基于“風(fēng)險(xiǎn)源+承災(zāi)體+減災(zāi)體”的城市安全表征“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”理論框架

岳清瑞，陸新征，許 鎮(zhèn)，田 源，顧棟煉，鄭 哲，徐永嘉，費(fèi)一凡，孫楚津，施鐘淇

(1. 城鎮(zhèn)化與城市安全研究院，土木與資源工程學(xué)院，北京科技大學(xué)，北京 100083；2. 深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，廣東，深圳 518046；3. 國(guó)家城市安全發(fā)展科技研究院，廣東，深圳 518046；4. 土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，清華大學(xué)土木工程系，北京 100084)

1 研究背景

1.1 城市安全與管理的需求

城市安全是維持社會(huì)正常運(yùn)行、保證國(guó)家穩(wěn)定發(fā)展的重要內(nèi)容。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的城市安全面臨著重大挑戰(zhàn)，包括自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生事件、社會(huì)安全事件等。例如，汶川地震[1-2]、上海外灘踩踏事件[3-4]、天津?yàn)I海新區(qū)爆炸事故[5]、新冠疫情[6-7]等。因此，加強(qiáng)城市安全管理，提升城市安全水平，降低自然災(zāi)害、事故災(zāi)難和各類(lèi)安全事件的負(fù)面影響，已經(jīng)成為國(guó)家和社會(huì)的重大需求。

1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和實(shí)踐

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展，城市安全近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，其研究?jī)?nèi)容包括但不限于：

1) 城市安全基礎(chǔ)理論。許多學(xué)者對(duì)城市安全問(wèn)題提出了理論模型和方法論。范維澄等[8]提出了公共安全“三角形”理論模型(即突發(fā)事件、承災(zāi)載體、應(yīng)急管理)和“4+1”方法學(xué)(即確定性方法、隨機(jī)性方法、基于監(jiān)測(cè)探測(cè)的方法、復(fù)雜系統(tǒng)方法，以及綜合性方法)，黃弘等[9]進(jìn)一步將公共安全三角形模型應(yīng)用于安全韌性城市研究領(lǐng)域，提出了城市安全韌性三角形模型；李升友等[10]提出了安全“三元分形雙系統(tǒng)”原理和“用安全系統(tǒng)思想實(shí)現(xiàn)城市安全發(fā)展復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)安全”的安全系統(tǒng)方法論；吳超[11-12]從科學(xué)學(xué)的角度對(duì)安全科學(xué)方法進(jìn)行了廣泛論述，并指出了一系列城市安全系統(tǒng)學(xué)理論基礎(chǔ)問(wèn)題。

2) 城市安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。目前，城市安全領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要圍繞“點(diǎn)-線-面”的思路，依托企業(yè)、行業(yè)、政府這3 個(gè)主體開(kāi)展[13]。城市安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用的主要方法，包括層次分析法和綜合模糊評(píng)價(jià)法等[14-16]。

3) 城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警。在宏觀層面，袁宏永等[17]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的城市安全空間構(gòu)建技術(shù)，朱偉[18]提出了城市運(yùn)行系統(tǒng)安全體檢的內(nèi)涵和路徑，胡樹(shù)華等[19]提出了城市安全預(yù)警管理系統(tǒng)的構(gòu)建及其管理體系。在生命線工程[20-23]、交通工程[24-26]、消防工程[27-29]等各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警也都存在相應(yīng)的研究和實(shí)踐。

4) 城市安全應(yīng)急管理。既有研究主要在理論方法層面上[30-32]和技術(shù)系統(tǒng)層面上[33-36]開(kāi)展。也有部分學(xué)者對(duì)某些重大安全事件開(kāi)展了針對(duì)性研究[37-39]。

此外，近年來(lái)產(chǎn)生的數(shù)字孿生、人工智能等各類(lèi)新概念、新技術(shù)也為城市安全的研究提供了重要技術(shù)手段，并帶來(lái)了積極影響。

1) 數(shù)字孿生在城市安全的應(yīng)用

“ 數(shù)字孿生” (digital twin)概念萌發(fā)于Grieves 等[40]提出的鏡像空間模型概念，而后美國(guó)NASA 正式將“數(shù)字孿生”定義為“一種綜合多物理、多尺度模擬的載體或系統(tǒng)，以反映其對(duì)應(yīng)實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)”[41]。城市是一個(gè)有機(jī)生長(zhǎng)的綜合類(lèi)生命體，常規(guī)方法難以高效、完整、真實(shí)地反映城市的安全狀態(tài)，近年來(lái)數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域快速發(fā)展[42-43]為其在城市安全領(lǐng)域的應(yīng)用提供了啟示和借鑒，有望極大促進(jìn)城市安全管控領(lǐng)域的數(shù)字化、智能化、集成化快速升級(jí)。

