基于CiteSpace的韌性城市視角下耦合基礎設施文獻的量化分析

繆惠全，鐘紫藍，杜修力

(1.北京工業(yè)大學 城建學部，北京 100124； 2.北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室， 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)功能日趨復雜，由此所導致的城市災害損失也日益增加，至2018年全球30萬人口以上的城市有1 860個，人口總數(shù)25億，其中近58%的城市要承受包含龍卷風、洪水、干旱、地震、滑坡、火山六種災害中至少一種，人口總數(shù)占統(tǒng)計規(guī)模城市人口的64%[1]。美國的保險業(yè)損失統(tǒng)計表明，去除通貨膨脹之后，巨災保險的損失金額從1980到2018年，平均每隔10年保險損失就增長100億美元，而2005年的Katrina、Rita和Wilma颶風保險損失790億美元，2017年的Harvey、Iram和Maria颶風則損失了1 040億美元[2]。正是在這一背景之下，全面提升城市系統(tǒng)的抗災性能，建設更具抗災韌性的城市，已成一種全球共識，為此，世界各個國家、地區(qū)和組織，相繼成立了韌性城市相關(guān)機構(gòu)，開展了系列的活動、論壇和學術(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與災后恢復設施組織(Global Facility for Disaster Reduction and Recover, GFDRR)聯(lián)合召集的城市韌性項目[4]、美國PPD-8[5]和PPD-21[6]分別關(guān)于氣候韌性和關(guān)鍵基礎設施韌性建設的總統(tǒng)令、由美國國家標準技術(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“抗震韌性城市建設的關(guān)鍵前沿基礎科學問題”，明確了后續(xù)5～10年的重點研究方向[8]。2020年黨的十九屆五中全會審議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標的建議》中也明確提出了建設“韌性城市”的目標[9]。由此可見，建設韌性城市已成為世界范圍的廣泛共識和共同行動[10]。

城市基礎設施作為城市物質(zhì)系統(tǒng)的基本構(gòu)成，其抗災韌性直接關(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)注城市各部分防災性能的提升。因此，將不同的基礎設施，以系統(tǒng)間互相耦合的視角進行研究(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。耦合基礎設施(interdependent infrastructure)，有的研究者稱之為關(guān)聯(lián)基礎設施、相互依賴基礎設施等，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[15]等。筆者認為，以“耦合”來作為“interdependent infrastructure”中“interdependent”一詞的漢語翻譯，更能反映所研究對象的本質(zhì)。根據(jù)文獻[16]，“耦合”的解釋為“物理學上指兩個或兩個以上的體系或兩種運動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”一詞在中文中對于基礎設施之間的相互影響描述更加準確全面，一是表現(xiàn)了各基礎設施作為一個獨立體系的完整性，二是表現(xiàn)了各基礎設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動中，相互之間的關(guān)系具有動態(tài)變化的特性，四則表現(xiàn)了獨立的個體，通過彼此之間的作用又聯(lián)合起來，共同作為基礎設施系統(tǒng)而所表現(xiàn)出來的整體性。

本文在這里采用CiteSpace軟件，對這一研究領域進行了初步量化文獻分析，主要試圖回答如下幾個問題：(1)該領域的總體歷史發(fā)展情況如何，包括論文數(shù)量、主要的研究機構(gòu)、國家、研究者和本領域內(nèi)的重要期刊。(2)領域主要關(guān)注的研究對象和問題是什么？(3)研究者和研究機構(gòu)的合作網(wǎng)絡如何，主流合作團體如何？(4)本領域的知識基礎構(gòu)成是怎么樣的？推動本領域發(fā)展的主要文獻有哪一些？本領域的發(fā)展脈絡如何？(5)耦合水電網(wǎng)絡的焦點、難點和熱點是什么？(6)未來需要關(guān)注的研究趨勢和挑戰(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，檢索的主題為“interdependent infrastructure”，檢索時間開始于1975年，檢索時間為北京時間2020年7月24日15:36，檢索之后共得到文獻627篇。

