互补交通基础设施系统脆弱性分析方法及其应用研究

The transportation infrastructure systems provide transport services for cargo transport and resident travel, which mainly include road, railway, airline, port, pipeline systems and so on. China is vast in territory and has a huge amount of population. The transportation infrastructure systems play a key role in the whole country, so the vulnerability analysis of transportation infrastructure systems is one of the major issues pertinent to the economy of the nation and the well-beings of its people. Currently, most studies focus on the vulnerability analysis of single transportation infrastructure system and ignore the complementary relationship between these systems, which crucially affect the results of vulnerability analysis. Hence, we propose this project titled "Vulnerability Study on Complementary Transportation Infrastructure Systems and its Applications". The project plans to define complementary strength to quantitatively describe the complementary relationship between different kinds of transportation systems, and establish a framework to analyze vulnerability of complementary transportation infrastructure systems under several typical attacks. Then the framework is used to identify the key components in the complementary systems, design maintenance strategies and control vulnerability in the system evolution process. At last, two typical Chinese complementary transportation infrastructure systems in different levels are used for empirical analysis. The first one is the complementary system composed of Chinese railway system and airline system, which is the system in national level, and the second one is composed of metro system and bus system in Wuhan city, which is the system in urban level. This research can provide theoretical foundations and decision support for the improvement and protection of Chinese transportation infrastructure systems.

交通基础设施系统主要包括公路、铁路、航空、港口和运输管道等系统，是为社会物资运输和居民出行提供交通服务的工程设施。我国幅员辽阔、人口众多，交通基础设施系统在国民经济生活中占有重要地位，因此其脆弱性分析及保护是关系到国计民生的重大课题。目前，相关研究主要围绕单个交通基础设施系统展开，忽视了不同种类系统之间的互补关系，而这种互补关系与脆弱性分析密切相关。基于此，项目组提出了互补交通基础设施系统脆弱性分析方法及其应用研究这一课题，在定量化描述互补关系的基础上，研究互补系统在各种灾害下的脆弱性分析方法以及该方法在系统关键元件的识别、系统维护策略的设计以及系统演化过程的脆弱性控制等方面的应用，并实证的分析由中国铁路系统和航空系统（国家层次）、武汉市地铁系统和公交车系统（城市层次）组成的两个典型互补交通基础设施系统在各种灾害下的脆弱性，从而为我国交通基础设施系统的改进与保护提供理论依据和决策支持。

公共交通系统是国民经济以及人民群众日常生活的重要支撑，一方面系统无论从结构还是功能上都变得日益复杂，另一方面灾害频发，特别是自然灾害对系统影响较大。因此研究公共交通系统的脆弱性及脆弱性降低策略是关系到国计民生的重大课题。. 现将主要进展按照申请书中的研究内容整理如下：.（1）互补交通基础设施系统的网络化建模方法研究。.论文[2][5][9]讨论了铁路系统的网络化建模方法；论文[15]则在铁路系统的建模中，同时考虑了时间和空间因素；论文[4]讨论了国家层次的互补交通系统的建模方法；论文[3]和[14]讨论了城市层次的互补交通系统的建模方法；论文[16]则考虑了由连接城市的高铁以及各个城市的地铁组成的快速轨道交通系统的建模方法。.（2）互补交通基础设施系统的脆弱性分析方法。.论文[2][5][9]分别讨论了铁路系统在地震、洪水、区域攻击等灾害下的脆弱性；论文[3][4][14]讨论了互补公共交通系统脆弱性的分析方法。.（3）互补交通基础设施系统中关键元件的识别方法与维护策略研究.论文[2]讨论了地震灾害下铁路系统在预算有限的情况下最优维护策略的设计；论文[4]比较了洪水灾害下三种铁路线路维护策略的效果；论文[9]讨论了铁路系统在区域攻击下的维护策略；论文[3][4][14]讨论了定位互补公共交通系统关键组件的方法。.（4）互补交通基础设施系统演化过程脆弱性分析及其控制策略研究.论文[3]讨论了在地铁线路不断增加的情况下，城市互补公共交通系统脆弱性的变化情况，并提出了在考虑系统脆弱性降低的角度如何优化地铁线路的开通顺序。. 本项目的重要结果有以下几点：.（1）交通基础设施系统的建模方法。.（2）基于历史数据的自然灾害情形的建模方法以及区域攻击的建模方法。.（3）交通系统性能评价指标。.（4）针对最优维护策略的可解析的计算方法。. 项目组搜集的交通系统基础数据包括中国铁路系统、航空系统、高速公路网络、世界主要城市的地铁、公交和城市道路系统，总结出了一套高效实用的交通基础数据搜集和处理的方法。. 通过本项目的研究，对交通系统的脆弱性有了更深刻的认识，如何利用脆弱性分析方法去定位系统的关键节点，如何利用仿真的方法或者解析的方法来得到最优的系统维护策略。