[论文解读] Quantitative Measures for Integrating Resilience into Transportation Planning Practice: Study in Texas

Cheng-Chun Lee, Akhil Rajput+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2022

Infrastructure Resilience and Vulnerability Analysis被引用 8

一句话总结

本研究提出了一套系统级、定量化的框架，用于评估道路网络韧性，涵盖连通性损失、灾害脆弱性、关键设施可达性以及级联影响四个核心指标，并整合为两个综合指数。该框架在德克萨斯州的应用实现了基于数据的高风险路段韧性升级优先级排序，结果已获得州规划机构验证，可直接融入实际交通规划。

ABSTRACT

The objective of this study is to propose a system-level framework with quantitative measures to assess the resilience of road networks. The framework proposed in this paper can help transportation agencies incorporate resilience considerations into project development proactively and to understand the resilience performance of current road networks effectively. This study identified and implemented four quantitative metrics to classify the criticality of road segments based on critical dimensions of road network resilience, and two integrated metrics were proposed to combine all metrics to show the overall resilience performance of road segments. A case study was conducted on the Texas road networks to demonstrate the effectiveness of implementing this framework in a practical scenario. Since the data used in this study is available to other states and countries, the framework presented in this study can be adopted by other transportation agencies across the globe for regional transportation resilience assessments.

研究动机与目标

• 填补交通运输规划中实用、定量的韧性评估工具的空白。
• 开发一个系统级框架，将多种韧性维度整合为可操作的指标。
• 使交通机构能够主动识别并优先处理易受损害的道路路段以实施缓解措施。
• 利用德克萨斯州公开获取的数据，验证该框架的有效性。
• 通过提供可解释、可扩展且基于数据的洞察，支持省级韧性规划。

提出的方法

• 定义四个定量指标：(1) 连通性损失，(2) 极端事件（如洪水、飓风）下的脆弱性，(3) 关键设施（如医院、变电站）的可达性中断，以及(4) 对关键基础设施网络的级联影响。
• 利用网络拓扑与空间分析计算连通性损失和可达性中断指标。
• 整合来自FEMA国家洪水区图层的灾害暴露数据，评估对洪水和风暴的脆弱性。
• 应用空间邻近性和网络可达性模型，量化在中断情况下对关键设施的可达性。
• 开发两个综合韧性指标：一个将全部四个独立指标整合为综合评分，另一个侧重于极端事件下的韧性。
• 利用基于GIS的制图可视化结果，以支持决策制定和利益相关方沟通。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在与交通运输规划相关的多个维度上，对道路网络的韧性进行定量测量？
• RQ2 在极端事件下，哪些道路路段最为关键且脆弱，如何系统性地评估其风险？
• RQ3 综合指标在多大程度上能有效按整体韧性表现对道路路段进行排序？
• RQ4 所提出的框架是否可基于公开数据实施，并被交通机构采纳用于区域规划？
• RQ5 各个独立韧性指标如何共同构成整体评估，其贡献提供了哪些优先处理的洞察？

主要发现

• 该框架成功量化了连通性、灾害脆弱性、关键设施可达性以及级联影响四个关键维度的韧性。
• 高关键性且易受洪水影响的道路路段被有效识别，从而可制定针对性的加固策略，如改善排水系统或提高路基高程。
• 综合韧性指标提供了全面且可解释的道路路段排名，可视化显著提升了利益相关方的理解。
• 德克萨斯州的案例研究证明了该框架在使用TxDOT、FEMA、HIFLD和ArcGIS门户等开放数据时的可扩展性与适应性。
• 该框架已被采纳为德克萨斯州当前全州交通韧性规划工作中的核心组成部分。
• 实践者认为结果具有实用性，证实了该框架的实际相关性及其在全球范围内的可转移潜力。