从不同尺度评估城市交通流网络的韧性：以深圳为例

多尺度框架评估深圳都市流动性流网络韧性，揭示关键节点和边的动态影响及跨尺度脆弱性差异。

林超李|邦星李|梁建忠

极端环境下绿色与长寿道路工程国家重点实验室（深圳），深圳大学，中国广东省深圳市518060

摘要

城市交通流动网络对于确保城市的功能效率、支持人员、货物和服务的流动至关重要。然而，这些网络越来越容易受到极端天气事件、交通事故和系统故障等因素造成的中断影响。本研究提出了一个多尺度框架来评估城市交通流动网络的韧性，以深圳作为案例研究。通过从宏观、中观和微观层面评估韧性，研究了不同空间尺度上的中断影响和恢复过程。主要发现表明，一小部分高度节点和高权重边对网络性能有显著影响，它们的移除会导致网络性能迅速下降，但在恢复后也能快速恢复。分析还表明，度中心性、介数中心性和特征向量中心性等中心性指标对于评估城市交通系统的韧性具有参考价值。在宏观层面上，度中心性节点和基于权重的边表现出最快的故障和恢复动态，而特征向量中心性则确保了更稳定的长期恢复。中观和微观层面的分析强调了本地连通性的重要性，并表明中心区域的韧性比周边区域更强。所提出的方法能够在多个尺度上评估城市交通流动网络的韧性。

引言

城市交通指的是在城市环境中使用步行、骑行、私人车辆、公共交通（公交车、地铁、有轨电车）以及共享出行服务（如打车和共享单车）等方式进行的人员、货物和服务的流动。城市交通系统的效率和可靠性对于维持城市的日常功能至关重要[1]、[2]。这些系统的基础是道路交通基础设施，它为大多数出行提供了核心的物理基础设施，并在塑造整体交通性能方面发挥着关键作用[3]、[4]。因此，良好的道路交通基础设施对于提高可达性和减少拥堵至关重要，其抵御和从中断中恢复的能力对于城市的可持续性和生活质量至关重要[5]、[6]、[7]。

随着城市的不断增长，城市交通系统的复杂性也在增加。人口增长、快速的城市化以及对更多交通方式的需求给现有基础设施带来了巨大压力[8]、[9]、[10]、[11]。此外，城市交通系统越来越容易受到各种威胁其可靠性的风险的影响。例如，气候变化导致风暴、洪水和热浪等极端天气事件更加频繁和剧烈，这些都会严重扰乱交通网络[12]。此外，经济冲击（如全球金融危机或COVID-19大流行）可能导致需求突然下降、出行行为改变以及交通运营中断。这些挑战凸显了城市交通系统需要具备韧性，能够在中断期间保持功能并在发生故障时迅速恢复[13]、[14]。

城市交通流动网络的韧性是指交通系统吸收冲击、适应意外中断并迅速恢复以维持功能的能力[15]。这是一个关键概念，以确保城市交通系统即使在不利条件下也能继续发挥其基本作用。具有韧性的交通流动网络可以最小化服务中断并迅速恢复正常运行，从而保护城市的社会、经济和环境功能。越来越多的研究使用复杂网络方法来量化韧性，通过模拟节点或链接的移除并跟踪基于连通性的指标（如巨连通分量）的变化[16]、[17]。然而，许多研究只分析中断的一个阶段。在即时响应阶段，通过检查网络性能在故障下的下降情况来评估鲁棒性；在随后的恢复阶段，通过不同恢复策略下性能恢复的速度和有效性来评估脆弱性[18]。因此，完整的故障-恢复周期很少被明确建模。此外，大多数现有研究只考虑单一的空间尺度[19]。在宏观层面上，分析整个城市范围的网络以评估全局连通性、整体鲁棒性和高度中心节点和链接的作用[20]。这种视角提供了关于系统级故障模式的重要见解，但它往往掩盖了局部异质性，无法揭示哪些区域或街道最容易受到中断的影响。在中观层面上，专注于区域或街区的分析可以捕捉区域间的流动、走廊结构和邻里层面的脆弱性，但它们通常缺乏与城市范围连通性的明确联系，也无法完全显示局部故障如何影响整个网络的性能。在微观层面上，街道级和交叉口级的研究提供了关于局部瓶颈、关键节点和替代路线的详细信息[21]，但它们通常没有嵌入到更广泛的网络背景中，难以推断其对区域可达性或系统范围韧性的影响。这些局限性突显了需要多尺度空间视角[22]、[23]。

