基礎設施地震易損性的評估研究綜述

　　【摘要】為了加強基礎設施系統地震易損性的研究，最大限度減少地震災害帶來的損失，本文通過對基礎設施地震易損性研究文獻的回顧，分析總結了基礎設施地震易損性的相關概念、研究框架與定量評估方法，研究了基礎設施地震易損性主要評估方法的適用范圍和優缺點。研究結果表明，現有研究集中于對基礎設施系統中部分子系統的評估，且地域性強，許多模型和方法無法擴展到其他地區。大部分對基礎設施地震易損性的研究還停留在定性層面，易受主觀因素影響，需要加強量化和規范化分析。

　　【關鍵詞】地震;基礎設施系統;易損性;相互依賴性

　　0引言

　　基礎設施是社會的生命線，也是社會最重要、最基礎的要素。地震對人造成的傷害和經濟損失多是由于建筑物、管線等基礎設施損壞導致的。地震易損性分析是評定基礎設施的安全性，提高抗震能力的有效途徑。國內外均有開展基礎設施地震易損性方面的研究。從現有研究內容來看，定量方面的評估研究較少，很多研究沒有完整的指出所有不確定性的來源;使用大量數據和先進的數學方法能夠增強定量評估結果的科學性和完整性，但部分研究所需數據量和結果置信度之間的平衡點不清晰，因此對受損區的建模也不明確。本研究以基礎設施系統為研究對象，對國內外基礎設施地震易損性的評估方法進行了梳理和總結。

　　1基礎設施的地震易損性

　　1.1基礎設施地震易損性的內涵

　　針對基礎設施地震風險的評估主要包括兩個方面:危險性分析和易損性分析。危險性分析的最終目的就是分析研究區潛在的地震危險性，即依據其所處地區的地質條件、地形地貌及條件判定地震災害的危險性[1]。基礎設施地震易損性研究則主要包括[2]:(1)地震風險區的確定，即研究發生一定等級地震時造成的受災范圍。(2)地震風險區特性評價，對地震風險區內的主要基礎設施，如建筑物、管線系統、內部財產等進行分析和評價。(3)抗災性能分析，對地震風險區內的大量基礎設施進行抗災性能的綜合分析。

　　1.2基礎設施地震風險和一般風險的區別

　　基礎設施系統具有以下特征:開放性、涌現性、系統規模大、結構復雜、模塊/層次性、關聯特性、非線性[3]。因此基礎設施系統的風險既有與一般承災體的災害風險相同的特征，又有下列幾個特點:(1)面臨的風險因素多，由于基礎設施設備數量龐大，涉及的人、事、物均較復雜，項目建成后服役年限較長，因此不確定因素較多。(2)風險因素之間互相影響，因為重大基礎設施項目，本身系統就比較復雜，各個系統之間有很多聯系，因此風險因素之間也存在復雜的關系，系統之間相互影響會同時造成次生災害多發等問題。(3)風險后果危害大。重大基礎設施項目對經濟發展有著重要的影響，若是無法控制其風險，既會影響項目的建設，又會危害社會的穩定。(4)風險演化過程的不確定性高，基礎設施系統的風險既會受到內外部環境的影響，又會被多元主體左右，不確定性較高。

　　2基礎設施地震易損性影響因素分析

　　2.1基礎設施地震易損性的構成

　　基礎設施地震易損性是指基礎設施系統易于受到地震災害破壞或損害的程度，是衡量地震災害對基礎設施影響程度的指標。城市中各承災體與城市組成要素是相對應的，地震時基礎設施系統的各組成要素便會成為承災體。在對基礎設施地震易損性進行全面評價的過程中，必然會涉及到基礎設施系統的眾多組成要素，1997年美國總統關鍵基礎設施委員會(PCCIP)劃分的8類基礎設施系統包括:政府、通信、運輸、電力、金融、熱力、供水、應急服務[4]，這也決定了相關易損性評價指標體系必然會十分龐大且難分析。現有研究主要從以下兩方面展開:基礎建筑地震易損性和管線系統地震易損性。

