四 研究主题讨论
（一）工程领域基础设施的脆弱性
主题一聚焦于广泛意义上工程领域基础设施的脆弱性，样本文献以电网和交通基础设施为主要研究对象。这一主题的研究成果于整个领域中举足轻重，其理论架构与研究方法相对成熟，构成了本领域学术结构的基础。其贡献主要有二：一是基础设施脆弱性概念的建立，二是工程领域基础设施脆弱性分析范式的形成。
1.基础设施脆弱性概念的建立
在传统工程领域内，通常用“可靠性”来评价系统的安全运行能力，可靠性分析关注基础设施系统是否按照既定的期望状态运行。齐奥（Enrico Zio）研究了可靠性分析的发展及现状，在他看来，当前愈加复杂的系统结构及系统间关联对传统的可靠性分析提出了挑战，亟须更为多元的概念来描述系统风险，而脆弱性是问题导向（Problem-driven）的系统概念，更容易与复杂理论框架相结合，从而衍生出不同情境下的评价模型。[9]约翰逊（Jonas Johansson）也同样提到，脆弱性分析可以成为可靠性分析的有力补充，与之相比较，脆弱性分析更关注基础设施系统在故障状态时呈现出的无力程度。[10]
在脆弱性概念内涵上，海姆斯（Yacov Y. Haimes）2006年发表了《基础设施风险评估中的脆弱性定义》，提出了通用的风险概念即“风险=暴露性×脆弱性×威胁”，直观地表明脆弱性于风险评估的意义，并将其定义为“能够导致系统受损的系统内状态变量”[11]，这一概念被广泛引用。与基础设施有关的脆弱性概念可追溯至1979年，联合国救灾组织（United Nations Disaster Relief Organization，UNDRO）在专家报告《自然灾害和脆弱性分析》中第一次强调了自然灾害损失评估中脆弱性分析的必要性，根据其表述，基础设施脆弱性是指“在重大灾害下基础设施的受损程度”[12]。随着基础设施脆弱性研究的发展，这一概念也在不断丰富和延伸。卡特（Susan L. Cutter）认为，风险源的多元化及其与脆弱性的复合性已经促使脆弱性的定义更为宽泛。[13]这与海姆斯的观点一致，即作为系统内生变量，基础设施脆弱性的定义要遵循特定情景和研究目标的系统特性，不能从一而论。
目前基础设施脆弱性概念层面仍存在争论，即其应属于内生性系统变量还是外源性认识变量。弗朗西斯（Royce Francis）等认为，这一争论的意义在于变量性质会直接影响脆弱性评估模型的构建。[14]埃文（Terje Aven）和齐奥（Enrico Zio）指出，定位为内生性系统变量的基础设施脆弱性评估侧重于评估客体自身的易损性，对客体的暴露性和环境敏感性评估则不考虑在内；定位为外源性认识变量的评估会以外源灾害的不确定性或概率作为主要自变量。[15]大多数研究折中了两种观点，在构建评估模型时不强调变量的性质，而是采用更接近运行实际和易于理解的标准进行分类建模。
另外需要注意的是脆弱性概念中的价值取向问题。耶内利斯（Erik Jenelius）等在构建路网的脆弱性评价模型时，按照评估的价值取向——“公平”还是“效率”，对自变量的权重进行赋值。也就是说，在“公平”视角下，每一条交通路段被认为同等重要，权重相同；而在“效率”视角下，使用率较高的路段拥有更高的权重。[16]虽然仍采用了工程建模的方法，却将基础设施的公共性考虑进来，体现了基础设施脆弱性概念中的社会维度。
2.工程领域基础设施脆弱性分析范式的形成
