城市基础设施系统韧性管理研究综述

作者及发表信息
本文由东南大学土木工程学院的毕玮、汤育春、冒婷婷、孙新红及李启明教授（通讯作者）合作完成，发表于《中国安全科学学报》（China Safety Science Journal）2021年第31卷第6期，文章标题为《城市基础设施系统韧性管理综述》（Review on Resilience Management of Urban Infrastructure System）。研究得到国家自然科学基金（51978164）资助。

研究背景与目的
在全球气候变化和城市化加速的背景下，自然灾害（如洪水、地震）和技术性灾害（如网络攻击）对城市基础设施系统的破坏日益严重。传统以事后处理为核心的“Safety-I”安全范式已无法满足需求，而强调系统动态适应能力的“Safety-II”韧性理念成为新研究方向。本文旨在通过综述国际研究进展，厘清基础设施韧性（resilience）的概念框架，梳理其在识别、度量、提升与仿真方面的关键问题，并为未来研究提供方向。

主要研究内容与观点

1. 韧性理论的发展与内涵
   韧性理论经历了从工程韧性（强调恢复速度）、生态韧性（强调吸收扰动能力）到演进韧性（强调动态适应）的认知转型。韧性通过鲁棒性（robustness）、冗余性（redundancy）、资源性（resourcefulness）和时效性（rapidity）四大属性体现，其外在表现为系统对扰动的吸收、抵抗、恢复和适应能力。与可靠性（reliability）、脆弱性（vulnerability）和可持续性（sustainability）相比，韧性更关注低频高损事件下的系统动态响应过程。

2. 基础设施韧性研究现状

   • 文献分析：基于Web of Science核心合集的576篇文献分析显示，美国发文量（229篇）居首，中国次之；交通基础设施（如公路、桥梁）和自然扰动（如气象灾害）是主要研究对象。
     
   • 分类与关联性：基础设施系统分为交通、能源、通信等7类，其相互依赖性体现为地理、物理、网络和逻辑关联。例如，电网故障可能通过物理关联导致交通系统瘫痪。
     

3. 韧性管理关键问题

   • 韧性识别：采用TOSE框架（技术、组织、社会、经济四维度）和物理-结构-社会韧性组成分析。例如，技术维度关注电网拓扑抗毁性，社会维度关注灾害后物资供应能力。
     
   • 韧性度量：分为基于系统性能曲线（如Bruneau模型计算性能损失面积）和基于能力表征（如吸收、适应、恢复能力量化）两类方法。
     
   • 韧性提升：基于功能共振分析模型（FRAM），提出免疫（如系统重组）、规避（如预警系统）、控制（如灾害蔓延阻断）、恢复和知识运用五大策略。
     
   • 韧性仿真：包括基于系统视角（如Agent建模模拟决策行为）和网络视角（如单层/多层复杂网络模拟级联故障）的方法，贝叶斯网络（BN）也被用于动态韧性概率分析。
     

4. 研究不足与展望
   当前研究存在理论支撑不足、度量方法依赖主观判断、对耦合扰动（如地震叠加网络攻击）和系统内部关联关注较少等局限。未来需结合物联网、大数据等技术，深化多灾害耦合下的韧性机制研究。

研究价值与意义
本文系统整合了全球基础设施韧性研究进展，为城市防灾减灾提供了理论框架和方法工具。其科学价值在于厘清了韧性与其他安全概念的区别，提出了多维度的管理路径；应用价值则体现在为政策制定者优化基础设施设计（如冗余布局）、应急管理者完善响应流程提供了依据。

亮点与创新
- 全面性：首次基于大规模文献计量分析揭示研究趋势，明确交通与自然扰动为重点领域。
- 方法论整合：将FRAM模型与4Rs属性结合，构建了“识别-度量-提升-仿真”的全周期管理链条。
- 跨学科视角：融合工程学、生态学和社会学理论，推动韧性研究从单一技术向系统治理转型。

其他重要内容
文章特别指出，基础设施韧性研究需关注“相互依赖性”引发的级联效应，例如2016年北京地铁技术故障的频发案例，揭示了高频低损事件中适应能力的重要性。这一观点对发展中国家高密度城市的基础设施规划具有警示意义。