繆惠全，鐘紫藍(lán)，杜修力

(1.北京工業(yè)大學(xué) 城建學(xué)部，北京 100124； 2.北京工業(yè)大學(xué) 城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

隨著全球城市化發(fā)展的浪潮，城市規(guī)模不斷增大，系統(tǒng)功能日趨復(fù)雜，由此所導(dǎo)致的城市災(zāi)害損失也日益增加，至2018年全球30萬人口以上的城市有1 860個(gè)，人口總數(shù)25億，其中近58%的城市要承受包含龍卷風(fēng)、洪水、干旱、地震、滑坡、火山六種災(zāi)害中至少一種，人口總數(shù)占統(tǒng)計(jì)規(guī)模城市人口的64%[1]。美國的保險(xiǎn)業(yè)損失統(tǒng)計(jì)表明，去除通貨膨脹之后，巨災(zāi)保險(xiǎn)的損失金額從1980到2018年，平均每隔10年保險(xiǎn)損失就增長100億美元，而2005年的Katrina、Rita和Wilma颶風(fēng)保險(xiǎn)損失790億美元，2017年的Harvey、Iram和Maria颶風(fēng)則損失了1 040億美元[2]。正是在這一背景之下，全面提升城市系統(tǒng)的抗災(zāi)性能，建設(shè)更具抗災(zāi)韌性的城市，已成一種全球共識(shí)，為此，世界各個(gè)國家、地區(qū)和組織，相繼成立了韌性城市相關(guān)機(jī)構(gòu)，開展了系列的活動(dòng)、論壇和學(xué)術(shù)研究等，例如由洛克菲勒基金發(fā)起和贊助的“全球100韌性城市”[3]、由世界銀行和全球減災(zāi)與災(zāi)后恢復(fù)設(shè)施組織(Global Facility for Disaster Reduction and Recover, GFDRR)聯(lián)合召集的城市韌性項(xiàng)目[4]、美國PPD-8[5]和PPD-21[6]分別關(guān)于氣候韌性和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施韌性建設(shè)的總統(tǒng)令、由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)和國土安全部(Department of Homeland Security，DHS)資助的社區(qū)韌性(Community resilience)系列研究[7]等。我國國家自然科學(xué)基金委于2018年在哈爾濱召開的第204期雙清論壇，論壇主題為“抗震韌性城市建設(shè)的關(guān)鍵前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題”，明確了后續(xù)5～10年的重點(diǎn)研究方向[8]。2020年黨的十九屆五中全會(huì)審議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》中也明確提出了建設(shè)“韌性城市”的目標(biāo)[9]。由此可見，建設(shè)韌性城市已成為世界范圍的廣泛共識(shí)和共同行動(dòng)[10]。

城市基礎(chǔ)設(shè)施作為城市物質(zhì)系統(tǒng)的基本構(gòu)成，其抗災(zāi)韌性直接關(guān)系城市整體的韌性。韌性城市與傳統(tǒng)城市防災(zāi)研究的顯著區(qū)別就是以系統(tǒng)化的視角，全面關(guān)注城市各部分防災(zāi)性能的提升。因此，將不同的基礎(chǔ)設(shè)施，以系統(tǒng)間互相耦合的視角進(jìn)行研究(有的研究者也稱之為“系統(tǒng)的系統(tǒng)”[11-14])，是韌性城市研究的重要支撐。耦合基礎(chǔ)設(shè)施(interdependent infrastructure)，有的研究者稱之為關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施、相互依賴基礎(chǔ)設(shè)施等，正是在韌性城市這一背景之下發(fā)展起來的，近年來吸引了國內(nèi)外大量研究者的關(guān)注，具有顯著影響的如文獻(xiàn)[15]等。筆者認(rèn)為，以“耦合”來作為“interdependent infrastructure”中“interdependent”一詞的漢語翻譯，更能反映所研究對(duì)象的本質(zhì)。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，“耦合”的解釋為“物理學(xué)上指兩個(gè)或兩個(gè)以上的體系或兩種運(yùn)動(dòng)形式之間通過各種相互作用而彼此影響以至聯(lián)合起來的現(xiàn)象”，“關(guān)聯(lián)”一詞的解釋為“事物相互之間發(fā)生牽連和影響”，而“依賴”則是指“依靠某種人或事物而不能自立或自給”或“指各個(gè)事物或現(xiàn)象互為條件而不可分離”，顯然，“耦合”一詞在中文中對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施之間的相互影響描述更加準(zhǔn)確全面，一是表現(xiàn)了各基礎(chǔ)設(shè)施作為一個(gè)獨(dú)立體系的完整性，二是表現(xiàn)了各基礎(chǔ)設(shè)施之間通過各種相互作用而彼此影響，這可能是物質(zhì)或信息之間的交換，也可能是地理或者邏輯之間的關(guān)聯(lián)而產(chǎn)生的影響，三則表現(xiàn)了其相互影響是在不斷運(yùn)動(dòng)中，相互之間的關(guān)系具有動(dòng)態(tài)變化的特性，四則表現(xiàn)了獨(dú)立的個(gè)體，通過彼此之間的作用又聯(lián)合起來，共同作為基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)而所表現(xiàn)出來的整體性。