1 總體情況

該領域逐年發(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，耦合基礎設施的研究可分為三個階段，第一個階段是1991—2000年，第二個階段是2001—2004年，第三個階段是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

第一個階段中，所檢索到的最早的文獻是1991年的Rys和Ziembla發(fā)表的具有關(guān)聯(lián)基礎設施的工業(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)絡分布式計算的問題[18]，分布式計算網(wǎng)絡內(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)表的對農(nóng)村問題的社會學研究[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)濟學和社會學領域，而在工程領域涉及比較少，在這10年中(1991—2001)，文獻的數(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)基礎設施的影響[20]，恐怖襲擊導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[21-22]。人們對耦合基礎設施的關(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)論在后敘文獻分析中還將被進一步佐證。

第三個階段則是2005年以后，由于Katrina颶風所導致的嚴重后果[23-24]，韌性城市的研究興起，而韌性城市研究的一個關(guān)注焦點則是城市尺度基礎設施的破壞和恢復問題，2012年的Sandy颶風進一步推動了韌性城市的研究，使的該領域的文章數(shù)量出現(xiàn)了顯著的增加，2005年的文章數(shù)量僅有8篇，2012年已經(jīng)有了31篇，而到了2019年，一年的文章數(shù)量就達到了115篇，是前兩個階段文章數(shù)量總和的3倍。

其他的論文統(tǒng)計信息總結(jié)于表1之中，從中可以發(fā)現(xiàn)如下幾點：(1)從論文發(fā)表的機構(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(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%，處于絕對領先地位，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)，為該領域的代表性學者。(4)該領域的主要論文發(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 %)，為該領域有重要影響力的期刊。

通過以上研究，我們回答了本文設定的第一個問題。

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

2 檢索文獻的量化分析

對于檢索所得到的文獻，本文使用CiteSpace軟件進行文獻的量化分析以回答第2～4項問題，CiteSpace是由美籍華人學者陳超美教授研究建立的基于量化分析的知識圖譜軟件，可以量化快速地切入學科的發(fā)展現(xiàn)狀，厘清知識脈絡，探索學科未來趨勢[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)驗進行進一步解析。

2.1 關(guān)鍵詞分析

文獻關(guān)鍵詞的研究可以回答第二個問題。利用CiteSpace軟件，統(tǒng)計各個文獻的關(guān)鍵詞，并取頻次排名占靠前大約10%的關(guān)鍵詞進行分析，共58項，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設施網(wǎng)絡或者是基礎設施系統(tǒng)，而代表性的基礎設施則是電網(wǎng)、交通網(wǎng)絡、社區(qū)、天然氣網(wǎng)。第二類是研究的客體，即面臨的災害或者沖擊，包括了climate change、attack、disaster、seismic resilience，表明主要的災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、風險、級聯(lián)失效、可靠性、功能、恢復、不確定性、可持續(xù)性、設計、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、識別。

而從時間來看，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象是基礎設施中的天然氣網(wǎng)、電網(wǎng)、交通、社區(qū)，主要的災難是地震，主要的問題是恢復、可持續(xù)性、韌性、治理，而主要的方法是指標與識別。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，耦合基礎設施與韌性的研究是內(nèi)嵌在一起的。

2.2 合作網(wǎng)絡分析

本領域主要研究者的合作網(wǎng)絡，包含了研究人員和機構(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、波士頓大學的Stanley、Rice大學的Duenas-Osorio、Univ Virginia的Haimes處于網(wǎng)絡中的顯著位置，而中國的華中科技大學、西北工業(yè)大學，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 本領域主要合作網(wǎng)絡Fig.2 Major cooperation networks in this field

同時，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則在較早的時期進入了該研究領域并形成了早期的影響力。

