XK星空中国官方网站 如果道路被切断，将连接到哪里？以数学公式为指导的“抗灾交通网络”
- 我们的日常生活很大程度上受到公路、铁路和公交线路等交通网络的影响。经济的繁荣依赖于人员和货物的顺畅流动，当灾难发生时，如果交通无法保障，人们的生命和生计就会受到威胁。
系统工程组的 Satoshi Sugiura 教授科学地理解了这些熟悉但复杂的“城市联系”，并正在寻找创建更高效、更具抗灾能力的交通网络的方法。
杉浦教授研究的出发点是从“点、线、流”的角度重新思考城市。将交叉路口、车站、疏散中心视为“点”，将连接它们的道路和路线视为“线”，将人员和货物的流动视为“流”，从理论上揭示了城市的整体结构。此外，利用数学优化技术，我们将为整个城市推导出最理想的交通网络设计。换句话说，这是一种用数学公式重新想象支撑我们生活的城市的尝试。
设计“连接”而不是“建筑”
由杉浦教授领导的城市网络设计实验室。从名称中，您可能会想到建筑物的布局或空间的设计。然而，我们在这里设计的不是可见的建筑，而是连接它们并使城市发挥作用的网络结构本身。
预算有限、基础设施老化、未来人口下降和灾害风险。考虑到这些现实的限制，什么应该连接，什么应该保留，什么应该减少？此外，按什么顺序进行维护和更新最合乎逻辑？我们将从理论上思考如何设计构成城市支柱的“联系”，以创造可持续的形式。
例如，如果我们可以在现有道路网络中添加一条新道路，那么它将在哪里最大限度地提高整个城市的效益？反过来说，如果维修已经到了极限，我们不得不减少道路数量，那么我们应该减少哪些道路才能最大程度地减少不便呢？我们将把这些问题转化为数学公式，并得出未来道路网络的“最佳解决方案”。''
这个想法对于公共交通来说是一样的。我们不会简单地讨论是否继续或取消巴士路线，而是会利用数学模型来评估应该运营哪些路线以及运营频率，同时尽量减少对用户的不便。我们不依赖直觉或经验规则，而是根据数字证据制定“恰到好处的网络”。我们正在努力为此目的创建一个理论框架。
防止村庄孤立的新数学模型
对城市之间联系的科学研究不仅可以提高正常情况下的效率，而且可以为灾害期间保护人类生命和生计提供基础。在日本这个灾害频发的国家，山区和半岛的村庄因道路破损而与世隔绝，在地震、暴雨、山体滑坡后屡屡无法获得救援物资。最近发生的大规模灾难再次凸显了这种孤立的风险。
“如果疏散中心或补给基地本身被孤立，无论有多少支援，都无法到达我们的手中。首先，我们认为有必要定量地了解‘哪里最有可能被孤立’”
先前的研究尚未建立一种方法来评估“发生灾难时哪些区域可能会被孤立”。杉浦教授重点研究了一种新方法，该方法结合了图论（使用点和线处理道路和基地之间的连接）和数学优化技术，以得出最有效的解决方案。
这个想法本身非常简单。如果“小神”可以随意破坏道路，那么他需要破坏多少条道路才能完全隔离某个疏散中心？疏散中心只需 3 棵树就可以隔离，而避难所则需要毁掉 10 棵树才能隔离，前者显然更容易受到伤害。通过计算这个“最小破碎数”作为指标，可以用数字来表达孤立的脆弱性。
挑战在于如何在实际时间内执行计算。真实的城市有大量的道路和基地，简单地检查所有路线组合将需要很长的时间来计算。杉浦教授巧妙地改造了网络结构，成功地将这个问题表述为数学优化的经典主题“最小割问题”。通过设定虚拟的起点和终点，并将多个支援基地和疏散中心之间的关系组织成一对一的问题，现在甚至可以立即计算出大城市的脆弱性。
当这种方法应用于札幌市内的指定避难中心时，我们发现，如果只有四条或更少的道路被破坏，就会有多个避难中心变得孤立。这种趋势在高速公路交通有限的新城镇尤其明显，其次是山区的温泉区。此外，已证实位于山区的学校也面临很高的隔离风险。
