戢曉峰,謝 軍,伍景瓊
(1.昆明理工大學(xué) 交通工程學(xué)院,云南 昆明 650504; 2.云南省現(xiàn)代物流工程研究中心,云南 昆明 650504)
高速公路作為城際間的主要聯(lián)系方式,具有較高的暴露性,故路網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)常受惡劣天氣、地理環(huán)境等影響,運(yùn)行狀態(tài)容易受外界干擾,造成巨大損失[1]。隨著高速公路網(wǎng)的日益完善,如何科學(xué)評(píng)估路網(wǎng)遭受侵?jǐn)_時(shí)的運(yùn)行狀態(tài),受到學(xué)界和管理者的高度關(guān)注?,F(xiàn)有研究已基于交通數(shù)據(jù)、路網(wǎng)特性及外部環(huán)境等進(jìn)行分析。沈強(qiáng)[2]基于高速公路收費(fèi)數(shù)據(jù),構(gòu)建了平均速度、行駛時(shí)間指數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)高速公路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行表示;張續(xù)光等[3]以重慶霧季交通和天氣數(shù)據(jù)為依據(jù),分析了霧天的氣象條件對(duì)高速公路交通運(yùn)行狀態(tài)的影響;高靜如[4]考慮霧出現(xiàn)的頻率和嚴(yán)重程度,建立了高速公路霧災(zāi)害嚴(yán)重影響程度指數(shù)計(jì)算模型,確定了路網(wǎng)的關(guān)鍵路段與次關(guān)鍵路段;Granas[5]基于計(jì)量經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)方程模型,以挪威北部高速公路為例,分析惡劣天氣下高速公路網(wǎng)交通量的變化;胡建榮[6]基于點(diǎn)突變理論的交通流模型,引入大車混入率作為模型改進(jìn)參數(shù),模擬實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)以獲得不同交通流的判別標(biāo)準(zhǔn);El-Rashidy等[7]基于模糊邏輯和窮舉搜索優(yōu)化方法,計(jì)算了高速公路網(wǎng)絡(luò)不同場(chǎng)景下脆弱性水平的變化。然而,現(xiàn)有研究未能從路網(wǎng)本身應(yīng)對(duì)侵?jǐn)_的演變屬性出發(fā),鮮有考慮系統(tǒng)遭受侵?jǐn)_后的適應(yīng)性與恢復(fù)性,而這兩者是交通參與者和管理者關(guān)注的重點(diǎn),更是系統(tǒng)評(píng)價(jià)路網(wǎng)狀態(tài)的重要基礎(chǔ)。
隨著高速公路的迅速普及,如何降低路網(wǎng)自身脆弱性并提升路網(wǎng)面對(duì)突發(fā)事件的恢復(fù)能力受到學(xué)者的關(guān)注。具備恢復(fù)特質(zhì)的“韌性”概念與系統(tǒng)科學(xué)結(jié)合后,學(xué)者提出了“韌性路網(wǎng)”的概念。如Loannis[8]基于美國(guó)多橋梁高速路段,提出了1種識(shí)別路網(wǎng)脆弱性和恢復(fù)能力的韌性評(píng)估模型;Simeon等[9]考慮路網(wǎng)的恢復(fù)能力,提出了鏈路性能指數(shù)韌性,評(píng)估單個(gè)路段的韌性水平。上述研究雖然考慮了路網(wǎng)的恢復(fù)性,基于韌性理論研究了實(shí)際路網(wǎng),但韌性評(píng)估方法較為簡(jiǎn)化,難以深層次分析路網(wǎng)的具體狀態(tài)傾向。針對(duì)高速公路韌性評(píng)估指標(biāo)較為單一且缺乏系統(tǒng)性的問(wèn)題,本文考慮高速公路系統(tǒng)遭受災(zāi)害后的自然演變過(guò)程和交通流的基本特征,基于韌性理論多維度評(píng)估高速公路網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。從抵抗災(zāi)害能力、適應(yīng)能力、恢復(fù)能力3個(gè)維度構(gòu)建模型,以路段方差表示全路網(wǎng)的抗毀性分布,以路段平均速度表示適應(yīng)能力與恢復(fù)能力,通過(guò)三維空間向量計(jì)算韌性模,提出高速公路韌性評(píng)估方法,并以滇西山區(qū)高速公路為例進(jìn)行論證。