本文在這里采用CiteSpace軟件，對(duì)這一研究領(lǐng)域進(jìn)行了初步量化文獻(xiàn)分析，主要試圖回答如下幾個(gè)問題：(1)該領(lǐng)域的總體歷史發(fā)展情況如何，包括論文數(shù)量、主要的研究機(jī)構(gòu)、國家、研究者和本領(lǐng)域內(nèi)的重要期刊。(2)領(lǐng)域主要關(guān)注的研究對(duì)象和問題是什么？(3)研究者和研究機(jī)構(gòu)的合作網(wǎng)絡(luò)如何，主流合作團(tuán)體如何？(4)本領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ)構(gòu)成是怎么樣的？推動(dòng)本領(lǐng)域發(fā)展的主要文獻(xiàn)有哪一些？本領(lǐng)域的發(fā)展脈絡(luò)如何？(5)耦合水電網(wǎng)絡(luò)的焦點(diǎn)、難點(diǎn)和熱點(diǎn)是什么？(6)未來需要關(guān)注的研究趨勢(shì)和挑戰(zhàn)是什么？

此處采用的數(shù)據(jù)庫為Web of Science(WOS)核心合集，包含SCI-EXPANDED和SSCI兩項(xiàng)，檢索的主題為“interdependent infrastructure”，檢索時(shí)間開始于1975年，檢索時(shí)間為北京時(shí)間2020年7月24日15:36，檢索之后共得到文獻(xiàn)627篇。

1 總體情況

該領(lǐng)域逐年發(fā)表的論文數(shù)量情況如圖1所示，從論文發(fā)表的數(shù)量情況來看，耦合基礎(chǔ)設(shè)施的研究可分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段是1991—2000年，第二個(gè)階段是2001—2004年，第三個(gè)階段是2005年至今。

圖1 論文發(fā)表數(shù)量的逐年變化圖Fig.1 Number of papers published each year

第一個(gè)階段中，所檢索到的最早的文獻(xiàn)是1991年的Rys和Ziembla發(fā)表的具有關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施的工業(yè)園區(qū)的投資問題，但是該文章在WOS數(shù)據(jù)庫中只有0次引用，顯然并沒有產(chǎn)生很大的影響[17]。其次是1992年Johnston等人發(fā)表的關(guān)于通信網(wǎng)絡(luò)分布式計(jì)算的問題[18]，分布式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)內(nèi)具有相互關(guān)聯(lián)的軟硬件，文章的引用次數(shù)只有4次。再次則是1993年Wimberley發(fā)表的對(duì)農(nóng)村問題的社會(huì)學(xué)研究[19]，被引次數(shù)13次，具有比較顯著的影響?？梢娫缙诘难芯?，主要還是集中于經(jīng)濟(jì)學(xué)和社會(huì)學(xué)領(lǐng)域，而在工程領(lǐng)域涉及比較少，在這10年中(1991—2001)，文獻(xiàn)的數(shù)量逐年變化不大，多則4篇，少則1篇。

第二階段則是由911事件所凸顯的城市關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施的影響[20]，恐怖襲擊導(dǎo)致了大樓倒塌影響了街區(qū)交通，而水網(wǎng)破損則破壞了地鐵系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和消防系統(tǒng)，并由此產(chǎn)生了一系列的連鎖反應(yīng)[21-22]。人們對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)注增加起來，文章的數(shù)量出現(xiàn)了一定的增加。這一結(jié)論在后敘文獻(xiàn)分析中還將被進(jìn)一步佐證。

第三個(gè)階段則是2005年以后，由于Katrina颶風(fēng)所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果[23-24]，韌性城市的研究興起，而韌性城市研究的一個(gè)關(guān)注焦點(diǎn)則是城市尺度基礎(chǔ)設(shè)施的破壞和恢復(fù)問題，2012年的Sandy颶風(fēng)進(jìn)一步推動(dòng)了韌性城市的研究，使的該領(lǐng)域的文章數(shù)量出現(xiàn)了顯著的增加，2005年的文章數(shù)量?jī)H有8篇，2012年已經(jīng)有了31篇，而到了2019年，一年的文章數(shù)量就達(dá)到了115篇，是前兩個(gè)階段文章數(shù)量總和的3倍。

其他的論文統(tǒng)計(jì)信息總結(jié)于表1之中，從中可以發(fā)現(xiàn)如下幾點(diǎn)：(1)從論文發(fā)表的機(jī)構(gòu)看，居于前五位的是Univ Oklahoma、Bar Ilan University、Univ Virginia、Boston Univ、Univ Oxford，中國的華中科技大學(xué)(Huazhong Univ Sci Technol)則居于第六位。(2)從主要的論文發(fā)表國家和地區(qū)來看，美國、中國大陸和英格蘭居于前三位，但是美國的論文數(shù)量為310篇，占檢索文章數(shù)量的49.44%，處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，而后兩者則僅有115篇和68篇，分別占比18.34%和10.84%，仍顯落后。(3)該領(lǐng)域主要的研究人員居于前面六位的分別是Barker(22篇)、Havlin(20篇)、Haimes(15篇)、Santos(13篇)、Stanley(13篇)、Duenas-Osorio(11篇)，為該領(lǐng)域的代表性學(xué)者。(4)該領(lǐng)域的主要論文發(fā)表期刊居于前五位的分別是Reliability Engineering System Safety(37篇、占比5.901%)、Journal of Infrastructure Systems(33篇、占比5.263%)、International Journal of Critical Infrastructure Protection(20篇、占比3.190%)、Risk Analysis(19篇、占比3.030 %)、Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications(14篇、占比2.233 %)，為該領(lǐng)域有重要影響力的期刊。

