Predicting accessibility in highway networks after an earthquake by path reliability

Abstract

Deprem sonrası, köprü, viyadük gibi karayolu ağı elemanları çökebilir; enkazları veya göçükleri yolları kapatabilir. Bu durum, acil müdahale faaliyetlerini engelleyebilir. Uzmanlar, sismik dalgaların yayılımının ve karayolu ağı elemanlarının yapısal özelliklerinin ağ elemanlarının ilişkili yıkımlarına sebep olabildiklerini belirtmektedirler. Bu çalışmada, deprem riski olan bir karayolu ağını, ayrıtları rassal yıkıma veya ayakta kalmaya tabi olan yönsüz bir ağ olarak tanımladık. Karayolu ağının deprem sonrası durumunu tahmin etmek için, ayrıtların marjinal ayakta kalma olasılıklarını kullanarak, yeni bir bağımlı ayrıt yıkım modeli önerdik. Tanımladığımız kontrol parametresi sayesinde, depremden sonra ayakta kalan rassal ağ için farklı bağımlılık düzeylerinde bileşik olasılık dağılımlar familyası ürettik. Olası dağılımların nasıl değiştiğini anlamak için, kontrol parametresi ile duyarlılık analizi yaptık. önerdiğimiz bağımlı ayrıt modelini, bağımsız yıkım modeli ve literatürdeki bir yıkım modeli ile karşılaştırdık. İnanç ağlarını kullanarak önerdiğimiz bağımlılık modelinin grafiksel gösterimini yaptık; herhangi bir ağ gerçekleşme olasılığının zincir kuralı kullanılarak hesaplanabileceğini gösterdik. Bunlara ek olarak, ağ üzerinde belirlenmiş başlangıç ve varış noktaları arasında acil yardım güzergahlarını belirlemek için yol yaratma metodlarını inceledik. Önerdiğimiz bağımlı yıkım modelini ve literatürdeki üç yol yaratma methodunu örnekleme algoritmalarında kullanarak, kurtarma operasyonlarındaki erişilebilirlik ve servis düzeylerini İstanbul karayolu ağı için yaptığımız vaka çalışmasında inceledik.

In the event of an earthquake, highway network components such as bridges and viaducts may collapse, and the roads may be blocked by debris or landslides, impeding critical response activities. Experts state that both the radiation of seismic waves and the structural properties of highway components are likely to create correlated failures. We represent a risk-prone highway network by an undirected graph whose edges are subject to random failure/survival. With given the marginal survival probabilities, we propose a new link failure dependency model to predict the post-earthquake status of the network. We generate a family of joint probability distributions for the random surviving graph by means of a control parameter with varying level of dependency. We conduct sensitivity analysis on the parameter to understand how the likelihood of possible outcomes changes and compare the proposed dependency model to an existing model in the literature and the independent failure case. We also give a representation of the dependency model using belief networks and show that the probability of any network realization can be computed by the chain rule. Additionally, we examine the dissimilar path generation methods for the selection of the emergency routes between origin and destination points. Using the proposed dependency model and three path generation methods in sampling algorithms, we investigate accessibility and service levels of relief operations in a case study of the İstanbul highway network.