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基于文献的国内生命线工程抗震防灾研究

畅通 周硕文 张靖岩 于文 赵旭东

畅通,周硕文,张靖岩,等. 基于文献的国内生命线工程抗震防灾研究[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):13-18. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.003
引用本文: 畅通,周硕文,张靖岩,等. 基于文献的国内生命线工程抗震防灾研究[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):13-18. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.003
CHANG Tong,ZHOU Shuowen,ZHANG Jingyan,et al. Analysis of Earthquake Resistance and Disaster Prevention of Lifeline Engineering in China based on Literature[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):13-18. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.003
Citation: CHANG Tong,ZHOU Shuowen,ZHANG Jingyan,et al. Analysis of Earthquake Resistance and Disaster Prevention of Lifeline Engineering in China based on Literature[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):13-18. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.003

基于文献的国内生命线工程抗震防灾研究

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.04.003
基金项目: 国家重点研发计划项目(2018YFC0809700)
详细信息
    作者简介:

    畅通(1997—),男,甘肃庆阳人,硕士研究生,研究方向为韧性城市、生命线工程抗震防灾. E-mail:1098406982@qq.com

  • 中图分类号: P315.95

Analysis of Earthquake Resistance and Disaster Prevention of Lifeline Engineering in China based on Literature

  • 摘要: 通过对生命线工程抗震防灾相关文献的查阅,基于社会网络分析建立了生命线工程抗震防灾研究网络图,对其核心内容的相对研究程度进行了量化分析,并对生命线工程系统的韧性做了讨论。研究发现,现有生命线工程抗震防灾研究以“震害预测”为重点,对生命线工程的“可靠性”进行了大量研究,“供水管网”、“交通系统”等重点子系统是生命线工程网络研究中的重要组成部分;随着技术进步与研究发展,信息技术逐渐成为了研究的热点,“算法”、“地理信息系统”等现代化技术的影响力逐步增强,围绕建设韧性城市的生命线系统的韧性研究增多。
  • 图  1  生命线工程抗震防灾总体研究文献网络图

    图  2  生命线工程抗震防灾核心研究文献网络图

    图  3  总体文献网络集团聚类示意图

    表  1  生命线工程抗震防灾检索词汇总

    主题检索词
    基础设施复杂网络(网络鲁棒性、网络冗余度、网络拓扑优化)
    救援支持(救援功能支撑、灾区救援资源恢复)
    生命线工程应急工程设施、地震损伤评估
    地震灾害灾害特点(基础设施震害、不确定性因素)
    灾后救援处置
    应急救援应急组织管理(部门协调规划、救援案例)
    灾后救援处置
    灾害模拟蒙特卡洛、时间成本、人员伤亡、经济成本
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    表  2  总体文献研究网络特征向量中心度

    序号研究内容EC序号研究内容EC
    1生命线工程1.000 021信息化保障0.114 0
    2震害预测0.231 922工程抗震对策0.112 3
    3可靠性0.191 523结构0.111 6
    4地震灾害0.191 024可靠度0.111 4
    5地震0.179 025震害损失0.110 1
    6供水管网0.178 726防震减灾0.106 8
    7次生灾害0.159 327桥梁0.106 3
    8易损性分析0.152 428震后0.105 2
    9复杂网络0.147 829应急期0.105 2
    10建筑物0.134 330抢修人员0.105 2
    11直接经济损失0.133 431需求分析0.105 2
    12铸铁管0.133 132优先度0.105 2
    13地面破坏0.133 133自然灾害0.104 2
    14网络0.128 734算法0.103 6
    15优化模型0.125 935地面大位移0.102 8
    16供水系统0.121 836土体滑动0.102 8
    17生命线0.119 537地震液化0.102 8
    18防灾减灾0.119 438液化土层0.102 8
    19优化0.115 939水平位移0.102 8
    20城市生命线工程0.115 740位移值0.102 8
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    表  3  核心文献研究网络特征向量中心度