通過以上研究，我們回答了本文設(shè)定的第一個(gè)問題。

表1 論文發(fā)表信息統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of published papers

2 檢索文獻(xiàn)的量化分析

對(duì)于檢索所得到的文獻(xiàn)，本文使用CiteSpace軟件進(jìn)行文獻(xiàn)的量化分析以回答第2～4項(xiàng)問題，CiteSpace是由美籍華人學(xué)者陳超美教授研究建立的基于量化分析的知識(shí)圖譜軟件，可以量化快速地切入學(xué)科的發(fā)展現(xiàn)狀，厘清知識(shí)脈絡(luò)，探索學(xué)科未來趨勢(shì)[25-27]，因此，后續(xù)的系列工作均依據(jù)該軟件，并結(jié)合筆者的研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步解析。

2.1 關(guān)鍵詞分析

文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的研究可以回答第二個(gè)問題。利用CiteSpace軟件，統(tǒng)計(jì)各個(gè)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞，并取頻次排名占靠前大約10%的關(guān)鍵詞進(jìn)行分析，共58項(xiàng)，根據(jù)出現(xiàn)的頻次，可以得到表2所示的結(jié)果。

表2 關(guān)鍵詞的統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Statistical analysis of keywords

續(xù)表

從關(guān)鍵詞的內(nèi)容來看，我們可以將關(guān)鍵詞分為四類。第一類是研究的主體，主要是system、infrastructure、network、critical infrastructure、interdependent network、complex network、infrastructure system、interdependent infrastructure system、interdependent infrastructure、internet、power、power system、transportation、flow、governance、community resilience、natural gas，這說明研究的主體是基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)或者是基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，而代表性的基礎(chǔ)設(shè)施則是電網(wǎng)、交通網(wǎng)絡(luò)、社區(qū)、天然氣網(wǎng)。第二類是研究的客體，即面臨的災(zāi)害或者沖擊，包括了climate change、attack、disaster、seismic resilience，表明主要的災(zāi)害和沖擊是氣候變化、攻擊、地震。第三類則是研究的問題，主要包含了resilience、vulnerability、risk、cascading failure、robustness、failure、management、inoperability、optimization、simulation、design、vulnerability analysis、restoration、reliability、impact、security、performance、recovery、strategy、risk analysis、decision making、uncertainty、fragility、sustainability、cost，研究的問題比較多，但是突出的問題是韌性、脆弱性、風(fēng)險(xiǎn)、級(jí)聯(lián)失效、可靠性、功能、恢復(fù)、不確定性、可持續(xù)性、設(shè)計(jì)、決策；第四類則是主要的研究方法，包含了model、framework、optimization、simulation、input output model、algorithm、innovation、integration、metrics、identification，主要是模型建立方法或者模擬、優(yōu)化、算法、指標(biāo)、識(shí)別。

而從時(shí)間來看，最近幾年關(guān)鍵詞(平均年份)分別是2015年的interdependent infrastructure、flow、natural gas，2016年的recovery、power system、governance，2017年的uncertainty、sustainability、seismic resilience，2018年的transportation、community resilience、metrics、identification。這反映近5年研究的主要研究對(duì)象是基礎(chǔ)設(shè)施中的天然氣網(wǎng)、電網(wǎng)、交通、社區(qū)，主要的災(zāi)難是地震，主要的問題是恢復(fù)、可持續(xù)性、韌性、治理，而主要的方法是指標(biāo)與識(shí)別。另外，從關(guān)鍵詞的分析不難發(fā)現(xiàn)，“resilience”這一關(guān)鍵詞共出現(xiàn)88次，處于所有關(guān)鍵詞中的第一位，由此可見，耦合基礎(chǔ)設(shè)施與韌性的研究是內(nèi)嵌在一起的。

2.2 合作網(wǎng)絡(luò)分析

本領(lǐng)域主要研究者的合作網(wǎng)絡(luò)，包含了研究人員和機(jī)構(gòu)，如圖2所示。從圖中可以看出，Univ Oklahoma的Barker、Bar Ilan Univ的Havlin、George Washington Univ的Santos、波士頓大學(xué)的Stanley、Rice大學(xué)的Duenas-Osorio、Univ Virginia的Haimes處于網(wǎng)絡(luò)中的顯著位置，而中國的華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)，則與Bar Ilan Univ、Boston Univ、Rensselaer Polytech Inst、Northwestern Polytech Univ構(gòu)成了比較緊密的合作關(guān)系。

圖2 本領(lǐng)域主要合作網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Major cooperation networks in this field

同時(shí)，由于圖中顏色色條從黑到紅的變化顯示了不同研究者的活躍時(shí)間，圖中可以看出目前研究處于最活躍階段是Univ Oklahoma的Barker，而Univ Virginia的Haimes則在較早的時(shí)期進(jìn)入了該研究領(lǐng)域并形成了早期的影響力。

2.3 共被引文獻(xiàn)分析

共被引文獻(xiàn)分析是CiteSpace軟件的特色，通過共被引文獻(xiàn)分析，可以尋找本領(lǐng)域的學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)，知曉領(lǐng)域的關(guān)鍵問題，特別是發(fā)現(xiàn)推動(dòng)本領(lǐng)域發(fā)展的重要文獻(xiàn)，即回答我們所提出的第四個(gè)問題。

