暢 通，周碩文，張靖巖，于 文，趙旭東

（1. 中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2. 山東大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院，山東 威海 264209）

0 引言

隨著中國城市化的快速發(fā)展，大城市及特大城市人口高度集中，生命線系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜。一旦發(fā)生較大地震災(zāi)害，會對城市的居民生命和經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重影響。同時，生命線工程設(shè)施的損壞以及政府管理決策不協(xié)調(diào)會妨礙災(zāi)后救援行動的展開，所以生命線工程的抗震防災(zāi)是十分必要的。然而，不同生命線工程系統(tǒng)擁有不同的特征。其中，不同的工程系統(tǒng)內(nèi)部、工程系統(tǒng)之間以及工程系統(tǒng)與外部環(huán)境相互關(guān)聯(lián)，單個領(lǐng)域內(nèi)的研究人員難以有效地實(shí)施分析，需要各個領(lǐng)域交叉合作。

一般地，生命線工程系統(tǒng)具有3個基本特征：① 具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦?，在空間上覆蓋面廣；② 各類系統(tǒng)大都由一批工程結(jié)構(gòu)構(gòu)成，工程結(jié)構(gòu)是生命線系統(tǒng)的客觀載體；③ 生命線工程系統(tǒng)的不同子系統(tǒng)之間，在功能上存在互相耦連性。從文獻(xiàn)檢索結(jié)果來看，國內(nèi)研究者普遍針對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦院凸こ探Y(jié)構(gòu)特性對單個系統(tǒng)展開研究。相比之下，復(fù)合的生命線工程研究內(nèi)容較少。但是，在20世紀(jì)90年代，李杰等[1-5]已開始研究復(fù)合生命線工程系統(tǒng)的地震災(zāi)害響應(yīng)并嘗試對相互影響的城市地震災(zāi)場進(jìn)行模擬和控制，同時對城市地震次生火災(zāi)撲救過程進(jìn)行了模擬，該模擬涉及到了建筑工程系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等。近年來，韌性城市理念提出以來，復(fù)合的生命線工程系統(tǒng)研究增多。例如，王濤等[6]針對地震之后醫(yī)療的應(yīng)急功能，將整體的醫(yī)療系統(tǒng)劃分為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、圍護(hù)系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及醫(yī)務(wù)系統(tǒng)7個子系統(tǒng)。

通過查閱文獻(xiàn)，作者發(fā)現(xiàn)國內(nèi)有關(guān)生命線工程抗震防災(zāi)的綜述文獻(xiàn)不多。1981年，葉耀先[7]對當(dāng)時生命線地震工程的研究進(jìn)展和震害情況做了分析。文章中寫道，“在第七屆世界地震工程會議錄里（第8卷）關(guān)于生命線地震工程的論文共有18篇。論文多為理論分析，也有一些震害分析，但試驗和觀測方面研究極少，研究對象側(cè)重于地下管線和隧道；整個生命線系統(tǒng)地震安全分析目前研究不多，但卻日益受到重視?！?1世紀(jì)初，蘇幼坡等[8]以中國、美國和日本的生命線地震工程研究成果為依據(jù)進(jìn)行了綜述，介紹了舊的和新的震后恢復(fù)過程優(yōu)化方法；李宏男等[9]系統(tǒng)性地總結(jié)了國內(nèi)外生命線工程系統(tǒng)減災(zāi)研究的內(nèi)容、特點(diǎn)和現(xiàn)狀，指出了當(dāng)時缺少實(shí)用的分析方法、研究內(nèi)容不全面或不深入等問題，同時介紹了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和專著；李杰等[10]綜述了隨機(jī)地震動場的數(shù)值模擬、工程結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)的概率密度演化、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗震可靠性和優(yōu)化方法，從地震動空間差異性到工程結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)規(guī)律，再到生命線工程網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)性簡化模型和優(yōu)化分析，做了統(tǒng)一的介紹；近期，李鴻晶等[11]通過分析中文核心期刊和SCI期刊論文，發(fā)現(xiàn)埋地管線仍然是生命線地震工程的研究熱點(diǎn)之一，通信系統(tǒng)相關(guān)研究比較少，而橋梁隧道和電力設(shè)施占比較大。另外，還有其他對于生命線系統(tǒng)中部分的綜述研究，如錢保國等[12]對生命線工程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)抗震可靠性的分析方法進(jìn)行了綜述，介紹了拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗震可靠性分析方法；石巖等[13]對作為交通系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)的橋梁減隔震設(shè)計方法和抗震性能進(jìn)行了綜述；張卓群等[14]對輸電塔-線體系的安全性和可靠性做了研究，對其不同災(zāi)害的影響和安全評估方法進(jìn)行了綜述。