目前，在城市相關(guān)方面，數(shù)字孿生技術(shù)主要用于建設(shè)“數(shù)字孿生城市”，以輔助城市管理、運(yùn)營(yíng)與決策[44-47]。如“虛擬新加坡”平臺(tái)[47]、西劍橋校區(qū)的數(shù)字孿生模型[45]等。

2) 知識(shí)圖譜在城市安全的應(yīng)用

知識(shí)圖譜(knowledge graph)是結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)義知識(shí)庫(kù)，以符號(hào)形式描述物理世界中的概念及其相互關(guān)系[48]，其初衷是為了優(yōu)化搜索引擎返回的結(jié)果，增強(qiáng)搜索質(zhì)量以及搜索體驗(yàn)[48-49]。知識(shí)圖譜在知識(shí)推理方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)基于規(guī)則或圖的推理發(fā)掘未被定義的隱藏知識(shí)[50-54]。因此，知識(shí)圖譜已在城市安全相關(guān)的領(lǐng)域中得到初步應(yīng)用[55]。

例如，螞蟻金融構(gòu)建了金融智能化信貸風(fēng)控知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)金融風(fēng)險(xiǎn)查詢(xún)與決策[55]。某省建立了公安知識(shí)圖譜，實(shí)現(xiàn)了2 s 內(nèi)完成十億級(jí)檢索目標(biāo)數(shù)范圍內(nèi)檢索[55]。從以上案例可以看出，知識(shí)圖譜在城市安全隱藏風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與發(fā)現(xiàn)中有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

3) 人工智能在城市安全的應(yīng)用

近年來(lái)，人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，并在城市安全領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[56-66]。在自然災(zāi)害預(yù)防方面，人工智能已成功應(yīng)用于地震、風(fēng)暴潮等多種自然災(zāi)害的預(yù)防、監(jiān)測(cè)與速報(bào)。如中國(guó)地震局研發(fā)的“智能地動(dòng)”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠在1 s～2 s 內(nèi)實(shí)現(xiàn)地震信息速報(bào)[58]；廣州市等建立了風(fēng)暴潮智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[59]。在交通安全領(lǐng)域，人工智能成功應(yīng)用于城市交通指揮調(diào)度、事故處理等。例如，上海部署了基于人工智能的智能交通燈系統(tǒng)與違法行為電子監(jiān)管系統(tǒng)[60]；杭州、西安等城市基于“城市大腦”系統(tǒng)，提升了交通調(diào)度、事故處置、救護(hù)車(chē)等應(yīng)急車(chē)輛通行調(diào)度等的有效性[61-62]。在民生安全方面，具有火災(zāi)監(jiān)測(cè)、預(yù)警等功能的智慧消防系統(tǒng)在多個(gè)城市推廣應(yīng)用[63]。在犯罪預(yù)防與查處方面，諸多城市已經(jīng)將基于人工智能的面部識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于城市安防工作[64]。此外，對(duì)抗學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言處理等技術(shù)的提出與發(fā)展，也為城市安全領(lǐng)域的難題提供了解決思路。總之，在城市安全領(lǐng)域，人工智能應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多元化，有助于打造智慧、健康、安全的城市環(huán)境。

1.3 面臨的難題

整體而言，城市安全涉及的各類(lèi)自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、安全事件往往具有以下特征：① 突發(fā)性強(qiáng)，前期隱患不易察覺(jué)；② 緊迫性強(qiáng)，一旦發(fā)生安全問(wèn)題需要立即采取措施進(jìn)行處置；③ 時(shí)變性強(qiáng)，初始安全事件發(fā)生后，后續(xù)會(huì)出現(xiàn)一系列的連鎖反應(yīng)，容易造成處置環(huán)節(jié)信息不對(duì)稱(chēng)；④ 耦聯(lián)性強(qiáng)，安全問(wèn)題往往涉及多種對(duì)象、多個(gè)系統(tǒng)，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，潛在災(zāi)害鏈不明確；⑤ 領(lǐng)域交叉多，安全事件的解決有時(shí)需要涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)的協(xié)同處理，對(duì)于偶發(fā)事件處置經(jīng)驗(yàn)不足，資源需求不明晰。

我國(guó)于2018 年發(fā)布了《關(guān)于推進(jìn)城市安全發(fā)展的意見(jiàn)》，為相關(guān)研究和實(shí)踐從以下5 方面提供了指導(dǎo)性意見(jiàn)：加強(qiáng)城市安全源頭治理、健全城市安全防控機(jī)制、提升城市安全監(jiān)管效能、強(qiáng)化城市安全保障能力、加強(qiáng)統(tǒng)籌推動(dòng)[67]。