    序号研究内容EC序号研究内容EC
    1生命线工程1.000 025震害0.178 2
    2震害预测0.604 826地震地质灾害0.178 2
    3可靠性0.427 527防灾减灾0.165 9
    4可靠度0.378 728震害损失0.165 9
    5算法0.357 229桥梁0.165 9
    6地震0.354 930对策0.104 8
    7地震灾害0.333 231拓扑优化0.090 4
    8供水管网0.312 132遗传算法0.090 4
    9生命线0.296 733模拟退火算法0.090 4
    10生命线工程网络0.296 034案例推理0.087 6
    11防震减灾0.285 735应急管理0.087 6
    12供水系统0.267 836城市生命线0.080 5
    13损失0.266 937脆弱性0.071 0
    14评估0.266 938汶川地震0.061 1
    15次生灾害0.264 339地震烈度0.056 6
    16交通系统0.263 340复杂网络0.046 6
    17抗震0.260 841应急预案0.035 9
    18石河子市0.256 642基础设施保护0.033 5
    19可靠性分析0.234 943供电网络0.026 7
    20易损性0.226 244电力网络0.026 7
    21城市生命线工程0.220 845城市韧性0.015 6
    22复杂适应系统0.215 546仿真0.015 6
    23系统可靠度0.205 147拓扑结构0.015 6
    24地理信息系统0.199 8
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-09
  • 网络出版日期:  2021-09-27
  • 刊出日期:  2021-10-20

基于文献的国内生命线工程抗震防灾研究

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.04.003
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2018YFC0809700)
    作者简介:

    畅通(1997—),男,甘肃庆阳人,硕士研究生,研究方向为韧性城市、生命线工程抗震防灾. E-mail:1098406982@qq.com

  • 中图分类号: P315.95

摘要: 通过对生命线工程抗震防灾相关文献的查阅,基于社会网络分析建立了生命线工程抗震防灾研究网络图,对其核心内容的相对研究程度进行了量化分析,并对生命线工程系统的韧性做了讨论。研究发现,现有生命线工程抗震防灾研究以“震害预测”为重点,对生命线工程的“可靠性”进行了大量研究,“供水管网”、“交通系统”等重点子系统是生命线工程网络研究中的重要组成部分;随着技术进步与研究发展,信息技术逐渐成为了研究的热点,“算法”、“地理信息系统”等现代化技术的影响力逐步增强,围绕建设韧性城市的生命线系统的韧性研究增多。

English Abstract

畅通,周硕文,张靖岩,等. 基于文献的国内生命线工程抗震防灾研究[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):13-18. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.003
引用本文: 畅通,周硕文,张靖岩,等. 基于文献的国内生命线工程抗震防灾研究[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):13-18. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.003
CHANG Tong,ZHOU Shuowen,ZHANG Jingyan,et al. Analysis of Earthquake Resistance and Disaster Prevention of Lifeline Engineering in China based on Literature[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):13-18. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.003
Citation: CHANG Tong,ZHOU Shuowen,ZHANG Jingyan,et al. Analysis of Earthquake Resistance and Disaster Prevention of Lifeline Engineering in China based on Literature[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):13-18. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.003
    • 随着中国城市化的快速发展,大城市及特大城市人口高度集中,生命线系统越发复杂。一旦发生较大地震灾害,会对城市的居民生命和经济造成严重影响。同时,生命线工程设施的损坏以及政府管理决策不协调会妨碍灾后救援行动的展开,所以生命线工程的抗震防灾是十分必要的。然而,不同生命线工程系统拥有不同的特征。其中,不同的工程系统内部、工程系统之间以及工程系统与外部环境相互关联,单个领域内的研究人员难以有效地实施分析,需要各个领域交叉合作。