　　基礎建筑是基礎設施系統重要的組成要素之一，是人類生產和生活的物質載體。由地震導致的建筑倒塌或損壞是造成人員傷亡和經濟損失的重要原因之一，建筑中的薄弱點，將直接關系到抗震防災工作能否落到實處。由此可知，建筑地震易損性的研究和評價是相關課題研究中必不可少的一部分。管線系統是現代城市維持高效運行的重要基礎，是人類在城市中正常活動的必要條件。但當地震發生時，生命線系統不僅是城市的物資保障和能源供應系統，而且還是應急避難疏散、消防救援和災后安置的重要支撐。因此，對基礎設施系統的地震易損性進行研究和評價具有重要的意義。

　　2.2基礎設施地震易損性的主要影響因素

　　不同的研究者分別從各自的學科角度出發，構建了不同的易損性概念模型和理論框架。但研究的目的均是要分析表述與地震易損性有關的多層次因素。易損性通常定義為:“在一定災害強度下承災體損失的程度”[5]。

　　2.3基礎設施地震易損性的主要分析方法

　　過去提出的易損性評估可分為兩個主要類別:經驗法、分析法[9]。每種易損性評估方法都會對離散損傷等級的損傷進行建模。主要方法可分為4類:①概率矩陣方法，它以離散的形式表達由于強度i的地面運動，引發的損傷等級j的概率。概率矩陣方法對地震風險的評估很多基于過去的地震數據，使用統計到的損失數據進行未來地震的影響預測，在應用于具有相似特征的區域時有優勢。但是，這種方法的應用中存在的許多不確定因素會帶來很多缺陷。

　　②易損性函數，它表示的是依據給定地震強度的函數計算出的超出給定概率的損失情況，使用現場調查表來收集有關的信息，然后對基礎類型、結構和非結構元素、保護狀態等多個參數進行計算。③能力—需求譜法的理論基礎是Push-over分析方法，通過能力曲線體現評估對象在地震中的反應。④可靠度計算方法主要是在計算出系統關鍵節點所在的基礎上，考慮節點的實時可靠性水平，將可靠性加權得到最終評估結果。能夠有效確定系統的薄弱環節，可在規劃階段提供輔助決策。

　　3基礎設施地震易損性評估

　　3.1單一基礎設施系統地震易損性評估

　　在基礎設施易損性研究初期，信息和數據較少，多采用概率風險方法進行評估。有學者使用統計回歸模型進行量化研究;工程領域的學者通過分析物理連接計算系統的可靠性[11-13]，例如，管線系統的易損性評估中首先要將管網等效為含有節點和邊的網絡模型，其中涉及兩個主要的結構特征參數:節點度和介數[14]，節點度指與該節點連接的邊數，介數反應邊或點的影響力和作用力，常利用管線的等效圖模型來確保系統拓撲模型的有效性[15]。

　　有研究曾在此方法的基礎上給出判別系統脆弱節點的方法，并據此分析管網在連鎖故障反應下的易損性[16]。此類方法的分析主要針對管線系統中的節點(主要設備)進行易損性分析，無法對邊(線路)的受損情況進行分析，但實際地震中，傳輸線路和設備都有可能會受損失效[17]。歐盟資助的SYNER-G項目中多數與基礎設施組件相關的數據是使用離散損壞狀態進行處理，這種離散的受損數據會對模型的結果產生影響。SYNER-G項目的多數研究都集中于一個系統中的各個組件而不是系統整體，這意味著對于擁有不同組件的基礎設施子系統而言，可能會有多個易損性曲線，在實際應用中需要根據地區特點進行調整[18]。

　　3.2基于相互依賴性的基礎設施地震易損性評估方法

　　重要的城市地區基礎設施系統之間可能存在相互依賴關系，例如能源和運輸等關鍵基礎設施的破壞會帶來其他公用事業以及破壞其功能的連鎖效應。這意味著損害了一個系統可能會導致其他關聯基礎設施子系統中斷。因此，不僅需要考慮單個系統的地震易損性，還要考慮基礎設施系統的性能(例如供應網絡)以及系統之間的相互依賴性(例如電力故障造成供水中斷)。依賴性描述了一個基礎結構網絡依賴的單向關系在另一個網絡的表現。例如交通系統的運行需要電力系統支撐[19]。相互依賴性實際上描述的是基礎設施關系中的雙向性[20]。基礎設施之間的相互依賴性大致分為4個類別:物理、網絡、地理和邏輯[21]。