1973年,Holling[10]將韌性概念引申到生態(tài)學(xué) ,隨后經(jīng)歷了2次較大的概念拓展,學(xué)者共同認(rèn)為韌性可以反映系統(tǒng)應(yīng)對(duì)侵?jǐn)_時(shí)以及侵?jǐn)_過(guò)后恢復(fù)到原始狀態(tài)的過(guò)程或者能力[11]。韌性分為系統(tǒng)面對(duì)侵?jǐn)_的抵御能力、吸收能力與恢復(fù)能力[12]。以公路為研究對(duì)象的案例研究中,多認(rèn)為韌性反映路網(wǎng)應(yīng)對(duì)災(zāi)害的固有能力和在特定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常狀態(tài)或者服務(wù)水平的能力[9,13]。高速公路運(yùn)行時(shí),其交通流量具有隨機(jī)性、動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性特征。高速公路韌性可定義為:高速公路的某路段或路徑遭受災(zāi)害、事故等侵?jǐn)_時(shí)部分功能喪失后,恢復(fù)到其正常服務(wù)水平并保持正常運(yùn)行狀態(tài)的能力。分析高速公路遭受侵?jǐn)_時(shí)的演變過(guò)程,為高速公路運(yùn)營(yíng)組織提供依據(jù)。
脆弱性、可靠性等理論也可進(jìn)行高速公路系統(tǒng)狀態(tài)或者運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估,主要評(píng)估高速公路網(wǎng)受干擾的概率,而韌性更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)侵?jǐn)_以及恢復(fù)過(guò)程,如表1所示。
表1 理論內(nèi)涵對(duì)比Table 1 The comparison of theoretical connotation
本文依據(jù)上述高速公路網(wǎng)韌性分析,提出高速公路的韌性評(píng)估框架。以路網(wǎng)系統(tǒng)遭受影響的內(nèi)外因素作為指標(biāo),通過(guò)三維空間向量計(jì)算韌性值,如圖1所示。
本文主要通過(guò)路段速度差、貨車比例、氣象環(huán)境指數(shù)等指標(biāo)表征吸收能力,根據(jù)路段平均速度的比例表征適應(yīng)能力和恢復(fù)能力,從吸收能力、適應(yīng)能力、恢復(fù)能力3個(gè)方面構(gòu)建高速公路韌性評(píng)估模型。
吸收能力是路網(wǎng)抵抗災(zāi)害、避免崩潰且能夠恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。高速公路的運(yùn)行狀態(tài)易受交通流狀態(tài)影響,而交通流波動(dòng)致因一般為氣象、運(yùn)營(yíng)等環(huán)境變化。
圖1 高速公路韌性評(píng)估框架Fig.1 The resilience evaluation framework of expressway
因此,通過(guò)表示描述高速公路氣象環(huán)境與運(yùn)營(yíng)環(huán)境以表征高速公路的吸收能力。本文以路段為基本單元,計(jì)入氣象環(huán)境指數(shù)、運(yùn)行速度差、貨車比例與路網(wǎng)抗毀性[16]的影響,構(gòu)建路段重要度模型,量化高速公路韌性的吸收能力。路段重要度指標(biāo)考慮了每個(gè)路段方差分布的均衡程度,方差分布越均衡,路網(wǎng)面對(duì)隨機(jī)失效時(shí)抗毀能力越強(qiáng)[17],計(jì)算公式為:
(1)
式中:Wi(t)為t時(shí)刻第i種重要度的方差;m為重要度指標(biāo)的數(shù)量。
VDej(t)=VAej-Vdej
(2)