      一般地,生命线工程系统具有3个基本特征:① 具有网络拓扑特性,在空间上覆盖面广;② 各类系统大都由一批工程结构构成,工程结构是生命线系统的客观载体;③ 生命线工程系统的不同子系统之间,在功能上存在互相耦连性。从文献检索结果来看,国内研究者普遍针对网络拓扑特性和工程结构特性对单个系统展开研究。相比之下,复合的生命线工程研究内容较少。但是,在20世纪90年代,李杰等[1-5]已开始研究复合生命线工程系统的地震灾害响应并尝试对相互影响的城市地震灾场进行模拟和控制,同时对城市地震次生火灾扑救过程进行了模拟,该模拟涉及到了建筑工程系统、通信系统、交通系统、供水系统、消防系统等。近年来,韧性城市理念提出以来,复合的生命线工程系统研究增多。例如,王涛等[6]针对地震之后医疗的应急功能,将整体的医疗系统划分为结构系统、围护系统、暖通系统、交通系统、给排水系统、电气系统及医务系统7个子系统。

      通过查阅文献,作者发现国内有关生命线工程抗震防灾的综述文献不多。1981年,叶耀先[7]对当时生命线地震工程的研究进展和震害情况做了分析。文章中写道,“在第七届世界地震工程会议录里(第8卷)关于生命线地震工程的论文共有18篇。论文多为理论分析,也有一些震害分析,但试验和观测方面研究极少,研究对象侧重于地下管线和隧道;整个生命线系统地震安全分析目前研究不多,但却日益受到重视。”21世纪初,苏幼坡等[8]以中国、美国和日本的生命线地震工程研究成果为依据进行了综述,介绍了旧的和新的震后恢复过程优化方法;李宏男等[9]系统性地总结了国内外生命线工程系统减灾研究的内容、特点和现状,指出了当时缺少实用的分析方法、研究内容不全面或不深入等问题,同时介绍了相关标准规范和专著;李杰等[10]综述了随机地震动场的数值模拟、工程结构非线性地震反应的概率密度演化、网络系统的抗震可靠性和优化方法,从地震动空间差异性到工程结构非线性响应规律,再到生命线工程网络的关联性简化模型和优化分析,做了统一的介绍;近期,李鸿晶等[11]通过分析中文核心期刊和SCI期刊论文,发现埋地管线仍然是生命线地震工程的研究热点之一,通信系统相关研究比较少,而桥梁隧道和电力设施占比较大。另外,还有其他对于生命线系统中部分的综述研究,如钱保国等[12]对生命线工程网络系统抗震可靠性的分析方法进行了综述,介绍了拓扑网络结构的抗震可靠性分析方法;石岩等[13]对作为交通系统重要环节的桥梁减隔震设计方法和抗震性能进行了综述;张卓群等[14]对输电塔-线体系的安全性和可靠性做了研究,对其不同灾害的影响和安全评估方法进行了综述。

      总而言之,生命线工程抗震防灾的目的在于地震发生后能够保障城市各种应急问题。本文基于中国知网(CNKI)期刊数据库,以“生命线工程”、“基础设施安全韧性”、“地震灾害”和“应急功能”进行文献检索,然后人工筛选了相关文献181篇用于量化的研究分析。由于单个文献的研究内容有限,现有相关文献研究的相关性分析不强,所以本文采用社会网络分析方法,重点对文献之间的关联程度和研究内容重要性[15]进行量化分析,从而在宏观层面讨论生命线工程抗震防灾的研究热点和发展趋势。

    • 生命线工程抗震防灾文献研究网络以关键词为节点,节点和文字大小代表相对连接次数的大小,不同颜色代表不同依据链接关系确定的分组。

      通过计算文献关键词两两之间的共现频次,得到了关键词关系矩阵,从而建立文献网络模型,并对特征向量中心度(Eigenvector centrality, EC)等网络特性指标进行了计算。

    • 基于CNKI期刊文献数据库,对生命线工程抗震防灾相关文献进行检索,检索范围如表1所示。通过“主题”检索对期刊文献进行收集,共得到959篇文献,经梳理分析后,确定181篇作为文献数据进行网络分析。通过对关键词的统计,共得到503个不同的关键词,基于对关键词间共现频次的分析,确定了关系矩阵,从而利用Gephi建立生命线工程抗震防灾的总体文献研究网络(图1)。