通過CiteSpace軟件，我們共分析得到894個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 494條link。對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)行聚類分析，可以得到圖3所示的結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，主流的被引文獻(xiàn)聚合成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)則通過特征聚類分為8個(gè)子類，各子類出現(xiàn)頻率最高的兩項(xiàng)關(guān)鍵詞、主要學(xué)科領(lǐng)域和代表性的期刊，以及聚類之內(nèi)的兩項(xiàng)最高被引的文獻(xiàn)，也顯示在圖3之中。

圖3 共被引文獻(xiàn)的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of co-cited documents

(1)第一類是圖中紅色區(qū)域，文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞是cascadingfailure和robustness，文獻(xiàn)歸屬于physics，multidisciplinary，最具影響的出版物是Phys Rev E。該部分引用最多的文獻(xiàn)是[28]和[29]。分析文獻(xiàn)和關(guān)鍵詞可以發(fā)現(xiàn)，該子類事實(shí)上是物理學(xué)中復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)所構(gòu)建的耦合基礎(chǔ)設(shè)施研究，文獻(xiàn)[28]和文獻(xiàn)[29]分別發(fā)表于頂級(jí)期刊Nature和Nature Physics，可以說對(duì)于推動(dòng)耦合基礎(chǔ)設(shè)施的研究具有重要的影響。這確實(shí)我們相信，由耦合基礎(chǔ)設(shè)施問題所抽象出來的“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”、“系統(tǒng)的系統(tǒng)”這一復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問題，可以高度的抽象化、概括化、一般化為物理問題，并成為交叉學(xué)科的研究問題之一。但也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，高度抽象和概括化的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，會(huì)失去對(duì)水網(wǎng)、電網(wǎng)等具體物理系統(tǒng)的特征描述，且存在概念不易為工程人員所掌握的問題。

(2)第二類是圖中橙色區(qū)域，關(guān)鍵詞是inoperability input-output model和disasters，文獻(xiàn)歸屬于economics，最具影響的出版物是Reliability Eng System Safe。該部分引用最多的文獻(xiàn)是[30]和[31]。分析文獻(xiàn)和關(guān)鍵詞可以發(fā)現(xiàn)，兩篇文獻(xiàn)均是利用投入產(chǎn)出模型分析災(zāi)害導(dǎo)致的耦合基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)損失問題，事實(shí)上構(gòu)建了工程科學(xué)與經(jīng)濟(jì)科學(xué)的交叉研究。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，投入-產(chǎn)出模型是一類比較簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，屬于線性、靜態(tài)的分析[32]，為此，一些研究者進(jìn)一步采用了更加復(fù)雜的模型，如一般均衡模型并結(jié)合工程系統(tǒng)分析結(jié)果對(duì)這一問題進(jìn)行了進(jìn)一步深入研究，如文獻(xiàn)[33-35]。

(3)第三類是圖中橘黃色區(qū)域，文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞是interdependent infrastructure system和resilience，歸屬學(xué)科類別是environmental science，最具影響的出版物是J Struct Eng。該領(lǐng)域代表性的文獻(xiàn)是[36]和[37]。分析二者不難發(fā)現(xiàn)，該部分主要是側(cè)重于對(duì)韌性概念的分析，特別是系統(tǒng)韌性指標(biāo)的數(shù)學(xué)定義問題。文獻(xiàn)[36]提出了一種針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)韌性的三步分析框架，而文獻(xiàn)[37]在進(jìn)行了系統(tǒng)韌性的定義和測(cè)算方法的對(duì)比綜述，特別是對(duì)比了各類韌性指標(biāo)的定義方式。

(4)第四類是圖中的灰黃色區(qū)域，文獻(xiàn)關(guān)鍵詞是urban infrastructure system和simulation models，歸屬學(xué)科類別是engineering geological，最具影響的出版物是Fin Rep Aug[38]。該領(lǐng)域引用最多的文獻(xiàn)是[14]和[39]。文獻(xiàn)[14]旨在揭示數(shù)采監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)與基礎(chǔ)設(shè)施之間的耦合關(guān)系而文獻(xiàn)[39]則致力于利用圖論的方法對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施的脆弱性進(jìn)行分析。綜合考慮其他文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)該部分受美加大停電事件的影響，致力于揭示耦合基礎(chǔ)設(shè)施的耦合關(guān)系并進(jìn)行建模分析。

(5)第五類是圖中的嫩綠色區(qū)域，文獻(xiàn)關(guān)鍵詞是equity perspective和importance measures，歸屬學(xué)科類別是physics mathematical，最具影響的出版物是Computer-Aided Civil Inf。該部分的引用最多的文獻(xiàn)是[15]和[40]。文獻(xiàn)[15]為綜述性文獻(xiàn)，而文獻(xiàn)[40]則以規(guī)劃模型解決關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問題(interdependent network design problem)，參考本區(qū)域其他代表性文獻(xiàn)[41-43]，可以發(fā)現(xiàn)本部分主要致力于耦合基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù)問題的分析。