但值得注意的是，城市安全問(wèn)題中，不同災(zāi)害具有特異性，對(duì)災(zāi)害的后果往往需要具體問(wèn)題具體對(duì)待，缺少統(tǒng)一表征思想，難以形成系統(tǒng)的體系。因此，盡管前述研究均對(duì)城市安全與管理中各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)內(nèi)容的關(guān)鍵問(wèn)題提供了良好的解決方法，但目前仍缺少統(tǒng)一的城市安全表征架構(gòu)和理論體系。

此外，在城市安全問(wèn)題中，至少有3 類(lèi)要素需要加以重點(diǎn)考慮：風(fēng)險(xiǎn)源(致災(zāi)體)、承災(zāi)體和減災(zāi)體。以往的研究通常更加重視風(fēng)險(xiǎn)源與承災(zāi)體的研究，而對(duì)減災(zāi)體重要作用的考慮相對(duì)有限。這樣做的直接后果是，忽視了政府與社會(huì)群體在減災(zāi)方面的貢獻(xiàn)。以自然災(zāi)害為例，唐桂娟[68]研究并評(píng)價(jià)了武漢、重慶、哈爾濱等7 座城市的自然災(zāi)害應(yīng)急能力，發(fā)現(xiàn)由于各城市的災(zāi)害識(shí)別能力、資源保障能力、行為反應(yīng)能力等方面的區(qū)別，不同城市的應(yīng)急能力具有顯著區(qū)別，評(píng)價(jià)得分差距可超過(guò)3 倍。因此，應(yīng)當(dāng)注意到，不同的城市減災(zāi)體能力會(huì)帶來(lái)不同的安全事件演化結(jié)果，不當(dāng)?shù)臏p災(zāi)行為反而會(huì)使得事件后果進(jìn)一步惡化。最為直觀的例子之一就是近年來(lái)爆發(fā)的新冠疫情，嚴(yán)峻地考驗(yàn)了不同國(guó)家和地區(qū)在公共衛(wèi)生事件上的減災(zāi)能力，每個(gè)國(guó)家、地區(qū)、城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的管理能力與應(yīng)對(duì)策略的差異顯著改變了疫情的發(fā)展過(guò)程與致災(zāi)后果[69]，特別是中國(guó)具備“集中力量辦大事”的體制特色，所以，在衡量安全表征時(shí)應(yīng)充分考慮減災(zāi)體價(jià)值和作用。

2 城市安全表征理論架構(gòu)

本文綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)源、承災(zāi)體和減災(zāi)體，提出了圖1 所示的城市安全表征研究思想。首先，需要明確城市安全問(wèn)題涉及的基本要素，即風(fēng)險(xiǎn)源、承災(zāi)體和減災(zāi)體。

風(fēng)險(xiǎn)源主要是指造成城市安全的風(fēng)險(xiǎn)要素，包括：臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害，公共設(shè)施設(shè)備事故等事故災(zāi)難，傳染病疫情等公共衛(wèi)生事件，恐怖襲擊等社會(huì)安全事件，以及政治、經(jīng)濟(jì)安全威脅等宏觀環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

承災(zāi)體主要指承受風(fēng)險(xiǎn)源作用的要素，包含：建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施等物理要素，經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療等社會(huì)要素，以及信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)等信息要素。

減災(zāi)體則是在城市安全的時(shí)間發(fā)展中(災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后)能夠起到防災(zāi)、救災(zāi)、減災(zāi)作用的主體，包括：救援設(shè)備與設(shè)施、避難空間等物理要素；人員素質(zhì)、組織管理水平等社會(huì)要素。當(dāng)然，減災(zāi)體的效果不一定總是有利的，不當(dāng)?shù)臏p災(zāi)處置反而會(huì)加重災(zāi)害后果。

需要特別說(shuō)明的是，實(shí)際的城市安全問(wèn)題十分復(fù)雜，對(duì)于不同的事件或同一事件的不同過(guò)程，都可能存在同一要素在風(fēng)險(xiǎn)源、承災(zāi)體和減災(zāi)體之間的角色轉(zhuǎn)換過(guò)程。例如，大壩的修建可能誘發(fā)地震，而地震的作用會(huì)引起潰壩，進(jìn)而產(chǎn)生洪水，對(duì)下游建筑等造成災(zāi)害。因此，風(fēng)險(xiǎn)源、承災(zāi)體和減災(zāi)體之間的相互演化和相互作用關(guān)系是客觀存在的。

