[논문 리뷰] Resilience of Interdependent Urban Socio-Physical Systems using Large-Scale Mobility Data: Modeling Recovery Dynamics

Takahiro Yabe, P. Suresh C. Rao외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 15.

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis참고 문헌 37인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 허리케인 막가 이후 파나마 리오의 대규모 이동통신 이동 데이터와 물 서비스 복구 데이터를 통합하여 도시 시스템 내 사회-물리적 상호의존성을 정량화하는 데이터 기반 시스템 역학 모델을 제안한다. 연구 결과, 중심 집중형 시스템을 통해 대도시에서는 물리적 인프라 복구 속도가 빨라지지만, 이는 위기 상황에서 사회적 자립도를 감소시켜 도시 회복력 계획에서 중요한 상충관계를 드러낸다. 이는 성장 중인 도시의 회복력 전략에 도전 과제가 된다.

ABSTRACT

Cities are complex systems comprised of socioeconomic systems relying on critical services delivered by multiple physical infrastructure networks. Due to interdependencies between social and physical systems, disruptions caused by natural hazards may cascade across systems, amplifying the impact of disasters. Despite the increasing threat posed by climate change and rapid urban growth, how to design interdependencies between social and physical systems to achieve resilient cities have been largely unexplored. Here, we study the socio-physical interdependencies in urban systems and their effects on disaster recovery and resilience, using large-scale mobility data collected from Puerto Rico during Hurricane Maria. We find that as cities grow in scale and expand their centralized infrastructure systems, the recovery efficiency of critical services improves, however, curtails the self-reliance of socio-economic systems during crises. Results show that maintaining self-reliance among social systems could be key in developing resilient urban socio-physical systems for cities facing rapid urban growth.

연구 동기 및 목표

• 도시 지역에서 사회경제 시스템과 물리적 인프라 간 상호의존성이 재해 복구에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 위기 복구 기간 동안 중심 집중형 인프라 효율성과 사회 시스템 자립도 사이의 상충관계를 정량화하기 위해.
• 대규모 이동 및 인프라 데이터를 활용하여 도시 회복력 평가를 위한 일반화 가능한 모델링 프레임워크를 개발하기 위해.
• 미래 기후 충격 하에서 사회-물리적 상호의존성을 관리할 경우의 장기적 회복력 영향을 평가하기 위해.
• 빠르게 성장하는 도시에서 회복력을 향상시키는 최적의 사회적 자립도 수준을 규명하여 도시 계획에 정보를 제공하기 위해.

제안 방법

• 모델 캘리브레이션을 위해 푸에르토리코의 다섯 지역에서 수집한 이동통신 위치 데이터와 물 서비스 공백 복구 시간표를 활용하였다.
• 이동 패턴을 통한 사회 시스템(사회 시스템)과 물 서비스를 통한 물리적 인프라(물 서비스) 간의 연계된 복구 역학을 시뮬레이션하기 위해 시스템 역학 모델링 프레임워크를 개발하였다.
• 서비스 공백의 감쇠를 시간에 따라 근사하기 위해 음의 지수 함수(f(t) ∝ exp(−τt))를 사용하여 복구 궤적을 모델링하였다.
• 2017년 9월 이후 허리케인 막가 이후 수집된 지역별 이동 및 인프라 복구 데이터를 사용하여 모델을 검증하였다.
• 장기적 시뮬레이션을 가상의 미래 기후 시나리오 하에서 실시하여 순차적 충격 하에서의 회복력을 평가하였다.
• 모델 파라미터는 지역 규모 데이터를 기반으로 추정하였으며, 모델 출력과 지역 총수입 간의 척도 관계를 탐색하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주요 재해 이후 사회-물리적 상호의존성이 도시 시스템의 복구 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 위기 복구 기간 동안 중심 집중형 물리적 인프라 복구와 사회 시스템 자립도 사이의 상충관계는 무엇인가?
• RQ3 도시 규모와 인프라 중심화는 상호의존적인 사회-물리 시스템의 회복력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 이동 데이터가 재해 후 환경에서 사회 시스템 복구의 대체 지표로 얼마나 유용한가?
• RQ5 미래 기후 관련 충격 하에서 사회적 자립도는 장기적 도시 회복력 향상에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 도시가 확장되고 중심 집중형 인프라가 구축될수록 물과 같은 핵심 서비스의 복구 효율성이 크게 향상된다.
• 물리적 복구 속도가 빠르지만, 대도시에서는 위기 상황에서 사회경제 시스템의 자립도가 감소함을 보여, 복구 설계에서 상충관계가 존재함을 시사한다.
• 푸에르토리코의 다섯 지역에서의 물 서비스 복구 궤적은 음의 지수 함수(f(t) ∝ exp(−τt))로 잘 근사되었으며, 일관된 감쇠 패턴을 보였다.
• 모델 시뮬레이션 결과, 향후 기후 충격 하에서 도시 사회-물리 시스템의 장기적 회복력을 향상시키기 위해 사회적 자립도를 유지하는 것이 핵심 요소임을 시사한다.
• 모델 파라미터 추정치와 지역 총수입 간 척도 관계가 관찰되어 경제적 능력이 복구 역학에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.
• 본 연구는 현재 도시 계획에서의 심각한 격차를 규명한다: 중심 집중형 인프라에 대한 과도한 의존은 특히 빠르게 성장하는 도시 지역에서 지역 수준의 회복력을 약화시킬 수 있다.