(6)第六類是圖中的綠色區(qū)域，文獻(xiàn)關(guān)鍵詞是bridge life-cycle performance和multi-type branching process，歸屬學(xué)科類別是engineering mechanical，最具影響的出版物是IEEE Smart Grid。該領(lǐng)域的引用最多的文獻(xiàn)是[44]和[45]。文獻(xiàn)[44]采用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究電網(wǎng)的脆弱性，以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的geodesic distance(測(cè)地距離)近似地表示節(jié)點(diǎn)之間的流能力，提出了一個(gè)新參數(shù)net-ability來衡量電網(wǎng)線移出之后電網(wǎng)的脆弱性。而文獻(xiàn)[45]則討論了電網(wǎng)和控制電網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)的耦合性問題，研究了不同的控制策略和級(jí)聯(lián)破壞結(jié)果。綜合考慮其他文獻(xiàn)[46-47]，可以發(fā)現(xiàn)該部分主要研究以電網(wǎng)為核心的級(jí)聯(lián)失效問題。

(7)第七類是圖中的紫色區(qū)域，文獻(xiàn)關(guān)鍵詞是risk-based input-ouput model和electric power network，歸屬學(xué)科類別是water resources，最具影響的出版物是IEEE Contr Syst Mag。該部分引用最多的文獻(xiàn)是[48]和[49]。文獻(xiàn)[48]討論了能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)對(duì)災(zāi)害自我恢復(fù)的需要，而文獻(xiàn)[49]則討論了提升石油和天然氣基礎(chǔ)設(shè)施安全性的重要性，結(jié)合本部分其他文獻(xiàn)[50-52]，本部分主要屬于國家政策和智庫分析，強(qiáng)調(diào)對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施研究的需求性和重要性。

(8)第八類是圖中的灰淡藍(lán)色框域，文獻(xiàn)關(guān)鍵詞是day-ahead coordination和energy system integration，歸屬學(xué)科類別是engineering，multidisciplinary，最具影響的出版物是IEEE Sustain Energ。該領(lǐng)域被引用最多的文獻(xiàn)是[53]和[54]。從圖中可以看出，該類別文獻(xiàn)數(shù)量相對(duì)較少，其聯(lián)系也比較松散，事實(shí)上處于耦合基礎(chǔ)設(shè)施研究中相對(duì)比較小眾的類別，文獻(xiàn)[53]討論的是由天然氣供能至發(fā)電系統(tǒng)短期(24h內(nèi))兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行優(yōu)化問題。而文獻(xiàn)[54]則關(guān)注于多層網(wǎng)絡(luò)之間的同步關(guān)系，本質(zhì)屬于數(shù)學(xué)問題研究。

2.4 被引文獻(xiàn)的Burst檢測(cè)

被引文獻(xiàn)的Burst檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)對(duì)該領(lǐng)域有重要推動(dòng)作用的被引文獻(xiàn)。通過分析，Citespace共給出了43項(xiàng)對(duì)于該領(lǐng)域有重要推動(dòng)作用的被引文獻(xiàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 該領(lǐng)域有重要推動(dòng)作用的被引文獻(xiàn)Table 3 Cited documents with an important role

(1)最早起到有力推動(dòng)作用的則是文獻(xiàn)[55]，該文章是由Santos和Haimes利用故障型投入產(chǎn)出模型分析恐怖襲擊對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)濟(jì)影響的文章，隨后，以Haimes為代表的研究文章持續(xù)推進(jìn)該領(lǐng)域的研究，43篇文獻(xiàn)中的前5項(xiàng)均是由其團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)[31,55-58]，集中于耦合基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)損失分析和風(fēng)險(xiǎn)研究。這驗(yàn)證了筆者對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施研究階段劃分結(jié)論，即該領(lǐng)域第二階段發(fā)展主要是由911恐怖襲擊導(dǎo)致人們對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害破壞的關(guān)注和重視，而這種重視首先即源于對(duì)經(jīng)濟(jì)損失和風(fēng)險(xiǎn)管理的關(guān)注。隨后，工程研究人員開始將目光關(guān)注于這一領(lǐng)域，Rinaldi等人定義關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施耦合問題的文獻(xiàn)引起人們的關(guān)注[59]，奠定了隨后對(duì)該領(lǐng)域的其他工程問題研究，持續(xù)時(shí)間為2007～2009年。

(2)具有最大推動(dòng)強(qiáng)度的是文獻(xiàn)[28]，推動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)高達(dá)19.727，時(shí)間為2016～2018年，該文章呈現(xiàn)于世界頂級(jí)期刊Nature，將耦合基礎(chǔ)設(shè)施的破壞問題推至世界矚目的高度；其次則是文獻(xiàn)[15]，推動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)15.1063，時(shí)間為2018～2020年，該文獻(xiàn)作為綜述性文獻(xiàn)，亦有力地推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。

(3)近5年具有最長推動(dòng)作用的是文獻(xiàn)[55]，同時(shí)也是該領(lǐng)域第1篇引起大家關(guān)注的文獻(xiàn)，持續(xù)時(shí)間為2005年至2012年共7 000，這說明早期耦合基礎(chǔ)設(shè)施的研究主要還是集中于經(jīng)濟(jì)損失的研究，而自2018年到2020年具有顯著推動(dòng)作用的則是文獻(xiàn)[15,60-63]，均集中于耦合基礎(chǔ)設(shè)施的建模問題，這亦暗示，當(dāng)前研究的熱點(diǎn)集中于對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施脆弱性、韌性等問題的建模分析工作，這與前述關(guān)鍵詞的分析是一致的。