2.3 共被引文獻分析

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

通過CiteSpace軟件，我們共分析得到894個節(jié)點、3 494條link。對這些文獻進行聚類分析，可以得到圖3所示的結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，主流的被引文獻聚合成了一個網(wǎng)絡，而這個網(wǎng)絡則通過特征聚類分為8個子類，各子類出現(xiàn)頻率最高的兩項關(guān)鍵詞、主要學科領域和代表性的期刊，以及聚類之內(nèi)的兩項最高被引的文獻，也顯示在圖3之中。

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

(1)第一類是圖中紅色區(qū)域，文獻的關(guān)鍵詞是cascadingfailure和robustness，文獻歸屬于physics，multidisciplinary，最具影響的出版物是Phys Rev E。該部分引用最多的文獻是[28]和[29]。分析文獻和關(guān)鍵詞可以發(fā)現(xiàn)，該子類事實上是物理學中復雜網(wǎng)絡理論為基礎所構(gòu)建的耦合基礎設施研究，文獻[28]和文獻[29]分別發(fā)表于頂級期刊Nature和Nature Physics，可以說對于推動耦合基礎設施的研究具有重要的影響。這確實我們相信，由耦合基礎設施問題所抽象出來的“網(wǎng)絡的網(wǎng)絡”、“系統(tǒng)的系統(tǒng)”這一復雜網(wǎng)絡問題，可以高度的抽象化、概括化、一般化為物理問題，并成為交叉學科的研究問題之一。但也應該認識到，高度抽象和概括化的復雜網(wǎng)絡，會失去對水網(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是[30]和[31]。分析文獻和關(guān)鍵詞可以發(fā)現(xiàn)，兩篇文獻均是利用投入產(chǎn)出模型分析災害導致的耦合基礎設施的經(jīng)濟損失問題，事實上構(gòu)建了工程科學與經(jīng)濟科學的交叉研究。應該認識到，投入-產(chǎn)出模型是一類比較簡單的經(jīng)濟學模型，屬于線性、靜態(tài)的分析[32]，為此，一些研究者進一步采用了更加復雜的模型，如一般均衡模型并結(jié)合工程系統(tǒng)分析結(jié)果對這一問題進行了進一步深入研究，如文獻[33-35]。

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

(4)第四類是圖中的灰黃色區(qū)域，文獻關(guān)鍵詞是urban infrastructure system和simulation models，歸屬學科類別是engineering geological，最具影響的出版物是Fin Rep Aug[38]。該領域引用最多的文獻是[14]和[39]。文獻[14]旨在揭示數(shù)采監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)與基礎設施之間的耦合關(guān)系而文獻[39]則致力于利用圖論的方法對耦合基礎設施的脆弱性進行分析。綜合考慮其他文獻，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設施的耦合關(guān)系并進行建模分析。

(5)第五類是圖中的嫩綠色區(qū)域，文獻關(guān)鍵詞是equity perspective和importance measures，歸屬學科類別是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是[15]和[40]。文獻[15]為綜述性文獻，而文獻[40]則以規(guī)劃模型解決關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡的設計問題(interdependent network design problem)，參考本區(qū)域其他代表性文獻[41-43]，可以發(fā)現(xiàn)本部分主要致力于耦合基礎設施恢復問題的分析。

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

(7)第七類是圖中的紫色區(qū)域，文獻關(guān)鍵詞是risk-based input-ouput model和electric power network，歸屬學科類別是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是[48]和[49]。文獻[48]討論了能源基礎設施應對災害自我恢復的需要，而文獻[49]則討論了提升石油和天然氣基礎設施安全性的重要性，結(jié)合本部分其他文獻[50-52]，本部分主要屬于國家政策和智庫分析，強調(diào)對耦合基礎設施研究的需求性和重要性。

(8)第八類是圖中的灰淡藍色框域，文獻關(guān)鍵詞是day-ahead coordination和energy system integration，歸屬學科類別是engineering，multidisciplinary，最具影響的出版物是IEEE Sustain Energ。該領域被引用最多的文獻是[53]和[54]。從圖中可以看出，該類別文獻數(shù)量相對較少，其聯(lián)系也比較松散，事實上處于耦合基礎設施研究中相對比較小眾的類別，文獻[53]討論的是由天然氣供能至發(fā)電系統(tǒng)短期(24h內(nèi))兩個網(wǎng)絡的運行優(yōu)化問題。而文獻[54]則關(guān)注于多層網(wǎng)絡之間的同步關(guān)系，本質(zhì)屬于數(shù)學問題研究。