式中:VDej(t)為t時(shí)刻路段ej的速度差;VAej為t時(shí)刻路段ej上車輛的平均行駛速度,km/h;Vdej為路段ej的設(shè)計(jì)速度,km/h。
(3)
式中:TSej(t)為t時(shí)刻路段ej的貨車比例;Qtej(t)為t時(shí)刻路段ej的貨車流量;Qej(t)為t時(shí)刻路段ej的交通流量。
EIej(t)=VIej(t)+CIej(t)
(4)
式中:EIej(t)為t時(shí)刻路段ej氣象環(huán)境指數(shù);VIej(t)為t時(shí)刻路段ej能見(jiàn)度指數(shù);CIej(t)為t時(shí)刻路段ej路面條件指數(shù)。
適應(yīng)能力是路網(wǎng)在面臨災(zāi)害或者超出系統(tǒng)閾值時(shí),系統(tǒng)發(fā)生自我重組以適應(yīng)環(huán)境,并加速系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。高速公路受干擾時(shí)通常車速降低,進(jìn)而導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)斷面通過(guò)的流量減少。因此,可以用路段上平均車速的變化來(lái)描述高速公路的適應(yīng)能力。為確保模型的實(shí)用性,需要進(jìn)行車速區(qū)間的劃分,進(jìn)而得到適應(yīng)能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算公式如下:
(5)
式中:Tnej(t)為t時(shí)刻研究路段中處于平均車速較低區(qū)間路段ej的時(shí)間,h;n為路段數(shù)量;Tej(t)為研究路段中t時(shí)刻路段總數(shù)。
恢復(fù)能力是高速公路遭到侵?jǐn)_后從較低的服務(wù)水平恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)的能力。高速公路在調(diào)整適應(yīng)現(xiàn)有環(huán)境后,開(kāi)始從侵?jǐn)_后的較低狀態(tài)逐漸恢復(fù)到正常服務(wù)水平,以運(yùn)行狀態(tài)改變所花費(fèi)的時(shí)間為指標(biāo)反映高速公路運(yùn)行狀態(tài)的恢復(fù)過(guò)程。以每個(gè)路段從較低平均車速恢復(fù)到較高平均車速的時(shí)間作為基礎(chǔ),以處于較高服務(wù)水平的路段數(shù)與總路段數(shù)的比值表示高速公路的恢復(fù)能力,計(jì)算公式如下:
(6)
式中:Pkej(t)為t時(shí)刻路段eij處于較高服務(wù)水平的時(shí)間,s;k為較高服務(wù)水平的路段數(shù);Pej(t)為t時(shí)刻的路段總數(shù)。
吸收能力、適應(yīng)能力與恢復(fù)能力共同表示系統(tǒng)狀態(tài),因此,通過(guò)將三者納入同一坐標(biāo)系,計(jì)算模數(shù)實(shí)現(xiàn)高速公路韌性的測(cè)度。由于吸收能力、適應(yīng)能力為逆向指標(biāo),恢復(fù)能力為正向指標(biāo),需對(duì)吸收能力與適應(yīng)能力進(jìn)行正向化處理,計(jì)算公式如下:
(7)
式中:lg為某一個(gè)指標(biāo)中的第g個(gè)值;lmin為該指標(biāo)中某時(shí)刻最小的值。
(8)
圖2 高速公路韌性模的示意Fig.2 Schematic diagram of resilience vector modulus for expressway
經(jīng)上述方法得出的標(biāo)量韌性值,可綜合反映高速公路某時(shí)段某研究單元的運(yùn)行狀態(tài),標(biāo)量大小與狀態(tài)好壞呈正相關(guān)。研究區(qū)域的韌性強(qiáng)弱由抵抗能力、吸收能力、適應(yīng)能力共同決定,韌性值大小總體上可反映某時(shí)刻路網(wǎng)遭受外界侵?jǐn)_后其運(yùn)行狀態(tài)的恢復(fù)穩(wěn)定的能力,而3種能力大小可分別表示不同研究單元同時(shí)段、同一研究單元不同時(shí)段的具體運(yùn)行狀態(tài),可從不同尺度、動(dòng)靜結(jié)合等角度反映研究單元或區(qū)域高速公路的運(yùn)行狀態(tài)。