3 耦合水電網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展

3.1 總體情況

考慮到耦合水電網(wǎng)絡(luò)是耦合基礎(chǔ)設(shè)施分析中常見的代表性的生命線工程系統(tǒng)，因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上，增加“water”和“power”兩個(gè)主題，進(jìn)一步對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行精煉，共得到了112篇文獻(xiàn)，占耦合基礎(chǔ)設(shè)施文獻(xiàn)總量的17.86%，由此可見，耦合水電網(wǎng)絡(luò)的研究占比大約是耦合基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)1/5，考慮到基礎(chǔ)設(shè)施的眾多類別，可以認(rèn)為耦合水電網(wǎng)絡(luò)具有非常好的代表性。其歷年的文獻(xiàn)變化情況如圖4所示，可以看出，耦合水電網(wǎng)絡(luò)從2007年開始，近幾年處于穩(wěn)定上升的狀態(tài)，特別是近3年，研究熱度有持續(xù)顯著地上漲，可以預(yù)見在未來的5～10年，必仍將持續(xù)這種發(fā)展勢(shì)頭。

圖4 耦合水電網(wǎng)絡(luò)歷年文獻(xiàn)變化情況Fig.4 Documents about the interdependent water and power networks published each year

3.2 文獻(xiàn)量化分析

對(duì)關(guān)鍵詞取出現(xiàn)頻率在5次以上的部分進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示，可以發(fā)現(xiàn)，研究的主體依然是水電耦合網(wǎng)絡(luò)，這表現(xiàn)在network、system、infrastructure、interdependency、infrastructure system、interdependent network、critical infrastructure、power；而面臨的問題則主要是vulnerability、restoration、failure、resilience、design、cascading failure、vulnerability analysis、recovery；而使用的方法則主要是simulation、model、optimization、identification、metrics。這說明關(guān)注的問題是多方面的，主要是級(jí)聯(lián)失效問題、脆弱性問題、韌性問題、設(shè)計(jì)問題，而研究的方法則主要是采用建模、優(yōu)化、選取合適的指標(biāo)等。

主要的關(guān)鍵詞可以構(gòu)成圖5所示的關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)，中介中心性指標(biāo)(集中程度)反應(yīng)了節(jié)點(diǎn)在關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性，可以認(rèn)為是分析該領(lǐng)域必須優(yōu)先解決的關(guān)鍵詞。從這一指標(biāo)來看，關(guān)鍵詞failure、cascading failure

表4 耦合水電網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞分析Table 4 Keywords analysis in papers about interdependent water and power networks

的中介中心性指標(biāo)分別為0.23和0.20，這說明關(guān)聯(lián)水電網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)失效問題，是研究該領(lǐng)域必須解決的難點(diǎn)。其次，在該領(lǐng)域中處于比較核心的問題是vulnerability analysis (0.11)和resilience(0.10)，因此，可以認(rèn)為級(jí)聯(lián)失效、脆弱性分析、韌性分析，是該領(lǐng)域研究中的3個(gè)焦點(diǎn)問題。

從時(shí)間上來分析，最新的3個(gè)關(guān)鍵詞分別是metrics(2019年、4次)、recovery(2018年、5次)、design(2017年、7次)，這可能暗示近3年以來該領(lǐng)域的熱點(diǎn)是考慮恢復(fù)或者韌性的耦合水電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問題，其所涉及到的文章列如表5所示。

圖5 耦合水電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)Fig.5 Keyword networks of papers about interdependent water and power networks

通過表5可以發(fā)現(xiàn)，2019年發(fā)表的文獻(xiàn)[91]在3項(xiàng)關(guān)鍵詞中均有，且被引頻次高達(dá)11次，具有最為顯著的影響。該文章事實(shí)上是采用混合整數(shù)規(guī)劃方法，以系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間和花費(fèi)為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，本質(zhì)上是處理關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的韌性問題，以水網(wǎng)和電網(wǎng)為例進(jìn)行了方法的說明。同樣，2019年發(fā)表的文獻(xiàn)[92]也出現(xiàn)了3次，被引頻次3次，其在上一篇文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入社會(huì)學(xué)指標(biāo)，例如失業(yè)率、性別等，對(duì)社區(qū)內(nèi)關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施的恢復(fù)作出規(guī)劃。第三篇重要的文獻(xiàn)是[93]其在3項(xiàng)關(guān)鍵詞之中出現(xiàn)了2次，其基本思路同樣是采用混合整數(shù)規(guī)劃方法，基于關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性和恢復(fù)性規(guī)劃維修順序，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的擾動(dòng)后的恢復(fù)；文獻(xiàn)[94]也在3項(xiàng)關(guān)鍵詞中出現(xiàn)了2次，該文獻(xiàn)提出了一個(gè)三級(jí)保護(hù)策略以增強(qiáng)關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施的韌性。其他文獻(xiàn)[95]則以韌性為關(guān)注點(diǎn)研究了關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)元件的重要度，上述文獻(xiàn)均屬于OU大學(xué)Barker團(tuán)隊(duì)的研究成果。