2.4 被引文獻的Burst檢測

被引文獻的Burst檢測可以發(fā)現(xiàn)對該領域有重要推動作用的被引文獻。通過分析，Citespace共給出了43項對于該領域有重要推動作用的被引文獻，結(jié)果如表3所示。

表3 該領域有重要推動作用的被引文獻Table 3 Cited documents with an important role

(1)最早起到有力推動作用的則是文獻[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耦合基礎設施經(jīng)濟影響的文章，隨后，以Haimes為代表的研究文章持續(xù)推進該領域的研究，43篇文獻中的前5項均是由其團隊貢獻[31,55-58]，集中于耦合基礎設施的經(jīng)濟損失分析和風險研究。這驗證了筆者對耦合基礎設施研究階段劃分結(jié)論，即該領域第二階段發(fā)展主要是由911恐怖襲擊導致人們對耦合基礎設施災害破壞的關(guān)注和重視，而這種重視首先即源于對經(jīng)濟損失和風險管理的關(guān)注。隨后，工程研究人員開始將目光關(guān)注于這一領域，Rinaldi等人定義關(guān)鍵基礎設施耦合問題的文獻引起人們的關(guān)注[59]，奠定了隨后對該領域的其他工程問題研究，持續(xù)時間為2007～2009年。

(2)具有最大推動強度的是文獻[28]，推動強度指標高達19.727，時間為2016～2018年，該文章呈現(xiàn)于世界頂級期刊Nature，將耦合基礎設施的破壞問題推至世界矚目的高度；其次則是文獻[15]，推動強度指標15.1063，時間為2018～2020年，該文獻作為綜述性文獻，亦有力地推動了該領域的發(fā)展。

(3)近5年具有最長推動作用的是文獻[55]，同時也是該領域第1篇引起大家關(guān)注的文獻，持續(xù)時間為2005年至2012年共7 000，這說明早期耦合基礎設施的研究主要還是集中于經(jīng)濟損失的研究，而自2018年到2020年具有顯著推動作用的則是文獻[15,60-63]，均集中于耦合基礎設施的建模問題，這亦暗示，當前研究的熱點集中于對耦合基礎設施脆弱性、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)絡的研究進展

3.1 總體情況

考慮到耦合水電網(wǎng)絡是耦合基礎設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上，增加“water”和“power”兩個主題，進一步對文獻進行精煉，共得到了112篇文獻，占耦合基礎設施文獻總量的17.86%，由此可見，耦合水電網(wǎng)絡的研究占比大約是耦合基礎設施網(wǎng)絡1/5，考慮到基礎設施的眾多類別，可以認為耦合水電網(wǎng)絡具有非常好的代表性。其歷年的文獻變化情況如圖4所示，可以看出，耦合水電網(wǎng)絡從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，可以預見在未來的5～10年，必仍將持續(xù)這種發(fā)展勢頭。

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

3.2 文獻量化分析

對關(guān)鍵詞取出現(xiàn)頻率在5次以上的部分進行分析，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，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，主要是級聯(lián)失效問題、脆弱性問題、韌性問題、設計問題，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，中介中心性指標(集中程度)反應了節(jié)點在關(guān)鍵詞網(wǎng)絡中的關(guān)鍵性，可以認為是分析該領域必須優(yōu)先解決的關(guān)鍵詞。從這一指標來看，關(guān)鍵詞failure、cascading failure

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

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

從時間上來分析，最新的3個關(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年以來該領域的熱點是考慮恢復或者韌性的耦合水電網(wǎng)絡的設計問題，其所涉及到的文章列如表5所示。