案例區(qū)域?yàn)樵颇鲜「咴絽^(qū)的杭瑞高速(G56)云南段和大(理)麗(江)高速公路(G5611)部分。該高速公路是滇中與滇西聯(lián)系交流的主干線,也是目前從滇中至滇西的唯一高速公路通道,其地理環(huán)境如圖3所示。所選高速公路走勢(shì)呈“Y”型,途徑云南省昆明市、楚雄州、大理州、保山市、德宏州、麗江市6個(gè)城市,里程數(shù)占全省里程數(shù)20%,海拔分布在1 972~2 621 m。為采集高速公路運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),利用實(shí)際布設(shè)的18個(gè)交通流監(jiān)測(cè)站點(diǎn)構(gòu)建了17個(gè)路段,并抽象為簡(jiǎn)單無(wú)向拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),如圖4所示。高速公路交通流實(shí)時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)由交調(diào)站點(diǎn)采集,本文主要提取路段流量、平均車速、貨車流量等數(shù)據(jù)。
圖3 研究路段的地理環(huán)境Fig.3 The geographical environment of research sections
圖4 研究路段示意Fig.4 Schematic diagram of research sections
按照車型分類及折算系數(shù)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)車型進(jìn)行折算,標(biāo)準(zhǔn)車折算系數(shù)如表2所示。查詢相關(guān)設(shè)計(jì)資料,考慮相關(guān)路段的設(shè)計(jì)速度和高原路段運(yùn)行實(shí)際狀態(tài),本文以80 km/h作為區(qū)間的劃分界限,如表3所示。將計(jì)算方差后的值進(jìn)行歸一化處理,使得結(jié)果處于[0,1]之間,便于結(jié)果分析。研究區(qū)域的歷史天氣狀況通過(guò)網(wǎng)絡(luò)氣象軟件查詢獲取,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[18]和氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出氣象環(huán)境指數(shù)。
表2 不同車型折算系數(shù)Table 2 Conversion coefficient of different vehicle types
表3 車速區(qū)間劃分Table 3 Speed interval partition
云南省高原山區(qū)高速公路的侵?jǐn)_因素主要為惡劣天氣和重大節(jié)假日旅游。本文分別對(duì)惡劣天氣、重大節(jié)假日、常規(guī)運(yùn)行3種場(chǎng)景下的高速公路韌性進(jìn)行評(píng)估,如表4所示。
表4 研究場(chǎng)景相關(guān)特征Table 4 Characteristics of research scenarios
利用提取的路段平均速度計(jì)算基礎(chǔ)場(chǎng)景的平均速度為52.46 km/h,侵?jǐn)_場(chǎng)景一的平均速度為61.75 km/h,侵?jǐn)_場(chǎng)景二的平均速度為55.41 km/h,如圖5~7所示。利用提取的路段流量,監(jiān)測(cè)站點(diǎn)所測(cè)定的基礎(chǔ)場(chǎng)景的流量總數(shù)為354 955輛,侵?jǐn)_場(chǎng)景一的流量總數(shù)為538 469輛,侵?jǐn)_場(chǎng)景二的流量總數(shù)為391 444輛,如圖8~10所示。
圖5 基礎(chǔ)場(chǎng)景下的平均運(yùn)行速度Fig.5 Average operating speed under basic condition
圖6 侵?jǐn)_場(chǎng)景一的平均運(yùn)行速度Fig.6 Average running speed under intrusive condition one