其他文獻(xiàn)，包括文獻(xiàn)[96]則采用動(dòng)態(tài)故障投入產(chǎn)出模型(dynamic inoperability input-output model)研究了在颶風(fēng)災(zāi)害下考慮設(shè)施級(jí)別的耦合電網(wǎng)、水網(wǎng)和通信網(wǎng)絡(luò)的破壞和恢復(fù)問題，文獻(xiàn)[97]則研究了閉環(huán)的水系統(tǒng)的魯棒性和花費(fèi)問題，采用的基本方法仍然是確定性規(guī)劃決策模型。而文獻(xiàn)[98]則采用優(yōu)化方法將組織和社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面納入了運(yùn)營問題中，從而可以了解政策層面(例如法規(guī))和技術(shù)層面(例如最佳基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù))決策之間的關(guān)系。

表5 近三年的關(guān)鍵詞和其所關(guān)聯(lián)的論文Table 5 Keywords in the past three years and related papers

被引文獻(xiàn)的聚類分析如圖6所示，分析表明被引文獻(xiàn)一共可以分為六類：

圖6 耦合水電網(wǎng)絡(luò)被引文獻(xiàn)聚類分析Fig.6 Cluster analysis of cited documents on interdependent water and power networks

(1)聚類1主要是電網(wǎng)系統(tǒng)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成的基礎(chǔ)知識(shí)。被引用最多的代表性文獻(xiàn)是[44]和[102]，前者已于上文介紹，而后者[102]則主要針對(duì)電力系統(tǒng)中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，提出了動(dòng)態(tài)模型來評(píng)估塔頂部的加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)。利用概率解析的算法，給出了結(jié)構(gòu)的脆弱性曲線。

(2)聚類2主要聚焦于水電網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際災(zāi)害中的表現(xiàn)。其中文獻(xiàn)[103]以1998年加拿大暴風(fēng)雪為典型案例，建立經(jīng)驗(yàn)性框架，以電網(wǎng)失效為基礎(chǔ)，評(píng)估對(duì)其他系統(tǒng)的影響和耦合關(guān)系。文獻(xiàn)[23]則聚焦于Katrina颶風(fēng)中電網(wǎng)的實(shí)際破壞和關(guān)聯(lián)破壞。

(3)聚類3主要聚焦于水電網(wǎng)絡(luò)在地震作用下的關(guān)聯(lián)破壞分析。文獻(xiàn)[104]考察了路網(wǎng)系統(tǒng)的地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，考慮了建成環(huán)境的交互作用，如碎片、結(jié)構(gòu)倒塌等。文獻(xiàn)[105]則考察了水網(wǎng)和電網(wǎng)在韌性視角下的功能耦合恢復(fù)情況。

(4)聚類4主要是以水電網(wǎng)絡(luò)工程管理為核心的分析文章。其中文獻(xiàn)[106]針對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施破壞后的恢復(fù)和調(diào)度計(jì)劃管理問題進(jìn)行研究，以混合整數(shù)規(guī)劃模型為方法建立目標(biāo)函數(shù)求解優(yōu)化問題。文獻(xiàn)[107]則辨析了工程管理中的三項(xiàng)基本概念，即風(fēng)險(xiǎn)、脆弱性和韌性。

(5)聚類5聚焦于兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的耦合破壞問題。代表性文獻(xiàn)均是領(lǐng)域內(nèi)的重要性文獻(xiàn)，其中文獻(xiàn)[80]不僅是該聚類的代表性文獻(xiàn)，而且CiteSpace軟件的Burst分析也表明，該文獻(xiàn)是這一領(lǐng)域內(nèi)具有重要推動(dòng)意義的文獻(xiàn)，作者是Adachi和Ellingwood，發(fā)表于2008年，CiteSpace表明這一文章在2011～2014年，連續(xù)4年推動(dòng)水電耦合系統(tǒng)的研究，同時(shí)也是耦合水電領(lǐng)域內(nèi)唯一的起推動(dòng)性作用的文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[28]前已敘及，Natrue期刊的文章代表了本研究領(lǐng)域相當(dāng)?shù)臒岫群退揭约拔磥碲厔?shì)。

(6)聚類6是聚焦于耦合水電網(wǎng)的恢復(fù)策略分析。代表性文獻(xiàn)[40]針對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施的恢復(fù)問題，考慮花費(fèi)和系統(tǒng)表現(xiàn)建立了混合整數(shù)規(guī)劃模型，而文獻(xiàn)[15]作為綜述性文獻(xiàn)則起到了連接聚類3和聚類6的橋梁作用。

4 趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

考慮到耦合基礎(chǔ)設(shè)施研究的復(fù)雜性，其未來所面臨的趨勢(shì)和挑戰(zhàn)可能包含如下幾個(gè)方面：

(1)空間維度：首先是剖析耦合基礎(chǔ)設(shè)施交互影響機(jī)制，建立更加客觀綜合的耦合基礎(chǔ)設(shè)施分析模型；其次是考慮不同空間尺度的變化，建立城市內(nèi)、城市間、國家甚至全球尺度[108]的基礎(chǔ)設(shè)施分析模型；再次是考察不同類型災(zāi)害場(chǎng)的空間變化特征并建立災(zāi)害場(chǎng)模型；最后則是考慮城市人口分布[109]等需求場(chǎng)變化，將“災(zāi)害場(chǎng)-設(shè)施場(chǎng)-需求場(chǎng)”進(jìn)行耦合分析。