在明確基本要素后，需要定量給出各要素的強(qiáng)度或能力指標(biāo)，包括風(fēng)險(xiǎn)源的致災(zāi)能力、承災(zāi)體的抗災(zāi)能力、減災(zāi)體的減災(zāi)能力。以臺(tái)風(fēng)為例，其致災(zāi)能力指標(biāo)可以用風(fēng)力等級(jí)、湍流強(qiáng)度、時(shí)變特性等加以衡量。接下來(lái)，通過(guò)致災(zāi)能力與承災(zāi)體抗災(zāi)能力的分析，可以得到風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)承災(zāi)體造成的破壞力，進(jìn)一步結(jié)合減災(zāi)體的減災(zāi)能力，則可以得到減災(zāi)體在城市安全事件中實(shí)際貢獻(xiàn)的減災(zāi)效果，如災(zāi)前加固危房、轉(zhuǎn)移人群等。綜合風(fēng)險(xiǎn)源的破壞力、承載體的抗災(zāi)能力與減災(zāi)體的減災(zāi)能力即可以得到城市安全事件造成的后果，包括傷亡人數(shù)、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)功能中斷等。通過(guò)將實(shí)際后果與城市安全目標(biāo)對(duì)比，即可以判斷城市安全水平。

基于上述指導(dǎo)思想，本文提出了基于“風(fēng)險(xiǎn)源+承災(zāi)體+減災(zāi)體”的城市安全表征“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”理論框架，如圖2 所示。

該框架以數(shù)字孿生城市為基礎(chǔ)，以風(fēng)險(xiǎn)源、承災(zāi)體和減災(zāi)體為主體，采用知識(shí)圖譜、人工智能等作為理論實(shí)踐的技術(shù)工具。具體而言，“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”框架通過(guò)建立城市安全要素庫(kù)，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)源、承災(zāi)體和減災(zāi)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，觸發(fā)和推演災(zāi)害鏈和事件流，分析風(fēng)險(xiǎn)源破壞力，形成時(shí)空脈絡(luò)圖譜，進(jìn)而挖掘其中關(guān)鍵要害與控制因素，最后確定基于減災(zāi)體的風(fēng)險(xiǎn)疏導(dǎo)與安全提升方法，實(shí)現(xiàn)城市安全的動(dòng)態(tài)循環(huán)管控與風(fēng)險(xiǎn)消減，提升城市安全至需求目標(biāo)。數(shù)字孿生城市是“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”的基礎(chǔ)，知識(shí)圖譜、人工智能是“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”的推演工具。下文進(jìn)一步闡述“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”的每個(gè)環(huán)節(jié)在理論與技術(shù)層面涉及到的研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

3 研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

3.1 庫(kù)

庫(kù)是指城市安全表征工作中涉及的城市安全要素的數(shù)據(jù)和信息庫(kù)，是城市安全表征的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。城市安全要素涉及面廣、數(shù)據(jù)信息多源異構(gòu)，部分內(nèi)容在不同體系下的概念與界定具有模糊性。因此，在理論層面上，需要首先解決以下2 個(gè)科學(xué)問(wèn)題：

1) 城市安全要素的定義與分類(lèi)問(wèn)題

從宏觀上，可將安全要素庫(kù)中的對(duì)象劃分為風(fēng)險(xiǎn)源、承災(zāi)體和減災(zāi)體，但這還不足以滿(mǎn)足城市安全表征的需求，還需開(kāi)展更加科學(xué)、合理、精細(xì)的研究，包括：① 城市安全問(wèn)題與對(duì)象的界定?？茖W(xué)合理的界定有助于明確各類(lèi)城市安全問(wèn)題的內(nèi)容邊界，輔助厘清城市安全問(wèn)題的整體架構(gòu)。② 城市安全要素的分類(lèi)體系。根據(jù)對(duì)圖1 的初步思考，風(fēng)險(xiǎn)源可包含臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害，公共設(shè)施設(shè)備事故等事故災(zāi)難，傳染病疫情等公共衛(wèi)生事件，恐怖襲擊等社會(huì)安全事件，政治、經(jīng)濟(jì)安全威脅等宏觀環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。承災(zāi)體可包含建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施等物理元素，經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療等社會(huì)元素，信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)等信息要素。減災(zāi)體可包含救援裝備、消防設(shè)施、避難空間等物理元素，人員素質(zhì)、組織能力、管理水平等社會(huì)元素。③ 城市安全要素的定義標(biāo)準(zhǔn)。城市安全的問(wèn)題錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)于不同的城市安全問(wèn)題，同樣的元素可能同時(shí)隸屬于不同尺度或扮演著不同的角色。例如，建筑物在地震下既是承災(zāi)體，又能作為致災(zāi)體導(dǎo)致次生墜物災(zāi)害。因此，明確的定義標(biāo)準(zhǔn)是保證理論完備性的重要基礎(chǔ)。

