論文 | 城市韌性——基於「三度空間下系統的系統」的思考

2021-03-04 清華大學土木工程系暨建設管理系

最新一期《土木工程學報》（2017年7月）發表關於韌性城市的論文：城市韌性——基於「三度空間下系統的系統」的思考。作者為土木、建管兩系的方東平、李在上、李楠、韓林海、吳建平、陸新徵、孔祥明、電子系的李勇和公管學院的呂孝禮。

文章從城市化以及全球頻發的災害情況出發，指出自然及技術災害所造成損失的增加已經明顯快於城市人口的增長（圖1），城市的安全與穩定面臨著日益嚴峻的挑戰。在各類災害下，不同城市的表現不盡相同。有的在災後得以迅速恢復，而有的卻一蹶不振。「韌性」（resilience）概念的出現，為理解複雜系統運作和其可持續發展，尤其是系統防災減災方面提供了新的角度。

註：*以1960年為基期。1960年世界自然及技術災害所造成的損失（以2014年美元匯率折算）為100.2億美元，城市人口為10.19億。（數據來源：聯合國、EM-DAT）

圖1 世界自然及技術災害損失增加與城市人口增長關係

 

文章總結了韌性概念的發展，梳理了城市韌性的相關文獻，將城市韌性定義為「城市系統及其各類子系統在受到擾動時可以維持或迅速恢復其功能，並通過適應來更好地應對未來不確定性的能力。

城市韌性的表現具有過程性，其包含了抵抗（resistance）、恢復（recovery）與適應（adaptation）等三個主要環節（如圖2）。其中，「抵抗」是指一個具有韌性的城市系統可以吸收擾動所產生的負面作用，其核心功能不會被擾動完全破壞；「恢復」是韌性的關鍵，指在災害等擾動發生後，城市系統可以迅速恢復其受損部分至所期望的狀態。該「所期望的狀態」可能是初始狀態，也有可能是新的狀態。「適應」則是指城市系統可以通過主動或被動地學習來改變其結構，進而更好地應對未來的不確定性。就三者的關係來說，每次擾動的抵抗與恢復過程為城市的適應提供了機會；而城市系統適應能力的提升轉而會提高城市對於該類擾動甚至是其他擾動的抵抗與恢復能力。城市系統不斷發生的抵抗、恢復與適應使得城市系統自身一直處於動態演進的過程。

圖2 城市韌性

 

文章主張把城市看作是「三度空間下的系統的系統」，並用這一視角看城市韌性。城市可被看做是由物理、社會、信息組成的「三度空間」。三度空間中最直觀的是物理空間，其涵蓋所有可見的除人以外的自然物體與人工物體，如自然環境、基礎設施、建築等。社會空間是城市區別於「建築群」的關鍵要素，是指人及人類活動所組成的空間，包括經濟、文化、教育、醫療等。隨著社會的不斷進步，城市的運轉越來越離不開信息技術，在經歷城市化的同時，城市也在經歷著「信息化」，信息對於現代城市來說已經不可或缺。因此，除物理空間、社會空間外，現代城市還具有信息空間。信息空間是指各類信息流所組成的空間，包括人們之間的溝通信息、網際網路信息等。物理、社會、信息三度空間共同組成了整個「城市空間」。

從功能的角度出發，城市系統可以劃分為交通系統、醫療系統、金融系統、教育系統。這些系統既相互獨立，可獨自發揮功能；又相互依存，共同實現整個城市的功能。學界把這一類內部子系統既獨立又關聯的系統稱之為「系統的系統」，城市是一個典型的系統的系統。構成城市的所有系統均處於城市的「三度空間」中（如圖3），每個系統均可在物理、社會和信息空間找到其相應的「投影」。例如對於交通系統，道路、橋梁、交通工具等實體處於物理空間，道路的建設、乘客、交通法規等處於社會空間，信號燈信息、人的交流處於信息空間。


