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  • 杨赛霓:全球变化下的交通基础设施风险分析

    2018-01-23 16:26:25 来源:中国智能交通协会 评论:
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    11月23日,由中国智能交通协会、国家智能交通产业技术创新战略联盟主办的2017’第十二届中国智能交通年会智能交通青年科技论坛上,北京师范大学教授,博士生导师杨赛霓 发表《全球变化下的交通基础设施风险分析》的演讲,本文为演讲速记整理,未经演讲者本人审核。

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     北京师范大学教授,博士生导师杨赛霓

    近年来,各类巨灾在全球范围频繁出现。如2008年初中国南方发生的特大雨雪冰冻灾害、2005年给美国新奥尔良市造成毁灭性打击的的卡特里娜飓风和2003年席卷欧洲的热浪。据世界银行统计,1984—2003年期间,在发展中国家就有超出了40亿人受各类自然灾害影响,而1990-1999年10月年间年间自然灾害造成的经济损失也超过了1950—1959年的15倍。比利时流行病与灾害研究中心(CRED)的全球灾害数据(EM-DAT),以及来自瑞士再保险公司Swiss Re)和慕尼黑再保险公司(Mu-rich-Re)的历史灾害数据均表明,在过去20年间,灾害发生频率呈上升趋势。全球范围内,从1988年到2006年,洪水和风暴每年增加了大约7%,在2000年和2007年则平均增长了8%,这些自然灾害所造成的人员伤亡和和经济损失也相应增加。上面所列举的大规模灾害都具有一个共性,即通过灾害链的传递与放大,其影响与防范均远远超出直接受灾地区。这一现象的出现,要求全面审视全球范围社会。生态系统对风险的应对能力,遂将全球化时代全球环境变化背景下的风险,特别是巨灾风险的综合防范摆在了国际科学界风险分析研究的核心与前沿。
      1.气候变化下基础设施的风险分析
      对于气候变化下基础设施的风险分析主要关注其危险性,暴露性和脆弱性。
      随着经济全球化的迅猛发展和城市化进程的全面推进,城市在现代社会中的中心地位和主导作用更加凸显,既是环境资源问题的高发地和社会矛盾的集结场,又是引领和带动全社会实现可持续发展的引擎和支点,更是气候变化响应的敏感区和脆弱区。快速城市化与极端气候强度加大、频度增高,强度也在增加,从而导致其危险性升高。同时交通路线优先发展的策略,促进了交通流量日益增长,致使其暴露性增大。目前主要是智能交通系统,整个系统电气化程度在增高,面对极端天气时,其脆弱性也在增加。在这样的情况下,整个交通基础设施在全球变化的风险是增加的。

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    图1 风险模型建立

    联合国目前提出了可持续发展目标,里面其实很多内容与气候变化下的基础设施风险密切相关的,维持交通基础设施有效工作,维持持续的经济增长,开拓创新和保持稳定的基础设施系统等等都与研究主题密切相关的。从2015年开始,联合国发展署和减灾署提出减轻风险。首先是减轻关键基础设施的损失。其次增强交通基础设施恢复性或韧性的建设。对于减灾风险来说,可以分很多部分,如何在流程中增长系统的韧性亟待我们去解决。通过观察发达国家,发现从2005年之后,其实各个发达国家都推出了比较重要的国家性的计划来做基础设施的保护。例如美国、英国和欧盟等国家,美国在2009年推出来第一期基础设施保护的国家性计划,之后在2012和2015年分别推出来不同新的规划。英国2012年和2015年做了基础设施的风险评估,同时欧盟也开展了一些基础设施保护性规划。在这样的一个前提下,其实我国的重大专项里面,现在很多内容围绕减灾这一个主题开展的,目前在气候变化下,如果要解决好这个基础设施的保护,其中关键的问题就是说怎么样评估和分析基础设施的韧性和恢复力。恢复力是能够很好抵挡外界的干扰和打击,能够很好吸收外面的影响,有了影响了以后可以很快恢复,从而自我有很好的适应性。
      2.气候变化下基础设施的关键问题
      基础设施系统的抗灾能力可以定义为:通过维护和恢复基础网络结构和服务能力,抵御,吸收和适应干扰,及时从受损状态恢复到正常功能状态的能力。
      第一,如何评估基础设施系统中自然灾害的影响/风险,以及如何评估相互依赖的基础设施系统中自然灾害的影响/风险?
      第二个问题其实说,如果系统受到了影响和损害,采取什么策略能够有效修护它并使它恢复到很好的状态。
      第三,采取何种有适应性的措施或者策略,做有效的投资,使系统在整体上的效用得到提高。这几个问题也是这几年一直所关注的方向性的问题。

    风险评估案例分析

    针对海南省的台风自然灾害评估做了一个案例,因为中国现在因为气候的条件的变化,中国台风的总的个数减少了,但是其中强台风和超强台风的个数显著上升了,评估了台风灾害对于海南省的路网的风险,这个风险当然就是说有一个相对来说比较标准的一个评估的框架。首先做识别和分析以及模拟,做系统功能脆弱性的分析,提出有效的系统功能分析的指征,最后量化这个风险。对于海南省的台风进行数据统计,把60多年的台风路径进行了模拟,然后进行拟合,进行仿真生成一千年来台风的强度、频次、登陆点和路径等等风场的信息。其次提出了一系列评估路网功能系统的指标,做了基于系统结构的评估指标(如通信的),也做了基于流量的评估指标(如时间)能够比较有效来评估系统的功能。