尽管学者们在不同的工程领域进行基础设施脆弱性分析，“网络结构”却成为覆盖绝大多数高频共被引文献的关键词。在该主题共被引高频次作者中，艾伯特（Reka Albert）研究2003年北美大停电时发现电网的结构脆弱性在其中起到了关键性作用[17]；沃茨（Duncan J. Watts）在随机网络框架内分析了发生连锁故障的基础设施系统的网络特性[18]。这两位年轻学者在博士就读期间与导师合作发表的《随机网络中标度的涌现》[19]《“小世界”网络的集体动力学》[20]，分别揭示了复杂网络的无标度性质（Scale-free）和小世界特征（Small-world），被认为是复杂网络研究新纪元开始的标志。[21]由此可见，工程领域基础设施脆弱性的分析范式主要建立在网络理论特别是复杂网络理论框架之上。
随着复杂网络理论的逐渐成熟，学者们开始将研究重点转移到理论的垂直应用上。在基础设施领域，交通系统与电力系统的网络结构具有典型的复杂网络特征，即无标度、小世界且拓扑结构服从幂律分布（Power-law Degree Distribution），[22]成为其应用研究的重要阵地，成果在数量和质量上都比较突出。如分析高压输电网拓扑特性的罗萨托（V. Rosato）等[23]，研究路网脆弱性的耶内利斯[24]，均为该主题高频共被引学者。同样，广泛的基础设施网络研究也有一席之地。在莫瑞（Alan T. Murray）等的文献中，并不以特定基础设施为研究对象，他们聚焦于网络脆弱性的分析方法，将现有常用方法划归为特定情景、特定策略、仿真以及数学建模四种类型，强调分析方法在基础设施规划和政策发展实践过程中的重要性；[25]但也同时指出，针对当前愈加复杂的基础设施网络，单一方法在应用上具有局限性，多种方法的结合使用才更有利于全面识别网络脆弱性。[26]
在复杂网络理论框架内，基础设施脆弱性得以直观量化，通过网络演化衍生的指标变化来测度系统脆弱性，实现模拟预测或实证分析。纽曼（M. E. J. Newman）将结构和功能作为认识复杂网络的重要指标[27]，与此对应，工程领域基础设施脆弱性分析范式主要有两类，一是基于网络结构（Structural Vulnerability），二是基于网络功能（Functional Vulnerability）。这两类分析范式得到了广泛认可，中国学者韩传峰等在其著作《关键基础设施系统保护建模与仿真》中，即采用了这两种范式来构建单一基础设施系统脆弱性分析的仿真模型。[28]
基于网络结构的基础设施脆弱性按照其遭受攻击后网络拓扑性能的变化来衡量。丘奇（Richard L. Church）等提出基础设施系统故障后的网络演化取决于攻击类型，即随机攻击或蓄意攻击。随机攻击意味着所有的节点和边被移除的可能性均等，仅取决于自然灾害或技术故障的发生概率；而蓄意攻击意味着基础设施网络中重要节点（节点度或节点介数较高的点）遭受攻击的概率更高。[29]罗萨斯（Marti Rosas-Casals）研究欧洲电网的脆弱性和鲁棒性，他通过拓扑指标来量化网络受损状况，如受攻击后网络的极大连通规模与之前网络总规模之比S，极大连通网络平均最短路径L与节点移除比例的关系，以及发生渗流相变（Percolation）的临界值fc等。[30]基于网络结构的研究范式在工程领域极具代表性，莫瑞和马蒂茨威在其研究中也采用过这一范式。[31]
基于网络功能的基础设施脆弱性分析其逻辑与前者类似，不同之处在于网络演化的量化指标由拓扑性能的下降换作系统功能效率的损失。这一分析范式在主题一的高频共被引文献中出现较少，相比较而言，其在主题二即关联基础设施的脆弱性分析中更为常见。
（二）关联基础设施的脆弱性
关联基础设施是近年来脆弱性研究的热点。现代社会基础设施之间的关联关系日益增强，耦合和关联成为当代系统的主要特征。单一系统内某节点故障不仅可能导致本系统内更大范围的失效，而且极可能引发关联系统的级联故障，在两系统甚至多系统间出现多轮连锁故障甚至系统瓦解的恶劣后果。基于此，近年来以关联基础设施为对象的脆弱性研究开始涌现，成为基础设施脆弱性领域的研究热点与前沿问题。