圖5 耦合水電網(wǎng)絡的關(guān)鍵詞網(wǎng)絡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[91]在3項關(guān)鍵詞中均有，且被引頻次高達11次，具有最為顯著的影響。該文章事實上是采用混合整數(shù)規(guī)劃方法，以系統(tǒng)恢復時間和花費為優(yōu)化目標，進行多目標優(yōu)化求解，本質(zhì)上是處理關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡的韌性問題，以水網(wǎng)和電網(wǎng)為例進行了方法的說明。同樣，2019年發(fā)表的文獻[92]也出現(xiàn)了3次，被引頻次3次，其在上一篇文獻的基礎上，進一步引入社會學指標，例如失業(yè)率、性別等，對社區(qū)內(nèi)關(guān)聯(lián)基礎設施的恢復作出規(guī)劃。第三篇重要的文獻是[93]其在3項關(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)絡的脆弱性和恢復性規(guī)劃維修順序，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡的擾動后的恢復；文獻[94]也在3項關(guān)鍵詞中出現(xiàn)了2次，該文獻提出了一個三級保護策略以增強關(guān)聯(lián)基礎設施的韌性。其他文獻[95]則以韌性為關(guān)注點研究了關(guān)聯(lián)基礎設施網(wǎng)絡元件的重要度，上述文獻均屬于OU大學Barker團隊的研究成果。

其他文獻，包括文獻[96]則采用動態(tài)故障投入產(chǎn)出模型(dynamic inoperability input-output model)研究了在颶風災害下考慮設施級別的耦合電網(wǎng)、水網(wǎng)和通信網(wǎng)絡的破壞和恢復問題，文獻[97]則研究了閉環(huán)的水系統(tǒng)的魯棒性和花費問題，采用的基本方法仍然是確定性規(guī)劃決策模型。而文獻[98]則采用優(yōu)化方法將組織和社會經(jīng)濟方面納入了運營問題中，從而可以了解政策層面(例如法規(guī))和技術(shù)層面(例如最佳基礎設施恢復)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

被引文獻的聚類分析如圖6所示，分析表明被引文獻一共可以分為六類：

圖6 耦合水電網(wǎng)絡被引文獻聚類分析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)成的基礎知識。被引用最多的代表性文獻是[44]和[102]，前者已于上文介紹，而后者[102]則主要針對電力系統(tǒng)中的風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)，提出了動態(tài)模型來評估塔頂部的加速度動態(tài)響應。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)絡在實際災害中的表現(xiàn)。其中文獻[103]以1998年加拿大暴風雪為典型案例，建立經(jīng)驗性框架，以電網(wǎng)失效為基礎，評估對其他系統(tǒng)的影響和耦合關(guān)系。文獻[23]則聚焦于Katrina颶風中電網(wǎng)的實際破壞和關(guān)聯(lián)破壞。

(3)聚類3主要聚焦于水電網(wǎng)絡在地震作用下的關(guān)聯(lián)破壞分析。文獻[104]考察了路網(wǎng)系統(tǒng)的地震風險評估，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[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情況。

(4)聚類4主要是以水電網(wǎng)絡工程管理為核心的分析文章。其中文獻[106]針對耦合基礎設施破壞后的恢復和調(diào)度計劃管理問題進行研究，以混合整數(shù)規(guī)劃模型為方法建立目標函數(shù)求解優(yōu)化問題。文獻[107]則辨析了工程管理中的三項基本概念，即風險、脆弱性和韌性。

(5)聚類5聚焦于兩個網(wǎng)絡的耦合破壞問題。代表性文獻均是領域內(nèi)的重要性文獻，其中文獻[80]不僅是該聚類的代表性文獻，而且CiteSpace軟件的Burst分析也表明，該文獻是這一領域內(nèi)具有重要推動意義的文獻，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年推動水電耦合系統(tǒng)的研究，同時也是耦合水電領域內(nèi)唯一的起推動性作用的文獻。文獻[28]前已敘及，Natrue期刊的文章代表了本研究領域相當?shù)臒岫群退揭约拔磥碲厔荨?/p>