總而言之，生命線工程抗震防災(zāi)的目的在于地震發(fā)生后能夠保障城市各種應(yīng)急問題。本文基于中國知網(wǎng)（CNKI）期刊數(shù)據(jù)庫，以“生命線工程”、“基礎(chǔ)設(shè)施安全韌性”、“地震災(zāi)害”和“應(yīng)急功能”進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，然后人工篩選了相關(guān)文獻(xiàn)181篇用于量化的研究分析。由于單個文獻(xiàn)的研究內(nèi)容有限，現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)研究的相關(guān)性分析不強(qiáng)，所以本文采用社會網(wǎng)絡(luò)分析方法，重點(diǎn)對文獻(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)程度和研究內(nèi)容重要性[15]進(jìn)行量化分析，從而在宏觀層面討論生命線工程抗震防災(zāi)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

1 基于社會網(wǎng)絡(luò)分析對文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)搭建

1.1 社會網(wǎng)絡(luò)分析

生命線工程抗震防災(zāi)文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)以關(guān)鍵詞為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)和文字大小代表相對連接次數(shù)的大小，不同顏色代表不同依據(jù)鏈接關(guān)系確定的分組。

通過計算文獻(xiàn)關(guān)鍵詞兩兩之間的共現(xiàn)頻次，得到了關(guān)鍵詞關(guān)系矩陣，從而建立文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型，并對特征向量中心度（Eigenvector centrality, EC）等網(wǎng)絡(luò)特性指標(biāo)進(jìn)行了計算。

1.2 生命線工程抗震防災(zāi)總體研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

基于CNKI期刊文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，對生命線工程抗震防災(zāi)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索，檢索范圍如表1所示。通過“主題”檢索對期刊文獻(xiàn)進(jìn)行收集，共得到959篇文獻(xiàn)，經(jīng)梳理分析后，確定181篇作為文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。通過對關(guān)鍵詞的統(tǒng)計，共得到503個不同的關(guān)鍵詞，基于對關(guān)鍵詞間共現(xiàn)頻次的分析，確定了關(guān)系矩陣，從而利用Gephi建立生命線工程抗震防災(zāi)的總體文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

圖1 生命線工程抗震防災(zāi)總體研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

表1 生命線工程抗震防災(zāi)檢索詞匯總

從總體研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖可以看到，由生命線工程系統(tǒng)展開的關(guān)鍵詞繁多，并且有明顯的聚類現(xiàn)象，同時可以看到相關(guān)“韌性”的研究處于網(wǎng)絡(luò)邊緣地帶。在下面會做更為詳細(xì)地討論。

1.3 生命線工程抗震防災(zāi)核心研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

為了更明確直觀地對生命線工程抗震防災(zāi)研究進(jìn)行分析，本文進(jìn)一步建立了核心研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)?；陉P(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次，選取出現(xiàn)頻次大于等于3的關(guān)鍵詞作為核心網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)共得到47個關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)，建立了核心網(wǎng)絡(luò)（圖2）。