“即使是乍一看很安全的住宅区和公共设施，从网络结构的角度来看也可能是孤立的。我们相信，能够以数学方式可视化这些难以直观看到的危险是一项成就。”
这种方法直接关系到审查疏散避难所和供应基地的布局规划，确定应优先加固的道路，甚至确定危险地图上的脆弱基地。这项研究的重要意义在于它具有很高的实用性，可以直接纳入地方政府的防灾规划。
从“动态”到“静态”的灾难恢复最佳策略
提前评估隔离风险很重要。然而，在现实生活中的大规模灾难中，有时仅靠这一点还不足以应对。当大量道路在大范围内同时受损时，例如能登半岛地震，首要任务就变成了“如何尽快重新连接道路”，而不是“在道路被孤立之前必须破坏多少条道路”的问题。
当我看到能登半岛的情况时，我意识到现在不是谈论需要砍掉多少棵树才能让我们孤独的时候。面对如此严重的损坏，我觉得最重要的是我们能够多快地将它们连接起来。”
出现的问题是如何决定道路清理的顺序，即重新开放交通的顺序。灾难发生后立即清理道路可以被视为一个“动态问题”，因为连通性随着时间和恢复的进展而变化。
在回收基地派出重型机械、陆续开通道路的过程中，每个路口都会出现向左还是向右的选择，而下一个选择每次都会发生变化。越往前走，组合就越多，用常规方法处理的规模是有限的。''
杉浦教授针对这个难题改变了自己的思维方式。 “如果存在一个最优的启蒙计划，它必须满足某些特征。”以这个假设为出发点，我们从理论上一一揭开了问题的结构。
结果表明，原则上一条开发路线足以消除孤立村庄，无需准备多条路线。通过建立单一路由，恢复的方式会产生自然的顺序，并且路由之间会建立上下游关系。这样，无数的分支选项就被极大地组织起来。
此外，据透露，最佳开发计划收敛于一种称为“斯坦纳树”的特定树状结构。通过假设这种以最小成本连接多个点的结构，一个动态且棘手的问题突然转变为一个易于处理的“静态问题”。
支持这一理论的是杉浦教授独立提出的一个名为“累积隔离时间”的指标。例如，如果灾难发生时有10个村庄被隔离，随着清理工作的进展，这个数字会减少到9个，然后是8个，最后达到零。如果我们沿着时间轴绘制这种转变，我们将看到一个三角形区域，代表持续隔离的时期。面积越小，居民被隔离的总时间越短，可以评价为更好的发展策略。
通过将问题表述为最小化累积隔离时间，现在可以在实际的时间内导出最佳的打开顺序，即使对于大规模网络也是如此。
但这种模式并没有考虑交通量，而是以“首先确保一条能够容纳一辆车的道路”为前提。因此，不一定优先考虑主干道，也可以选择狭窄的社区道路。因此，一旦恢复交通，道路的使用方式就会完全改变，可能会出现仅靠清理无法解决的情况。
目前，我们正在与其他领域的研究人员合作，研究预测清理所需时间的方法，并正在朝着考虑尽量减少最初混乱的清理路线的方向进行研究，例如纳入灾害发生后立即优先考虑主要道路的条件。
开放数据，“重建期”的交通前沿
即使道路可以连通，如何支持未来交通的问题仍然存在。在从救灾到恢复的过程中，交通运输本身的作用发生了显着变化。
对灾害期间交通的研究在过去 15 年才开始认真进展。过去，很难详细了解灾难期间哪些道路可以通行，哪些地方发生交通拥堵。然而，随着ETC20等观测技术的进步，通过行车数据定量捕捉灾害期间的交通状况已经成为可能。
以这些环境变化为背景，杉浦教授的下一个目标是分析“复苏期”，包括随着复苏的进展不断变化的交通需求。这是灾难与正常时期之间的一个阶段，尽管道路尚未完全恢复，但日常生活已恢复。
“与灾难发生后立即进行的应急响应相比，恢复期的交通运输更容易出现恐慌，但目前还没有既定的应对方法。但实际上，恢复期也是决定生活重建的重要阶段。”