关联基础设施脆弱性研究多以广泛的工程领域研究成果为基础，并构建出以关联性为核心的知识架构，两个主题共被引高频次作者存在交叉现象，比如欧阳敏、齐奥、罗萨托等。如表2所示，这一主题样本文献的共被引高频作者信息中有两点值得注意：一是包括两位中国学者欧阳敏和王淑良，二是出现了一个机构IRGC（International Risk Governance Center）。基于对共被引高频作者及其文献的分析，本主题的研究成果可概括为：基础设施关联性的识别与分类、关联基础设施脆弱性分析范式，以及关联基础设施脆弱性的治理。
1.基础设施关联性的识别与分类
基础设施关联性的界定是进行关联系统脆弱性分析的基础。莱纳利达（Steven M. Rinaldi）等在《识别、理解、分析关键基础设施关联性》一文中，首先明确了关联性（Interdependence）有别于依赖性（Dependence），更强调双向关系。[32]基础设施之间的关联存在各种形式，在正常运行时只有部分关联可以被观察到，更多的关联关系只在故障或事故发生时才显示出来。学者们在大量的案例分析基础上进行总结归纳与类别划分，以实现对基础设施关联性的识别。欧阳敏在其高引的综述类文献《关联基础设施系统建模仿真的研究综述》中对此进行了整理，如表3所示。
表3 部分学者对基础设施关联性的分类及定义[33]
表3中所列类别基本涵盖了目前基础设施关联性研究的范畴。莱纳利达、齐默尔曼以及华莱士的分类以基础设施内在因素为标准，包括元件、状态、位置、信息等；杜登赫费尔和张鹏程等则将外在因素——影响基础设施的政策、经济环境等——考虑在内，强调了外部环境对基础设施之间关系的影响，不囿于工程领域的分析边界，体现了现代社会跨界关联增强的现实。
按照表格中所列关联性分类，与“功能”相对应的有“空间”“物理”等，而非“结构”“拓扑”，在一定程度上反映出基础设施脆弱性分析在关联系统与单一系统中关注点的不同。
2.关联基础设施脆弱性分析范式
关联基础设施脆弱性分析范式是对主题一——广泛的工程领域研究范式的拓展和深入。和主题一不同，高频共被引作者进行的脆弱性分析范式中多数基于网络功能的效率损失展开，只有中国学者欧阳敏和王淑良等的文献中对关联基础设施网络同时进行了结构脆弱性和功能脆弱性分析。[34][35]在基于网络功能的基础设施脆弱性研究范式中，本主题的研究成果凸显关联系统分析的特点，聚焦于关联与单一系统故障传播的不同，多数研究通过脆弱性分析实现识别关键接口的目的。
（1）关联基础设施故障传播的特点。
与单一系统相比，基础设施网络关联后，系统的渗流相变特性发生了改变。布尔德列夫（Sergey V. Buldyrev）2010年发表于《自然》（Nature）上的文献《关联网络中严重的级联故障》在关联基础设施脆弱性研究领域居于单被引首位，他以2003年意大利大停电为案例，对停电后亚平宁半岛上电网与通信网的关联系统进行了级联故障过程模拟，发现对于关联网络，节点故障引发系统之间的级联故障（Cascading failures），导致关联的系统内节点被交替移除，故障会持续演化至整个系统不再有节点可移除为止。这个过程使得关联网络渗流相变的规模远远高于同一阈值下的单一网络，降低了整个网络的鲁棒性。[36]之后布尔德列夫与华裔学者高建喜及S.Havlin合作研究关联网络的鲁棒性，发现度分布（Degree distributions）越高的关联随机网络，脆弱性越大，这与单一基础设施系统的特性恰恰相反。简言之，关联基础设施比单一基础设施更加脆弱。[37]
