上海五大新城的道路网络特征解析与韧性测度

1 序言上海“十四五”规划纲要明确提出，要将嘉定、青浦、松江、奉贤、南汇五大新城打造成为“独立的综合性节点城市”。道路网络是新城发展的底层骨架，上海五大新城不仅要通过对外交通网络链接和融入区域城市体系，更要依托内部道路网络完善并提升其功能的独立性和完整性。

序言

上海“十四五”规划纲要明确提出，要将嘉定、青浦、松江、奉贤、南汇五大新城打造成为“独立的综合性节点城市”。道路网络是新城发展的底层骨架，上海五大新城不仅要通过对外交通网络链接和融入区域城市体系，更要依托内部道路网络完善并提升其功能的独立性和完整性。基于复杂网络理论，本文对上海五大新城的道路网络进行实证研究，解析其网络结构特征，测度其在随机故障和刻意攻击两种模式下的韧性水平，以期对五大新城及上海大都市圈内其他节点城市的交通系统韧性提升有所启示。

研究方法

基于五大新城的道路矢量数据，首先采用“原始法”，以交叉口为节点，以街段为边，构建无权重的道路网络；在此基础上，为了更加真实地反映道路网络的运行情况，分别取街段的实际长度和标准通过时间（街段长度/设计车速）作为对应“边”的权重，构建长度权重网络和时间权重网络。通过对五大新城道路网络的结构特征解析和韧性测度，本研究重点尝试探讨以下问题：（1）高“效率”的道路网络是否具有高“韧性”；（2）高“密度”的道路网络是否具有高“韧性”；（3）新城道路网络“现状供给”与“韧性需求”是否存在矛盾及如何应对（图1）。

▲ 图1 | 研究框架

上海五大新城道路网络结构特征解析

3.1 规模和密度

上海五大新城街道网络规模方面，奉贤新城的规划面积最小，交叉口和街段数量也最少；青浦新城次之，嘉定新城和松江新城面积接近，但松江新城的交叉口和街段数量明显少于嘉定新城，南汇新城的面积、交叉口数量和街段数量均最大。进一步分析反映道路网络连通性的密度指标，青浦新城和嘉定新城的道路密度较高，南汇新城的道路网络则最为稀疏（表1）。

▲ 表1 | 上海五大新城道路网络的规模和密度

3.2 中介中心性

从各新城路网中介中心性的结构分布看，中心性较低的路段在各新城道路网络中均占较大比例（图2）。由于大量路段对网络整体结构的影响较小，有利于其在日常使用中保持较高的韧性；但也意味着道路网络对少量高中心性路段的依赖程度较高，一旦这部分道路遭到破坏，就可能导致网络效率大大降低。

▲ 图2 | 上海五大新城道路网络的中介中心性结构分布

3.3 全局效率

五大新城无权重道路网络的全局效率在0.059~0.098之间。长度权重网络的全局效率均达到0.75以上，即两点间的平均通行距离约为其欧式距离的1.33倍，说明五大新城的街道网络在地理空间上的连接效率较高。五大新城时间权重网络的全局效率差异显著，其中奉贤、南汇和嘉定新城表现出较高的流动效率；而青浦新城的流动效率则有待进一步提高（表2）。

▲ 表2 | 上海五大新城道路网络全局效率

上海五大新城道路网络韧性测度结果

网络受到的扰动可分为随机故障（error）和刻意攻击（attack）两类，对道路网络而言，自然灾害、交通拥堵、设施故障等造成的部分路段连接失效属于前一种类型；恐怖袭击、军事战争等蓄意破坏对道路网络的影响则属于后一种类型。文章分别研究两种情形下，五大新城街道网络拓扑结构的变化并测度其韧性水平，以期为预防和消除新城交通系统中的潜在隐患提供参考。

4.1 “随机故障”情景下的

韧性测度结果

随机故障情景下（表3），松江新城道路网络的崩溃阈值最高，嘉定新城最低。三种道路网络的韧性指数由高到低排序的结果均为奉贤、嘉定、青浦、南汇和松江。虽然松江新城道路网络崩溃阈值最高，但其韧性指数最低，这是因为松江新城道路网络的全局效率随移除边数增加的下降速度明显高于其他新城。同一个新城无权重与长度权重网络的韧性指数接近，均大于时间权重网络的韧性指数；反映出在发生随机故障时，五大新城的街道网络两点间的通行时间成本的增加速度要快于绕路长度的增加速度。

▲ 表3 | 上海五大新城的道路网络韧性测度结果(随机故障模式)

