基于CiteSpace的韧性城市视角下耦合基础设施文献的量化分析

缪惠全，钟紫蓝，杜修力

(1.北京工业大学 城建学部，北京 100124； 2.北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室， 北京 100124)

随着全球城市化发展的浪潮，城市规模不断增大，系统功能日趋复杂，由此所导致的城市灾害损失也日益增加，至2018年全球30万人口以上的城市有1 860个，人口总数25亿，其中近58%的城市要承受包含龙卷风、洪水、干旱、地震、滑坡、火山六种灾害中至少一种，人口总数占统计规模城市人口的64%[1]。美国的保险业损失统计表明，去除通货膨胀之后，巨灾保险的损失金额从1980到2018年，平均每隔10年保险损失就增长100亿美元，而2005年的Katrina、Rita和Wilma飓风保险损失790亿美元，2017年的Harvey、Iram和Maria飓风则损失了1 040亿美元[2]。正是在这一背景之下，全面提升城市系统的抗灾性能，建设更具抗灾韧性的城市，已成一种全球共识，为此，世界各个国家、地区和组织，相继成立了韧性城市相关机构，开展了系列的活动、论坛和学术研究等，例如由洛克菲勒基金发起和赞助的“全球100韧性城市”[3]、由世界银行和全球减灾与灾后恢复设施组织(Global Facility for Disaster Reduction and Recover, GFDRR)联合召集的城市韧性项目[4]、美国PPD-8[5]和PPD-21[6]分别关于气候韧性和关键基础设施韧性建设的总统令、由美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)和国土安全部(Department of Homeland Security，DHS)资助的社区韧性(Community resilience)系列研究[7]等。我国国家自然科学基金委于2018年在哈尔滨召开的第204期双清论坛，论坛主题为“抗震韧性城市建设的关键前沿基础科学问题”，明确了后续5～10年的重点研究方向[8]。2020年党的十九届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》中也明确提出了建设“韧性城市”的目标[9]。由此可见，建设韧性城市已成为世界范围的广泛共识和共同行动[10]。

城市基础设施作为城市物质系统的基本构成，其抗灾韧性直接关系城市整体的韧性。韧性城市与传统城市防灾研究的显著区别就是以系统化的视角，全面关注城市各部分防灾性能的提升。因此，将不同的基础设施，以系统间互相耦合的视角进行研究(有的研究者也称之为“系统的系统”[11-14])，是韧性城市研究的重要支撑。耦合基础设施(interdependent infrastructure)，有的研究者称之为关联基础设施、相互依赖基础设施等，正是在韧性城市这一背景之下发展起来的，近年来吸引了国内外大量研究者的关注，具有显著影响的如文献[15]等。笔者认为，以“耦合”来作为“interdependent infrastructure”中“interdependent”一词的汉语翻译，更能反映所研究对象的本质。根据文献[16]，“耦合”的解释为“物理学上指两个或两个以上的体系或两种运动形式之间通过各种相互作用而彼此影响以至联合起来的现象”，“关联”一词的解释为“事物相互之间发生牵连和影响”，而“依赖”则是指“依靠某种人或事物而不能自立或自给”或“指各个事物或现象互为条件而不可分离”，显然，“耦合”一词在中文中对于基础设施之间的相互影响描述更加准确全面，一是表现了各基础设施作为一个独立体系的完整性，二是表现了各基础设施之间通过各种相互作用而彼此影响，这可能是物质或信息之间的交换，也可能是地理或者逻辑之间的关联而产生的影响，三则表现了其相互影响是在不断运动中，相互之间的关系具有动态变化的特性，四则表现了独立的个体，通过彼此之间的作用又联合起来，共同作为基础设施系统而所表现出来的整体性。

本文在这里采用CiteSpace软件，对这一研究领域进行了初步量化文献分析，主要试图回答如下几个问题：(1)该领域的总体历史发展情况如何，包括论文数量、主要的研究机构、国家、研究者和本领域内的重要期刊。(2)领域主要关注的研究对象和问题是什么？(3)研究者和研究机构的合作网络如何，主流合作团体如何？(4)本领域的知识基础构成是怎么样的？推动本领域发展的主要文献有哪一些？本领域的发展脉络如何？(5)耦合水电网络的焦点、难点和热点是什么？(6)未来需要关注的研究趋势和挑战是什么？