      表 1  生命线工程抗震防灾检索词汇总

      主题检索词
      基础设施复杂网络(网络鲁棒性、网络冗余度、网络拓扑优化)
      救援支持(救援功能支撑、灾区救援资源恢复)
      生命线工程应急工程设施、地震损伤评估
      地震灾害灾害特点(基础设施震害、不确定性因素)
      灾后救援处置
      应急救援应急组织管理(部门协调规划、救援案例)
      灾后救援处置
      灾害模拟蒙特卡洛、时间成本、人员伤亡、经济成本

      图  1  生命线工程抗震防灾总体研究文献网络图

      从总体研究文献网络图可以看到,由生命线工程系统展开的关键词繁多,并且有明显的聚类现象,同时可以看到相关“韧性”的研究处于网络边缘地带。在下面会做更为详细地讨论。

    • 为了更明确直观地对生命线工程抗震防灾研究进行分析,本文进一步建立了核心研究文献网络。基于关键词出现频次,选取出现频次大于等于3的关键词作为核心网络的节点共得到47个关键词节点,建立了核心网络(图2)。

      经筛减后的核心研究文献网络节点较为稀疏,网络变为具有2个连通分量的非连通图。同样在下面做更为详细地讨论。

      图  2  生命线工程抗震防灾核心研究文献网络图

    • 通过对关键词进行特征向量中心度计算,得到了总体网络和核心网络的计算结果统计表(表23)。其中,总体文献网络部分只取了排名前40的关键词,核心文献研究网络则取全部47个关键词。

      表 2  总体文献研究网络特征向量中心度

      序号研究内容EC序号研究内容EC
      1生命线工程1.000 021信息化保障0.114 0
      2震害预测0.231 922工程抗震对策0.112 3
      3可靠性0.191 523结构0.111 6
      4地震灾害0.191 024可靠度0.111 4
      5地震0.179 025震害损失0.110 1
      6供水管网0.178 726防震减灾0.106 8
      7次生灾害0.159 327桥梁0.106 3
      8易损性分析0.152 428震后0.105 2
      9复杂网络0.147 829应急期0.105 2
      10建筑物0.134 330抢修人员0.105 2
      11直接经济损失0.133 431需求分析0.105 2
      12铸铁管0.133 132优先度0.105 2
      13地面破坏0.133 133自然灾害0.104 2
      14网络0.128 734算法0.103 6
      15优化模型0.125 935地面大位移0.102 8
      16供水系统0.121 836土体滑动0.102 8
      17生命线0.119 537地震液化0.102 8
      18防灾减灾0.119 438液化土层0.102 8
      19优化0.115 939水平位移0.102 8
      20城市生命线工程0.115 740位移值0.102 8

      表 3  核心文献研究网络特征向量中心度

      序号研究内容EC序号研究内容EC
      1生命线工程1.000 025震害0.178 2
      2震害预测0.604 826地震地质灾害0.178 2
      3可靠性0.427 527防灾减灾0.165 9
      4可靠度0.378 728震害损失0.165 9
      5算法0.357 229桥梁0.165 9
      6地震0.354 930对策0.104 8
      7地震灾害0.333 231拓扑优化0.090 4
      8供水管网0.312 132遗传算法0.090 4
      9生命线0.296 733模拟退火算法0.090 4
      10生命线工程网络0.296 034案例推理0.087 6
      11防震减灾0.285 735应急管理0.087 6
      12供水系统0.267 836城市生命线0.080 5
      13损失0.266 937脆弱性0.071 0
      14评估0.266 938汶川地震0.061 1
      15次生灾害0.264 339地震烈度0.056 6
      16交通系统0.263 340复杂网络0.046 6
      17抗震0.260 841应急预案0.035 9
      18石河子市0.256 642基础设施保护0.033 5
      19可靠性分析0.234 943供电网络0.026 7
      20易损性0.226 244电力网络0.026 7
      21城市生命线工程0.220 845城市韧性0.015 6
      22复杂适应系统0.215 546仿真0.015 6
      23系统可靠度0.205 147拓扑结构0.015 6
      24地理信息系统0.199 8

