公共交通系统的脆弱性评估与控制策略研究

摘要

公共交通系统是指为社会物资运输和居民出行提供公共交通服务的各种工程设施的总称。我国幅员辽阔、人口众多，公共交通系统在社会经济与国民生活中都占有重要地位。同时我国地形、气象条件复杂，洪水、地震等自然灾害频发，公共交通系统经常受到各种灾害的影响。因此研究公共交通系统的脆弱性及其相应的脆弱性控制策略，是关系到国计民生的重要课题。本文以公共交通系统为研究对象，研究其脆弱性的分析方法及控制策略，并运用研究成果对我国的铁路系统、航空系统，武汉市的地铁系统和公交系统的脆弱性进行实证分析。
　　本文将公共交通系统的脆弱性定义为系统在遭受某类灾害时系统性能的下降幅度。基于此定义，本文提出了一个公共交通系统的脆弱性分析框架，即系统的脆弱性分析可以通过以下四个步骤展开：首先利用网络模型对公共交通系统进行建模；其次对各类灾害(洪水、地震等)进行建模，并给出各类公共交通系统组件的脆弱性函数，用来判断特定灾害情境下系统组件的受损情况；第三，确定公共交通系统的系统性能指标，并结合组件的受损情况，计算系统脆弱性(系统性能的下降幅度)，这里脆弱性的值是系统在多个灾害情境下脆弱性的平均值；第四，设计公共交通系统灾前维护策略，并且评估不同的维护策略在降低系统脆弱性方面的效果。
　　洪水和地震是我国常见的两类自然灾害，多年来对我国的公共交通系统造成了巨大的损失。例如，1991年淮河特大洪水造成皖赣等铁路线上运行的列车中断达3200多小时；2008年汶川大地震中，18条共计6587km营业里程的铁路受到地震灾害的影响。本文搜集了这两类自然灾害的历史数据(用以建立相应的灾害模型)，以中国铁路系统为例，运用上述脆弱性分析框架研究了铁路系统在洪水和地震这两类自然灾害下的脆弱性及相应的脆弱性控制策略。
　　公共交通系统并不是孤立存在的，不同系统之间既存在竞争关系也存在互补关系。例如铁路系统和航空系统都是居民长途出行时可选的交通方式，平日里这两类系统通过票价、舒适性以及运行时间等方式竞争旅客；而在春节之类的客运高峰，这两类系统则互为补充，合力将旅客送往目的地。从脆弱性的角度看，互补关系对系统的影响更大。当某一类交通系统出现故障时，互补的另一类系统能够为旅客提供相似的运输服务，即互补关系有利于降低公共交通系统的脆弱性。作为对单一公共交通系统脆弱性分析的扩展，本文进一步考虑了公共交通系统之间的互补关系对系统脆弱性的影响，并以两个层次的互补公共交通系统为例(国家层次的铁路系统和航空系统，以及城市层次的地铁系统和公交系统)，分析了互补公共交通系统的脆弱性。
　　本文在研究国家层次的互补公共交通系统脆弱性时，是以系统在区域攻击下的脆弱性为例进行探讨的。本质上说，洪水和地震灾害都可以看做是区域攻击的一种特殊的形式，包括炸弹袭击、极端气候等在内的很多灾害都可以抽象成特定类型的区域攻击，即区域内的系统组件同时遭到破坏。对公共交通系统在区域攻击下的脆弱性分析，是对其在自然灾害下脆弱性分析的进一步扩展。
　　虽然本文主要以洪水、地震以及区域攻击等灾害下的公共交通系统为例来说明脆弱性分析框架的运用，但该框架也可以用来分析公共交通系统在其他类型灾害下的脆弱性，例如飓风、泥石流、暴雨等，只需建立相应的灾害模型并给出交通系统组件在特定灾害下的脆弱性函数即可。本文关于公共交通系统脆弱性的分析以及脆弱性控制策略的讨论，可以为主管部门制定公共交通系统维护方案提供决策支持，提高决策的科学性与有效性。

目录

声明

1 引言

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 文献综述

1.4 研究内容

2 公共交通系统脆弱性分析框架

2.1 整体框架介绍

2.2 公共交通系统网络建模

2.3 灾害及组件脆弱性建模

2.4 公共交通系统脆弱性评估

2.5 公共交通系统脆弱性控制策略

2.6 小结

3 单一公共交通系统的脆弱性评估与控制策略策略

3.1 研究对象与灾害类型的选取

3.2 铁路系统在洪水灾害下脆弱性的评估

3.3 铁路系统在洪水灾害下的维护策略研究

3.4 铁路系统在地震灾害下脆弱性的评估

3.5 铁路系统在地震灾害下的维护策略研究

3.6 本章小结

4 互补公共交通系统的脆弱性评估与控制策略

4.1 研究对象与灾害类型的选取

4.2 国家互补公共交通系统网络模型

4.3 国家互补公共交通系统脆弱性分析模型

4.4 国家互补公共交通系统脆弱性分析数值实验

4.5 城市互补公共交通系统网络模型

4.6 城市互补公共交通系统脆弱性分析模型

4.7 城市互补公共交通系统脆弱性分析数值实验

4.8 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

附录 A

参考文献

附录1 攻读博士学位期间公开发表或撰写的学术论文

附录2 公开发表或撰写的学术论文与学位论文章节对应关系