如果优先开放狭窄的道路，可以较快地缓解隔离。然而，当通勤、物流和支持活动在这种情况下同时开始时，就会出现严重的拥堵，这种情况在过去的灾难中也曾发生过。此外，由于志愿者、恢复人员和政府雇员等支持者的涌入，交通需求将呈现出与平时完全不同的形态，并且会随着时间的推移而大幅波动。
考虑到这些难以理解的需求变化，哪些道路应该以什么顺序恢复，交通应该引导到哪里，以支持生活重建，同时抑制拥堵？杉浦教授将网络恢复和需求变化相互作用的过程视为一个动态系统，并试图通过优化交通流的概念来阐明整体情况，同时随着情况的变化逐步进行回顾。下一个前沿领域是描述与灾难响应、恢复和日常生活相关的交通。
“既然有了数据，我们觉得我们需要预测可能发生的情况，并定义什么构成良好的路况。”
从高知最前沿思考基础设施的未来
2011年的东日本大地震是杉浦教授从事灾害研究的起点。当时，他是一名上班族，但当他通过电视转播看到灾区的景象时，他感到了强烈的无助感。渐渐地，这种感觉变成了一种真诚的感觉：“我必须做点什么。”
然后，在地震发生后大约两周，我听到了京都大学研究员在国会的演讲，我清楚地认识到土木工程应该发挥的重要作用，这是我从事研究员职业的决定性因素。
此后，他一边对灾害时的交通和基础设施状况提出质疑，一边继续进行研究，并于2025年春天将基地从北海道搬到了我校。面临南海海槽特大地震风险的高知县是灾害研究最前沿的地区，同时也是人口减少、基础设施老化的地区城市的缩影。
“住在高知，我强烈地感受到道路基础设施的缺乏以及未来难以预测的不确定性。”
交通集中在有限的平坦土地上，导致通勤期间长期交通拥堵。另一方面，修建新道路在建设和维护成本方面给子孙后代带来了沉重的负担。此外，如果“飞行汽车”等新的移动技术在不久的将来得到普及，当前道路网络的价值可能会发生变化。
因此，从现在开始，基础设施规划变得重要，要考虑未来如何减少，而不是简单地增加。
“未来可能不再使用的道路应该以易于收缩的方式设计。战略性地思考何时何地组织它们，考虑到基础设施的使用寿命，例如何时更新桥梁。此外，如何支持整个地区的移动，不仅包括道路，还包括公共交通。将这样的软着陆策略呈现为数学模型也很可能成为未来的重要主题。”
使用数学公式使其可以解决，并将其与社会联系起来
杉浦教授引用了研究真正令人兴奋的时刻，当你引入某种观点时，你认为复杂且棘手的问题变成了一个令人惊讶的简单数学公式。曾经难以理解的现象可以简化为数学公式，并且有可能被视为现实生活中的问题。他从中得到的可靠反馈激励他继续他的研究。
虽然许多研究正在朝着计算技术的进步和完善方向发展，但杉浦教授首先回顾了问题本身的结构，并仔细删除了非必要的元素。杉浦教授的研究优势在于他能够最大限度地简化问题，同时确定真正重要的问题。
其根源在于创建一个人们能够和平生活的社会的诚实而简单的愿望。然而，他说，“与其将其作为一个宏大的口号来提倡，倒不如说它更像是用数学公式来解决你面前的每个具体问题。”
偏远村庄的脆弱性评估模型和道路清理优化方法已经有潜力用于地方政府的防灾计划和基础设施政策。因此，不仅要发表学术论文，还要以当地政府官员和政策制定者可以理解的方式传达知识，并鼓励他们将其纳入实际计划中。
“说实话，我是那种宁愿安静地坐在办公桌前解决数学方程的人。”
虽然他笑着说，但当他在高知这个灾害风险较高的地区继续进行研究时，他感到自己有责任将研究结果回报给社会。
在数学公式的世界中组织问题的结构的同时，我们将结果转化为具体的形式，例如实际的道路、公交路线和避难所。在理论和实践之间来回穿梭，设计抗灾、灵活和可持续的城市连接的挑战将继续从高知的前沿进行。
发布日期：2026 年 2 月/报道日期：2025 年 10 月
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