（2）关联基础设施的关键接口识别。
为更加细致地分析关联基础设施脆弱性，温克勒（James Winkler）和杜恩纳斯（Leonardo Dueñas-Osorio）在明确单一系统工程特性的基础上对关联系统接口（Interface）的耦合模式进行了仿真，通过接口策略分析识别出关键的接口组件，以作为降低整体系统脆弱性的重点保护对象。[38]王淑良等以供水和供电关联系统为例，通过最大化节点介数与节点距离的比率、最大化网络聚类系数以及最小化供电站与供水点的距离三种接口策略，实现了关键接口识别[39]。
3.关联基础设施脆弱性的治理
这部分内容多属于定性研究。关联基础设施往往涉及不同的企业、不同层次和区域的政府以及其他的利益相关主体，因此除工程层面的复杂性之外，治理层面也存在大量的问题。IRGC在2006年就发表了《管理和降低耦合关键基础设施社会脆弱性白皮书》，对供电、供气、轨道交通、信息和城市水系统之间的相互关联和脆弱性进行了定性分析，并强调了关联系统脆弱性应该引起足够的重视。[40]世界经济论坛发布的《2017全球风险报告》中，强调了基础设施交互作用带来的治理困境，提出由于基础设施之间存在着技术壁垒，极易形成治理“孤岛”。[41]这些研究从治理角度进行了意识强化与框架设计，但缺少具体全面的治理策略。这部分的研究还有待进一步开展。
主题一和主题二的主要研究成果基本分布在工程领域内，两者在研究方法、理论框架、学者分布等方面存在很多共通之处，但又有各自的特点。主题一内文献多以单一基础设施为实证对象，研究内容、范式等方面相对成熟，也是开展关联基础设施脆弱性分析的基础。关联基础设施是脆弱性研究的当前热点，目前仍属发展时期，值得注意的是，中国本土学者的成果在这一主题内具有较强的影响力。
（三）气候变化情景下基础设施的脆弱性
气候变化以及极端天气的频繁出现是近30年来全球共同关注的话题，1992年，《联合国气候变化框架公约》缔结，是世界上第一个应对全球气候变暖不利影响的国际公约，意味着人类社会对气候变化从全球化意识升级至全球化应对的战略性进展。近年来，极端天气被普遍认为是气候变化的衍生品，其对基础设施系统的稳定运行造成了很大的挑战。2005年8月，卡特里娜飓风席卷全美，引发的暴雨、洪水等冲毁了公路、机场、发电站等设施。2008年中国南方雪灾，同样导致了交通、供水、供电系统的瘫痪。气候变化带给人类社会生活的影响既是全方位的，又因区域和地理环境的不同而存在差异。
这一主题与其他两个主题有着显著的区分度，共被引高频次作者没有和其他主题交叉的情况，研究成果大多为定性论述，共被引高频次作者中包括三个机构：IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）、UNISDR（联合国国际减灾委员会）和FEMA（美国联邦应急管理署）。由此可见，在本主题共被引文献中有相当一部分来自自然灾害管理部门。本主题研究的主要贡献分为两类：一是理论更新，主要是脆弱性在气候变化框架内概念内涵的进阶；二是策略探讨，主要是气候变化情景下适应性治理框架的提出。
1.气候变化框架内脆弱性与弹性、适应性概念的整合
在共被引高频作者中，阿杰（W. Niel Adger）、施密特（Barry Smit）、富塞尔（Hans-Martin Füssel）都针对脆弱性的概念做了专门的研究。与工程领域内基础设施的脆弱性概念不同，气候变化背景下脆弱性的概念具有明确的情景，其内涵主要体现在脆弱性与弹性、适应性概念的整合上。
