第1章
绪论

1.1　研究背景与意义

1.1.1　研究背景

交通网络是重要的基础设施网络之一，对社会和经济的发展至关重要。2018年，中国交通运输系统完成营业性客运量179.38亿人，旅客周转量34217.43亿人千米，营业性货运量506.29亿吨，货物周转量199385.00亿吨千米；2018年年末，全国铁路营业里程达到13.1万千米，公路总里程484.65万千米，内河航道通航里程12.71万千米。2016年，美国交通运输系统对GDP的贡献达到8.9%，共完成旅客周转量57278.37亿人英里（1英里=1609.344米），货运量176.86亿吨（价值超过181420亿美元）；年末铁路里程达到13.85万英里，公路总里程414.01万英里，内河航道通航里程2.5万英里。交通网络构成了国家和地区之间及国家内部社会运行和经济活动的支柱，社会运行和经济活动所需要的一切人、财、物的流动，均离不开有效的交通网络服务。

在各种不同的交通网络中，公路网络与社会日常运行联系最为紧密。表1.1列出了2018年全国交通运输量分类明细。由此可以看到，公路网络完成的客运量和货运量占2018年度总客运量和总货运量的绝大部分，比例分别高达76.22%和78.16%；公路网络完成的旅客周转量和货物周转量也分别占2018年度总旅客周转量和总货物周转量的27.12%和35.73%。旅客周转量表示运送旅客人数与运送距离的乘积，货物周转量表示运送货物吨数与运送距离的乘积。在公路网络客运量和货运量占比最高的情况下，旅客周转量和货物周转量并不是占比最高，这说明公路网络服务的特点是频次高、密度大，使用人数众多，相比于其他交通网络，以短距离为主。因此，公路网络与社会和公众的联系最为紧密，对于区域内的交通活动至关重要，具有不可替代性。

2001年的“9·11”恐怖袭击事件，2004年的印度洋海啸，2005年的美国卡特里娜飓风，2008年的中国南方雪灾和汶川地震，2010年的海地地震和智利地震，2011年日本地震及地震引发的海啸，欧洲发生的多起恐怖袭击，等等，这一系列重大自然灾害、意外事故和恐怖袭击的频繁发生，在给受灾地区造成重大人员伤亡和财产损失的同时，也导致当地的公路网络等基础设施损毁严重。损毁的公路网络除了无法保障正常社会运行和经济活动，更无法及时满足救灾和灾后重建的需要。在很多受灾地区，公路运输是疏散灾区群众、输送救灾物资、受灾地区灾后重建等活动赖以顺利进行的重要（甚至是唯一的）交通方式。因此，考虑到重大灾害事故难以杜绝，以及公路网络的重要性，如何制定有效的公路网络灾后恢复决策就显得尤为重要和迫切。

重大灾害的灾后恢复工作是一项长期、复杂的系统工程。受资金、资源、技术手段等多方面因素的制约，恢复工作往往需要分阶段进行，不同阶段在恢复对象、时间、成本、目标等方面都有不同的特征，这使得重大灾害后的公路网络恢复决策具有以下三个特点。

（1）多阶段

在不同的阶段，优先考虑的恢复目标可能不同。例如，在恢复初期的应急恢复阶段，决策者优先考虑的应该是恢复公路网络的连通性，以保障后续救援和重建工作的顺利进行；而在应急恢复阶段结束后的全面恢复阶段，决策者则需要考虑如何更好地恢复公路网络的整体性能和服务水平。在各阶段，任务的紧迫性、可以利用的资金和资源等现实情况也都不尽相同。

（2）路段选择

重大灾害往往会导致多条路段受损，在每个恢复阶段，受当前阶段预算、任务紧迫性和恢复目标的限制，无法立刻恢复所有受损路段。因此，决策者需要在受损路段集合中选择需要在该阶段恢复的关键路段。

（3）维修排程

在每个阶段，受当前可用资源的限制（例如，负责维修的工程队、工程设备设施等数量有限），无法做到同时开工恢复所有该阶段需要恢复的关键路段。因此，决策者需要根据恢复目标、可用资源等确定路段的维修时序。