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

4 趨勢和挑戰(zhàn)

考慮到耦合基礎設施研究的復雜性，其未來所面臨的趨勢和挑戰(zhàn)可能包含如下幾個方面：

(1)空間維度：首先是剖析耦合基礎設施交互影響機制，建立更加客觀綜合的耦合基礎設施分析模型；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]的基礎設施分析模型；再次是考察不同類型災害場的空間變化特征并建立災害場模型；最后則是考慮城市人口分布[109]等需求場變化，將“災害場-設施場-需求場”進行耦合分析。

(2)時間維度：首先是對災害時間特征的考察與建模，包含地震、恐怖襲擊等短時災害，還包括傳染病、戰(zhàn)爭、氣候變化等長時沖擊；其次是基于災前、災中、災后3個宏觀的時間維度確定耦合基礎設施的階段特征，考察不同類型災害作用下耦合基礎設施的功能變化模型，同時結(jié)合監(jiān)測管理模塊的動態(tài)分析與管理；再次，對災前運維以設計、改造、拓展等不同目的為階段的細化，對災中破壞的脆弱性和風險性的分析，對災后優(yōu)化恢復問題、韌性的探索；最后則是更長遠的時間階段，對耦合基礎設施的可持續(xù)、全壽命等問題的探索[110]。

(3)方法維度：首先是發(fā)展兼具計算效率與計算精度的高效耦合基礎設施分析方法；其次是5G技術(shù)、人工智能算法、城市尺度監(jiān)測與大數(shù)據(jù)、城市數(shù)字孿生模型(CIM)等各類與計算模型數(shù)據(jù)融合方法研究[111]；再次是以復雜網(wǎng)絡理論為基礎的方法和基于工程應用方法為基礎的單災害與多災害、單系統(tǒng)與多系統(tǒng)間方法的交互驗證；最后是不確定量化方法、風險分析方法、概率方法等的實踐和推廣。

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

(5)現(xiàn)實維度：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，都面臨相當?shù)睦щy，建立公開共享的虛擬城市數(shù)據(jù)庫是一個可行的途徑[114]；其次是災害的不確定性與投資需求的矛盾，以及由于經(jīng)濟波動導致的金融不確定性(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科學圖譜分析軟件為基礎，通過對Web of Science數(shù)據(jù)庫中耦合基礎設施文獻的量化分析，明確了這一研究領域的歷史發(fā)展脈絡、關(guān)鍵問題、研究熱點和學科知識基礎；進一步對耦合水電網(wǎng)絡系統(tǒng)的文獻進行了分析，明確了其研究焦點和熱點；進而總結(jié)了本領域的研究趨勢和挑戰(zhàn)。研究表明，耦合基礎設施的研究自1991年至今，歷經(jīng)3個階段的發(fā)展，特別是在韌性城市研究和建設的浪潮之下，所受到的關(guān)注更是與日俱增。美、中、英是該領域的三大主要研究國家，但美國仍處于絕對領先的地位。近五年主要研究對象是基礎設施中的天然氣網(wǎng)、電網(wǎng)、交通、社區(qū)，主要的災難是地震，主要的問題是恢復、可持續(xù)性、韌性、治理，而主要的方法是指標法。該領域的文獻基礎可以歸結(jié)為8類，而被引文獻的Burst檢測則給出了對于該領域有重要推動作用的43篇文獻。耦合水電網(wǎng)絡研究處于耦合基礎設施研究中相對重要的位置，研究文獻占到了檢索文獻數(shù)量的約五分之一。近3年以來該領域的熱點是考慮恢復或者韌性的耦合水電網(wǎng)絡的設計問題。耦合基礎設施的研究同時在空間、時間、方法、組織和現(xiàn)實5個維度，面臨著不同的趨勢和挑戰(zhàn)。但總的來說，耦合基礎設施的研究起步較晚，尚屬于非常嶄新的一個領域，借助韌性城市研究和發(fā)展的契機[115-116]，未來必將大有可為。