道路連通性能震害評估方法研究

馬 海 建，陸 楠，李 曉 璇，游 新 兆

(1.地殼運動監測工程研究中心，北京 100036；2.環境保護部信息中心，北京 100029)

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道路連通性能震害評估方法研究

馬 海 建1，陸 楠2*，李 曉 璇1，游 新 兆1

(1.地殼運動監測工程研究中心，北京 100036；2.環境保護部信息中心，北京 100029)

歷史地震救援的經驗表明，道路是抗震救災的主要地面交通生命線，道路的破壞除了造成直接經濟損失外，也直接影響相連道路的連通性能，間接影響了整個災區路網的連通性能，從而降低了災區交通運輸效率。目前，缺乏對道路連通性能的客觀、定量震害評估指標與方法。該文在復雜網絡“網絡效率”指標的基礎上，發展了一種道路連通性能震害評估方法。首先，利用網絡效率分別建立路線、路網的連通效率指標，然后根據震前、震后兩個時相的路線、路網連通效率的變化，建立道路連通震害指數，評估道路連通性能的震害情況。試驗表明，該方法可以有效地度量與區分不同震害情況下的道路連通性能，能夠為應急救援提供定量的決策依據。

地震;道路;連通性能;震害評估

0 引言

汶川、蘆山、岷縣等多次地震救災的經驗表明，道路暢通是快速進入災區挽救人民群眾生命財產的必要保障。然而，由于道路呈網狀分布，非常容易遭受地震及次生災害的破壞。因此，地震災害發生后，及時獲取道路震害情況，評估道路連通性能對地震應急救援具有重要意義。

通?？梢詮穆范巍⒙肪€和路網3個層次分析道路的連通性[1-3]。路段是道路連通的基本單元；路線是出發地和目的地之間的連通路徑，是一系列路段的連通集合；路網則是一定區域范圍內相互連接的路段集合。路段是一種孤立的單元，而路線和路網則是多個路段的連通集合。因此，從連通性能的角度而言，任何一段道路的破壞，都有可能對與之相連的路線乃至整個路網造成影響。

目前，常見的道路震害評估指標主要包括路段層次的震害位置、里程和面積等，以及路線、路網層次的統計指標，如破壞里程總數、破壞里程百分比等[4-8]。這些指標都與道路震害的直接經濟損失相關。然而，對路線和路網的連通性能進行震害評估的指標和方法則比較少見。因此，本文發展了一種道路連通性能震害評估方法，利用復雜網絡中網絡效率[9]指標建立路線、路網的道路連通性度量指標，然后根據震前、震后道路連通性能指標的變化，建立道路連通震害指數，評估道路連通性能的震害情況。

1 道路連通性度量指標

為了能夠客觀、定量地分析道路連通性的震害變化，首先必須選擇一種可靠的道路連通性能的定量指標。連通性是道路網的拓撲特性，反映了網絡中各節點的連通狀況[9,10]。道路網的結構決定其連通性能,路段或者節點的破壞都會改變道路網的結構，降低其連通性能。因此，不同的震害分布將會對道路網造成不同程度的影響。

目前，許多學者從經典圖論的角度提出了很多反映道路網連通的指標,從不同的角度反映了道路的連通程度。例如，α指數為道路網絡的實際回路數與它可能存在最大回路數之比，γ指數為道路網實際的邊數與它可能存在的最大的邊數之比。

復雜網絡是近年來發展的研究具有海量節點和復雜拓撲結構的網絡模型[11]。與經典圖論相比，復雜網絡引入了許多新的網絡統計指標，如度分布、最短路徑、聚類系數、平均度、平均距離、邊密度、相關系數、網絡效率等[9]。其中，網絡效率是一種有效的網絡連通性指標，它利用網絡中兩節點間距離的倒數計算連通效率，用于度量網絡連通性能；其優點是能夠在網絡部分中斷或形成孤立點的情況下評估網絡狀態，非常適合評價道路網絡連通性能的變化情況。

道路網絡通常可以用圖表達，計為N(V,E)，其中V是路網N的節點集合，E是路網N的邊集合。路線和路網的連通效率分別定義如下。

1.1 路線的連通效率

路線是指網絡中任意兩個網絡節點的連通路徑。在此，定義節點vi和vj之間的連通路徑長度為其所經過邊的物理長度之和dij。如果兩個節點之間有多條路線連接，最短路線是指具有最短長度的路線。網絡中任意兩個節點vi和vj之間的效率εij定義為最短路線長度的倒數，即：

(1)

其中，當vi和vj之間不連通時，兩點之間相距無窮遠，則該條路線連通效率為0。因此，vi和vj的理論取值范圍為(0+∞)，取值越大，連通效率越高。

1.2 路網的連通效率

對于一個區域而言，道路相互連接，構成一個整體的網絡。利用所有節點對之間的效率的平均值衡量整個網絡的連通效率，用公式表達如下：

(2)

式中：n表示網絡中的節點數目，vi和vj代表任意兩個節點。Eglob(N)的理論取值范圍為(0+∞)，表明Eglob(N)越大，路網的整體連通效率越高。

2 道路連通震害指數

地震發生后，災區道路的連通狀況受到普遍關注。地震及次生災害的破壞會改變道路的網絡結構，從而降低路網的連通性能。不同的震害分布和程度，對網絡結構破壞的程度也不同，當然對道路網絡的連通性能造成的影響也不相同。為此，本文定義了道路連通震害指數(RoadConnectivityDamageIndex，RCDI)，用于度量地震對震區的道路網絡連通性能造成的破壞。該指數是個無量綱數值，以震前的道路連通性能為參考，反映震后連通性能的下降程度。

