[论文解读] 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 14

一句话总结

本文提出了一种分阶段的决策框架，用于交通网络韧性规划，将过程划分为灾前缓解（阶段 I）、灾后应急响应（阶段 II）和长期恢复（阶段 III）。该框架基于独立路径（IPW）提出三种新型度量指标，用于量化鲁棒性、冗余性和可恢复性，构建了一个随机多目标优化模型，以指导项目排序、临时修复优先级安排和长期修复调度，并在田纳西州谢尔比县道路网络面临地震风险的情境下进行了验证。

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.

研究动机与目标

• 解决交通网络韧性规划中缺乏集成化、分阶段决策支持的问题。
• 开发基于网络连通性的性能度量指标，用于评估鲁棒性、冗余性和可恢复性。
• 构建一个随机多目标优化模型，支持在三个不同韧性阶段中的决策制定。
• 实现灾前加固项目、临时修复和长期恢复计划的优先级排序。
• 通过田纳西州谢尔比县在地震灾害下的实际案例研究，展示该框架的适用性。

提出的方法

• 定义三种基于IPW的决策度量指标：一项用于鲁棒性（灾前网络性能），一项用于冗余性（灾后替代路径的可用性），一项用于可恢复性（网络功能恢复的速度）。
• 构建一个整合了破坏情景和修复时间不确定性的随机多目标优化问题。
• 在阶段 I 中利用鲁棒性度量实施项目排序机制，以优先安排基础设施升级。
• 在阶段 II 中基于冗余性度量应用一种优先级排序方法，以指导临时修复的顺序，实现快速应急通行。
• 在阶段 III 中利用可恢复性度量开发一种调度方法，以协调长期修复活动。
• 使用田纳西州谢尔比县真实道路网络在地震灾害情景下的数据对框架进行校准与验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用基于连通性的度量指标，在灾害管理的不同阶段定量衡量网络韧性？
• RQ2 何种优化框架能够有效实现基于网络鲁棒性的灾前缓解项目优先级排序？
• RQ3 灾后如何对临时修复进行优先级排序，以最大化冗余性并维持应急通行？
• RQ4 何种调度策略可基于可恢复性度量最小化网络恢复时间，从而优化长期恢复过程？
• RQ5 与孤立的分阶段规划相比，该分阶段框架如何提升整体社区韧性？

主要发现

• 基于IPW的度量指标能够有效捕捉灾前、应急响应和恢复阶段的网络韧性。
• 该框架可系统性地实现阶段 I 中加固项目的优先排序，提升在地震风险下的网络鲁棒性。
• 阶段 II 中的临时修复优先级排序机制显著增强了灾后冗余性和通行可达性。
• 阶段 III 中的长期恢复调度通过基于可恢复性度量优化修复顺序，有效缩短了网络恢复时间。
• 在田纳西州谢尔比县道路网络上的应用表明，该框架在实际韧性规划中具有可行性和可扩展性。
• 随机多目标建模方法支持在不确定性条件下进行决策，平衡了各时间阶段的多重韧性目标。