　　物理指的是兩個網絡之間的實際物理鏈接;網絡是指通過信息連接的網絡鏈接;地理是指邏輯操作中會產生相互影響的鏈接;邏輯指的是所有其他關系，例如設施受到沖擊對投資產生的影響。在分析中，邏輯關系可能尤為重要，由于人的因素，研究分析不僅僅是定性地考慮相互依賴性，基礎設施之間的交叉系數也是易損性分析時的重要參數。現有的用于評估基礎設施相互依賴性的框架中，多數框架的主要工作在于確定整體的輸入和計算流程。這些模型并非特定于地震，而是用于評估由于一些小的干擾而引起的波動。目前，基礎設施系統之間的關聯關系研究主要集中在以下3個方面[3]:(1)系統的定性分析，對關鍵基礎設施及其關聯關系相關概念進行定義和分類，確定主要影響因素[22]。

　　(2)基于經驗和知識的方法，對實際案例中統計到的事件和數據進行分析，找到故障的原因和表現形式[23]，但不容易得出故障產生的機理。(3)構建模型并進行模擬，利用系數矩陣確定各子系統之間的相關性[24]，然后運用數學分析方法從定量的角度研究關聯關系，是比較常用的研究方法[25]。確定關聯關系后，進一步研究干擾事件在不同系統間的傳遞方式。此類研究主要從拓撲的角度研究相互依存的基礎設施系統的地震脆弱性，首先評估每個獨立網絡的地震響應，然后借助模型分析由于它們的相互依賴性而對易損性產生的影響[26]。常用的模型包括概率可靠性模型，利用互連的耦合強度以及各部分的地震響應來表征網絡的相互依賴性[27]。

　　根據各種性能指標(連通性損失，人口等)計算獨立網絡和從屬網絡的網絡脆弱性曲線。當發現子系統A比子系統B更具地震脆弱性。則相互依賴性引入了子系統A的額外脆弱性[28]，此類分析同時可以確定出整個基礎設施系統中易損性最高的部分。有學者運用貝葉斯隨機方法對城市災害易損性進行分析:首先計算出易損性的單個指標，再由最大似然分類原則確定單個易損性的指標評價級別，所有指標都計算完成后，采用最大加權概率原則得出綜合評價級別[29]。

　　物理基礎設施系統通常由互連和相互依存的子系統組成，系統所有者和政策研究人員需要具體的工具來評估潛在的風險，以便制定有效的風險管理策略。因此需要設計準確高效的前兆監測系統和決策支持系統，用以確定并優先考慮系統故障演變風險的指標;評估分析中的不確定性，為合理的決策提供支持。這種綜合前兆分析框架由3個過程組成:識別，優先排序和評估[30]。前兆分析框架工作是風險分析的重要組成部分，它研究了各種橋梁檢查和維護方案的影響。它使政策研究人員和分析人員能夠找出橋梁基礎設施的風險所在，以制定更多風險應對政策，并制定指導方針，有效分配有限的風險管理資源，并減輕因橋梁故障導致的嚴重后果[31]。

　　3.3基于價值核算的基礎設施地震易損性評估方法

　　這一類研究主要通過核算基礎設施的災前價值，進行易損性評價[32]。在災害過程分析中常用高分辨率遙感影像作為數據源，統計完研究區內承災體類型和數量后，使用多重標準評價方法對災害易損性進行評價[33]。采用歷史數據分析和建立指標體系的方法，無法模擬出災害場景下基礎設施系統各要素之間的相互影響和風險演化過程[34]。由于無法模擬災害的不確定性和復雜性，因此評估結果也會發生偏差[22]。

