拟干扰条件下网络流量的暂态行为。在信息可用性的假设下，本文还提供了三种由理论上建立的估计保证其有效性的计算简便的收费方案；Jansuwan和Chen考虑了旅行者的感知误差以及在拥挤的交通网络中评估链路流量、行为和成本的重要性等随机性的影响，开发出一种新的网络效能度量方法，其核心组成部分是一个嵌入网络均衡框架中的概率路径选择模型。该方法被用于评估两个测试网络的网络链路相对于容量消耗、需求水平和旅行者感知误差的重要性；Jenelius和Cats为评估增加新链接的价值，提出了一种中断条件下的乘客福利及新链接的相关投资成本的评估方法；Heaslip等人定义了4个网络性能指标(系统可靠性、出行者偏好、交通成本和系统可达性)予以测度交通系统韧性。

2) 其他计算方法：应对长期气候变化的交通系统韧性测度： Li等提供了一种分析动态交通分配(DTA)模型来评估突发事件对系统旅行可靠度的时空影响。模型可以估计随机链路流型和路径旅行时间分布，并据此估计由于事件发生而对准时到达概率的影响；Anbaroglu，Cheng和Heydecker利用从伦敦市中心收集的行程时间数据基于百分位数的方法和空时扫描统计量(STSS)方法进行个案研究，以检测城市道路网络中的非经常性拥塞；Pien等的论文采用一种线性规划分析方法估计在不同位置发生容量退化时的最大网络流的变化，并定义新指标“相对区域指数”以测量系统的鲁棒性；Morlok等通过量化需求改变的韧性容量评估了含有交通流量、货品调配和流量形式等在内的系统剩余容量。

虽然交通运输系统韧性测度研究已受到科学家们相当程度的重视，但迄今为止仍未达成共识，由于研究者关注角度的多样性及研究需要的丰富性，其计算方式也存在一定差异。目前，大量研究围绕自然灾害及脆弱性评价展开，在测度方面也产生指标过多和过于综合化的现象，这使其逐渐成为更加宽泛的研究方向。同时，明确考虑未来条件不确定性的论文数量正逐步增加。基于此种情形，考虑系统一级性能的文章亦有增长。近年来，计算能力的提升使得灵敏度分析在更大范围内成为可能。但不可忽视的是，交通运输系统韧性测度研究仍面临着难于落地，难于实操的尴尬境地，这些都需要未来的研究者加以关注。

3 政策性建议

社会资源珍贵且有限，政府官员需在资源稀缺的现实窘境中最大限度地保障并提升交通运输系统韧性，寻求“交通系统建设发展”与“灾害”两者协同与平衡的关键点，并提出科学合理的政策、建立相关制度、技术标准及管理规程并保证有效实施，即对交通系统实施“韧性优化决策”。截止到目前，交通运输系统的韧性优化决策研究少见于文献，但一些先驱者已然发表了一些关于复杂网络韧性的优化决策研究成果。这些研究为交通系统韧性优化决策研究的深化及推进给予了有益参考。

1) 减缓措施:灾害生命周期通常包含4个阶段：减缓，准备，响应及恢复。减缓及准备阶段实施于灾难发生前，常用于预测灾害发生的可能性及其系统级影响、制定行动计划以减轻灾害等方面。响应及恢复阶段涉及实施旨在恢复系统性能至灾前水平或更好水平的灾后适应性行为。减缓工作通常以降低灾害发生概率或其后果的严重程度(即降低系统遭遇攻击的概率或降低攻击造成特定水平损伤的可能性)为第一要务。Reza Faturechi 等提出交通运输系统主要的减缓策略:①升级系统组件；②扩展系统范围(即包括新的链路或节点)；③增加现有系统元件的冗余度；或④定位及标记资源。公路堤防常常用于洪流致灾时的减缓措施。

2) 结构优化模型:① W. H. Ip. Member等在韧性和脆弱性评估的基础上，提出了一种基于韧性的交通网络结构优化模型；②Goodchild等人通过识别运输系统的脆弱环节，提出了系统失灵时能够持续运行并施展最大潜力的改造措施，制定了改善系统韧性的投资计划；③Heaslip等人将其创立的韧性定量评估框架应用于美国95号交通走廊，创造性地探索了韧性循环及运输网络满足社会需要的层级系统，并采用模糊指数分析方法，创立经济、个体、社会和恢复层次等相关韧性变量集以评估运输系统韧性；④Zobel基于执政者的偏好对不同韧性方法价值予以精准评估及预测；⑤Asha和Newth建议采用进化算法优化网络设计，从而获得更好的韧性。

3) 风险评估:①研究人员借助于空间地理信息系统开发了一套系统的道路网络风险评估方法，并通过经济分析和考量性能指标优先考虑缓解措施，增强交通韧性；②部分研究集中在如何通过空间道路风险评估方法、风险缓解的经济分析方法及现实背景下实现问题使其韧性得到改善。研究考虑了道路网络的韧性和通过考虑对社区重要的关键参数来改善韧性的框架；③P. Brabhaharan为道路网络中的不同链路设置目标韧性水平并将韧性差距评估为危险事件中可能的韧性与期望或目标韧性之间的差异，然后将这些措施纳入道路网络的战略资产管理；④Andrew Cox[12]等基于Rose[13-15]的综合经济韧性指标提出了一种用以确定客运系统对恐怖主义的抵御能力的运输系统韧性的运行指标。提供了一个考虑到认知在放大这些潜在风险中的重要作用的运输风险评估框架及一系列韧性促进策略。最后作者提出了一套具有前瞻性的评估运输系统的潜在韧性的恢复措施的建议。

4) 综合系统方法:①Aura Reggiani[16]提出了旨在将网络韧性概念整合到运输安全领域的通用概念框架。作者特别强调了关于连通性网络结构(如无标度网络)中韧性与脆弱性作用的方法论思考。还从经验、实践、社会经济网络、政策角度等方面概述了提高运输和通信网络韧性的操作措施；②Cadarso，Marn和Maroti研究了高速铁路大规模中断条件下，基于乘客出行变更的韧性综合优化问题等。

4 结论

提升运输系统韧性是实现城市经济、社会、生态可协调、健康、安全、持续发展的基础和重要准备。本文通过回顾国内外交通运输系统韧性的相关研究成果，阐述了韧性的概念源起、韧性理论的发展，进而深入阐述交通系统韧性概念的探索历程、梳理出交通系统韧性的定量评估研究方法，并以此为基础，以不同视角加以审视，关注专家学者对于韧性提升措施的研究。着眼于城市其独特环境特质及灾害种类，从不同侧面及全局视角研究交通运输系统韧性测度及提升策略，这一工作利于形成完善且系统的韧性思想。未来，应整合广阔学科的前沿方略及尖端科技，构建富有实效性的因地制宜的交通运输系统韧性系统。政府应给予一定的政策偏向及资金支撑，制定严格的法律规范，同时鼓励社会公民一同努力，以实现城市环境安全及建设发展协调共进。