圖2 生命線工程抗震防災(zāi)核心研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖

經(jīng)篩減后的核心研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較為稀疏，網(wǎng)絡(luò)變?yōu)榫哂?個連通分量的非連通圖。同樣在下面做更為詳細(xì)地討論。

2 基于統(tǒng)計結(jié)果的宏觀分析

2.1 研究熱點(diǎn)分析

通過對關(guān)鍵詞進(jìn)行特征向量中心度計算，得到了總體網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)的計算結(jié)果統(tǒng)計表（表2～3）。其中，總體文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部分只取了排名前40的關(guān)鍵詞，核心文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)則取全部47個關(guān)鍵詞。

從表2總體文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特征向量中心度結(jié)果來看，“震害預(yù)測”、“可靠性”、“地震災(zāi)害”、“供水管網(wǎng)”、“次生災(zāi)害”、“易損性分析”和“復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)”處于比較靠前的位置。從這幾個關(guān)鍵詞的研究內(nèi)容，大致可以得到中國生命線工程抗震防災(zāi)的研究熱點(diǎn)主要集中在對地震災(zāi)害后果的預(yù)估和對生命線工程的損傷診斷。其中，供水管網(wǎng)由于常年埋于地下，受地震動影響嚴(yán)重，且供水系統(tǒng)可以相對容易建立單元的破壞與其功能損失之間的定量聯(lián)系[16]，“供水管網(wǎng)”的研究相對較廣泛。各個系統(tǒng)之間的級聯(lián)影響研究也比較多，常伴隨次生災(zāi)害，如火災(zāi)、毒氣泄漏等。一個典型案例就是2011年的日本發(fā)生了里氏9.0級地震，其電力系統(tǒng)的損傷導(dǎo)致了核電廠爆炸[17]。次生火災(zāi)研究也是熱點(diǎn)，因為其影響災(zāi)后的人員應(yīng)急疏散和救援[18-20]。還有針對系統(tǒng)性的特征，“復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)”工具運(yùn)用隨處可見。除了上述幾個關(guān)鍵詞外，從表2中可以看到，“直接經(jīng)濟(jì)損失”、“優(yōu)化模型”、“信息化保障”、“橋梁”和“應(yīng)急期”也都比較熱門。

表2 總體文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)特征向量中心度

但從整體上來講，其他研究內(nèi)容的相對重要性較低，僅為“生命線工程”的10%左右。這與通用型關(guān)鍵詞本身的特性有關(guān)，它們影響了量化分析結(jié)果的代表性。所以，本研究重點(diǎn)對核心研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了分析。除上述結(jié)果外，“可靠性”、“可靠度”排在第3、4位，從表3中可以看出，為了應(yīng)對地震災(zāi)害的隨機(jī)性，通過概率方法來對生命線工程系統(tǒng)的安全性進(jìn)行分析是重點(diǎn)研究內(nèi)容。隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，“算法”的重要性越來越高，在生命線系統(tǒng)的可靠度計算中，不同計算與模擬分析方法得到了廣泛的應(yīng)用。從研究內(nèi)容也可以了解到，目前研究成果主要應(yīng)用于復(fù)雜程度較低的小城市或大城市的某一塊區(qū)域?！盎A(chǔ)設(shè)施保護(hù)”、“城市韌性”和“仿真”逐漸嶄露頭角?！笆幼邮小笔呛诵难芯烤W(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的地區(qū)，通過對相關(guān)文獻(xiàn)的研究發(fā)現(xiàn)，早在2003年左右，已經(jīng)有研究從災(zāi)害串的角度分別對石河子市電力工程系統(tǒng)、交通工程系統(tǒng)和供熱工程系統(tǒng)的震害預(yù)測進(jìn)行了綜合研究分析，這非常值得借鑒。部分研究人員以“汶川地震”為案例，對醫(yī)療設(shè)施、供水設(shè)施、工程建設(shè)提出了建議。