圖7 侵?jǐn)_場(chǎng)景二的平均運(yùn)行速度Fig.7 Average operating speed under intrusive condition two
圖8 基礎(chǔ)場(chǎng)景下的平均流量Fig.8 Average flow under basic condition
圖9 侵?jǐn)_場(chǎng)景一的平均流量Fig.9 Average traffic flow under intrusive condition one
圖10 侵?jǐn)_場(chǎng)景二的平均流量Fig.10 Average flow under intrusive condition two
3種場(chǎng)景中,夜間的速度與流量明顯低于白天?;A(chǔ)場(chǎng)景內(nèi)0~9時(shí)、19~24時(shí)2個(gè)時(shí)段的路段平均速度波動(dòng)較大,如圖4所示。侵?jǐn)_場(chǎng)景一路段平均速度最大值與最小值趨于平穩(wěn),波動(dòng)范圍為42~64 km/h;侵?jǐn)_場(chǎng)景二內(nèi)的平均速度最小值偏低,均值約在20 km/h,波動(dòng)范圍為60~96 km/h,表明侵?jǐn)_場(chǎng)景二相對(duì)于侵?jǐn)_場(chǎng)景一對(duì)整個(gè)路網(wǎng)影響大。相較于基礎(chǔ)場(chǎng)景,侵?jǐn)_場(chǎng)景二白天的流量較低,而侵?jǐn)_場(chǎng)景一白天的流量明顯升高。
場(chǎng)景的變換對(duì)高速公路重要路段的速度影響較為明顯,且侵?jǐn)_場(chǎng)景一的流量沖擊影響路段運(yùn)行的穩(wěn)定性,而侵?jǐn)_場(chǎng)景二降低了高速公路的總體運(yùn)行速度。在7~20時(shí)段內(nèi),基礎(chǔ)場(chǎng)景平均速度為66.83 km/h,侵?jǐn)_場(chǎng)景一平均速度為63.68 km/h,相較于基礎(chǔ)場(chǎng)景下降4.7%,侵?jǐn)_場(chǎng)景二的平均速度為60.51 km/h,相較于基礎(chǔ)場(chǎng)景下降9.5%,表明平均速度隨著侵?jǐn)_程度的加深逐漸下降。同時(shí),由圖5~7可知,相對(duì)于基礎(chǔ)場(chǎng)景,侵?jǐn)_場(chǎng)景一各路段平均速度的離散化程度顯著增大,而侵?jǐn)_場(chǎng)景二各路段的平均速度整體較低。說(shuō)明侵?jǐn)_場(chǎng)景一的沖擊使得高速公路路段平均速度的穩(wěn)定性下降,而侵?jǐn)_場(chǎng)景二降低了各路段的整體速度。
分別計(jì)算3種場(chǎng)景不同時(shí)間的路網(wǎng)韌性模,對(duì)具有明顯韌性特征的吸收、恢復(fù)、適應(yīng)能力進(jìn)一步分析,得出路網(wǎng)韌性的內(nèi)部狀態(tài)。
根據(jù)所建立的評(píng)估方法對(duì)高速公路的韌性值進(jìn)行測(cè)算,如圖11所示。相對(duì)于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài),惡劣天氣與重大節(jié)假日均對(duì)高速公路韌性有明顯影響。常規(guī)運(yùn)行時(shí)段內(nèi),路網(wǎng)韌性在19~20時(shí)段內(nèi)最好,其余時(shí)段總體呈小幅增長(zhǎng)趨勢(shì),而重大節(jié)假日與惡劣天氣下的路網(wǎng)韌性呈波動(dòng)狀分布。常規(guī)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)韌性值最大與最小差值為0.53,研究時(shí)段內(nèi)韌性值方差為0.024;重大節(jié)假日內(nèi)韌性值最大與最小差值為0.74,研究時(shí)段內(nèi)韌性值方差為0.046;惡劣天氣內(nèi)最大與最小差值為0.70,研究時(shí)段內(nèi)韌性值方差為0.027。相比之下,惡劣天氣與重大節(jié)假日?qǐng)鼍跋侣肪W(wǎng)的韌性值波動(dòng)較大,且重大節(jié)假日路網(wǎng)的穩(wěn)定性更差,惡劣天氣的韌性總體較低,如圖11所示。