2) 城市安全要素表征理論

基于城市安全要素的定義，還需進(jìn)一步開(kāi)展城市安全要素的表征，其核心問(wèn)題主要包括：① 城市安全實(shí)體與非實(shí)體要素的特征定義。城市中既有物理元素等實(shí)體元素，又有社會(huì)元素、信息元素等非實(shí)體元素。需要建立一套統(tǒng)一的定義方法，將實(shí)體與非實(shí)體元素放在一個(gè)架構(gòu)下進(jìn)行特征定義。② 城市安全要素特征的表征與度量理論。對(duì)安全問(wèn)題的量化分析是城市安全表征的關(guān)鍵。而量化分析的前提是安全要素特征的定量表征與度量。同樣，所有安全要素的特征表征與度量應(yīng)在統(tǒng)一架構(gòu)下進(jìn)行。③ 城市安全要素特征的更新與融合理論。城市是“不斷生長(zhǎng)的有機(jī)體”，城市安全要素是時(shí)變、耦合的。建立城市安全要素特征的更新機(jī)制，提出多關(guān)聯(lián)特征的融合凝聚方法，是構(gòu)建“活”的城市安全要素庫(kù)的必要條件。

在技術(shù)層面上，城市安全要素庫(kù)應(yīng)從數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和更新方面重點(diǎn)解決兩大問(wèn)題：

1) 在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，需要提出城市安全要素庫(kù)的數(shù)字孿生平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)。具體包括：低成本、高魯棒性的硬件平臺(tái)； 面向多災(zāi)害全周期的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；低時(shí)滯高一致性的分布式存儲(chǔ)技術(shù)。

2) 在數(shù)據(jù)更新方面，核心在于提出城市安全要素特征的感知與融合技術(shù)。具體包括： 基于物聯(lián)網(wǎng)和群智感知的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)； 海量時(shí)序數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)與調(diào)用技術(shù)；多維異構(gòu)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵特征感知與融合技術(shù)。

3.2 網(wǎng)

城市安全表征理論架構(gòu)的第二個(gè)層次是網(wǎng)，其概念為風(fēng)險(xiǎn)、承災(zāi)體和減災(zāi)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)?？偟膩?lái)說(shuō)是在第一個(gè)層次(庫(kù))的基礎(chǔ)上，定義、建立、挖掘、完善、表征、量化城市安全要素之間的聯(lián)系。在理論層面上，需要首先解決以下2 個(gè)科學(xué)問(wèn)題：

1) 城市安全要素間關(guān)聯(lián)關(guān)系體系構(gòu)建理論

城市安全對(duì)象眾多、特征復(fù)雜，導(dǎo)致了不同對(duì)象間的關(guān)系復(fù)雜數(shù)量龐大、特征模糊難以界定。為此，首先應(yīng)該對(duì)相關(guān)內(nèi)容從理論上提出更加科學(xué)、合理、精細(xì)的定義，并在此基礎(chǔ)上，需要提出關(guān)聯(lián)關(guān)系的判別準(zhǔn)則，以實(shí)現(xiàn)關(guān)系的自動(dòng)或者半自動(dòng)化識(shí)別。具體包括：① 安全要素間關(guān)聯(lián)關(guān)系定義及分類(lèi)，即確定安全要素間關(guān)聯(lián)關(guān)系的定義并建立關(guān)聯(lián)關(guān)系的分類(lèi)體系；② 基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)與隱藏關(guān)聯(lián)的判別理論，即建立基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)關(guān)系判別標(biāo)準(zhǔn)、提出隱藏關(guān)聯(lián)關(guān)系推演與判別方法；③ 城市安全要素及關(guān)聯(lián)的本體模型。

2) 城市安全要素關(guān)聯(lián)關(guān)系表征理論

為滿(mǎn)足城市安全風(fēng)險(xiǎn)推演的需求，“網(wǎng)”應(yīng)同時(shí)具備邏輯推斷能力與量化計(jì)算的能力。具體包括：① 城市安全要素關(guān)聯(lián)關(guān)系特征的表征理論，不同要素間既有實(shí)體關(guān)系，也有非實(shí)體關(guān)系，因此，需要為不同的關(guān)系建立一套統(tǒng)一的表征方法；② 城市安全要素間典型關(guān)系的基本關(guān)聯(lián)模式圖。

在技術(shù)層面上，為了應(yīng)對(duì)城市安全要素間關(guān)系中海量大數(shù)據(jù)帶來(lái)的系列問(wèn)題。城市安全要素網(wǎng)應(yīng)從大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與量化方面重點(diǎn)解決2 個(gè)技術(shù)問(wèn)題：

1) 城市安全要素關(guān)聯(lián)知識(shí)圖譜構(gòu)建技術(shù)。具體包括：大規(guī)模關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型分布式存儲(chǔ)與快速查詢(xún)技術(shù)；基于規(guī)則的關(guān)聯(lián)關(guān)系快速推理技術(shù)；關(guān)聯(lián)關(guān)系模糊網(wǎng)絡(luò)推理與關(guān)系網(wǎng)絡(luò)自增廣方法。