此处采用的数据库为Web of Science(WOS)核心合集，包含SCI-EXPANDED和SSCI两项，检索的主题为“interdependent infrastructure”，检索时间开始于1975年，检索时间为北京时间2020年7月24日15:36，检索之后共得到文献627篇。

1 总体情况

该领域逐年发表的论文数量情况如图1所示，从论文发表的数量情况来看，耦合基础设施的研究可分为三个阶段，第一个阶段是1991—2000年，第二个阶段是2001—2004年，第三个阶段是2005年至今。

图1 论文发表数量的逐年变化图Fig.1 Number of papers published each year

第一个阶段中，所检索到的最早的文献是1991年的Rys和Ziembla发表的具有关联基础设施的工业园区的投资问题，但是该文章在WOS数据库中只有0次引用，显然并没有产生很大的影响[17]。其次是1992年Johnston等人发表的关于通信网络分布式计算的问题[18]，分布式计算网络内具有相互关联的软硬件，文章的引用次数只有4次。再次则是1993年Wimberley发表的对农村问题的社会学研究[19]，被引次数13次，具有比较显著的影响。可见早期的研究，主要还是集中于经济学和社会学领域，而在工程领域涉及比较少，在这10年中(1991—2001)，文献的数量逐年变化不大，多则4篇，少则1篇。

第二阶段则是由911事件所凸显的城市关联基础设施的影响[20]，恐怖袭击导致了大楼倒塌影响了街区交通，而水网破损则破坏了地铁系统、通信系统和消防系统，并由此产生了一系列的连锁反应[21-22]。人们对耦合基础设施的关注增加起来，文章的数量出现了一定的增加。这一结论在后叙文献分析中还将被进一步佐证。

第三个阶段则是2005年以后，由于Katrina飓风所导致的严重后果[23-24]，韧性城市的研究兴起，而韧性城市研究的一个关注焦点则是城市尺度基础设施的破坏和恢复问题，2012年的Sandy飓风进一步推动了韧性城市的研究，使的该领域的文章数量出现了显著的增加，2005年的文章数量仅有8篇，2012年已经有了31篇，而到了2019年，一年的文章数量就达到了115篇，是前两个阶段文章数量总和的3倍。

其他的论文统计信息总结于表1之中，从中可以发现如下几点：(1)从论文发表的机构看，居于前五位的是Univ Oklahoma、Bar Ilan University、Univ Virginia、Boston Univ、Univ Oxford，中国的华中科技大学(Huazhong Univ Sci Technol)则居于第六位。(2)从主要的论文发表国家和地区来看，美国、中国大陆和英格兰居于前三位，但是美国的论文数量为310篇，占检索文章数量的49.44%，处于绝对领先地位，而后两者则仅有115篇和68篇，分别占比18.34%和10.84%，仍显落后。(3)该领域主要的研究人员居于前面六位的分别是Barker(22篇)、Havlin(20篇)、Haimes(15篇)、Santos(13篇)、Stanley(13篇)、Duenas-Osorio(11篇)，为该领域的代表性学者。(4)该领域的主要论文发表期刊居于前五位的分别是Reliability Engineering System Safety(37篇、占比5.901%)、Journal of Infrastructure Systems(33篇、占比5.263%)、International Journal of Critical Infrastructure Protection(20篇、占比3.190%)、Risk Analysis(19篇、占比3.030 %)、Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications(14篇、占比2.233 %)，为该领域有重要影响力的期刊。

通过以上研究，我们回答了本文设定的第一个问题。

表1 论文发表信息统计Table 1 Statistics of published papers

2 检索文献的量化分析

对于检索所得到的文献，本文使用CiteSpace软件进行文献的量化分析以回答第2～4项问题，CiteSpace是由美籍华人学者陈超美教授研究建立的基于量化分析的知识图谱软件，可以量化快速地切入学科的发展现状，厘清知识脉络，探索学科未来趋势[25-27]，因此，后续的系列工作均依据该软件，并结合笔者的研究经验进行进一步解析。

2.1 关键词分析

文献关键词的研究可以回答第二个问题。利用CiteSpace软件，统计各个文献的关键词，并取频次排名占靠前大约10%的关键词进行分析，共58项，根据出现的频次，可以得到表2所示的结果。

