城市軌道交通韌性運(yùn)行評(píng)價(jià)方法

楊欣，魏運(yùn)，肖驍，馬智傲，朱天雷，豆飛，吳建軍

（1.北京交通大學(xué) 先進(jìn)軌道交通自主運(yùn)行全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 技術(shù)創(chuàng)新研究院，北京 100044；3.交控科技股份有限公司，北京 100070）

0 引言

城市軌道交通憑借其運(yùn)輸準(zhǔn)時(shí)、運(yùn)量大、安全高效等優(yōu)勢(shì)，在滿(mǎn)足人民群眾交通出行、緩解城市交通擁堵、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用［1］。2014—2023 年，城市軌道交通經(jīng)歷了飛速發(fā)展，截至2022 年底，共有55 個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)總里程突破1萬(wàn)km。

但隨著運(yùn)營(yíng)規(guī)模的擴(kuò)大，高度的流動(dòng)性使城市軌道交通系統(tǒng)變得十分脆弱。自然災(zāi)害（如地震、颶風(fēng)）、社會(huì)公共安全事件（如恐怖襲擊、肺炎爆發(fā)）、設(shè)備故障（如電網(wǎng)失效、信號(hào)故障）等突發(fā)情況的出現(xiàn)，將會(huì)造成大量乘客的嚴(yán)重?fù)矶潞统鲂醒诱`，大大降低城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)效率［2］。減少突發(fā)事件造成的損失，保障可靠的運(yùn)輸服務(wù)，并快速高效地恢復(fù)至正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，對(duì)于城市軌道交通具有重要意義。2019 年8 月交通運(yùn)輸部印發(fā)《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)指標(biāo)框架》，明確提出“交通網(wǎng)韌性”發(fā)展指標(biāo)，重點(diǎn)考慮綜合運(yùn)輸通道、關(guān)鍵路段在突發(fā)事件下的可替代、可修復(fù)、抗災(zāi)毀能力。2022 年3 月，交通運(yùn)輸部發(fā)布《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》，“交通系統(tǒng)韌性”成為應(yīng)急保障的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在政策和行業(yè)需求雙重推動(dòng)下，建設(shè)城市軌道交通韌性網(wǎng)絡(luò)、保障城市軌道交通韌性運(yùn)行已成為必然趨勢(shì)。

1 定義及內(nèi)涵

韌性衍生于拉丁語(yǔ)“resilire”，意思是跳回原來(lái)狀態(tài)，最早被物理學(xué)家用來(lái)描述材料在外力作用下形變之后的復(fù)原能力。1973 年，Holling 首次將韌性（Resilience）引入生態(tài)系統(tǒng)，將韌性描述為生態(tài)系統(tǒng)在外部環(huán)境變化時(shí)持續(xù)運(yùn)行的能力［3］。2005 年，災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者將“韌性城市”的研究引入國(guó)內(nèi)，早期的研究主要關(guān)注魯棒性、適應(yīng)性、脆弱性等核心概念［4］。隨后，韌性被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市治理和企業(yè)組織等領(lǐng)域。韌性統(tǒng)籌考慮事故前的防護(hù)和事故后的恢復(fù)，是評(píng)估系統(tǒng)提供可靠服務(wù)能力的一個(gè)創(chuàng)新性指標(biāo)，有助于決策者科學(xué)地制定合理的優(yōu)化措施。

城市交通作為城市生存發(fā)展、“內(nèi)暢外聯(lián)”的命脈，其應(yīng)對(duì)和抵御氣候變化、自然災(zāi)害以及外部攻擊的能力至關(guān)重要。韌性交通需要預(yù)測(cè)和適應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境，具有較高的魯棒性和必要的冗余性，能承受、應(yīng)對(duì)突發(fā)事件并實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)。因此，將城市軌道交通韌性運(yùn)行定義為：城市軌道交通系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)干擾的全過(guò)程中能夠憑自身能力與即時(shí)反應(yīng)吸收干擾、減輕干擾損失，并通過(guò)合理的調(diào)配資源以從干擾中快速恢復(fù)過(guò)來(lái)，在附加資源充足時(shí)，甚至可恢復(fù)到超常狀態(tài)。