2) 城市安全要素關(guān)聯(lián)關(guān)系量化技術(shù)。具體包括：多類(lèi)別關(guān)聯(lián)特征量化模型構(gòu)建；大規(guī)模關(guān)聯(lián)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的高效特征量化算法。

3.3 流

“流”是第三個(gè)層次，其在“網(wǎng)”的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型和算法實(shí)現(xiàn)災(zāi)害鏈和事件流的全過(guò)程推演，以完成城市安全事件的發(fā)展預(yù)測(cè)，為挖掘城市安全關(guān)鍵要害和控制因素提供技術(shù)手段，為相關(guān)運(yùn)維和決策提供可視化、動(dòng)態(tài)化的量化數(shù)據(jù)支撐。為此，在理論層面首先需要解決2 個(gè)科學(xué)問(wèn)題：

1) 城市安全事件觸發(fā)作用機(jī)理

城市是一個(gè)復(fù)雜、龐大、不斷發(fā)展變化的有機(jī)生命體。城市中某一要素的突發(fā)改變可能帶來(lái)一系列“蝴蝶效應(yīng)”式的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。因此，預(yù)測(cè)城市安全事件發(fā)展演化規(guī)律的第一要點(diǎn)是需要明確事件觸發(fā)的作用機(jī)理，具體包括：① 城市安全事件作用的觸發(fā)激活理論，明確城市中哪些關(guān)鍵要素能夠誘發(fā)城市安全的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)；② 城市安全事件作用的鏈?zhǔn)絺鬟f理論，揭示鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中關(guān)鍵要素的更迭與傳遞規(guī)律；③ 城市安全要素在事件作用下的影響與干涉機(jī)理，明晰動(dòng)態(tài)變化的城市安全要素對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的影響。

2) 城市安全事件流時(shí)空推演方法

災(zāi)害鏈和事件流的情景推演是賦予城市安全表征“生命力”的重要基礎(chǔ)。通過(guò)融合物理驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模擬方法的各自?xún)?yōu)勢(shì)，并充分考慮物理-社會(huì)-信息三度空間的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)快、準(zhǔn)、真的城市安全時(shí)空演化預(yù)測(cè)。為此，需要研究：① 物理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的城市安全事件流情景推演；② 物理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的城市安全事件流不確定性因素傳遞推演，考慮工程要素和模型要素不確定性因素，實(shí)現(xiàn)城市安全演化預(yù)測(cè)結(jié)果的置信度評(píng)估，為城市安全智慧管控提供多層次數(shù)據(jù)支撐；③ 物理-社會(huì)-信息三度空間下的城市系統(tǒng)時(shí)空演化機(jī)理，考慮城市是集合物理-社會(huì)-信息多維信息的綜合有機(jī)體，從頂層宏觀多維度視角揭示城市安全事件流中的物理-社會(huì)-信息的復(fù)雜相互作用規(guī)律。

在技術(shù)層面上，為實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容，需要依賴(lài)知識(shí)圖譜、大數(shù)據(jù)、人工智能等多種新型技術(shù)。為此，需要解決2 個(gè)技術(shù)難題：

1) 城市安全事件觸發(fā)作用表征與感知技術(shù)。具體包括：城市安全事件觸發(fā)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)；復(fù)雜災(zāi)變耦合要素特征影響關(guān)系的數(shù)字化表征方法；基于知識(shí)圖譜的大數(shù)據(jù)有向圖存儲(chǔ)與查詢(xún)技術(shù)。

2) 城市安全事件流時(shí)空推演模型方法。具體包括：基于大數(shù)據(jù)和知識(shí)圖譜的高性能圖貝葉斯推理技術(shù)；時(shí)間推演物理模型的輕量化與并發(fā)技術(shù)；時(shí)空推演模型的多維度數(shù)據(jù)融合方法。

需要說(shuō)明的是，“流”和“網(wǎng)”的區(qū)別在于：“網(wǎng)”主要是指風(fēng)險(xiǎn)、承災(zāi)體和減災(zāi)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，即用于表達(dá)不同基本要素之間的邏輯與演化關(guān)系，是指整體上的關(guān)聯(lián)架構(gòu)，它不依賴(lài)于具體的某一事件，是所有要素之間客觀存在的固有關(guān)聯(lián)。而“流”是在某一事件觸發(fā)后，在“網(wǎng)”上形成的事件和災(zāi)害的傳遞和演化過(guò)程。對(duì)于同樣的要素，擁有同樣的“網(wǎng)”，但是對(duì)于不同的風(fēng)險(xiǎn)源所觸發(fā)的事件，則會(huì)產(chǎn)生不同的“流”。