表2 关键词的统计分析Table 2 Statistical analysis of keywords

续表

从关键词的内容来看，我们可以将关键词分为四类。第一类是研究的主体，主要是system、infrastructure、network、critical infrastructure、interdependent network、complex network、infrastructure system、interdependent infrastructure system、interdependent infrastructure、internet、power、power system、transportation、flow、governance、community resilience、natural gas，这说明研究的主体是基础设施网络或者是基础设施系统，而代表性的基础设施则是电网、交通网络、社区、天然气网。第二类是研究的客体，即面临的灾害或者冲击，包括了climate change、attack、disaster、seismic resilience，表明主要的灾害和冲击是气候变化、攻击、地震。第三类则是研究的问题，主要包含了resilience、vulnerability、risk、cascading failure、robustness、failure、management、inoperability、optimization、simulation、design、vulnerability analysis、restoration、reliability、impact、security、performance、recovery、strategy、risk analysis、decision making、uncertainty、fragility、sustainability、cost，研究的问题比较多，但是突出的问题是韧性、脆弱性、风险、级联失效、可靠性、功能、恢复、不确定性、可持续性、设计、决策；第四类则是主要的研究方法，包含了model、framework、optimization、simulation、input output model、algorithm、innovation、integration、metrics、identification，主要是模型建立方法或者模拟、优化、算法、指标、识别。

而从时间来看，最近几年关键词(平均年份)分别是2015年的interdependent infrastructure、flow、natural gas，2016年的recovery、power system、governance，2017年的uncertainty、sustainability、seismic resilience，2018年的transportation、community resilience、metrics、identification。这反映近5年研究的主要研究对象是基础设施中的天然气网、电网、交通、社区，主要的灾难是地震，主要的问题是恢复、可持续性、韧性、治理，而主要的方法是指标与识别。另外，从关键词的分析不难发现，“resilience”这一关键词共出现88次，处于所有关键词中的第一位，由此可见，耦合基础设施与韧性的研究是内嵌在一起的。

2.2 合作网络分析

本领域主要研究者的合作网络，包含了研究人员和机构，如图2所示。从图中可以看出，Univ Oklahoma的Barker、Bar Ilan Univ的Havlin、George Washington Univ的Santos、波士顿大学的Stanley、Rice大学的Duenas-Osorio、Univ Virginia的Haimes处于网络中的显著位置，而中国的华中科技大学、西北工业大学，则与Bar Ilan Univ、Boston Univ、Rensselaer Polytech Inst、Northwestern Polytech Univ构成了比较紧密的合作关系。

图2 本领域主要合作网络Fig.2 Major cooperation networks in this field

同时，由于图中颜色色条从黑到红的变化显示了不同研究者的活跃时间，图中可以看出目前研究处于最活跃阶段是Univ Oklahoma的Barker，而Univ Virginia的Haimes则在较早的时期进入了该研究领域并形成了早期的影响力。

2.3 共被引文献分析

共被引文献分析是CiteSpace软件的特色，通过共被引文献分析，可以寻找本领域的学科基础知识，知晓领域的关键问题，特别是发现推动本领域发展的重要文献，即回答我们所提出的第四个问题。

通过CiteSpace软件，我们共分析得到894个节点、3 494条link。对这些文献进行聚类分析，可以得到图3所示的结果。可以发现，主流的被引文献聚合成了一个网络，而这个网络则通过特征聚类分为8个子类，各子类出现频率最高的两项关键词、主要学科领域和代表性的期刊，以及聚类之内的两项最高被引的文献，也显示在图3之中。

图3 共被引文献的聚类分析Fig.3 Cluster analysis of co-cited documents

(1)第一类是图中红色区域，文献的关键词是cascadingfailure和robustness，文献归属于physics，multidisciplinary，最具影响的出版物是Phys Rev E。该部分引用最多的文献是[28]和[29]。分析文献和关键词可以发现，该子类事实上是物理学中复杂网络理论为基础所构建的耦合基础设施研究，文献[28]和文献[29]分别发表于顶级期刊Nature和Nature Physics，可以说对于推动耦合基础设施的研究具有重要的影响。这确实我们相信，由耦合基础设施问题所抽象出来的“网络的网络”、“系统的系统”这一复杂网络问题，可以高度的抽象化、概括化、一般化为物理问题，并成为交叉学科的研究问题之一。但也应该认识到，高度抽象和概括化的复杂网络，会失去对水网、电网等具体物理系统的特征描述，且存在概念不易为工程人员所掌握的问题。