韌性運(yùn)行主要強(qiáng)調(diào)3種能力，吸收能力、抗毀能力和恢復(fù)能力（見(jiàn)圖1）。其中，吸收能力強(qiáng)調(diào)的是城市軌道交通系統(tǒng)在面臨擾動(dòng)時(shí)的可靠性，即面臨微小擾動(dòng)時(shí)將系統(tǒng)總體性能維持在一個(gè)基準(zhǔn)的水平，對(duì)系統(tǒng)造成的影響微乎其微甚至可以忽略不計(jì)?？箽芰?qiáng)調(diào)的是城市軌道交通系統(tǒng)面對(duì)外部沖擊或內(nèi)部擾動(dòng)的強(qiáng)大的抵御能力，即減少?zèng)_擊造成的影響并將性能損失控制在一定的區(qū)間內(nèi)。恢復(fù)能力強(qiáng)調(diào)的是城市軌道交通系統(tǒng)在突發(fā)事件后所展現(xiàn)的強(qiáng)大的恢復(fù)能力，即可能夠快速將系統(tǒng)性能恢復(fù)常規(guī)水平。

圖1 城市軌道交通韌性運(yùn)行的內(nèi)涵

城市軌道交通韌性運(yùn)行具有以下5個(gè)特征：

（1）魯棒性：城市軌道交通系統(tǒng)憑借自身的能力，在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)干擾的吸收能力，即較小干擾出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行；

（2）抗毀性：在干擾發(fā)生時(shí)，城市軌道交通系統(tǒng)通過(guò)自身的即時(shí)反應(yīng)，對(duì)干擾的抵御能力，減輕干擾帶來(lái)的損失；

（3）可恢復(fù)性：干擾發(fā)生后的快速恢復(fù)能力，通過(guò)合理的調(diào)配資源，城市軌道交通系統(tǒng)在干擾后較快地恢復(fù)到一定的功能水平，附加資源充足時(shí)，甚至可恢復(fù)到超常水平；

（4）自學(xué)習(xí)性：城市軌道交通系統(tǒng)能夠從過(guò)往的干擾事件中學(xué)習(xí)，提升對(duì)災(zāi)害的適應(yīng)能力；

（5）冗余性：城市軌道交通系統(tǒng)中關(guān)鍵的設(shè)施具有一定的備用模塊，當(dāng)干擾發(fā)生造成部分設(shè)施功能受損時(shí)，備用的模塊可以及時(shí)補(bǔ)充，整個(gè)系統(tǒng)仍能發(fā)揮一定水平的功能，而不至于徹底癱瘓。

在實(shí)際軌道交通運(yùn)營(yíng)中，韌性運(yùn)行同樣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，即在充分考慮城市軌道交通線網(wǎng)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理的列車(chē)運(yùn)行方案編制與調(diào)整、乘客出行策略引導(dǎo)與控制等手段，使得城市軌道交通系統(tǒng)在干擾事件前、事件中、事件后呈現(xiàn)出較強(qiáng)的吸收、抗毀及恢復(fù)能力。

2 研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)城市軌道交通韌性評(píng)價(jià)方法的研究成果較為豐富，通過(guò)對(duì)不同的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分類(lèi)，可以將其歸納為：拓?fù)浞治龇?、仿真模擬法、模型優(yōu)化法與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法這4種方法。

2.1 拓?fù)浞治龇?/h3>

拓?fù)浞治龇ㄊ腔趶?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征的分析。通過(guò)計(jì)算各項(xiàng)靜態(tài)拓?fù)渲笜?biāo)（如網(wǎng)絡(luò)效率、聚類(lèi)系數(shù)等），從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合的韌性評(píng)價(jià)。強(qiáng)添綱等［5］構(gòu)建了哈爾濱市交通網(wǎng)絡(luò)模型，并根據(jù)文中所提出的加權(quán)平均聚類(lèi)系數(shù)、加權(quán)平均節(jié)點(diǎn)度等指標(biāo)，通過(guò)蓄意攻擊與隨機(jī)攻擊2 種手段，分別評(píng)價(jià)了哈爾濱市多模式交通網(wǎng)絡(luò)、地面公交網(wǎng)絡(luò)、小汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)與城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的韌性，結(jié)果表明多模式交通網(wǎng)絡(luò)的韌性要高于單一網(wǎng)絡(luò)的韌性。Zhang 等［6］基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，提出一個(gè)針對(duì)超大型城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的韌性評(píng)估方法，對(duì)上海地鐵網(wǎng)絡(luò)的韌性進(jìn)行了有效度量，并針對(duì)不同的破壞情況制定了最優(yōu)的恢復(fù)策略。

拓?fù)浞治龇ǖ膬?yōu)點(diǎn)在于其所需要的數(shù)據(jù)較少，一般情況下只需要收集節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、邊權(quán)重、線路信息等數(shù)據(jù)，因此應(yīng)用較為簡(jiǎn)便，尤其是在評(píng)估新線建設(shè)對(duì)于路網(wǎng)韌性所造成的影響時(shí)。但是由于城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特殊性，導(dǎo)致該方法對(duì)于城市軌道交通日常運(yùn)行時(shí)的韌性刻畫(huà)能力較弱。因此，想要更為精確地刻畫(huà)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)韌性，往往需要更多的實(shí)際數(shù)據(jù)融合到評(píng)價(jià)方法中。