3.4 譜

“譜”是基于庫(kù)、網(wǎng)、流的內(nèi)容建立城市安全的時(shí)空脈絡(luò)圖譜，進(jìn)而挖掘城市安全的關(guān)鍵要害和控制因素，是為下一層次(法)的風(fēng)險(xiǎn)消減管控、城市安全提升指明方向。為此，在理論層面首先應(yīng)當(dāng)解決2 個(gè)科學(xué)問(wèn)題：

1) 城市安全表征圖譜的建立

城市安全表征圖譜是一種城市安全統(tǒng)一表征范式，是統(tǒng)一衡量和比較不同風(fēng)險(xiǎn)的理論基礎(chǔ)，主要包括：① 城市安全表征指標(biāo)。城市安全問(wèn)題的后果涉及人員傷亡、房屋損壞等多個(gè)內(nèi)容，不同的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)產(chǎn)生不同類(lèi)型的后果，需要針對(duì)不同層面建立需要分析的城市安全表征指標(biāo)。② 構(gòu)建城市安全協(xié)調(diào)統(tǒng)一評(píng)估框架。不同的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)對(duì)不同的指標(biāo)產(chǎn)生不同的影響，如何在統(tǒng)一的框架下綜合評(píng)估比較不同風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的城市安全危害是一個(gè)難題。③ 城市安全指標(biāo)動(dòng)態(tài)評(píng)估體系。無(wú)論是風(fēng)險(xiǎn)、承災(zāi)體還是減災(zāi)體，都是動(dòng)態(tài)的、時(shí)變的要素，需要考慮各類(lèi)要素的動(dòng)態(tài)變化對(duì)城市安全造成的影響。

2) 城市安全控制要素挖掘理論

城市安全控制要素挖掘是尋找關(guān)鍵要害的重要內(nèi)容。需要研究：① 城市安全控制要素定義與分類(lèi)方法。為了判斷影響城市安全的控制要素，首先需要明確控制要素的定義，并有針對(duì)性的開(kāi)展分類(lèi)，方便對(duì)不同類(lèi)型要素制定有效的應(yīng)對(duì)策略。② 城市安全要素權(quán)重與敏感性度量理論。通過(guò)度量各個(gè)要素的重要性與敏感性，識(shí)別關(guān)鍵要素，形成關(guān)鍵要害和控制因素清單。

在技術(shù)層面，為獲取關(guān)鍵要害和控制因素，需要解決2 個(gè)技術(shù)難題：

1) 城市安全表征體系構(gòu)建與安全指標(biāo)評(píng)估技術(shù)。具體包括：面向不同風(fēng)險(xiǎn)源的城市安全表征指標(biāo)體系構(gòu)建技術(shù)；物理與數(shù)據(jù)耦合驅(qū)動(dòng)的城市安全表征指標(biāo)影響分析技術(shù)；面向物理-社會(huì)-信息三度空間的城市安全動(dòng)態(tài)評(píng)估技術(shù)。

2) 城市安全控制要素挖掘和清單自動(dòng)生成技術(shù)。具體包括：基于層次分析法的城市安全要素挖掘方法；基于人工智能代理模型的城市安全要素敏感性分析技術(shù)。

3.5 法

“法”是指城市安全的動(dòng)態(tài)循環(huán)管控與風(fēng)險(xiǎn)消減對(duì)策與方法，是提升城市安全水平的手段。在“法”的基礎(chǔ)上，面向城市安全的感知、評(píng)估、預(yù)警、響應(yīng)4 個(gè)環(huán)節(jié)，開(kāi)展城市安全循環(huán)提升，打通致災(zāi)-抗災(zāi)-減災(zāi)的邏輯鏈路，直接面向城市治理的關(guān)鍵目標(biāo)。在理論層面上，“法”需要解決2 個(gè)科學(xué)問(wèn)題。

1) 城市減災(zāi)體作用效果表征理論

研究城市安全風(fēng)險(xiǎn)消減的方法與環(huán)路，首先應(yīng)充分表征城市減災(zāi)體的作用效果。具體地，理論應(yīng)包括：① 多要素約束下的城市減災(zāi)目標(biāo)理論。城市安全的承災(zāi)體由于要素屬性的不同，具有不同的減災(zāi)目標(biāo)，這些基礎(chǔ)性的目標(biāo)不一定具有一致性。因此，需要針對(duì)城市減災(zāi)的客觀需求，明確存在的約束條件，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)城市安全承災(zāi)體多層次的減災(zāi)目標(biāo)。② 面向單關(guān)鍵環(huán)節(jié)的減災(zāi)力表征理論。在明確了減災(zāi)目標(biāo)之后，針對(duì)城市安全的單一關(guān)鍵環(huán)節(jié)表征減災(zāi)體的作用效果。③ 多環(huán)節(jié)下的減災(zāi)力耦合作用效果表征理論。進(jìn)一步地，考察減災(zāi)體在多個(gè)環(huán)節(jié)下的作用效果，在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)于不同的承災(zāi)體，其效果可以是正面的也可能是負(fù)面的，需要統(tǒng)籌表征減災(zāi)力的耦合作用。

