考虑级联失效与动态恢复的多模态综合交通网络韧性分析

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Resilience Analysis of Multimodal Comprehensive Transportation Network Considering Cascading Failure and Dynamic Recovery

　　

摘要

多模态综合交通网络（MCNet）易受外部扰动影响，可能引发级联失效和韧性退化。现有研究已探讨了失效传播和恢复问题，但对这些过程之间以及节点恢复后客流行为的动态交互仍缺乏充分探索。因此，本研究提出了一个整合整个级联失效—恢复生命周期的韧性分析框架。更为重要的是，提出了一种动态恢复机制，包含恢复触发阈值、修复时间和客流回流，以捕捉节点恢复后的重新分配行为。通过多项敏感性分析，探讨了不同因素对MCNet韧性的影响。以中国江苏省为案例研究对象，结果表明：异构边类型和空间距离有助于区分不同连接之间的耦合效应。网络结构对失效传播的影响强于交通功能，而更早的恢复干预可抑制级联失效并加速网络恢复。增加修复资源和修复速度可提高恢复效率，但存在边际收益递减效应。在恢复策略中，基于介数的恢复策略实现了最有效的韧性提升。基于研究发现，我们提出了若干针对MCNet网络设计、规划和韧性提升的建议。

? 2025 由Elsevier Ltd出版。由全球科技论坛私人有限公司（Global Science and Technology Forum Pte Ltd）负责遴选和/或同行评审

引言

随着交通基础设施的持续建设和城市化进程推进，中国积极发展多模态综合交通网络（MCNet），以满足日益增长的远程和大规模客运需求。在本研究中，多模态综合交通网络（MCNet）指的是整合多种交通方式（包括公路、铁路、水运和航空）及多式联运换乘连接的大型城际或省级交通网络[1]。与先前研究中常关注的单一交通网络[2]和综合网络[3,4]相比，MCNet展现出更复杂的拓扑结构、跨模态依赖关系和客流交互。当MCNet受到极端天气[[5], [6], [7]]、地震[[8], [9]]和交通事故[10,11]等外部扰动影响时，其影响不仅会破坏网络的连通性和交通功能，还会通过客流重新分配传播至相邻节点，从而引发包联失效和韧性退化[12]。因此，系统刻画MCNet在失效传播和网络恢复全过程中的动态演化，对于增强MCNet的网络韧性至关重要。

当现实交通系统受到扰动时，由于应急响应延迟和资源限制，管理部门无法立即执行恢复措施。此外，恢复机制仅在失效传播达到一定规模时才被触发。机制触发后，部分失效节点开始修复，而网络失效仍可能在整个剩余网络中继续传播。因此，网络级联失效和恢复可能在某段时间内共存，节点状态、网络拓扑和客流重新分配持续相互作用，导致MCNet韧性演化中的动态反馈。

除了网络拓扑外，在级联失效和恢复过程中，客流分布也呈动态变化。当某节点失效时，其客流必须转移至其他可用节点，从而改变相邻节点的流量负荷，并可能影响失效传播。一旦失效节点修复且其交通功能恢复，此前重新分配至相邻节点的部分客流可能回流至该恢复节点。这一过程被称为客流回流，它不仅使恢复节点恢复其交通功能，也为乘客提供更高效、便捷的交通服务。然而，现有研究主要关注失效节点或边修复带来的拓扑恢复，而对网络恢复过程中客流的动态回流和重新分配关注有限。忽视这一过程可能导致恢复期间网络负荷和交通功能表征不完整，从而影响对MCNet韧性演化的分析。

现有的交通韧性分析研究已广泛探讨了失效传播、网络性能退化和灾后恢复问题。然而，失效和恢复过程通常被分别处理。部分研究主要关注失效传播期间的性能退化或网络恢复期间的拓扑恢复。恢复触发条件、节点修复时长以及恢复节点客流回流对韧性演化的影响仍缺乏充分探索。此外，很少有研究将级联失效和网络恢复整合为一个统一的动态过程，以刻画这两种过程共存时的相互作用。