表3 核心文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)特征向量中心度

隨著研究的深入發(fā)展，“系統(tǒng)可靠度”已逐步成為重要的研究方向。但目前的研究中主要是在設(shè)計階段對生命線工程的抗震性能進(jìn)行研究，通過研究建立了多種有效的模擬方法。現(xiàn)有研究中缺少從救災(zāi)的角度對系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，“城市韌性”研究不足。而信息化技術(shù)的進(jìn)步，使得“仿真”、“地理信息系統(tǒng)”等現(xiàn)代化信息技術(shù)的重要性逐步提高，在生命線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)破壞機(jī)理研究中得到應(yīng)用。

2.2 不同關(guān)鍵詞集團(tuán)聚類與關(guān)聯(lián)性分析

從總體研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的聚類圖來看（圖1），國內(nèi)生命線工程抗震防災(zāi)研究內(nèi)容大致可以分為下面幾個集團(tuán)板塊。即“震害預(yù)測”、“城市生命線工程”、“復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)”、“地震”和“震害”為核心的分支網(wǎng)絡(luò)（如圖3）。

圖3 總體文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)聚類示意圖

從核心研究文獻(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的聚類圖來看（圖2），“城市生命線工程”、“地理信息系統(tǒng)”、“可靠性”、“供水系統(tǒng)”和“交通系統(tǒng)”都是圍繞著“震害預(yù)測”為核心?！皯?yīng)急管理”這一塊的內(nèi)容會通過“地震”關(guān)鍵詞與“生命線工程”聯(lián)系起來?！皬?fù)雜網(wǎng)絡(luò)”將“基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)”、“仿真”、“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”和“城市韌性”連接了起來，但是其分支與“生命線工程”關(guān)聯(lián)度不是很大。事實(shí)上，建設(shè)安全韌性城市，和生命線工程內(nèi)容有很大的交叉。例如《社區(qū)韌性規(guī)劃指南—建筑群落及基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)》（Community Resilience Planning Guide for Buildings and Infrastructure Systems）里將建筑環(huán)境分為建筑群落和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)[21]。由于充分考慮則涉及范圍太廣而不易研究，所以安全韌性的生命線工程系統(tǒng)還處于初探階段。

通過計算整個全局網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)，可以得到總體文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)的值為0.908 3，核心文獻(xiàn)研究網(wǎng)絡(luò)的值為0.465 1。說明總體網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系比較精密，核心網(wǎng)絡(luò)在去掉出現(xiàn)頻次較少的節(jié)點(diǎn)后，剩余關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)聯(lián)系更加稀疏。這從某方面來說，對于較復(fù)雜系統(tǒng)的研究，想全部整體考慮有一定的難度，通常需要用其中的末梢細(xì)節(jié)功能來將復(fù)雜系統(tǒng)串聯(lián)起來。

3 基于分析結(jié)果對研究發(fā)展的趨勢總結(jié)與討論

根據(jù)上面的宏觀分析結(jié)果，可以大致了解國內(nèi)生命線工程抗震防災(zāi)的熱點(diǎn)和各研究分支的關(guān)聯(lián)性。其中，通過比較各關(guān)鍵詞的特征向量中心度，對文獻(xiàn)研究的相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行量化分析。研究發(fā)現(xiàn)，“震害預(yù)測”、“可靠度”、“復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)”、“供水系統(tǒng)”、“次生災(zāi)害”和“信息化保障”等比較熱門。在各個系統(tǒng)耦合、交聯(lián)影響分析方面，常見電力、供水系統(tǒng)的級聯(lián)失效研究。隨著土木工程計算與仿真技術(shù)發(fā)展迅速，“仿真”“地理信息系統(tǒng)”“城市韌性”逐漸成為中國生命線工程抗震防災(zāi)的新趨勢。