圖3 三度空間下系統的系統


城市問題表現出高度複雜性與關聯性，一個系統內所表現出的城市問題，其根源有時卻不在這個系統中。因此，解決城市問題不可過於局限在單個領域，而是要用全局的視角理解城市。在理解城市各類子系統的基礎上，建立起各子系統之間的關聯關係，同時協同考慮城市整體以及每個系統在物理、社會、信息三度空間中的投影，從而綜合地、全面地理解城市，科學地解決城市各類問題。作為一類城市問題，城市韌性同樣需要用「三度空間下系統的系統」的視角看待。

隨後文章闡述了基礎設施等城市眾多子系統的韌性，指出城市所有子系統的韌性共同決定了城市系統的韌性。但城市系統的韌性並非是各子系統韌性的簡單加和，由於各子系統之間存在著不同程度的關聯，單個子系統的行為往往會對其他子系統產生影響。此外，城市韌性的內涵具有過程性。有些城市的災害「抵抗」能力已經較強，比如建築抗震設防等級已經較高，為應對發生概率很低的超強地震而繼續大幅度投入資源到「抵抗」階段的效果就很差；而如果能夠更全面地考慮如何提高城市在地震災害下的「恢復」及「適應」能力，降低城市的恢復成本、減少恢復時間，為將來的災害做好準備，則能夠更有效地全面提升城市系統的韌性。

城市的資源總是有限的，城市的管理者要在有限的資源下最大程度地確保和提升城市的韌性，必須在深入理解城市系統和城市韌性的基礎上，研究城市韌性的指標體系，提出合理的政策、建立相關的制度、制定技術和管理標準並確保有效實施，將有限的資源合理地配置到三度空間下的各個子系統和韌性建設的各個環節，即對城市進行「韌性管理」。

引用本文: 

方東平  李在上  李楠  韓林海  吳建平 陸新徵  孔祥明  李勇  呂孝禮. 城市韌性——基於「三度空間下系統的系統」的思考[J]. 土木工程學報, 2017, 50(7): 1-7.  

Fang Dongping  Li Zaishang  Li Nan  Han Linhai  Wu Jianping  Lu Xinzheng  Kong Xiangming  Li Yong  Lu Xiaoli. Urban resilience: a perspective of system of systems in trio spaces. 土木工程學報, 2017, 50(7): 1-7.                                


     