多阶段使得决策者需要根据每个阶段的特点（如该阶段优先考虑的恢复目标、任务的紧迫性、可以利用的资金和资源等）制定该阶段的针对性恢复决策。路段选择和维修排程使决策者在制定每个阶段的恢复决策时，需要同时解决路段选择问题和维修排程问题。公路网络内在的特点使制定恢复决策时还要考虑以下两个问题。

（1）考虑恢复过程

作为重要的基础设施网络之一，公路网络在恢复过程中仍需要持续向社会提供服务，除了最终的恢复结果，公众还关心恢复过程中公路网络的服务效果。从服务受灾地区整体灾后恢复工作的角度出发，恢复过程的服务效果如何显得更为重要。因此，决策者还应当考虑恢复决策对应的恢复过程本身效果。在这方面，弹复性研究可以提供有效的理论支撑。

（2）预测恢复决策下公路网络上用户的出行行为

作为公路网络上交通流的构成主体，人具有主观能动性和自适应性，会自主选择路径和目的地以便最大化自己的效用。这是公路网络等交通网络与其他供电、供水、通信等基础设施网络很大的一个区别。因此，在制定恢复决策时，需要充分考虑网络用户对决策的反应。为解决这一问题，关于交通网络的优化研究通常采用双层模型，上层模型确定网络优化决策，下层模型研究用户在上层决策下的出行行为选择。

综合考虑上述所有问题，能够提高公路网络灾后恢复决策的合理性和有效性，但也大大增加了决策难度。因此，在实践中，传统的决策方法是先单独确定路段选择决策，再根据选择的结果确定维修排程决策。过去的研究也是将选择问题和排程问题分开，作为单独的两个问题进行研究。但这么决策可能会存在缺陷，因为选择问题和排程问题关注的重点不一样，甚至有时候会互相矛盾，例如，选择问题关注成本控制，而排程问题关注恢复的速度。而且，选择决策关注的仅仅是最终网络结构及该结构的性能，并没有考虑该决策对应的排程决策的恢复过程效果，某些对恢复过程更优的方案可能在选择决策时已经被排除掉了。因此，迫切需要对公路网络灾后恢复决策优化问题，即各阶段的恢复选择与排程集成问题展开深入研究，为重大灾害的灾后

1.1.2　研究意义

1. 理论意义

在理论研究层面，公路网络灾后决策优化问题是一个极具意义和挑战性的研究，需要同时解决路段选择问题和排程问题，恢复决策既要考虑恢复过程的效果，还要考虑公路网络上用户的出行行为。因此，本研究具有以下理论意义：

（1）将弹复性工程和网络优化的理论方法相结合，从优化弹复性的角度对网络恢复问题进行了有益的探索，既拓宽了弹复性研究的领域，又开拓了解决网络恢复和网络优化问题的新思路，有利于促进相关学科的相互交叉和渗透。

（2）提出的基于弹复性的网络恢复选择与排程集成问题优化方法，具有良好的拓展性，适用于各种基础设施的恢复问题研究，有利于系统深入地研究选择与排程集成问题，促进尚处于研究初级阶段的问题得到快速发展。

（3）以上述优化方法为基础，紧扣应急恢复阶段和全面恢复阶段的特点，充分考虑公路网络用户出行行为，分别提出基于弹复性的公路网络应急恢复阶段决策优化方法和基于弹复性的公路网络全面恢复阶段决策优化方法，共同解决公路网络灾后恢复全过程的决策优化问题，弥补了传统交通网络恢复决策研究无法有效解决灾后各阶段恢复决策优化问题的不足，丰富了公路网络灾后恢复研究。

2. 实际应用价值

在实际应用层面，公路网络使用人数众多，与社会日常运行联系紧密。公路网络的灾后恢复决策不仅影响普通用户的日常出行，更影响整个受灾地区的重建工作。因此，本书中研究具有以下现实意义。

（1）帮助决策者能够充分考虑不同恢复阶段的恢复目标、可用资源和资金、恢复过程的不确定性等现实情况，然后根据这些现实情况确定最佳的待恢复路段组合及这部分路段的恢复时序，为决策者提供科学的决策依据。

（2）在现实决策中，决策者往往还需要考虑恢复目标设置是否合理，资金、资源的配置是否合理等问题，这些问题仅凭经验往往无法合理判断，因此，本研究为决策者检查这些指标间的相互关系，以及检查它们的合理性和有效性提供了一种有效的方法。