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    图2 台风风险评估

    有了以上工作以后,可以做出来的风险评估函数以及风险评估曲线,其作用可以辅助决策。例如如果有保险公司想对于路网某种程度上损失事件进行投保的,这个曲线可以显示,事件发生风险的概率,发生损失的概率,以及应该收多少的保费。这个曲线可以应用到新的工作中。除了这个台风以外,另外做了洪水分析。
      洪水风险分析基于全球气候模式的, 目前有45个左右的模式,挑选了其中的一些做全球的河流洪水的模拟,然后通过对于现有的数据的校订做了2020,2030和2050年不同的百年一遇的洪水灾害情景,进一步做相应的不同的淹没情景下的路网损失。这个是在研的工作,通过现在的工作,希望进一步能够做全球的,但是目前还在做中国的分析。通过分析发现在不同的省份和区域之间,同样都是淹没,但是对于不同省份路网影响的模式是完全不一样的,需要根据这个影响模式的差异,提出有针对性的策略和措施。
      除了河流洪水,还做海岸洪水风险评估,由于海平面上升的,其与河流洪水的机制不一样 。这是一个全球季候变化界比较认可的一个基于动力学的模型仿真。这样做了以后,就可以知道在不同的年份里面,不同等级的洪水的淹没范围,相应的,如果没有特殊基础设施措施保护的情况下,现有的公路网络,铁路网络有多少被淹没,对于整个系统的功能损失程度。与此同时,可以知道需要投入多少资金进行基础设施系统的保护,才是一个划算的举动。因为可以算出来期望的损失是多少,同样知道如果给予不同保护的基础设施的投入应该是多少,比方说要增强现有的大巴系统,应该投多少钱是划算的,投多少是不划算的。
    相互关联的多层系统
      公路网,铁路网都是以某种形式相互作用的,中间有接连效应,为了分析其如何影响最后的负面影响的。提出了一些分析框架,做了一个中国铁路和公路网偶合的网络分析我们的接连效应。

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    图3相互关联的多层系统

    因为目前并没有选定特定哪种致灾因子,选择了四种打击方式:随机打击、固定打击(比方说地震)、基于外部的区域打击和方向性区域打击(比如说洪水,台风)模拟中国铁路和公路耦合的网络,分析在四种不同的打击下,不同的接连方式下,到底系统的表现有什么样的差异。之前在很多的文章,例如 SaaS的文章在说,系统的表现是负面效应会增大,但经过实验工作分析得出系统的负面效应不一定增大的,里面有很强的不确定性,不同的打击对于系统的影响是非常不一样的,其次,发现不同的基础设施类型在同样的打击下,效应有非常大的差别的,很大程度上系统取决于流量分布的特性,在偶合关系下,有非常大的差异。实验工作所做的接连效应,仅有系统内部的,系统间的接连效应的,在不同的接连效应,表征也是非常不确定的,这里面有非常多的启示,对于基础设施的这个保护,它可能跟以前想象的是不一样的,以前如果接连效应会让这种负面效应增加的话,在一个打击下保护系统可以切断它的接连关系,现在的工作就是对于不同的系统采取不一样策略。
      3.基础设施网络如何有效恢复
      系统受到破坏了,这个网络到底怎么恢复才能有效的呢,这里提出两个概念,恢复水平和恢复效率。针对提出三种不同的打击形式,提出了恢复策略,比如说周边恢复,提出了很多的不同形式的这种恢复策略。然后对于不同的打击方式,不同的打击网络变化进行了分析,也对不同恢复策略下的恢复水平进行了分析,又在某种特殊的系统恢复进行了一个检验。
      通过这样的工作,应用实际的路网来做恢复检验,从不管是理论分析还是实践案例的分析发现,有效的恢复策略就是有重点的周边恢复。什么是有重点的周边恢复,例如有一个区域可能受到了影响,这时候如果抢修的话,人员和物资都是有限的情况下,应该从最边缘开始修,这是合乎常情的,每次修的时候选择某种权重最重要的节点来修,再选择里面一圈最重要的节点,这样的维护方式或者修护方式,不管从理论的分析还是实践的分析,发现它都是最有效的一种恢复策略。目前做的还是一个单系统的这样的恢复策略,恢复策略的研究中还没有考虑接连效应。应该说对于个人来说,其实还有很多的事情要做,还需要考虑说,怎么样评估接连效应这样的网络的网络的风险,到底怎么样定量化来评估这件事呢?知道怎么去修复一个单个的网络,知道怎么去有效修复一个相互关联的网络群,如果真的现在想要做一个指标化来评估恢复性,或者韧性的话,建立一套体系来做这件事还有大量的工作需要去完成。
      4.展望
      引领开展全球环境变化条件下的综合灾害风险研究,不仅对防范巨灾风险有重要的实践价值,而且对发展地球系统科学,促进区域和全世界可持续发展也有重要的理论和实践价值。为此,迫切要求我们必须从科学发展观的高度,重新审视国际减灾战略,即从单一灾害风险防范到综合灾害风险防范,从减轻灾害风险到转移灾害风险,从区域灾害风险防范到全球灾害风险防范。通过对风险的控制、减轻、转移和适应等多种综合灾害风险防范技术,促进主要高风险行业和地区的综合灾害风险防范体系的建设,进而支撑区域可持续发展,以实现人、自然、社会三者之间和谐发展的目的。


  • 关键字: 交通基础设施 风险分析
  •    责任编辑:梁兰春
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