但是，生命線工程系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性復(fù)雜，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不易獲得，想要整個系統(tǒng)性地分析并評估韌性難度很大。因此，現(xiàn)有研究常關(guān)注于抗震防災(zāi)的某一功能目的，使其將生命線工程系統(tǒng)串聯(lián)起來。這樣，可以初步地將城市的生命線工程系統(tǒng)安全性作為整體來研究。還有一些學(xué)者對生命線工程系統(tǒng)中的某一個系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)化研究，從而評估其韌性。

作者認(rèn)為韌性有兩方面：一方面是自我抵抗災(zāi)害的能力和受到一定破壞后的自我修復(fù)能力；另一方面是外界對受破壞的系統(tǒng)給予一定幫助的修復(fù)能力（就像是一個河流，受污染之后可以有自身生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)凈化；也有人為幫助下的凈化處理，這一階段中的韌性體現(xiàn)在人為進(jìn)行干預(yù)時，修復(fù)的難易程度和可操作性）。結(jié)合本次疫情全球結(jié)果狀況來看，人人防災(zāi)的時代已經(jīng)到來了。

人是一座城市的主要因素，防災(zāi)減災(zāi)的目的之一也是盡可能降低對人身安全的傷害。假想一座防災(zāi)意識很強(qiáng)的城市和沒有防災(zāi)意識的城市，在災(zāi)難發(fā)生時可想而知后者的傷害程度更大（其他環(huán)境因素相同的情況下）。如果把人的主觀能動性調(diào)動起來（當(dāng)然這非常不易），這會讓城市的韌性更上一層臺階。第一自救方面，本地區(qū)域的人會對自己的周圍環(huán)境更加了解，便于在災(zāi)難發(fā)生時進(jìn)行各種自救行動以及對基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)；第二他救方面，在有防災(zāi)意識的情況下，外部救援更容易進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行救助活動，提高救援效率。

從文獻(xiàn)研究結(jié)果來看，在生命線工程系統(tǒng)中韌性分析的研究較少，可借鑒的想法不多。若在充分考慮物理系統(tǒng)本身韌性的同時，考慮人的影響因素，將會提升整個系統(tǒng)完整性和目的明確性，即抗震防災(zāi)系統(tǒng)的有機(jī)團(tuán)結(jié)。其并不依賴于對人的認(rèn)知，而依賴于在客觀上可以確定的社會關(guān)系的相互關(guān)聯(lián)和互動[22]。從目前階段來看，對于韌性的智慧性（Resourcefulness）和適應(yīng)性（Adaptive）特征的實(shí)現(xiàn)，比較重要的因素在于系統(tǒng)中人與人、人與外界環(huán)境之間的協(xié)調(diào)。例如，在災(zāi)后生命線工程搶修中，各生命線系統(tǒng)部門溝通，生命線系統(tǒng)之間的耦聯(lián)影響（重要性、利益、能力等）。更重要的是工作人員對新技術(shù)的學(xué)習(xí)，對以往災(zāi)害經(jīng)驗的總結(jié)和平時情景演練。

通過分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究的工程實(shí)踐相對較少，應(yīng)充分利用現(xiàn)有相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)，對城市、地區(qū)、全國的生命線工程抗震防災(zāi)能力進(jìn)行評估。同時要注意到生命線工程抗震防災(zāi)不是單純的科學(xué)研究問題，要加強(qiáng)科研成果與自然災(zāi)害防治九項重點(diǎn)工程的對接，綜合提高生命線工程的抗震防災(zāi)能力。

應(yīng)當(dāng)指出，本研究對生命線工程防震減災(zāi)的文獻(xiàn)研究討論，其目的在于將復(fù)雜零散的生命線工程系統(tǒng)研究關(guān)聯(lián)起來，宏觀分析其熱點(diǎn)并對發(fā)展趨勢進(jìn)行討論。因論文數(shù)據(jù)庫的不完整性等因素（例如某些生命線工程系統(tǒng)數(shù)據(jù)的保密性原因未公開發(fā)表），存在一定的局限性，但是宏觀上或許可以反映出一些情況。