(2)第二类是图中橙色区域，关键词是inoperability input-output model和disasters，文献归属于economics，最具影响的出版物是Reliability Eng System Safe。该部分引用最多的文献是[30]和[31]。分析文献和关键词可以发现，两篇文献均是利用投入产出模型分析灾害导致的耦合基础设施的经济损失问题，事实上构建了工程科学与经济科学的交叉研究。应该认识到，投入-产出模型是一类比较简单的经济学模型，属于线性、静态的分析[32]，为此，一些研究者进一步采用了更加复杂的模型，如一般均衡模型并结合工程系统分析结果对这一问题进行了进一步深入研究，如文献[33-35]。

(3)第三类是图中橘黄色区域，文献的关键词是interdependent infrastructure system和resilience，归属学科类别是environmental science，最具影响的出版物是J Struct Eng。该领域代表性的文献是[36]和[37]。分析二者不难发现，该部分主要是侧重于对韧性概念的分析，特别是系统韧性指标的数学定义问题。文献[36]提出了一种针对基础设施系统韧性的三步分析框架，而文献[37]在进行了系统韧性的定义和测算方法的对比综述，特别是对比了各类韧性指标的定义方式。

(4)第四类是图中的灰黄色区域，文献关键词是urban infrastructure system和simulation models，归属学科类别是engineering geological，最具影响的出版物是Fin Rep Aug[38]。该领域引用最多的文献是[14]和[39]。文献[14]旨在揭示数采监控系统(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)与基础设施之间的耦合关系而文献[39]则致力于利用图论的方法对耦合基础设施的脆弱性进行分析。综合考虑其他文献，可以发现该部分受美加大停电事件的影响，致力于揭示耦合基础设施的耦合关系并进行建模分析。

(5)第五类是图中的嫩绿色区域，文献关键词是equity perspective和importance measures，归属学科类别是physics mathematical，最具影响的出版物是Computer-Aided Civil Inf。该部分的引用最多的文献是[15]和[40]。文献[15]为综述性文献，而文献[40]则以规划模型解决关联网络的设计问题(interdependent network design problem)，参考本区域其他代表性文献[41-43]，可以发现本部分主要致力于耦合基础设施恢复问题的分析。

(6)第六类是图中的绿色区域，文献关键词是bridge life-cycle performance和multi-type branching process，归属学科类别是engineering mechanical，最具影响的出版物是IEEE Smart Grid。该领域的引用最多的文献是[44]和[45]。文献[44]采用复杂网络理论研究电网的脆弱性，以复杂网络中的geodesic distance(测地距离)近似地表示节点之间的流能力，提出了一个新参数net-ability来衡量电网线移出之后电网的脆弱性。而文献[45]则讨论了电网和控制电网的通信网络的耦合性问题，研究了不同的控制策略和级联破坏结果。综合考虑其他文献[46-47]，可以发现该部分主要研究以电网为核心的级联失效问题。

(7)第七类是图中的紫色区域，文献关键词是risk-based input-ouput model和electric power network，归属学科类别是water resources，最具影响的出版物是IEEE Contr Syst Mag。该部分引用最多的文献是[48]和[49]。文献[48]讨论了能源基础设施应对灾害自我恢复的需要，而文献[49]则讨论了提升石油和天然气基础设施安全性的重要性，结合本部分其他文献[50-52]，本部分主要属于国家政策和智库分析，强调对耦合基础设施研究的需求性和重要性。

(8)第八类是图中的灰淡蓝色框域，文献关键词是day-ahead coordination和energy system integration，归属学科类别是engineering，multidisciplinary，最具影响的出版物是IEEE Sustain Energ。该领域被引用最多的文献是[53]和[54]。从图中可以看出，该类别文献数量相对较少，其联系也比较松散，事实上处于耦合基础设施研究中相对比较小众的类别，文献[53]讨论的是由天然气供能至发电系统短期(24h内)两个网络的运行优化问题。而文献[54]则关注于多层网络之间的同步关系，本质属于数学问题研究。