基于上述研究空白，仍有若干关键问题有待解决：如何确定网络恢复机制的触发时机？如何对恢复节点的客流回流与重新分配过程进行建模？节点恢复行为如何影响MCNet的韧性演化？

为应对上述挑战，本研究提出了一种多模态综合交通网络的韧性分析模型，明确考虑了整个级联失效—恢复生命周期。该模型纳入了不同失效场景下的多种节点状态和客流重新分配，并进一步整合了包含恢复触发阈值、恢复策略、异构节点修复时长和客流回流的动态恢复机制。以江苏省为案例研究对象。江苏省是中国经济实力最强的省份之一，拥有较为完善的多式联运系统，在一定程度上可为中国大规模MCNet在级联失效和恢复过程中的韧性演化研究提供具有代表性的实际案例。

总体而言，本文有三项贡献。(1) 通过将级联失效和网络恢复整合为一个统一的动态过程，提出了多模态综合交通网络的韧性分析框架。该框架不仅捕捉了失效传播与恢复的共存和交互，还使得在多影响因素下对韧性演化进行系统研究成为可能。(2) 建立了动态网络恢复机制，纳入了恢复触发阈值、不同恢复策略和基于容量的节点修复时间。此外，开发了一种新颖的客流回流方法，以刻画节点恢复过程中客流的回流和重新分配行为。(3) 开展了系统性实验，研究多因素对网络韧性的影响。基于研究发现，从交通规划、建设和管理角度提出了若干建议，旨在增强MCNet内的网络韧性并提高网络恢复效率。

本文结构安排如下：第2节回顾相关文献。第3节提出研究方法。第4节介绍案例研究和实验设计，并分析MCNet的失效传播和恢复过程。第5节开展多组实验，探索不同因素对网络韧性的影响。第6节总结研究结论并提出建议。

章节摘要

网络韧性分析方法

韧性概念最早由Holling[13]提出，用于表征生态系统在外部扰动下维持种群稳定的能力。随后该概念被扩展至经济[14]和工程[15]等多个领域。一般而言，系统韧性[16]可指系统在遭受扰动时保持、吸收和恢复一定功能水平的能力，可从不同方面进行

多模态综合交通网络构建

基于Space-L方法[50]，MCNet被构建为多层网络，由四种单一交通方式网络组成。单一交通方式网络包括公路网络（HNet）、铁路网络（RNet）、水运网络（WNet）和航空网络（ANet）等不同层次，它们通过枢纽节点之间的连接边相互连接。枢纽节点（如火车站、港口或机场）被定义为提供交通

案例概况与实验设计

研究对象为中国沿海代表性省份——江苏省的综合交通网络。公路、铁路和水运网络的建模数据来源于NavInfo[58]提供的电子导航地图数据。航空数据来源于中国民用航空局（CAAC）[59]发布的航路图。

根据第3节所述的网络建模方法，江苏省MCNet由3793个节点

不同CML模型

本节参数设置如表3中的G1所示。如图13(a)-(c)所示，在传统CML模型（M1）下，网络拓扑在失效传播初期阶段恶化和更为迅速且严重，在t=28时，$\eta （E（G））$=0.96，$\eta （R（G））$=0.99，$\eta （H（G））$=0.68。相比之下，在纳入异构边类型因子（$h_{ij}$）和空间距离因子（$g_{ij}$）的改进后，级联失效传播的速度和规模均有所缓解。

结论

MCNet整合了不同交通方式的多种基础设施和多式联运换乘连接，使其韧性特征比单一交通方式网络更为复杂。当外部扰动发生时，级联失效可导致网络韧性快速退化，而随后的恢复过程则逐步恢复网络拓扑和交通功能。然而，现有研究主要关注失效传播的单一阶段，

CRediT作者贡献声明

肖家良：撰写—原稿撰写、方法学、调查、形式分析、概念化。王伟：撰写—审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取。华学东：撰写—审阅与编辑、可视化、软件、经费获取。

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