　　由于GIS技術獨特的可視化功能和地理空間信息處理能力，以GIS為平臺的地震災害研究已成為本領域研究的主要發展方向。地質災害信息錄入后，結合GIS技術可以從空間和時間尺度上分析地質災害的發生與環境之間的統計關系、評估各種地質災害發生的概率和可能的災害后果，能實現對地震后的災區受災情況的快速評估[35]。美國地質調查局使用GIS技術，編制了美國城市災害的數字地圖。并在此基礎上建立決策支持系統，便于將來城市發展在進行基礎設施建設地點的選擇時規避高風險地區[36]。國內學者在分析長春市建筑抗震能力時，就曾借助GIS技術評估不同區域的地震災害損失[37]。也有研究從地震承災體特征入手，實現了災害發生時框架結構受損變形的三維動態展示[25]。

　　3.4基于可靠度計算方法的基礎設施地震易損性計算

　　基礎設施系統的各風險變量之間的相互影響，導致評估中不能準確得到變量間的分布關系與參數。學者提出用隨機模擬的方法獲取隨機變化信息。通過大量獨立的模擬確定整個系統的概率特征[38-39]。蒙特卡羅法(MCS)和驗算點法(JC法)是比較常用的兩種方法。MCS法對影響可靠度的基本隨機變量進行隨機抽樣，然后把抽樣值代入功能函數中來求解出結構的失效概率[40]。由美國Argonne實驗室使用MCS方法設計了能夠仿真災后基礎設施系統的恢復事件及恢復成本的Restore模型[41]。

　　MCS法更多用于對土木工程結構的易損性分析，KimSH等基于此方法進行了考慮空間效應地震動作用下的橋梁易損性分析，并與一致激勵下的計算結果進行對比，結果顯示在不考慮空間效應分析中，支撐結構的延性需求將被低估[10，42]。JC法可以通過將系統中的非正態隨機變量進行當量正態化處理[43]，使之轉變為正態隨機變量，然后計算結構可靠度[44]，能夠用計算量的少量增加換取計算精度的提高，缺點是驗算點和變量平均值點會隨地震的強度變化而產生偏離。

　　4結論

　　目前，我國處于城鎮化快速發展階段，社會基礎設施的建設面臨著巨大的壓力。基礎設施系統的可靠性面臨著不斷發生的地震災害的考驗，不斷涌現的災害損失問題引發了對基礎設施安全性與可靠性的思考，從已有研究來看，相關方法需要在以下方面進行完善:由于地震的空間分布和各地區基礎設施系統特點的不同，許多研究和模型可能無法擴展到其他地區;現有研究主要針對于單一的系統，將基礎設施之間的相互依賴性納入研究范圍將是研究的重點;在計算時需要結合不同地域的人口、環境等特點進行計算。

　　但許多方法沒有明確地模擬整個基礎設施系統中各種不確定性的來源，模型的預測性不強;評價體系的適時性不強，尚未將次生災害的評估納入體系內。未來的理想模型應該是一個組合不同的易損性評估方法的綜合模型。

　　參考文獻

　　[1]黃崇福.自然災害風險分析的基本原理[J].自然災害學報，1999，8(2):21-30.

　　[2]和飛，繆升.地震災害風險分析及管理初探[J].地震研究，2002，(4):374-378.

　　[3]王詩瑩，李向陽，劉紹閣.城市關鍵基礎設施系統關聯異動脆弱性評估[J].上海交通大學學報，2016，50(12):1940-1944.

　　[4]ZhangKuo，ZiJuan，WuLilang.Neweventdetectionbasedonin-dexing-treeandnamedentity[C].//Proceedingsofthe30thAnnualInternationalACMSIGIRConferenceonResearchandDevelopmentinInformationonRetrieval.NewYork:ACMPress，2007:215-222

　　地質方向論文投稿刊物：《地震研究》主要刊載地震學基礎理論、地震預測預報、防震抗震、工程地震、地震地質，以及地球物理、地球化學、實驗技術和儀器研制等方面的學術論文和研究成果。讀者對象為從事地震研究的科技工作者和相關專業大專院校師生。

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/jzlw/22655.html