 原文下載，請點擊「閱讀原文」。

相關焦點

  • 騰訊發布WeCity未來城市2.0白皮書 ——打造「系統韌性」,兼顧治理...
    》，從宏觀背景、內涵升級、能力拓展和創新實踐的角度，闡釋了如何在日益複雜化的空間、治理與服務的前提下，踐行「市民即用戶」「連接即服務」「數據即空間」「城市即平臺」的理念。但同時，疫情也促使業界開始正視不確定性給智慧城市規劃和建設帶來的影響，並重新思考智慧城市的建設思路與模式。後疫情時代的城市將會繼續承載多元社會功能，而環境條件也會日益錯綜複雜。面對這樣的經濟社會趨勢，預測不是唯一的解決之道，通過「數字優先」布局高效的基礎設施和連接能力，構建系統韌性，才是長期內最有效的路徑。
  • 宮田孝一:打造有發展韌性的城市能源系統
    宮田孝一　　三井住友銀行董事長　　宮田孝一表示，重慶想提高城市的發展韌性　　如何加強能源基礎設施建設，宮田孝一認為，重慶可以把太陽能發電和電動汽車相結合，打造一套有韌性的新能源系統。為此，他還提出三點建議：　　一是將分散的電動汽車和太陽能發電網絡化，利用區塊鏈等IT技術進行調整，建立太陽能數字網格（SDG）系統。
  • BMW卓越城市|諸大建:城市韌性的空間、社區與生態
    這就是對我們今天討論城市新生話題，提出了有意思的話題。我下面重點給大家講三個問題。一個叫做空間韌性，一個叫做社會韌性，一個叫做生態韌性。第一，我討論一下空間韌性。空間韌性要回答什麼問題呢？就是城市發展到底是小城市好，還是大城市好。對城市發展模式，過去幾年，思路本來是逐漸清楚的。
  • 基於風險治理能力提升的韌性社區建設
    增強城市韌性，促進城市的安全和可持續發展，提升城市的自我調適和自我修復能力，通過成功的風險評估和應對，城市應該有能力去應對各種突發事件和長期壓力，對於自然災害、公共衛生事件、社會衝突等挑戰，城市能夠提供系統的控制和應對策略。
  • 仇保興:未來城市與韌性設計原則
    二、韌性系統的模型韌性系統的模型包含結構韌性、過程韌性和系統韌性三個方面。結構韌性可以分為技術韌性、經濟韌性、社會韌性和政府韌性。技術韌性是基礎性的，也就是城市生命線的問題，指的是城市的通信、能源、供排水、汙水處理、交通、防洪、防禦系統等都應該有足夠的預判認知系統，能夠應對不測的風險。
  • 建設韌性社區 築牢城市生命體的制度「防洪堤」
    王佃利　　今年3月，中共中央總書記習近平在湖北省武漢市考察時強調：「城市是生命體、有機體，要敬畏城市、善待城市。」在風險社會理論下審視城市，如此複雜的巨型系統中可能會直面更多未知的風險。　　新冠肺炎疫情的發生，已在客觀上敲響了關注城市生命體安全的現實警鐘。
  • 專家研討多災害作用下韌性城市建設關鍵技術—新聞—科學網
    來自全國各地城市規劃、建築科學和土木工程等領域多學科專家學者聚焦城市基礎設施安全與韌性城市的發展瓶頸與關鍵問題，深入研討城市基礎設施安全與韌性城市最新進展與前沿動向，凝練城市基礎設施安全與韌性城市關鍵基礎科學問題與技術需求。 與會專家提出建議，期望通過加強城市規劃、建築環境與基礎設施系統多學科融合研究，推動我國城市抗災韌性研究與韌性城市建設的深入發展。
  • 久久為功,建設韌性城市
    習近平總書記日前在《求是》雜誌上發表題為《國家中長期經濟社會發展戰略若干重大問題》的重要文章中指出，要在生態文明思想和總體國家安全觀指導下制定城市發展規劃，打造宜居城市、韌性城市、智能城市，建立高質量的城市生態系統和安全系統
  • 龍瀛:建設「韌性城市」,提升應對風險挑戰能力
    「韌性城市」這一概念，出現在日前發布的《中共中央關於制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》（以下簡稱《建議》）中。《建議》提出，強化歷史文化保護、塑造城市風貌，加強城鎮老舊小區改造和社區建設，增強城市防洪排澇能力，建設海綿城市、韌性城市。
  • 面對不確定性,韌性社區讓城市更美好
    而早在《國務院關於進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中提出了切實保障城市安全要求。社區是城市風險管理的基本單元，老舊社區是城市安全的薄弱環節之一，我國社區層面的災害研究對老舊社區涉及較少。隨著城市的不斷發展，老舊社區的災害風險更為突出。而基於韌性理論的老舊社區升級改進，可以讓城市更加煥發活力。
