[論文レビュー] Assessment of urban ecosystem resilience using the efficiency of hybrid social-physical complex networks

D. Asprone, Massimo Cavallaro+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2013

Urban Design and Spatial Analysis被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、都市を社会的・物理的複雑ネットワークのハイブリッドとしてモデル化し、道路網と住民、建物、サービスを統合することで、都市エコシステムのレジリエンス評価フレームワークを提案する。ネットワーク効率指標を用いてレジリエンスを定量化する手法は、アチェラ（イタリア）における災害後、中央部および住宅地域を優先する再建戦略（例：『内向き』および『下から上へ』）が、人口を外縁部に分散させる戦略よりも、システム性能の回復をより迅速に実現することを示している。効率指標は、災害後の回復ダイナミクスを効果的に捉えている。

ABSTRACT

One of the most important tasks of urban and hazard planning is to mitigate the damages and minimize the costs of the recovery process after catastrophic events. The rapidity and the efficiency of the recovery process are commonly referred to as resilience. Despite the problem of resilience quantification has received a lot of attention, a mathematical definition of the resilience of an urban community, which takes into account the social aspects of a urban environment, has not yet been identified. In this paper we provide and test a methodology for the assessment of urban resilience to catastrophic events which aims at bridging the gap between the engineering and the ecosystem approaches to resilience. We propose to model a urban system by means of different hybrid social-physical complex networks, obtained by enriching the urban street network with additional information about the social and physical constituents of a city, namely citizens, residential buildings and services. Then, we introduce a class of efficiency measures on these hybrid networks, inspired by the definition of global efficiency given in complex network theory, and we show that these measures can be effectively used to quantify the resilience of a urban system, by comparing their respective values before and after a catastrophic event and during the reconstruction process. As a case study, we consider simulated earthquakes in the city of Acerra, Italy, and we use these efficiency measures to compare the ability of different reconstruction strategies in restoring the original performance of the urban system.

研究の動機と目的

• 都市システムにおける工学的レジリエンス定義とエコシステムベースの定義の間のギャップを埋める。
• 社会的および物理的要素を統合する、ネットワーク理論に基づく定量的都市レジリエンス測定法を開発する。
• 大規模な災害後の都市再建戦略が、元のシステム性能を回復させる効果を評価する。
• 人口およびインフラの合成データを用いて、イタリアのアチェラにおける地震シナリオをシミュレートし、本手法を実世界の事例に適用する。
• 都市計画者および緊急対応管理者が最適な回復経路を選択できる、スケーラブルで指標に基づくツールを提供する。

提案手法

• 住民、住宅用建物、サービスのデータと道路網を統合することで、都市システムをハイブリッド社会的・物理的ネットワーク（HSPN）としてモデル化する。
• 複雑ネットワーク理論にインspiredされた、グローバル効率指標のクラスを定義し、システム全体の情報伝達および接続性を定量化する。
• 事前状態、災害直後状態、回復段階のネットワーク状態を比較することで、効率値をレジリエンス指標として用いる。
• アチェラ（イタリア）における地震シナリオをシミュレートし、インfra構造および人口の混乱と回復を評価する。
• 『内向き』、『外向き』、『現状維持』など、異なる優先順位を持つ6つの異なる再建戦略をテストし、HSPN効率への影響を評価する。
• 特に、高リスクの歴史的中心部に注目して、ネットワーク断片化および接続性の依存関係を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的インfra構造と社会的要因を統合する形で、都市レジリエンスをどのように定量的に測定できるか？
• RQ2 ネットワーク効率で測定された場合、どの再建戦略が都市システムの元の性能を最も効果的に回復させるか？
• RQ3 人口再配置の空間的分布は、ハイブリッド都市ネットワークの回復速度および効率にどのように影響するか？
• RQ4 高リスクの歴史的中心部の接続性は、都市エコシステム全体のレジリエンスにどの程度影響を与えるか？
• RQ5 ネットワーク効率指標は、都市回復段階における生活の質およびシステム機能性の信頼できる代理指標として機能できるか？

主な発見

• 『内向き』および『下から上へ』の再建戦略が、HSPN効率の回復が最も速く、遠く離れた地域に人口を分散させる戦略を上回った。
• 『現状維持』戦略は、元のHSPN効率レベルに回復しており、システム性能の完全な回復を示している。
• 外向き戦略は、多くの住民を遠隔地域に移動させたため、平均ノード間距離が増加し、HSPN効率が著しく低下した。
• 道路網のレジリエンスは、高リスクの歴史的中心部の接続性に強く依存しており、アチェラ都市エコシステムにおける深刻な脆弱性を示している。
• 本手法は、戦略間での回復パフォーマンスの差を効果的に定量化でき、効率指標が災害後計画において実用的であることを示した。
• 本研究は、歴史的中心部のレンガ積み建物の修復にかかる費用および時間的コストが、外向き戦略の効果をさらに低下させることを示しており、今後のモデルにコストデータを統合する必要があることを示唆している。