注：道路等级图中，蓝色表示高快速路；红色表示干路 ; 灰色表示支路。韧性指数的三个数字中，黑色字体表示无权重网络韧性指数，蓝色字体表示长度权重网络韧性指数，红色字体表示时间权重网络韧性指数 ( 下表同 ) 。

4.2 “刻意攻击”情景下的

韧性测度结果

刻意攻击情景下（表4），五大新城道路网络的崩溃阈值和韧性指数均明显低于随机故障模式。网络崩溃阈值方面，嘉定新城最高，南汇新城最低。五大新城无权重网络韧性指数由高到低排序依次为嘉定、奉贤、青浦、松江和南汇，与网络崩溃阈值的排序一致；但长度和时间权重网络韧性指数由高到低的排序则为嘉定、奉贤、松江、青浦和南汇。对同一个新城而言，刻意攻击情景下，三种网络韧性指数的大小关系无一致性规律，且较为接近。不同新城道路网络遭受刻意攻击时，全局效率的下降程度差异较大。

▲ 表4 | 上海五大新城的道路网络韧性测度结果（刻意攻击模式）

注：道路中介中心性图中，红色代表中介中心性前 10%的路段。

上海五大新城道路网络韧性提升规划启示

5.1 推动韧性指标纳入新城道路规划

日常状态下的高“效率”并不代表扰动情景下的高“韧性” ，例如，南汇新城的道路网络就表现出高“效率”、低“韧性”的特征（图3）。传统规划设计方法欠缺对扰动情景下道路系统功能维持的统筹考虑，即使能在正常情况下保证空间的高效连通，但当部分路段遭受破坏时，就可能出现网络全局效率迅速下降，部分区域间通行时间大幅增加甚至无法通行的问题。考虑到新城发展面临的内外部扰动的复杂性，应将韧性指标补充纳入新城道路系统的规划设计，尽可能实现高“效率”、高“韧性” 。

▲ 图3 | 上海五大新城道路网络的“效率””与“韧性”的关系(左：随机故障场景；右：刻意攻击场景)

5.2 完善新城道路系统层次体系建设

密度适中、层次结构相对完整的奉贤和嘉定新城的道路网络韧性水平较高，而密度偏低、均质性较差的南汇和松江新城的道路网络韧性水平较低（图4）。目前，上海五大新城规划范围内的高等级道路，多为连接新城与上海中心城区及都市圈内其他城市的过境交通，新城内部的交通干道存在密度偏低、结构体系不完整等问题，需要在未来建设中予以提升。与此同时，也应改变一味通过提高密度来增强韧性的做法，而要考虑网络密度、空间形态、层次结构等的综合影响，从而全面提升扰动情景下道路网络在保障“空间可达”和支撑 “高效流动”方面的韧性水平。

▲ 图4 | 上海五大新城道路网络的“密度”与“韧性”的关系(左：随机故障场景；右：刻意攻击场景)

5.3 推进新城现状路网的强韧化更新

五大新城内部皆存在一些高中心性的低等级道路和低中心性的高等级道路，反映出“现状供给”与“韧性需求”不匹配的现象（图5）。高中心性路段的道路等级偏低，会导致其长期处于超负荷运行状态，不仅不利于人员/物资的高效流动，也增加了道路网络整体的风险水平；而低中心性的道路等级偏高，则是对公共资源的一种浪费。针对“现状供给”无法满足“韧性需求”的高中心性支路，建议在评估路段的实际载流情况的基础上，合理拓展道路宽度，提升道路等级，并配合更加精细的维护管理措施，全面提升其交通服务能力；针对“现状供给”超出“韧性需求”的低中心性干路，建议结合道路两侧的用地类型，通过拓展慢行空间、增加沿街商业服务设施等措施，使其更好地服务于居民生活。

▲ 图5 | 上海五大新城道路网络“现状供给”与“韧性需求”情况分析

结论

具有完整功能和高韧性的新城内部道路网络系统，不仅关系到新城居民的生活品质，亦是其成为长三角区域内部“独立的综合性节点城市”的基础支撑。本文研究表明，五大新城道路网络中绝大部分街段的中介中心性较低，能较好地吸收“随机故障”影响，但易受“刻意攻击”影响。道路网络日常情况下的高“效率”不等同于扰动情景下的高“韧性”；整体而言，密度适中、道路体系较为完整的奉贤和嘉定新城的道路网络韧性水平较高，而密度较低、均质性较差的南汇和松江新城的道路网络韧性水平显著低于其他新城。为了提升新城道路网络应对风险扰动的能力，建议将“韧性”指标纳入到新城道路交通相关规划之中。在此基础上，根据路网结构特征对“效率”和“韧性”的影响，逐步完善新城道路网络的层次体系，并采取适宜的措施不断强化现状路网的韧性水平。

来源： 网络