为了解决上述问题，本研究提出了一个多尺度韧性评估框架来描述城市交通流动网络的韧性。本研究的主要贡献如下：

(1) 我们开发了一个多尺度韧性评估框架，涵盖宏观（整个城市范围的网络）、中观（区域和走廊）和微观尺度，从而揭示了单尺度分析中经常被忽视的依赖于尺度的脆弱性模式。

(2) 我们将基于节点和基于链接的中断和恢复整合到一个统一的复杂网络框架中，综合考虑了在整个故障-恢复周期内不同中心性策略下的故障和恢复情况，并从功能曲线中得出系统性能指标，以量化这些策略下的韧性。

(3) 所提出的框架揭示并解释了不同空间尺度间韧性的系统差异，对以韧性为导向的城市交通规划具有直接意义。

本文的其余部分结构如下：第2节提供了城市交通流动网络韧性评估方法的概述，并回顾了研究尺度的相关研究。第3节描述了研究区域和所使用的数据，包括灾害背景的详细信息以及多源数据的处理方法。第4节概述了研究方法。第5节展示了研究结果。最后，第6节讨论了研究发现、政策意义并承认了研究的局限性。

节选内容

文献综述

韧性最初是在生态学中提出的，用来描述生态系统在经历变化时吸收干扰并重新组织的能力，后来逐渐被工程学科采用，用于描述关键基础设施在不利事件下的性能[24]。近年来，大量论文关注这一领域[19]、[25]。

评估交通系统的韧性是一项关键任务。常用的方法主要分为三类

研究区域

深圳位于广东省沿海，是粤港澳大湾区的重要组成部分。截至2022年底，深圳的面积约为1,997.47平方公里，包括福田、南山、罗湖、宝安、龙岗、龙华、光明、坪山和盐田九个区。截至2023年底，深圳的常住人口约为1780万。深圳的行政区划如图1所示。市中心

方法

复杂网络方法被广泛用于评估韧性；然而，许多研究主要关注特定尺度。很少有研究在不同尺度上全面分析整个灾害过程。为了分析道路交通网络的全局韧性，首先利用出租车流量数据来识别关键的道路网络，并构建一个加权道路网络来评估和评价道路段级别的全球网络韧性。其次，分析街道级别的本地道路网络

宏观层面韧性评估

在宏观层面上，我们首先提取深圳道路的关键子网络。为了识别关键的道路段，我们使用出租车GPS数据来计算段级别的流量。在完成整个网络的地图匹配后（图4 a）），我们构建了一个无向加权图$G=(V,\mathrm{E,\; <mo>W</mo>)}$其中$V=\{v_1,v_2,\cdots ,v_n\}$是街道交叉口（节点），是街道段（边），$W=\left\{w_{ij}\right\}$是边权重，等于聚合的出租车流量。

出租车GPS数据的处理方法如下。

结论与未来方向

在这项研究中，我们提出了一个多尺度框架来评估城市交通流动网络的韧性，重点关注深圳。通过考虑宏观、中观和微观三个不同的空间尺度，我们全面了解了网络的脆弱性、退化和恢复动态。从这些分析中获得的见解对于制定有效的韧性策略至关重要，以确保在城市面临中断时交通流动的连续性。

CRediT作者贡献声明

林超李：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草案、方法论、资金获取、数据管理、概念化。邦星李：撰写——原始草案、调查、数据管理。梁建忠：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草案、可视化、监督、方法论、调查、形式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。