基于关键基础设施耦合关系的城市韧性评价_周方.pdf

文章编号:1009-6094(2023)04-1014-08基于关键基础设施耦合关系的城市韧性评价*周方1，赵伟2，胡翔奎3，王江涛1，徐青伟1(1 河南农业大学信息与管理科学学院，郑州 450046;2 郑州公用事业投资发展集团有限公司，郑州 450018;3 河南送变电建设有限公司，郑州 450051)摘要:基础设施耦合关系使得城市关键基础设施系统联系紧密而又脆弱，耦合关系导致微小扰动能够跨系统传播，从而引发较严重的后果，影响城市韧性。为挖掘影响城市正常运行的潜在威胁，从基础设施耦合关系视角建立功能耦合关系和地理耦合关系，构建城市 3 层网络耦合的城市韧性评估模型，采用复杂网络方法结合案例从削弱和改善 2 个角度分别论证基础设施耦合关系对城市韧性的影响效果。结果表明:耦合关系引发的基础设施系统间级联失效现象，会导致城市韧性突然削弱;若控制系统间的耦合程度，有望减少级联失效的发生，可有效改善城市的韧性。关键词:安全工程;城市基础设施;灾害风险评估;连锁反应;脆弱性评价中图分类号:X24文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1425*收稿日期:2021 08 23作者简介:周方，讲师，博士，硕士生导师，从事城市韧性、关键 基 础 设 施 风 险 评 估 研 究，zhoufang henau edu cn。基金项目:河南省高校人文社会科学研究一般项目(2021 ZZJH 158);河南农业大学科技创新基金项目(KJCX2020B05)0引言城市作为地球上最复杂的人造物，无数设施默默地维持着城市的运转。随着世界经济的发展以及信息科学技术的不断突破，城市变得更为智能，城市韧性也成为关注的重点1 2。城市关键基础设施韧性是城市韧性中最主要的方面3。关键基础设施是指对国家至关重要的系统，其功能丧失或系统破坏会直接影响国家经济安全、公共健康安全。我国正在大力推进智慧城市建设，关键基础设施的安全问题受到越来越多的重视，随着 5G 时代的到来，基础设施智能化将大幅提升，城市基础设施也将变得更为复杂和脆弱4。近年来，城市安全的认知从事故处置和风险防范逐步转向城市韧性。Holling5 在 1973 年第一次提出:韧性是系统在转移到另一种稳定状态之前能够承受的干扰量。韧性概念逐渐扩大到气候变化适应、社会生态系统、心理学、工程、灾害风险管理、材料科学、城市规划等不同的学科中6。城市韧性是城市系统在自身变化或外部扰动之前、过程中或之后能够调整运行方式、保持继续运行的能力，通过对城市系统预测、抵制、吸收、应对、适应实现从自然或人为干扰中恢复的能力。城市韧性一般包括经济韧性、社会韧性、生态韧性和基础设施韧性，前沿研究包括城市基础设施韧性、城市土地生态安全7、城市空间韧性8 等角度，提升城市韧性是推动城市可持续发展、实现“双碳”目标的必要途径9。城市基础设施在城市可持续性中发挥着至关重要的作用10。公路作为维持城市正常运转的重要基础设施，是城市复杂网络中的关键要素。关键基础设施间的耦合关系影响城市韧性11。城市关键基础设施被看做是“系统的系统”或“网络的网络”，每一个系统又可以看做是“系统的系统”中的“子系统”12，各个子系统之间存在着极为复杂的耦合关系13。一般而言，城市基础设施系统包括交通运输系统、能源动力系统、给排水系统、通信信息系统、城市防灾系统和环境保护系统，各系统相互耦合，形成一个复杂的城市基础设施系统14。复杂网络方法为研究城市基础设施奠定理论基础。随着社会现代程度提高，城市关键基础设施的耦合关系日益紧密，对关键基础设施耦合关系的研究显得尤为重要。Dueas-Osorio等15 展开了关键基础设施的相互依赖关系研究，通过对相互依存的网络响应行为进行细致分析和建模，并建立了一个包含电网和水网的模型，对地震作用后的破坏效果予以模拟，探讨了可能的减灾策略。