      表2总体文献网络特征向量中心度结果来看,“震害预测”、“可靠性”、“地震灾害”、“供水管网”、“次生灾害”、“易损性分析”和“复杂网络”处于比较靠前的位置。从这几个关键词的研究内容,大致可以得到中国生命线工程抗震防灾的研究热点主要集中在对地震灾害后果的预估和对生命线工程的损伤诊断。其中,供水管网由于常年埋于地下,受地震动影响严重,且供水系统可以相对容易建立单元的破坏与其功能损失之间的定量联系[16],“供水管网”的研究相对较广泛。各个系统之间的级联影响研究也比较多,常伴随次生灾害,如火灾、毒气泄漏等。一个典型案例就是2011年的日本发生了里氏9.0级地震,其电力系统的损伤导致了核电厂爆炸[17]。次生火灾研究也是热点,因为其影响灾后的人员应急疏散和救援[18-20]。还有针对系统性的特征,“复杂网络”工具运用随处可见。除了上述几个关键词外,从表2中可以看到,“直接经济损失”、“优化模型”、“信息化保障”、“桥梁”和“应急期”也都比较热门。

      但从整体上来讲,其他研究内容的相对重要性较低,仅为“生命线工程”的10%左右。这与通用型关键词本身的特性有关,它们影响了量化分析结果的代表性。所以,本研究重点对核心研究文献网络进行了分析。除上述结果外,“可靠性”、“可靠度”排在第3、4位,从表3中可以看出,为了应对地震灾害的随机性,通过概率方法来对生命线工程系统的安全性进行分析是重点研究内容。随着计算机技术的进步,“算法”的重要性越来越高,在生命线系统的可靠度计算中,不同计算与模拟分析方法得到了广泛的应用。从研究内容也可以了解到,目前研究成果主要应用于复杂程度较低的小城市或大城市的某一块区域。“基础设施保护”、“城市韧性”和“仿真”逐渐崭露头角。“石河子市”是核心研究网络中出现的地区,通过对相关文献的研究发现,早在2003年左右,已经有研究从灾害串的角度分别对石河子市电力工程系统、交通工程系统和供热工程系统的震害预测进行了综合研究分析,这非常值得借鉴。部分研究人员以“汶川地震”为案例,对医疗设施、供水设施、工程建设提出了建议。

      随着研究的深入发展,“系统可靠度”已逐步成为重要的研究方向。但目前的研究中主要是在设计阶段对生命线工程的抗震性能进行研究,通过研究建立了多种有效的模拟方法。现有研究中缺少从救灾的角度对系统进行综合分析,“城市韧性”研究不足。而信息化技术的进步,使得“仿真”、“地理信息系统”等现代化信息技术的重要性逐步提高,在生命线系统网络破坏机理研究中得到应用。

    • 从总体研究文献网络的聚类图来看(图1),国内生命线工程抗震防灾研究内容大致可以分为下面几个集团板块。即“震害预测”、“城市生命线工程”、“复杂网络”、“地震”和“震害”为核心的分支网络(如图3)。

      图  3  总体文献网络集团聚类示意图

      从核心研究文献网络的聚类图来看(图2),“城市生命线工程”、“地理信息系统”、“可靠性”、“供水系统”和“交通系统”都是围绕着“震害预测”为核心。“应急管理”这一块的内容会通过“地震”关键词与“生命线工程”联系起来。“复杂网络”将“基础设施保护”、“仿真”、“拓扑结构”和“城市韧性”连接了起来,但是其分支与“生命线工程”关联度不是很大。事实上,建设安全韧性城市,和生命线工程内容有很大的交叉。例如《社区韧性规划指南——建筑群落及基础设施系统》(Community Resilience Planning Guide for Buildings and Infrastructure Systems)里将建筑环境分为建筑群落和基础设施系统[21]。由于充分考虑则涉及范围太广而不易研究,所以安全韧性的生命线工程系统还处于初探阶段。