圖11 3種場(chǎng)景下的高速公路韌性模分布Fig.11 The distribution of resilience modulus of expressway in 3 conditions
相較于常規(guī)運(yùn)行時(shí)段,17~22時(shí)段內(nèi)重大節(jié)假日路網(wǎng)的整體韌性更強(qiáng)。在重大節(jié)假日以出游為目的的交通流具有一定的集聚特性。由圖8可知,隨著重大節(jié)假日交通流從17時(shí)開(kāi)始下降,其韌性逐漸上升,上升幅度高于常規(guī)運(yùn)行時(shí)段,表明突發(fā)交通流的變化直接明顯地作用于路網(wǎng)整韌性,影響呈負(fù)相關(guān)。
1)相較于惡劣天氣,重大節(jié)假日和常規(guī)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)的吸收能力較強(qiáng)。重大節(jié)假日白天的吸收能力整體較弱且處于波動(dòng)狀態(tài),此時(shí)段路網(wǎng)的抗毀性較差;常規(guī)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)夜間的吸收能力較弱,7~19時(shí)段內(nèi),其吸收能力整體高于節(jié)假日,表明白天節(jié)假日的高流量致使高速公路運(yùn)行性能有所下降,如圖12所示。
圖12 3種場(chǎng)景的吸收能力Fig.12 Absorptive capacity of 3 conditions
2)3種場(chǎng)景晚夜間時(shí)段的適應(yīng)能力均低于白天。惡劣天氣時(shí),韌性整體呈現(xiàn)白天高夜間低的趨勢(shì),但整個(gè)時(shí)段內(nèi)適應(yīng)能力較低;重大節(jié)假日相較于常規(guī)運(yùn)行時(shí)段,夜間的適應(yīng)能力稍強(qiáng),白天較弱。相比之下,重大節(jié)假日的交通流使得路網(wǎng)整體的適應(yīng)能力有所下降,惡劣天氣致使整個(gè)路網(wǎng)的適應(yīng)能力處于較低的水平,如圖13所示。
圖13 3種場(chǎng)景的適應(yīng)能力Fig.13 Adaptive capacity of 3 conditions
3)相較于常規(guī)運(yùn)行時(shí)段,惡劣天氣和重大節(jié)假日的恢復(fù)能力波動(dòng)較大。常規(guī)運(yùn)行時(shí)段恢復(fù)能力波動(dòng)較?。恢卮蠊?jié)假日相較于惡劣天氣,平均值為0.13,高于惡劣天氣的0.10,最大最小差值為0.29,高于惡劣天氣的0.18。相比之下,重大節(jié)假日恢復(fù)能力的穩(wěn)定性較差,惡劣天氣恢復(fù)能力受外界影響較大,白晝具有明顯的時(shí)段性特征,如圖14所示。
圖14 3種場(chǎng)景的恢復(fù)能力Fig.14 Restorative capacity of 3 conditions
1)在3種場(chǎng)景中,夜間的速度與流量均小于白天,且重大節(jié)假日的穩(wěn)定性在流量沖擊下變差,惡劣天氣下的路網(wǎng)運(yùn)行速度整體下降,表明路網(wǎng)的交通特征變化符合場(chǎng)景的變化。
2)相對(duì)于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài),重大節(jié)假日高速公路韌性的穩(wěn)定性較差,反映出整體抵抗能力較差;惡劣天氣高速公路韌性的整體水平較低,反映出路網(wǎng)的3種能力水平均較差。
3)3種場(chǎng)景中,惡劣天氣的吸收能力與適應(yīng)能力均較低,但恢復(fù)能力隨著天氣的變化呈現(xiàn)波動(dòng)的變化趨勢(shì);白天時(shí)段常規(guī)運(yùn)行場(chǎng)景中,吸收能力、適應(yīng)能力均強(qiáng)于重大節(jié)假日。
4)本文的不足在于未將車道數(shù)、區(qū)間限速等因素納入評(píng)估,上述不足在未來(lái)的研究中均可進(jìn)一步探索。