2) 城市減災(zāi)體作用效果動(dòng)態(tài)評(píng)估與反饋理論

“法”需要面向城市安全循環(huán)管控與風(fēng)險(xiǎn)消減的動(dòng)態(tài)性。為了實(shí)現(xiàn)這樣的動(dòng)態(tài)性，應(yīng)研究的理論具體包括：① 城市安全風(fēng)險(xiǎn)疏導(dǎo)與減災(zāi)力提升理論。城市安全風(fēng)險(xiǎn)疏導(dǎo)與減災(zāi)力提升是環(huán)路作用的最終目標(biāo)，該理論研究需揭示風(fēng)險(xiǎn)疏導(dǎo)與減災(zāi)力提升的機(jī)理，服務(wù)于減災(zāi)體作用效果的評(píng)估反饋。② 物理-社會(huì)-信息三度空間約束下的減災(zāi)力動(dòng)態(tài)評(píng)估理論。物理空間、社會(huì)空間和信息空間共同組成了城市復(fù)雜巨系統(tǒng)，其共同影響城市中減災(zāi)體的減災(zāi)力水平與作用效果，且具有時(shí)空變化特征，因此需要量化評(píng)估三度空間約束對(duì)減災(zāi)力的動(dòng)態(tài)作用。③ 城市安全策略動(dòng)態(tài)更新與反饋理論。上述動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果通過(guò)合適的反饋機(jī)制到達(dá)減災(zāi)體的管理人員，在信息輔助下經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)研判，實(shí)現(xiàn)城市安全策略的動(dòng)態(tài)更新，在循環(huán)過(guò)程中持續(xù)疏導(dǎo)城市安全風(fēng)險(xiǎn)并提升城市安全治理的減災(zāi)力。

在技術(shù)層面上，城市安全提升圍繞動(dòng)態(tài)循環(huán)管控與風(fēng)險(xiǎn)消減重點(diǎn)解決2 個(gè)問(wèn)題：

1) 城市安全的數(shù)字孿生對(duì)抗學(xué)習(xí)循環(huán)管控技術(shù)。具體包括：基于對(duì)抗學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)減災(zāi)策略庫(kù)自學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)更新；基于物聯(lián)網(wǎng)與人工智能研發(fā)高效的減災(zāi)設(shè)施管控技術(shù)；物理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的城市安全大規(guī)?？焖贁?shù)字孿生循環(huán)推演技術(shù)。

2) 在風(fēng)險(xiǎn)消減方面，需要提出城市安全的風(fēng)險(xiǎn)消減與能力提升技術(shù)。具體包括：基于知識(shí)圖譜研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)消減與疏導(dǎo)路徑挖掘技術(shù)；情境驅(qū)動(dòng)的組織管理能力提升技術(shù)；高效低成本減災(zāi)物理設(shè)備研發(fā)。

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)當(dāng)前的城市安全需求與面臨的難題，依托數(shù)字孿生、機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜等新技術(shù)，提出“減災(zāi)體”和“減災(zāi)力”的概念，進(jìn)而建立了基于“風(fēng)險(xiǎn)源+承災(zāi)體+減災(zāi)體”的城市安全表征“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”理論框架，并對(duì)“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”中每個(gè)環(huán)節(jié)涉及的研究?jī)?nèi)容與關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該理論的特點(diǎn)在于：① “減災(zāi)體”和“減災(zāi)力”概念的引入能夠更加合理的表征城市的管理能力在城市安全中的作用；② 以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)的“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”體系有望動(dòng)態(tài)表征城市安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型與物理模型的同生共長(zhǎng)、虛實(shí)交融；③ 以知識(shí)圖譜、人工智能為推演工具，引入“對(duì)抗學(xué)習(xí)”等先進(jìn)概念，實(shí)現(xiàn)城市安全能力與決策的智能學(xué)習(xí)與智能優(yōu)化。

在未來(lái)，基于上述理論框架，以風(fēng)險(xiǎn)源、承災(zāi)體、減災(zāi)體為數(shù)據(jù)層，以“庫(kù)-網(wǎng)-流-譜-法”為理論層，以數(shù)字孿生、知識(shí)圖譜、人工智能為技術(shù)層，以城市安全數(shù)字孿生平臺(tái)為平臺(tái)層，以城市安全問(wèn)題的感知、評(píng)估、預(yù)警、響應(yīng)為應(yīng)用層，有望搭建城市安全表征應(yīng)用平臺(tái)架構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本理論在城市安全問(wèn)題中的具體實(shí)踐。