[論文レビュー] A Stage-wise Decision Framework for Transportation Network Resilience Planning

Weili Zhang, Naiyu Wang+2 more|ArXiv.org|Aug 11, 2018

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、地震リスク下におけるシャーリー郡の道路網を対象として、災害前対策（段階I）、災害後緊急対応（段階II）、長期的回復（段階III）に分けた段階的意思決定フレームワークを提案する。独立パスウェイ（IPW）に基づく3つの新規指標を用いて、耐性、冗長性、回復性を定量化し、不確実性を組み込んだ確率的多目的最適化モデルを構築することで、プロジェクトの優先順位付け、一時的修復の優先順位付け、長期的修復スケジューリングを支援する。

ABSTRACT

This study introduces a comprehensive stage-wise decision framework to support resilience planning for roadway networks regarding pre-disaster mitigation (Stage I), post-disaster emergency response (Stage II) and long-term recovery (Stage III). Three decision metrics are first defined, each based on a derivation of the number of independent pathways (IPW) within a roadway system, to measure the performance of a network in term of its robustness, redundancy, and recoverability, respectively. Using the three IPW-based decision metrics, a stage-wise decision process is then formulated as a stochastic multi-objective optimization problem, which includes a project ranking mechanism to identify pre-disaster network retrofit projects in Phase I, a prioritization approach for temporary repairs to facilitate immediate post-disaster emergency responses in Phase II, and a methodology for scheduling network-wide repairs during the long-term recovery of the roadway system in Phase III. Finally, this stage-wise decision framework is applied to the roadway network of Shelby County, TN, USA subjected to seismic hazards, to illustrate its implementation in supporting community network resilience planning.

研究の動機と目的

• 交通網のレジリエンス計画における統合的で段階別に特化した意思決定支援の不足に応える。
• ネットワーク接続性に基づくパフォーマンス指標を開発し、耐性、冗長性、回復性を評価する。
• 3つの異なるレジリエンス段階における意思決定を支援する確率的多目的最適化モデルを構築する。
• 災害前改修プロジェクト、一時的修復、長期的回復スケジュールの優先順位付けを可能にする。
• シャーリー郡（テネシー州）の実際の道路網を対象とした事例研究を通じて、フレームワークの実用的適用可能性を示す。

提案手法

• 耐性（災害前のネットワーク性能）、冗長性（災害後の代替経路の可用性）、回復性（ネットワーク機能の回復速度）の3つのIPWベースの意思決定指標を定義する。
• 破壊シナリオと修復時間の不確実性を統合した確率的多目的最適化問題を定式化する。
• 段階Iにおいて耐性指標を用いて、インfraストラクチャーの強化を優先順位付けするプロジェクトランク付け手法を実装する。
• 段階IIにおいて冗長性指標に基づく優先順位付けアプローチを適用し、迅速な緊急アクセスを実現する一時的修復の順序を決定する。
• 段階IIIにおいて回復性指標を用いたスケジューリング手法を開発し、長期的修復活動の調整を可能にする。
• 地震リスク下でのシャーリー郡（テネシー州）の実際の道路網を用いて、フレームワークのキャリブレーションと妥当性検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接続性に基づく指標を用いて、災害管理の各段階（災害前、緊急対応、回復）におけるネットワークレジリエンスを定量的に測定する方法は何か？
• RQ2 ネットワーク耐性に基づいて、災害前対策プロジェクトの優先順位付けを効果的に行う最適化フレームワークは何か？
• RQ3 災害後、一時的修復をどのように優先順位付けすれば、冗長性を最大化し、緊急アクセスを維持できるか？
• RQ4 回復性指標を用いて、ネットワーク回復時間を最小化するように最適化された修理順序を計画するスケジューリング戦略は何か？
• RQ5 段階的フレームワークは、独立した段階別計画と比較して、全体的なコミュニティのレジリエンスをどのように向上させるか？

主な発見

• IPWベースの指標は、災害前、緊急対応、回復の各段階におけるネットワークレジリエンスを効果的に捉えている。
• フレームワークにより、段階Iにおける改修プロジェクトの体系的優先順位付けが可能となり、地震リスク下でのネットワーク耐性が向上した。
• 段階IIにおける一時的修復の優先順位付けメカニズムは、災害後の冗長性とアクセスの可用性を顕著に向上させた。
• 段階IIIにおける長期的回復スケジューリングは、回復性に基づく修理順序の最適化により、ネットワーク回復時間を短縮した。
• シャーリー郡の道路網への応用は、フレームワークの実用的妥当性と実世界のレジリエンス計画へのスケーラビリティを示している。
• 確率的多目的定式化は、時間的段階にわたり複数のレジリエンス目的をバランスさせる意思決定を不確実性下でも支援する。