      通过计算整个全局网络的平均聚类系数,可以得到总体文献研究网络的值为0.9083,核心文献研究网络的值为0.4651。说明总体网络中的节点联系比较精密,核心网络在去掉出现频次较少的节点后,剩余关键词节点联系更加稀疏。这从某方面来说,对于较复杂系统的研究,想全部整体考虑有一定的难度,通常需要用其中的末梢细节功能来将复杂系统串联起来。

    • 根据上面的宏观分析结果,可以大致了解国内生命线工程抗震防灾的热点和各研究分支的关联性。其中,通过比较各关键词的特征向量中心度,对文献研究的相应内容进行量化分析。研究发现,“震害预测”、“可靠度”、“复杂网络”、“供水系统”、“次生灾害”和“信息化保障”等比较热门。在各个系统耦合、交联影响分析方面,常见电力、供水系统的级联失效研究。随着土木工程计算与仿真技术发展迅速,“仿真”“地理信息系统”“城市韧性”逐渐成为中国生命线工程抗震防灾的新趋势。

      但是,生命线工程系统关联性复杂,基础数据不易获得,想要整个系统性地分析并评估韧性难度很大。因此,现有研究常关注于抗震防灾的某一功能目的,使其将生命线工程系统串联起来。这样,可以初步地将城市的生命线工程系统安全性作为整体来研究。还有一些学者对生命线工程系统中的某一个系统进行了细化研究,从而评估其韧性。

      作者认为韧性有两方面:一方面是自我抵抗灾害的能力和受到一定破坏后的自我修复能力;另一方面是外界对受破坏的系统给予一定帮助的修复能力(就像是一个河流,受污染之后可以有自身生态系统的修复净化;也有人为帮助下的净化处理,这一阶段中的韧性体现在人为进行干预时,修复的难易程度和可操作性)。结合本次疫情全球结果状况来看,人人防灾的时代已经到来了。

      人是一座城市的主要因素,防灾减灾的目的之一也是尽可能降低对人身安全的伤害。假想一座防灾意识很强的城市和没有防灾意识的城市,在灾难发生时可想而知后者的伤害程度更大(其他环境因素相同的情况下)。如果把人的主观能动性调动起来(当然这非常不易),这会让城市的韧性更上一层台阶。第一自救方面,本地区域的人会对自己的周围环境更加了解,便于在灾难发生时进行各种自救行动以及对基础设施的维护;第二他救方面,在有防灾意识的情况下,外部救援更容易进入现场进行救助活动,提高救援效率。

      从文献研究结果来看,在生命线工程系统中韧性分析的研究较少,可借鉴的想法不多。若在充分考虑物理系统本身韧性的同时,考虑人的影响因素,将会提升整个系统完整性和目的明确性,即抗震防灾系统的有机团结。其并不依赖于对人的认知,而依赖于在客观上可以确定的社会关系的相互关联和互动[22]。从目前阶段来看,对于韧性的智慧性(Resourcefulness)和适应性(Adaptive)特征的实现,比较重要的因素在于系统中人与人、人与外界环境之间的协调。例如,在灾后生命线工程抢修中,各生命线系统部门沟通,生命线系统之间的耦联影响(重要性、利益、能力等)。更重要的是工作人员对新技术的学习,对以往灾害经验的总结和平时情景演练。

      通过分析发现,现有研究的工程实践相对较少,应充分利用现有相关调查数据,对城市、地区、全国的生命线工程抗震防灾能力进行评估。同时要注意到生命线工程抗震防灾不是单纯的科学研究问题,要加强科研成果与自然灾害防治九项重点工程的对接,综合提高生命线工程的抗震防灾能力。

      应当指出,本研究对生命线工程防震减灾的文献研究讨论,其目的在于将复杂零散的生命线工程系统研究关联起来,宏观分析其热点并对发展趋势进行讨论。因论文数据库的不完整性等因素(例如某些生命线工程系统数据的保密性原因未公开发表),存在一定的局限性,但是宏观上或许可以反映出一些情况。

参考文献 (22)

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