清华大学土木水利学院院长、未来城镇与基础设施研究院常务副院长、长江学者特聘教授方东平，于11月29日上午在上海市城市规划设计研究院2023年度高层次人才培训“浦江学堂”上以《韧性城市——研究与思考》为题授课。课程围绕城市韧性研究与实践，聚焦基础设施、建筑、医疗、经济等领域韧性研究和城市韧性评估，系统探讨了韧性城市相关思考及应用。
方东平 清华大学土木水利学院院长、未来城镇与基础设施研究院常务副院长、长江学者特聘教授
一、城市安全与韧性
1.我国城市安全风险特征
我国城市发展“四高”特征突出——人口密度高、财富集中度高、国家安全核心集聚度高、关键系统耦联度高。城市遭受的风险种类也是多样的，总体上可分成自然灾害、事故灾难、公共卫生事件、社会安全事件、宏观环境风险等五类。在百年未有之大变局下，战争风险、科技安全威胁、气候变化等宏观环境风险变得非常重要，如气候变化导致重大灾害发生的频度快速增加。我国70%以上城市、50%以上人口分布在自然灾害严重地区，自然灾害、人为事故、社会安全问题、公众健康问题及灾害耦合导致更大规模的损失，城市灾害事故呈现多发、突发、频发、群发、重发等特点，对我国城市安全与韧性提出更高的要求。
2.城市的韧性受城市各系统及其相互作用的影响
基于三度空间的视角，城市可分为物理空间、社会空间、信息空间。物理基础设施支撑着城市的服务功能，满足了城市的社会需求，在与人交互中形成了更加复杂的社会—技术系统；人类活动行为形成社会空间，规划在很长一段时期以来是针对物理空间的规划，随着社会发展、人的需求变化，人变得越来越重要；城市生活的沟通，特别是社会生活、经济生活主要在信息空间中完成的。城市实际上是一个非常复杂的“系统的系统（system of system）”，各系统高度耦合、高度关联，城市的韧性受到三度空间中各系统及其相互作用的影响。
城市三度空间理论框架
3.构建以人为核心的城市结构模型更好地研究理解城市
影响城市安全的因素包括最常见的自然灾害、事故灾害，通常打击的是城市基础设施系统的物理基础设施；社会安全危机风险可能会直接影响社会基础设施（或称服务性组织系统），包括对政府运作、交通出行的影响等；个别典型的如公共卫生危机直接影响人，对人的影响反过来又会扩散到对由人运作的社会服务系统的影响。只有了解上述破坏过程的跨系统、跨维度传播规律，才能在城市规划与建设中更好地应对安全威胁，使城市变得更安全、更有韧性。构建以人为核心的城市结构模型，既表达了城市的复杂性，同时简化明确城市的结构，帮助我们更好地研究和理解城市。
以人为核心的城市结构模型示意图
二、韧性城市研究与实践进展
1.“韧性”概念及其演变
“韧性”的物理学概念表示材料在塑性变形和破裂过程中吸收能量的能力，是指材料受到使其发生形变的外力时对折断（破坏）的抵抗能力。“韧性”从物理学领域开始拓展至一系列自然和社会科学领域。城市韧性指城市系统在受到扰动时可以维持或迅速恢复其功能，并通过适应来更好地应对未来不确定性的能力。
2.韧性理论的四个阶段
（1）准备阶段。即城市抵御外部扰动时要做的准备，包括过去“安全”方面的准备，以及现在“恢复”方面的准备，如在建筑结构设计时设计可更换的构件，在破坏后能够尽快更换，加速恢复。
（2）抵抗阶段。即扰动时系统维持系统的功能，是我们通常理解的“安全”的概念。
（3）恢复阶段。韧性的核心是恢复及怎么更快地恢复。
（4）适应阶段。是为下一次灾害做准备。
韧性理论的四个阶段及内涵
3.国内外韧性城市推进情况
（1）韧性城市规划与建设研究。国外顶级期刊、学者高度关注韧性城市规划与建设研究，Nature、PNAS、CITIES等国际顶级期刊持续发表气候韧性、城市公共交通韧性规划与提升、突发公共卫生安全事件等城市韧性相关文章，美国、英国、日本等国家科学院、工程院院士及知名学者密切关注城市韧性研究。
（2）城市韧性评价指标。国内外已经出现了一批城市韧性评价指标，奥雅纳和洛克菲勒基金会联合发布了韧性城市指数，对城市韧性提供了一个全面的框架。国际标准化组织于2019年发布了《韧性城市指标体系》，提供了一个可以在全球范围内广泛应用的韧性评估框架。
（3）韧性城市行动。世界银行、联合国减少灾害风险办公室、洛克菲勒基金会等国际组织在不同的时间点形成了系列关于城市韧性的行动计划，对韧性城市在全世界的普及以及工作的展开产生重大影响。纽约、伦敦、东京等超级城市也先后提出城市的韧性提升计划。美国网络安全和基础设施安全局2023年出台基础设施韧性规划框架，特别强调了系统功能和相互关系。
（4）城市韧性国内进展。从党的二十大报告、习近平总书记在中央财经委员会第七次会议上的讲话等能够看出来，我国越来越重视韧性城市，将其上升至国家战略，并出台了城市韧性领域有关国家标准，北京、深圳、上海等各个城市在中央要求的基础上也在推动相关工作。