Faraji 等16 建立了一个相互依存的网络系统并对其抗震性能进行评估得到类似的结果。Laug 等17 运用整体、动态的分析方法，通过考虑级联失效在不同关键基础设施之间可能发生的响应时间研究预防措施。Ouyang 等18 提出了一种新的接口方式用以减少网络间的级联失效，但对级联失效的改善并不显著。Wang 等19 针对不同基础设施系统在结构和功能上的联系，设计了关联基础设施系统的脆弱性评估框架。Winkler 等20 建立“电力 供水 燃气”耦合网络，以度、聚集系数、介数和欧氏距离等指标分析各层网络节点之间的功能依赖关系，探讨不同耦合方式对系统运行效率和关联网络脆弱性的影响。上述研究表明城市关键基础设施的耦合关系能够削4101第 23 卷第 4 期2023 年 4 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 4Apr，2023弱城市韧性，但针对改善城市韧性的研究较少。鉴于此，本文从城市关键基础设施的耦合关系出发，构造我国城市的基础设施立体网络模型，并以我国某市为例详细分析耦合关系对城市韧性的削弱原因，对比控制耦合关系的策略对城市韧性的改善效果。1基础设施耦合关系类型灾难发生时，耦合关系会由隐形逐渐显现21，学者们通过研究实体系统之间的关系或探讨灾难事件下的影响结果，定义基础设施的功能、地理、网络和逻辑 4 种耦合关系22。功能耦合关系和地理耦合关系一直是关键基础设施耦合关系的研究重点，大多研究将耦合关系导致的脆弱性突变作为城市韧性的指标，尤其是在灾害作用下各个系统之间的耦合关系将对灾害蔓延产生重要影响。1.1功能耦合关系功能耦合关系是指来自服务功能的输入和输出。一个子系统输出(即生产一种产品或改变某种状态)则影响另一个子系统的输入(或是另一个子系统的某种操作行为)。其他相近概念包括功能依赖关系、物理依赖关系和供需关联关系等23 25。例如，铁路系统携带着燃煤发电的直接使用材料煤，与此同时电能也直接影响着铁路系统的各种开关、控制中心甚至直接是高铁的运行能量。因而，一个基础设施系统的状态(铁路是否能够提供足够的煤炭发电)直接影响其他基础设施系统的状态(发电机能否产生足够的电能满足铁路的需求);通过直接连接或状态的改变(停止铁路系统中运送的煤炭)可以使电力系统的状态变化。在这个过程中，扰动可以从一个基础设施系统波及其他基础设施子系统，导致失效的风险就从一个基础设施转移到与其相互依存的另一个基础设施，因此其他基础设施失效的风险也随之增加。1.2地理耦合关系当多个基础设施处于同一个空间时则存在地理耦合关系。当一些事件的发生会直接影响同一空间内的多个基础设施系统则需要考虑地理耦合关系，如火灾、地震、爆炸等。其他相近的概念包括空间依赖关系和地理空间关系为基础设施的部分组件定位在相同的区域26 27。例如，一座桥属于交通系统，但桥上可能悬挂着电线、电缆、光纤通信等设备，因而这座桥就包含交通系统、电力系统和通信系统的基础设施。这些基础设施系统并不在这座桥上进行直接物质交换，当一个状态改变时可能不会影响另一个状态，例如一辆车从桥上过去并不影响电力的正常供给和通信的正常使用;但由于在空间上密切相关，桥梁发生破坏时(如断裂)就可能影响交通系统、电力系统和通信系统。在交通系统中，铁路系统和航空系统、普铁系统和高铁系统或公交系统和地铁系统组成的双层耦合网络28 30，利用共同的城市或站点作为地理关联进行交互作用，从而保障居民出行的连续性。2基础设施耦合关系研究方法在过去的几十年里，大多数城市关键基础设施耦合关系及其级联失效的研究仅针对某一种关键基础设施，但 2010 年以后，研究热点逐渐转向双层耦合的基础设施系统。国外针对关键基础设施的研究主要集中在如何被另一个关键基础设施的失效影响，通常用多米诺骨牌效应来形容，即一个关键基础设施的功能丧失对整个社会或经济的运行影响。国内针对关键基础设施的研究起步较晚，但理论和应用发展较快，尤其在关键基础设施的仿真模拟方面取得较多的理论成果。