  • 計算機畢業設計基於asp.net教師論文管理系統
    教師界面的系統功能模塊如圖所示：管理員界面的系統功能模塊如圖所示：業務流分析教師論文管理系統工作流程為：系統啟動並系統界面，根據不同權限的用戶進行分別操作。教師用戶可以對教師信息進行添加、對論文信息進行管理等權限，系統管理員有對系統管理的所有功能進行操作的權限。本系統的業務流程如圖2所示：數據流分析教師論文管理系統的數據流程：對本系統操作的數據源有學生用戶和教師用戶兩種，首先由教師用戶將成績信息保存到資料庫中，然後再進行發布。
  • 重點‖學位論文的選題與寫作——基於雙元視角的思考
    近日，三部委聯合印發了《關於加快新時代研究生教育改革發展的意見》，其中不難看出未來對於研究生畢業論文質量的把控將愈發嚴格。然而，在畢業論文寫作「大闖關」中，論文選題就以「一夫當關，萬夫莫開」之勢，使得眾多學子熬禿了頭。不僅如此，選題不合適還會造成眾多「後遺症」，使得論文撰寫之路變得陷阱密布、崎嶇坎坷。
  • 基於VL-SLAM的無GPS自動駕駛系統研究
    目前定位技術主要的解決方案是基於全球定位系統（GPS），但是在某些特殊的環境中如下車庫，沒有GPS信號如何解決定位問題就是本文研究的關鍵所在。本文先介紹了自動駕駛系統概述、視覺雷射融合的SLAM理論與算法，又基於ROS框架搭建了自動駕駛汽車的建圖與路徑規劃仿真實驗，最後完成了在地庫中的實車算法驗證實驗，並做了論文結論總結與自動駕駛技術的未來展望。
  • 建「韌性城市」提升城市「免疫力」
    隨著城市人口規模不斷擴大以及功能不斷延伸，在突如其來的災害面前，城市往往表現出很大脆弱性。如何提高城市系統面對不確定性因素的抵禦力、恢復力和適應力，提升城市規劃的預見性與引導性？這逐漸成為國際城市規劃領域研究的焦點問題。「韌性」的理念為破解這一難題提供了新思路與規劃視角——「韌性城市」應運而生。
  • 論文查重系統的一些基本原理
    畢業前，我們有必要了解論文檢查系統的一些原理知識，因為同一篇論文在檢查時，每一個系統的檢查結果是不一樣的，甚至在每一次修改後，有些人還發現重複率並沒有降低，反而在不斷提高。解決這些問題的最佳途徑是什麼？正是為了理解論文查重系統的一些基本原理。
  • 百度李偉彬:基於PGL的圖神經網絡基線系統
    而數據上的空間關聯特性，恰好是圖神經網絡所擅長的。圖神經網絡在非結構化數據上有著出色的處理能力，使得最近一段時間圖神經網絡在學界與工業界上大放光彩。因此，本次分享將介紹2020國際大數據比賽中，基於百度飛槳推出的圖學習框架Paddle Graph Learning(PGL)實現的基線系統。
  • 滴滴KDD 2019 論文詳解:基於深度價值網絡的多司機智能派單模型
    今年，滴滴共有三篇Oral論文入選KDD2019，研究內容涵蓋基於深度學習方法自動化地生成工單摘要、基於深度強化學習與半馬爾科夫決策過程進行智能派單及模仿學習和GAN在環境重構的探索。本文是對滴滴Oral論文《A Deep Value-networkBased Approach for Multi-Driver Order Dispatching》的詳細解讀。
  • 塑造韌性城市 提升城市自愈能力
    文/王克劍 「十四五」規劃首次提出「建設韌性城市」。「韌性城市」不是個新詞，近年來，北京、上海等城市的政府工作報告和城市總體規劃中，均有涉及「韌性城市」的表述。今年在新冠肺炎疫情的影響下，不少城市也開始積極加入到「韌性城市」建設中來。
  • 基於完整數據採集系統設計方案
    本文以PLC應用為例，說明多功能、低成本的高度集成 ADAS3022如何通過更換模擬前端(AFE)級，降低複雜性、解決多通道數據採集系統設計中遇到的諸多難題。這種高性能器件具有多個輸入範圍，非常適合高精度工業、儀器、電力線和醫療數據採集卡應用，可以降低成本和加快產品面市，同時佔用空間很小，易於使用，在1 MSPS速率下提供真正的16位精度。
  • AAAI 2020 提前看 | 三篇論文解讀問答系統最新研究進展
    問答系統（Q&A）的主要研究點包括模型構建、對問題/答案編碼、引入語義特徵、引入強化學習、內容選擇、問題類型建模、引入上下文信息以及實際應用場景問題解決等。在本次 AAAI2020 中，直接以「Question/Answer」作為題目的論文就有 40 餘篇。本文選取了其中三篇進行詳細討論，內容涉及語義特徵匹配、模型構建和醫學場景應用等。