(2)時(shí)間維度：首先是對(duì)災(zāi)害時(shí)間特征的考察與建模，包含地震、恐怖襲擊等短時(shí)災(zāi)害，還包括傳染病、戰(zhàn)爭(zhēng)、氣候變化等長時(shí)沖擊；其次是基于災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后3個(gè)宏觀的時(shí)間維度確定耦合基礎(chǔ)設(shè)施的階段特征，考察不同類型災(zāi)害作用下耦合基礎(chǔ)設(shè)施的功能變化模型，同時(shí)結(jié)合監(jiān)測(cè)管理模塊的動(dòng)態(tài)分析與管理；再次，對(duì)災(zāi)前運(yùn)維以設(shè)計(jì)、改造、拓展等不同目的為階段的細(xì)化，對(duì)災(zāi)中破壞的脆弱性和風(fēng)險(xiǎn)性的分析，對(duì)災(zāi)后優(yōu)化恢復(fù)問題、韌性的探索；最后則是更長遠(yuǎn)的時(shí)間階段，對(duì)耦合基礎(chǔ)設(shè)施的可持續(xù)、全壽命等問題的探索[110]。

(3)方法維度：首先是發(fā)展兼具計(jì)算效率與計(jì)算精度的高效耦合基礎(chǔ)設(shè)施分析方法；其次是5G技術(shù)、人工智能算法、城市尺度監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)、城市數(shù)字孿生模型(CIM)等各類與計(jì)算模型數(shù)據(jù)融合方法研究[111]；再次是以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)的方法和基于工程應(yīng)用方法為基礎(chǔ)的單災(zāi)害與多災(zāi)害、單系統(tǒng)與多系統(tǒng)間方法的交互驗(yàn)證；最后是不確定量化方法、風(fēng)險(xiǎn)分析方法、概率方法等的實(shí)踐和推廣。

(4)組織維度：首先是耦合基礎(chǔ)設(shè)施跨部門之間以及設(shè)施與風(fēng)險(xiǎn)(災(zāi)害)管理部門之間的組織協(xié)調(diào)問題；其次是耦合基礎(chǔ)設(shè)施層級(jí)和區(qū)域組織之間的協(xié)調(diào)問題；再次是災(zāi)害作用下社會(huì)群體的心理變化[112]和組織行為變化[113]；最后則是管理部門與實(shí)施部門以及大眾之間組織問題。

(5)現(xiàn)實(shí)維度：首先是數(shù)據(jù)的獲取性問題和安全性問題，由于城市信息事關(guān)國家和地區(qū)安全，因此，數(shù)據(jù)的獲取和存儲(chǔ)，都面臨相當(dāng)?shù)睦щy，建立公開共享的虛擬城市數(shù)據(jù)庫是一個(gè)可行的途徑[114]；其次是災(zāi)害的不確定性與投資需求的矛盾，以及由于經(jīng)濟(jì)波動(dòng)導(dǎo)致的金融不確定性(例如通貨膨脹、貨幣貶值等)；再次是模型的驗(yàn)證和管理體系的效率問題；最后則是國家長期發(fā)展戰(zhàn)略需求與規(guī)劃的一致性問題。

5 結(jié)論

本文以CiteSpace科學(xué)圖譜分析軟件為基礎(chǔ)，通過對(duì)Web of Science數(shù)據(jù)庫中耦合基礎(chǔ)設(shè)施文獻(xiàn)的量化分析，明確了這一研究領(lǐng)域的歷史發(fā)展脈絡(luò)、關(guān)鍵問題、研究熱點(diǎn)和學(xué)科知識(shí)基礎(chǔ)；進(jìn)一步對(duì)耦合水電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的文獻(xiàn)進(jìn)行了分析，明確了其研究焦點(diǎn)和熱點(diǎn)；進(jìn)而總結(jié)了本領(lǐng)域的研究趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。研究表明，耦合基礎(chǔ)設(shè)施的研究自1991年至今，歷經(jīng)3個(gè)階段的發(fā)展，特別是在韌性城市研究和建設(shè)的浪潮之下，所受到的關(guān)注更是與日俱增。美、中、英是該領(lǐng)域的三大主要研究國家，但美國仍處于絕對(duì)領(lǐng)先的地位。近五年主要研究對(duì)象是基礎(chǔ)設(shè)施中的天然氣網(wǎng)、電網(wǎng)、交通、社區(qū)，主要的災(zāi)難是地震，主要的問題是恢復(fù)、可持續(xù)性、韌性、治理，而主要的方法是指標(biāo)法。該領(lǐng)域的文獻(xiàn)基礎(chǔ)可以歸結(jié)為8類，而被引文獻(xiàn)的Burst檢測(cè)則給出了對(duì)于該領(lǐng)域有重要推動(dòng)作用的43篇文獻(xiàn)。耦合水電網(wǎng)絡(luò)研究處于耦合基礎(chǔ)設(shè)施研究中相對(duì)重要的位置，研究文獻(xiàn)占到了檢索文獻(xiàn)數(shù)量的約五分之一。近3年以來該領(lǐng)域的熱點(diǎn)是考慮恢復(fù)或者韌性的耦合水電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)問題。耦合基礎(chǔ)設(shè)施的研究同時(shí)在空間、時(shí)間、方法、組織和現(xiàn)實(shí)5個(gè)維度，面臨著不同的趨勢(shì)和挑戰(zhàn)。但總的來說，耦合基礎(chǔ)設(shè)施的研究起步較晚，尚屬于非常嶄新的一個(gè)領(lǐng)域，借助韌性城市研究和發(fā)展的契機(jī)[115-116]，未來必將大有可為。