在阿杰看来，脆弱性和弹性作为评估基础设施风险的两个重要指标，其关注点基本一致，即系统在经受冲击和压力时的反应与适应性行为。[42]不同点在于脆弱性强调风险形成的原因，而弹性强调风险治理的策略。弹性概念比脆弱性概念出现得更早，最早见于20世纪60年代的生态学，霍林（C. S. Holling）于20世纪六七十年代对其进行的论述，现在仍被高频次引用。弹性的定义从早期简单的“系统对外界压力的吸收能力”[43][44]，发展到“系统对风险的预测、识别和防御能力”[45]，再演化至“在遭受较大冲击时，系统对风险的预防-适应-恢复能力”，[46]并且成为工程领域安全管理的重要系统变量，其概念内涵随着基础设施风险研究的推进逐渐丰富。而适应性源于生物进化理论，意指在外部环境变化时，系统为了生存和再造而出现的基因或行为的调整。[47]
富塞尔将气候变化情景下受体的脆弱性评估分为两个阶段：第一代脆弱性评估和第二代脆弱性评估。第一代评估关注于脆弱性的“缓解”（Mitigation），主要测评气候变化带来的影响；第二代评估关注于“适应”（Adaptation），主要测评气候发生变化后受体的适应能力。两代之间进阶的本质在于关注点从潜在适应能力转向了可得的适应能力。[48]观念的进化推动了研究重点的转移，本主题中大量的样本文献都强调了脆弱性评估体系中需要加入两种维度的指标：一是包含“恢复能力”和“长期影响”因素的受灾体弹性指标[49]，二是包含“可持续发展”与“高参与度”因素的适应能力指标[50]。
2.气候变化情景下基础设施脆弱性的适应性治理
亨特（Alistair Hunt）在回顾了全球33座城市气候变化影响的详细预测后，认为构建适应性治理框架应为城市持续发展的主要方向。[51]适应性治理框架即一系列策略的集合，具体措施虽不尽相同，但基本上涵盖如下要点。
（1）适应性治理框架由物理、社会及机制等多个维度的策略整合而成。IPCC在2014年第五次报告中提出的适应性策略如表4所示。
表4 IPCC适应性策略分类[52]
（2）承灾体系统的构建基于可持续发展观点，福尔克（Carl Folke）在其研究中强调事前预防阶段的重要性，认为环境变化下的承灾体应具有“学习”（Learning）和“自组织”（Self-organizing）功能，[53]这也正是弹性的内涵之一。
（3）强调基础设施在设计规划阶段的多层次、多主体的广泛参与。多层次意指国家和各级地方政府，多主体意指相关的企业、居民、社区等，利益相关者的广泛参与旨在真正识别出具体的脆弱性区域和部门。
实践层面，卜克曼（Jorn Birkmann）等总结道，目前许多发达国家的城市已经出台气候适应型应对策略，如伦敦、纽约、波士顿、新加坡、多伦多等，多数策略以降低城市风险和保护基础设施为核心。[54]联合国为协助欠发达国家应对气候变化出台了“国家适应性行动专项”（National Adaptation Programs of Action，NAPAs），为其进行有关气候变化与极端天气的信息采集、脆弱性评价，并提供适应性治理的应对措施。中国于2016年2月推出了《城市适应气候变化行动方案》，并于2017年2月确定了28个气候适应型建设试点城市，强调加强城市基础设施的适应能力，全面提升城市气候变化适应性。本主题的研究成果可为我国进行气候适应型城市建设提供参考。
总之，在气候变化情景下基础设施脆弱性的研究中，其概念内涵的讨论是一个重要的课题。由于气候变化带来的极端天气等不利因素具有全球性和普遍性，所以这一主题研究的开展离不开权威机构政策的解读。而当前为降低基础设施脆弱性，提高受体的适应性是普遍认可的策略，本主题的共被引高频作者及文献表明了这一点。