2.2 仿真模擬法

仿真模擬法通常是對(duì)一系列破壞情況進(jìn)行模擬（如最常見(jiàn)的隨機(jī)攻擊與蓄意攻擊），通過(guò)設(shè)置不同的仿真規(guī)則，計(jì)算出受破壞后網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，并借助多種定量指標(biāo)來(lái)綜合衡量網(wǎng)絡(luò)韌性的變化情況。馮春等［7］將拓?fù)浞治龇ㄅc仿真模擬法相結(jié)合，通過(guò)多角度的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)韌性評(píng)估指標(biāo)，分別對(duì)深圳、杭州、西安與鄭州的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)破壞場(chǎng)景下的韌性評(píng)估。該方法在一定程度上避免了拓?fù)浞治龇ǖ谋锥?，更為精確地刻畫(huà)了城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)韌性隨著不同站點(diǎn)破壞而產(chǎn)生的波動(dòng)。詹斌等［8］通過(guò)Space-L 方法，提出了一種考慮城市軌道交通線路實(shí)際距離值與站點(diǎn)間線路數(shù)量干擾的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)加權(quán)模型，針對(duì)武漢市軌道交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了建模，通過(guò)級(jí)聯(lián)失效仿真方法分析了網(wǎng)絡(luò)的脆弱性與魯棒性，為未來(lái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的防護(hù)提供了理論支撐。

仿真模擬法通常涉及到客流等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，因此其相較于拓?fù)浞治龇?，能夠更為真?shí)地反映出網(wǎng)絡(luò)的韌性變化情況。但目前尚未有一種較為普適性的仿真方法能夠應(yīng)用于各種場(chǎng)景，針對(duì)不同的破壞情況需要采用不同的仿真方法，因此如何構(gòu)建一種精準(zhǔn)刻畫(huà)城市軌道交通韌性變化的普適性方法在未來(lái)仍需深入研究。

2.3 模型優(yōu)化法

模型優(yōu)化法通常應(yīng)用于事前系統(tǒng)整體韌性?xún)?yōu)化提升，或是事后最優(yōu)恢復(fù)策略制定。通過(guò)構(gòu)建基于實(shí)際問(wèn)題的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型并對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解，得到優(yōu)化后的方案。孫楊等［9］對(duì)一個(gè)虛擬的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建立了scenario優(yōu)化模型與minmax優(yōu)化模型，綜合考慮了最小乘客總出行距離、最小乘客總換乘次數(shù)等因素，對(duì)確定與不確定需求2種情境下的乘客出行路徑選擇進(jìn)行了優(yōu)化，并驗(yàn)證了優(yōu)化前后網(wǎng)絡(luò)魯棒性的提升情況。曹志超等［10］以北京市城市軌道交通房山線為例，建立非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型，對(duì)相同OD 需求下的城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行圖計(jì)劃進(jìn)行了求解。通過(guò)綜合考慮列車(chē)到達(dá)時(shí)間、乘客需求、列車(chē)運(yùn)行圖擾動(dòng)等因素，使得優(yōu)化后的方案有效地減少了擾動(dòng)對(duì)于列車(chē)正常開(kāi)行的影響?？党缛实龋?1］在考慮了乘客限流控制的基礎(chǔ)上，以乘客平均等待時(shí)間最小化為目標(biāo)，綜合考慮行車(chē)條件約束、站臺(tái)容量約束與列車(chē)容量約束等因素，建立了客流控制策略與列車(chē)運(yùn)行圖協(xié)同優(yōu)化模型，對(duì)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)效率與韌性有著顯著地提升。

模型優(yōu)化法往往基于實(shí)際問(wèn)題建立抽象化的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)數(shù)學(xué)優(yōu)化手段獲得最優(yōu)解，目前已得到廣泛的應(yīng)用。但若想要較為精確地刻畫(huà)實(shí)際情況，則所建立的數(shù)學(xué)模型便會(huì)十分復(fù)雜，導(dǎo)致沒(méi)有精確式算法能夠求解或所耗成本過(guò)高，而啟發(fā)式算法難以獲得最優(yōu)解。因此，如何平衡模型的精確性與可解性仍是一個(gè)問(wèn)題。