2.1 路線連通震害指數

如果兩個節點之間的道路遭到破壞，必然影響連通效率。為了定量地衡量震前、震后路網中的節點vi和vj之間路線的連通效率的變化，本文定義了路線連通震害指數RCDIij：

(3)

2.2 路網連通震害指數

道路縱橫連接，構成了覆蓋一定區域范圍的交通路網。任意局部的破壞都會造成路網整體通行能力的降低。目前，在震害評估方面，尚無相關定量指標用于度量路網連通性能的震害情況。因此，本文定義了路網的連通震害指數RCDIglob：

(4)

3 試驗與結果分析

為了驗證上述指標的有效性，在道路震害快速評估與輔助決策原型系統中，基于ArcEngine網絡分析模塊[12]，實現了連通效率和震害指數的計算功能，具體流程見圖1。首先利用道路數據構建網絡數據集，基于最短路徑分析實現任意節點間連通效率的計算，遍歷所有節點，計算路網的整體連通效率；地震發生后，根據道路震害分布，在網絡數據集中設置路障，重新計算任意節點間的連通效率和路網的整體連通效率；根據震前和震后的連通效率計算結果，分別計算各路線以及路網整體的連通效率。

圖1 道路連通震害指數計算流程

Fig.1FlowchartofRCDI

為了檢驗算法的準確性，對相同道路網絡的兩組不同道路震害情況進行了模擬測試(圖2)，深色路段代表地震破壞的路段。兩種震害情況下道路網絡效率及震害指數計算結果見表1。圖2a和圖2b中的震前網絡效率均為0.000407。在震害模擬情況1下,破壞的路段分布比較離散，震后網絡效率下降為0.000195,路網的連通震害指數為0.479；在震害模擬情況2下，震害路段主要分布于主干道路上，震后網絡效率下降為0.000151,路網的連通震害指數為0.372。對比兩種震害情況下的路網震害指數，情況2明顯低于情況1，這表明就道路通行而言，震害情況2的破壞更加嚴重。分析其原因，圖2b中震害主要分布在主干道路上，基本上將路網分割成幾個互不連通的子網；而圖2a中雖然破壞路段較多，但分布離散，不同的路網節點還存在可以連通路徑。測試結果表明，道路連通震害指數能夠有效地衡量道路連通性能的震害情況。

圖2 道路網與震害模擬數據

Fig.2Roadnetworkanddamagesimulationdata

表1 網絡效率計算結果

Table 1 Network efficiency results

指標震害情況1震害情況2Epreglob0．0004070．000407Epostglob0．0001950．000151RCDIglob0．4790．372

4 結論

近年來的地震應急救援經驗表明，快速評估道路震害情況，合理制定交通管控措施才能確保應急救援的效率。目前在道路震害評估方面，通常以評估道路震害的直接經濟損失指標為主(如損毀里程數等)，缺乏對路線和路網連通性能震害的客觀、定量評價指標。因此，本文發展了一種道路連通效能震害評估方法，利用復雜網絡中網絡效率建立道路連通性度量指標，然后根據震前、震后的道路連通性能指標的變化，建立道路連通震害指數，評估道路連通性能的震害情況。在此基礎上，基于ArcEngine開發并實現了相應的軟件計算功能。

基于網絡效率的道路連通性指標不僅可以在地震前對路線和路網的連通情況進行定量化評估，指導區域的道路建設規劃；而且地震發生后，還能對整個路網和任意兩點間路線的連通情況進行動態評估，反映道路連通的震害變化過程。基于它定義的道路連通震害指數，可以從總體上衡量路線和路網的震害情況。試驗結果也表明，該指標能夠有效地度量與區分不同震害情況下的道路連通性能?？傊?，本文提出的道路連通性能震害評估方法能夠提供震后道路連通性能的定量指標，可以為道路修復、運輸方案制定等救援決策提供定量依據。

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Research on Assessment Method of Road Connectivity after Earthquake

MA Hai-jian1,LU Nan2,LI Xiao-xuan1,YOU Xin-zhao1

(1.NationalEarthquakeInfrastructureService,Beijing100036; 2.EnvironmentInformationCenterofMEP,Beijing100029,China)

Roads are the main ground traffic lifelines for earthquake relief.Road damage after earthquakes not only causes much economic loss,but also reduces the transport efficiency.It is very important significant to timely and accurate assess road damage.However,some objective and quantitative indicators about road route and network connectivity are rarely presented.Therefore,an assessment method of road connectivity effectiveness after earthquakes is developed based on indicator-network efficiency in the complex network theory.At first,indicators for measuring road route and network connectivity are established by the network efficiency indicator.Then in terms of road network connectivity before and after earthquakes,the Road Connectivity Damage Index (RCDI) is established to assess the damage.The experiment results show that this method can effectively measure and distinguish road route and network connectivity in different damage cases,and provide quantitative basis for the rescue decision-making.

earthquake;road;connectivity;damage assessment

2014-07-14；

2015-01-04

地震科技星火計劃項目(XH1036)；遙感地震監測與應急應用示范先期攻關項目(E0311/1112/JS06)

馬海建(1984-),男，博士，主要從事遙感信息提取研究。*通訊作者E-mail：lu.nan@mep.gov.cn

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.03.021

P315

A

1672-0504(2015)03-0108-03