2.4 被引文献的Burst检测

被引文献的Burst检测可以发现对该领域有重要推动作用的被引文献。通过分析，Citespace共给出了43项对于该领域有重要推动作用的被引文献，结果如表3所示。

表3 该领域有重要推动作用的被引文献Table 3 Cited documents with an important role

(1)最早起到有力推动作用的则是文献[55]，该文章是由Santos和Haimes利用故障型投入产出模型分析恐怖袭击对耦合基础设施经济影响的文章，随后，以Haimes为代表的研究文章持续推进该领域的研究，43篇文献中的前5项均是由其团队贡献[31,55-58]，集中于耦合基础设施的经济损失分析和风险研究。这验证了笔者对耦合基础设施研究阶段划分结论，即该领域第二阶段发展主要是由911恐怖袭击导致人们对耦合基础设施灾害破坏的关注和重视，而这种重视首先即源于对经济损失和风险管理的关注。随后，工程研究人员开始将目光关注于这一领域，Rinaldi等人定义关键基础设施耦合问题的文献引起人们的关注[59]，奠定了随后对该领域的其他工程问题研究，持续时间为2007～2009年。

(2)具有最大推动强度的是文献[28]，推动强度指标高达19.727，时间为2016～2018年，该文章呈现于世界顶级期刊Nature，将耦合基础设施的破坏问题推至世界瞩目的高度；其次则是文献[15]，推动强度指标15.1063，时间为2018～2020年，该文献作为综述性文献，亦有力地推动了该领域的发展。

(3)近5年具有最长推动作用的是文献[55]，同时也是该领域第1篇引起大家关注的文献，持续时间为2005年至2012年共7 000，这说明早期耦合基础设施的研究主要还是集中于经济损失的研究，而自2018年到2020年具有显著推动作用的则是文献[15,60-63]，均集中于耦合基础设施的建模问题，这亦暗示，当前研究的热点集中于对耦合基础设施脆弱性、韧性等问题的建模分析工作，这与前述关键词的分析是一致的。

3 耦合水电网络的研究进展

3.1 总体情况

考虑到耦合水电网络是耦合基础设施分析中常见的代表性的生命线工程系统，因此，本文在上述研究的基础上，增加“water”和“power”两个主题，进一步对文献进行精炼，共得到了112篇文献，占耦合基础设施文献总量的17.86%，由此可见，耦合水电网络的研究占比大约是耦合基础设施网络1/5，考虑到基础设施的众多类别，可以认为耦合水电网络具有非常好的代表性。其历年的文献变化情况如图4所示，可以看出，耦合水电网络从2007年开始，近几年处于稳定上升的状态，特别是近3年，研究热度有持续显著地上涨，可以预见在未来的5～10年，必仍将持续这种发展势头。

图4 耦合水电网络历年文献变化情况Fig.4 Documents about the interdependent water and power networks published each year

3.2 文献量化分析

对关键词取出现频率在5次以上的部分进行分析，结果如表4所示，可以发现，研究的主体依然是水电耦合网络，这表现在network、system、infrastructure、interdependency、infrastructure system、interdependent network、critical infrastructure、power；而面临的问题则主要是vulnerability、restoration、failure、resilience、design、cascading failure、vulnerability analysis、recovery；而使用的方法则主要是simulation、model、optimization、identification、metrics。这说明关注的问题是多方面的，主要是级联失效问题、脆弱性问题、韧性问题、设计问题，而研究的方法则主要是采用建模、优化、选取合适的指标等。

主要的关键词可以构成图5所示的关键词网络，中介中心性指标(集中程度)反应了节点在关键词网络中的关键性，可以认为是分析该领域必须优先解决的关键词。从这一指标来看，关键词failure、cascading failure

表4 耦合水电网络文献的关键词分析Table 4 Keywords analysis in papers about interdependent water and power networks

的中介中心性指标分别为0.23和0.20，这说明关联水电网络的级联失效问题，是研究该领域必须解决的难点。其次，在该领域中处于比较核心的问题是vulnerability analysis (0.11)和resilience(0.10)，因此，可以认为级联失效、脆弱性分析、韧性分析，是该领域研究中的3个焦点问题。