4.城市韧性战略研究
中国工程院战略研究与咨询重大项目“城市安全面临的挑战及对策”研究了城镇韧性与减灾。从准备过程、抵抗过程、恢复过程、适应过程全面分析国内外应对危机的做法与经验教训，总结了我国城镇韧性主要挑战，形成对策建议：
（1）健全城镇韧性与防灾减灾管理体制。建立高效的城镇韧性领导机制，明确韧性城镇建设主体责任，形成各方联动、协同配合的城镇韧性统一管理格局。
（2）完善面向韧性的城镇减灾预案体系。在现有应急预案基础上强化灾后恢复重建与灾害适应的内容，形成面向韧性全过程的城镇韧性减灾预案。细化预案条目，提高减灾预案可操作性。
（3）推进城镇综合监测预警系统建设。加强城镇安全风险监测预警网络建设，健全灾害事故信息互联互通机制，提高重大安全风险精准识别与超前预警能力。
（4）研发城镇韧性情景推演分析技术。开展城镇系统安全风险跨系统跨维度传播机制等基础理论研究，研发城镇灾后功能仿真推演技术，建立情景驱动的韧性评估技术以及考虑资源约束的韧性提升技术。
（5）开展城镇韧性全民科普教育。推进城镇韧性知识纳入国民教育体系，强化国民全方位应灾能力。强化社区等基层组织的灾害韧性管理素养，建设专业性强的基层应急管理队伍。
（6）推进城镇韧性实践试点建设。在全国不同区域内选择典型城镇，开展城镇韧性创新成果的实践应用，打造一批全国韧性建设试点城镇。
三、系统韧性研究及应用
1.基础设施韧性
（1）基于“物感”的基础设施韧性。首先构建城市基础设施系统韧性感知网络，通过建立感测平台收集相关传感器数据，实现基础设施灾害响应的实时监测；其次是对城市基础设施系统建模，通过情境推演与韧性管理应用，形成基础设施韧性提升组合方案，确定各预算区间内韧性提升最佳组合方案。
城市基础设施系统建模示意图
（2）基于“人感”的基础设施韧性。从居民需求出发定义城市功能，以人感受到的基础设施供给服务的好坏研判基础设施韧性恢复的快慢。研究显示，“人感”恢复滞后于基础设施物理上的恢复，“物感”功能恢复不能完全反映人的满足感。在研究基础设施韧性时，需要用人感的数据补充对基础设施的物理评价，把“人感”“物感”综合起来评价城市生命线系统的韧性情况。
基于居民需求的城市功能指标体系
2.建筑系统韧性
通过构建城市区域数字模型，模拟不同区划、不同地震烈度下城市受灾情况、地震灾害响应过程，通过模拟评估城市灾后经济损失、功能损失，以及重点受灾区域，对于震后救灾和恢复以及提升城市韧性意义重大。
3.医疗系统韧性
医疗系统对于救援至关重要，却常因自身遭受破坏而难以有效发挥作用。以地震灾害情况为例，对医院进行震后院前、院内功能建模，仿真院前救治过程、院内响应过程，对医疗系统进行地震韧性评估，通过多方案比选与决策形成韧性提升方案。
4.经济系统韧性
经济损失分为直接经济损失与间接经济损失，间接经济损失又包含停减产损失等初始间接经济损失和产业关联损失等高阶间接经济损失。灾害来临时往往初始间接经济损失和高阶间接经济损失对城市的影响更大。
经济损失分类
通过建立基于地震灾害全过程的停减产损失模型，包括基于生产要素中断的停产时间模型、基于生产能力和最终需求的减产比例模型、基于产值恢复模型，结合物理和社会系统震损的停减产损失预测方法，模拟城市受到扰动后可能出现的经济活动问题，对停减产损失进行预测，可较好地评估地震下企业停产时间、减产比例及产值变化。
5.韧性城市评估与应用
基于以人为核心的城市结构模型及基于居民需求的城市韧性指标体系，通过基础设施跨领域知识的融合分析与建模建立跨系统灾损情景推演技术，建立考虑基础设施社会功能的跨维度破坏与恢复情景推演技术，实现基于居民需求的城市韧性评估与问题诊断，通过偏置PageRank算法识别关键工程，通过分组背包方法优化城市防灾资源的投入，把资源配置到关键基础设施上，最大程度提升城市系统韧性，实现城市安全韧性的全局优化与提升。
以M市为例，以 0.3g的地震加速度为设定情景，模拟供电、供水系统功能的破坏与恢复，模拟出M市的韧性水平为0.73（理想情况为1）。考虑功能关联的级联失效效应，运用偏置 PageRank算法来衡量所有节点的重要性，对所识别的6个供电关键节点和4个供水关键节点进行加固，城市韧性水平提升至0.93。
M市的城市韧性评估图示
四、结语
从方法论上，采用跨系统—跨维度的情景推演技术来分析与评估城市与基础设施系统的韧性，这样才能得到针对性强、可落地的韧性提升方案。
未来的工作要考虑基础设施的重要性与资源的约束性，最优地提升城市与基础设施系统的韧性，或是在有限资源下打造相对最优，或是在资源约束情况下让城市作为一个整体达到最优。