2.4 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法是基于大量歷史客流、車(chē)流等多源數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法或與其他韌性評(píng)估方法相結(jié)合，對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)韌性進(jìn)行評(píng)估的一種新興方法。曲迎春等［12］基于北京市與深圳市的城市軌道交通乘客進(jìn)站刷卡數(shù)據(jù)，結(jié)合拓?fù)浞治龇ń⒘隧g性評(píng)估指標(biāo)，對(duì)兩座城市的軌道交通系統(tǒng)韌性進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明該方法對(duì)于城市軌道交通系統(tǒng)韌性評(píng)估更為有效。Yin 等［13］提出了一種基于知識(shí)圖譜和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的混合方法，利用北京市城市軌道交通的事故數(shù)據(jù)，最終對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)韌性進(jìn)行了綜合評(píng)估。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法結(jié)合了多源歷史真實(shí)數(shù)據(jù)，因此相較于其他方法能夠更為真實(shí)地反映出城市軌道交通運(yùn)營(yíng)狀況。但目前數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的底層原理尚不明確，且獲取真實(shí)數(shù)據(jù)較為困難，若能夠從更多的渠道獲取數(shù)據(jù)，將會(huì)為該方法的應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支撐。

3 未來(lái)研究展望

目前對(duì)于城市軌道交通韌性評(píng)估的主流研究方法仍存在短板，無(wú)法精準(zhǔn)刻畫(huà)系統(tǒng)韌性變化、數(shù)據(jù)獲取困難等問(wèn)題仍然存在。各類(lèi)評(píng)估方法韌性評(píng)估步驟見(jiàn)圖2。

圖2 各類(lèi)評(píng)估方法韌性評(píng)估步驟

因此，在未來(lái)的研究中，應(yīng)將諸如人工智能、深度學(xué)習(xí)、并行計(jì)算等新技術(shù)與當(dāng)前韌性評(píng)估方法進(jìn)行有機(jī)融合，從多方面、多角度、多層次綜合評(píng)估事前、事中與事后的系統(tǒng)韌性變化，提升網(wǎng)絡(luò)整體魯棒性與抗毀性、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)冗余性、使得網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)性與可恢復(fù)性得到改善。基于此，將未來(lái)主要研究方向總結(jié)如下：

（1）基于多源數(shù)據(jù)的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)韌性評(píng)估。使用真實(shí)多源數(shù)據(jù)能夠更為真實(shí)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)韌性變化情況，提升評(píng)價(jià)方法準(zhǔn)確度。因此，如何獲取多源數(shù)據(jù)，并綜合考慮各種因素對(duì)韌性的影響極為重要。

（2）多場(chǎng)景下的列車(chē)運(yùn)行圖優(yōu)化。列車(chē)運(yùn)行圖優(yōu)化對(duì)于提升城市軌道交通日常運(yùn)行抗干擾性有著極為重要的意義，但針對(duì)特定場(chǎng)景的運(yùn)行圖優(yōu)化研究仍存在空白，如何針對(duì)不同的場(chǎng)景制定不同的列車(chē)運(yùn)行圖方案對(duì)于未來(lái)城市交通精細(xì)化管理有著重要的意義。

（3）韌性導(dǎo)向的新線路最優(yōu)設(shè)計(jì)。城市軌道交通進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，許多城市通過(guò)新建線路提升公共交通的便捷性。如何從網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，通過(guò)事前評(píng)估構(gòu)建韌性較高的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)，對(duì)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)久規(guī)劃有著重要的指導(dǎo)意義。

（4）面向韌性提升的路網(wǎng)層面客流車(chē)流耦合優(yōu)化。突破客流和車(chē)流單獨(dú)管理的固有模式，將客流車(chē)流耦合優(yōu)化，能夠有效維持良好的服務(wù)水平，確保城市軌道交通系統(tǒng)日常運(yùn)營(yíng)時(shí)具有較強(qiáng)的吸收能力、抗毀能力以及恢復(fù)能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)地對(duì)城市軌道交通韌性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，首先從城市軌道交通運(yùn)行的特點(diǎn)出發(fā)，給出了城市軌道交通韌性運(yùn)行的定義，并總結(jié)了韌性運(yùn)行的五大特征，即：魯棒性、抗毀性、可恢復(fù)性、自學(xué)習(xí)性與冗余性。然后對(duì)現(xiàn)有研究中的韌性評(píng)估方法進(jìn)行了分類(lèi)總結(jié)，將其劃分為拓?fù)浞治龇ā⒎抡婺M法、模型優(yōu)化法與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法4個(gè)大類(lèi)，最終對(duì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望。研究成果對(duì)城市軌道交通韌性評(píng)估方法的總結(jié)不僅對(duì)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)理論提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)公路、航空、鐵路等其他交通方式也有著重要參考意義。