从时间上来分析，最新的3个关键词分别是metrics(2019年、4次)、recovery(2018年、5次)、design(2017年、7次)，这可能暗示近3年以来该领域的热点是考虑恢复或者韧性的耦合水电网络的设计问题，其所涉及到的文章列如表5所示。

图5 耦合水电网络的关键词网络Fig.5 Keyword networks of papers about interdependent water and power networks

通过表5可以发现，2019年发表的文献[91]在3项关键词中均有，且被引频次高达11次，具有最为显著的影响。该文章事实上是采用混合整数规划方法，以系统恢复时间和花费为优化目标，进行多目标优化求解，本质上是处理关联网络的韧性问题，以水网和电网为例进行了方法的说明。同样，2019年发表的文献[92]也出现了3次，被引频次3次，其在上一篇文献的基础上，进一步引入社会学指标，例如失业率、性别等，对社区内关联基础设施的恢复作出规划。第三篇重要的文献是[93]其在3项关键词之中出现了2次，其基本思路同样是采用混合整数规划方法，基于关联网络的脆弱性和恢复性规划维修顺序，实现关联网络的扰动后的恢复；文献[94]也在3项关键词中出现了2次，该文献提出了一个三级保护策略以增强关联基础设施的韧性。其他文献[95]则以韧性为关注点研究了关联基础设施网络元件的重要度，上述文献均属于OU大学Barker团队的研究成果。

其他文献，包括文献[96]则采用动态故障投入产出模型(dynamic inoperability input-output model)研究了在飓风灾害下考虑设施级别的耦合电网、水网和通信网络的破坏和恢复问题，文献[97]则研究了闭环的水系统的鲁棒性和花费问题，采用的基本方法仍然是确定性规划决策模型。而文献[98]则采用优化方法将组织和社会经济方面纳入了运营问题中，从而可以了解政策层面(例如法规)和技术层面(例如最佳基础设施恢复)决策之间的关系。

表5 近三年的关键词和其所关联的论文Table 5 Keywords in the past three years and related papers

被引文献的聚类分析如图6所示，分析表明被引文献一共可以分为六类：

图6 耦合水电网络被引文献聚类分析Fig.6 Cluster analysis of cited documents on interdependent water and power networks

(1)聚类1主要是电网系统和电网结构两部分构成的基础知识。被引用最多的代表性文献是[44]和[102]，前者已于上文介绍，而后者[102]则主要针对电力系统中的风力发电机结构，提出了动态模型来评估塔顶部的加速度动态响应。利用概率解析的算法，给出了结构的脆弱性曲线。

(2)聚类2主要聚焦于水电网络在实际灾害中的表现。其中文献[103]以1998年加拿大暴风雪为典型案例，建立经验性框架，以电网失效为基础，评估对其他系统的影响和耦合关系。文献[23]则聚焦于Katrina飓风中电网的实际破坏和关联破坏。

(3)聚类3主要聚焦于水电网络在地震作用下的关联破坏分析。文献[104]考察了路网系统的地震风险评估，考虑了建成环境的交互作用，如碎片、结构倒塌等。文献[105]则考察了水网和电网在韧性视角下的功能耦合恢复情况。

(4)聚类4主要是以水电网络工程管理为核心的分析文章。其中文献[106]针对耦合基础设施破坏后的恢复和调度计划管理问题进行研究，以混合整数规划模型为方法建立目标函数求解优化问题。文献[107]则辨析了工程管理中的三项基本概念，即风险、脆弱性和韧性。

(5)聚类5聚焦于两个网络的耦合破坏问题。代表性文献均是领域内的重要性文献，其中文献[80]不仅是该聚类的代表性文献，而且CiteSpace软件的Burst分析也表明，该文献是这一领域内具有重要推动意义的文献，作者是Adachi和Ellingwood，发表于2008年，CiteSpace表明这一文章在2011～2014年，连续4年推动水电耦合系统的研究，同时也是耦合水电领域内唯一的起推动性作用的文献。文献[28]前已叙及，Natrue期刊的文章代表了本研究领域相当的热度和水平以及未来趋势。