针对关键基础设施的耦合关系引发的级联失效问题，目前以下 4 种方法开展的研究较多。2.1基于代理的模型方法基于代理的模型31 是基于法则的代理人(个体、群体、组织或团队)动态互动，通过模拟多个智能体的同时行动和相互作用以再现和预测的模型。系统在代理人相互作用下可产生真实世界般复杂性。基于代理的模型应用于关键基础设施耦合关系的模拟，可以通过捕获耦合的类型、基于场景的分析、策略的有效性评估等行为模拟耦合的过程。然而，由于基于代理的模型的有效性高度依赖于建模者对代理行为的假设，因而受限于理论研究范围。2.2系统动力学方法系统动力学方法32 是基于系统行为与内在机制间的相互紧密的耦合关系，并且透过数学模型的建立逐步发掘出产生变化形态的因果关系。系统动力学应用于关键基础设施耦合关系的模拟，主要模拟长期演化过程策略和技术因素的影响，并提供经济方面的建议，但由于难以获取实测数据，系统动力学在基础设施研究中并没有得到广泛应用。2.3输入输出模型方法输入输出模型33 在自然灾害、恶意攻击或意外事件之后对宏观经济或行业的耦合分析很有用，可51012023 年 4 月周方，等:基于关键基础设施耦合关系的城市韧性评价Apr，2023以直观地捕捉到耦合交互行为。基于传统投入产出模型提出动态非正常投入产出模型，用以研究关键基础设施之间的经济关联性及灾后的重建等相关问题34 35。输入输出模型可以在一定条件下直观地捕捉经济交互行为，但该模型的功能耦合关系模拟受到学者的主观限制。2.4基于复杂网络的方法由于城市关键基础设施具有点和线的物理拓扑特性，同时具有生产、负载、输送等功能特性，因而一些学者提出将不同类型的关键基础设施统一描述为网络，关键基础设施之间的耦合关系考虑为层间的连接边。使用复杂网络的研究方法，可以直观地展示城市关键基础设施的拓扑结构和流动特性。基于复杂网络的模型构建方法是根据关键基础设施的拓扑结构划分成节点和边 2 种元素，每种元素有正常和失效 2 种状态。如果节点和边是正常的，就认为其连接在网络中;一旦元素失效则视为脱离网络。记录每个时间的正常节点比例为节点占有率 p。网络流方法是考虑节点的服务特性，认为商品或服务(也称为负载)，会沿着网络的边从一个节点流动到另一个节点，当节点失效的时候，失效节点的负载会按照一定规则转移到其他节点。假设在网络中，只有属于最大联通片的节点才视作网络流可以到达的节点，计算最大联通片中包含的节点数目占全部节点数量的比例，可以得到最大连通分量的规模 p。运用复杂网络考量城市韧性其实质就是记录网络连通与不连通的临界值，当 p趋于 0 时认为网络变得不连通。因此 p可以描述网络的韧性。综上所述，基于代理的模型、系统动力学和输入输出方法 3 种方法在描述基础设施的耦合关系过程中均不可避免地夹杂主观因素，并且无法模拟实际物理性质的耦合过程。基于复杂网络的方法可以更好地模拟双层网络甚至多层网络的耦合过程，从而得到更客观的城市韧性评价。复杂网络理论为城市韧性的研究提供一个全新的视角和研究方法，从复杂网络的角度分析城市基础设施，有助于从整体上把握基础设施耦合关系和失效响应的动力学特性。3耦合关系对城市韧性的削弱城市韧性可能会因级联失效发生突然削弱现象。级联失效即在自然灾害或蓄意攻击等突发事件下，可能因部分功能失效而导致与其关联的其他基础设施功能丧失，进而发生多个基础设施的相继功能失效36。当城市韧性指标突然发生改变，预示着系统内部固有属性已发生突变，系统内部已发生级联失效现象。3.1功能耦合关系对城市韧性的影响功能耦合关系是关键基础设施系统层之间最基本的关系类型之一，通常是具有方向的，其模拟示意图见图 1。每个球体代表网络上的一个节点，每个带方向的线段代表节点之间的连接关系。网络 A 中的节点 A1指向网络 B 中的节点 B1，表示一旦 A1节点失效就会引发 B1节点的失效，但 B1节点的失效不会影响 A1节点的正常运行。图 1功能耦合关系影响示意图Fig 1Schematic diagram of functional int