(6)聚类6是聚焦于耦合水电网的恢复策略分析。代表性文献[40]针对耦合基础设施的恢复问题，考虑花费和系统表现建立了混合整数规划模型，而文献[15]作为综述性文献则起到了连接聚类3和聚类6的桥梁作用。

4 趋势和挑战

考虑到耦合基础设施研究的复杂性，其未来所面临的趋势和挑战可能包含如下几个方面：

(1)空间维度：首先是剖析耦合基础设施交互影响机制，建立更加客观综合的耦合基础设施分析模型；其次是考虑不同空间尺度的变化，建立城市内、城市间、国家甚至全球尺度[108]的基础设施分析模型；再次是考察不同类型灾害场的空间变化特征并建立灾害场模型；最后则是考虑城市人口分布[109]等需求场变化，将“灾害场-设施场-需求场”进行耦合分析。

(2)时间维度：首先是对灾害时间特征的考察与建模，包含地震、恐怖袭击等短时灾害，还包括传染病、战争、气候变化等长时冲击；其次是基于灾前、灾中、灾后3个宏观的时间维度确定耦合基础设施的阶段特征，考察不同类型灾害作用下耦合基础设施的功能变化模型，同时结合监测管理模块的动态分析与管理；再次，对灾前运维以设计、改造、拓展等不同目的为阶段的细化，对灾中破坏的脆弱性和风险性的分析，对灾后优化恢复问题、韧性的探索；最后则是更长远的时间阶段，对耦合基础设施的可持续、全寿命等问题的探索[110]。

(3)方法维度：首先是发展兼具计算效率与计算精度的高效耦合基础设施分析方法；其次是5G技术、人工智能算法、城市尺度监测与大数据、城市数字孪生模型(CIM)等各类与计算模型数据融合方法研究[111]；再次是以复杂网络理论为基础的方法和基于工程应用方法为基础的单灾害与多灾害、单系统与多系统间方法的交互验证；最后是不确定量化方法、风险分析方法、概率方法等的实践和推广。

(4)组织维度：首先是耦合基础设施跨部门之间以及设施与风险(灾害)管理部门之间的组织协调问题；其次是耦合基础设施层级和区域组织之间的协调问题；再次是灾害作用下社会群体的心理变化[112]和组织行为变化[113]；最后则是管理部门与实施部门以及大众之间组织问题。

(5)现实维度：首先是数据的获取性问题和安全性问题，由于城市信息事关国家和地区安全，因此，数据的获取和存储，都面临相当的困难，建立公开共享的虚拟城市数据库是一个可行的途径[114]；其次是灾害的不确定性与投资需求的矛盾，以及由于经济波动导致的金融不确定性(例如通货膨胀、货币贬值等)；再次是模型的验证和管理体系的效率问题；最后则是国家长期发展战略需求与规划的一致性问题。

5 结论

本文以CiteSpace科学图谱分析软件为基础，通过对Web of Science数据库中耦合基础设施文献的量化分析，明确了这一研究领域的历史发展脉络、关键问题、研究热点和学科知识基础；进一步对耦合水电网络系统的文献进行了分析，明确了其研究焦点和热点；进而总结了本领域的研究趋势和挑战。研究表明，耦合基础设施的研究自1991年至今，历经3个阶段的发展，特别是在韧性城市研究和建设的浪潮之下，所受到的关注更是与日俱增。美、中、英是该领域的三大主要研究国家，但美国仍处于绝对领先的地位。近五年主要研究对象是基础设施中的天然气网、电网、交通、社区，主要的灾难是地震，主要的问题是恢复、可持续性、韧性、治理，而主要的方法是指标法。该领域的文献基础可以归结为8类，而被引文献的Burst检测则给出了对于该领域有重要推动作用的43篇文献。耦合水电网络研究处于耦合基础设施研究中相对重要的位置，研究文献占到了检索文献数量的约五分之一。近3年以来该领域的热点是考虑恢复或者韧性的耦合水电网络的设计问题。耦合基础设施的研究同时在空间、时间、方法、组织和现实5个维度，面临着不同的趋势和挑战。但总的来说，耦合基础设施的研究起步较晚，尚属于非常崭新的一个领域，借助韧性城市研究和发展的契机[115-116]，未来必将大有可为。