一种基于设施层面的框架，通过评估和提升相互依存的都市基础设施来评估医院的抗震韧性

《Sustainable Cities and Society》：A Facility-Level Framework to Assess Hospital Seismic Resilience through Interdependent Urban Infrastructure Assessment and Enhancement Strategies

　　

阿米尔·穆罕默德·萨巴格（Amirmohammad Sabbagh）| 戈拉姆雷扎·赫拉维（Gholamreza Heravi）| 梅格达德·穆罕默迪安（Meghdad Mohammadian）

德黑兰大学工程学院土木工程系，阿扎尔大道16号，邮政信箱11155-4563，德黑兰，伊朗

摘要

自然灾害，特别是地震，会严重扰乱城市系统并威胁社区福祉。医院是此类事件中最关键的设施之一，因为它们的持续运行对于应急响应、救命护理和社区稳定至关重要。然而，医院在灾难中的功能直接取决于支持性生命线系统的可靠性。为应对这一挑战，本研究采用系统动力学方法，并结合广泛的实地调查和全面的文献回顾，开发了一个设施级建模框架，该框架能够捕捉城市基础设施组件之间相互依赖性所引发的连锁效应。与以往的框架不同，所提出的模型明确纳入了基础设施恢复过程、根据老化情况调整的脆弱性曲线以及以医院为中心的性能指标，从而更真实地反映了基础设施退化和相互依赖性故障如何转化为影响医院功能的服务中断。该框架应用于德黑兰大都市的城市基础设施网络。研究结果证明了该模型能够识别关键脆弱性、网络瓶颈和连锁故障路径，并量化了它们对医院性能的影响。对多种韧性增强策略（包括变电站改造、应急水源储存和相互依赖性缓解）的成本效益分析表明，有针对性和适应性的干预措施比普遍的基础设施升级能带来更高的韧性提升。这些发现强调了战略性、具有成本效益的规划方法在推进可持续和有韧性的城市发展方面的价值。

引言

在医院等对社区韧性贡献最大的设施中，医院在灾后响应和恢复中发挥着特别重要的作用（Cimellaro等人，2010年；Hassan & Mahmoud，2019年）。因此，加强这些设施的韧性对于减少服务中断和保障紧急情况下的公共卫生至关重要（Cimellaro等人，2018年；Bruneau & Reinhorn，2007年；Marasco等人，2021年）。

影响医院性能的关键因素之一是基础设施服务的提供（Rahmani等人，2023年）。基础设施网络由多个相互连接的组件组成，这些组件的运行是相互依赖的，这意味着一个组件的功能依赖于其他组件的性能（Rinaldi等人，2001年）。然而，这些相互依赖性也增加了复杂性，并增加了对破坏性事件的脆弱性（Blagojevi?等人，2022年）。因此，保护对公共安全、健康和经济稳定至关重要的关键基础设施（CI）具有挑战性，因为一个系统中的小故障可能会触发整个互连网络中的连锁故障（Wang等人，2022年；He & Cha，2020年）。了解这些故障如何在城市结构中传播对于制定在危机期间维持基本城市服务的政策至关重要。

此外，基础设施老化问题也带来了额外的挑战。随着资产的老化，它们在自然灾害中更容易受到损坏（Izaddoost等人，2023年）。这些与老化相关的脆弱性凸显了进行主动规划和可持续城市基础设施管理的必要性（Pamidimukkala等人，2021年）。因此，开发和评估CI韧性增强策略对于在灾难期间和之后保持医院功能至关重要，以确保持续可靠的生命线服务提供（Asghari等人，2023年；Rezvani等人，2023年）。

在各种灾害中，地震对城市地区构成了重大威胁，因为它们能够造成广泛的损失并扰乱生命线服务（Siawsh等人，2023年），同时预测地震发生的难度仍然很大（He & Cha，2020年）。许多研究已经考察了医院的抗震韧性，强调了它们作为更广泛城市韧性系统中的核心节点的重要性（Cimellaro等人，2010年；Bruneau等人，2003年）。先前的研究调查了内部因素，如医疗设备、技术系统和结构组件（Khanmohammadi等人，2018年；Shang等人，2022年），而其他研究则探讨了医院对CI服务的依赖性（Rahmani等人，2023年；Achour等人，2014年）。鉴于持续运行CI的重要性，一些模型已将生命线依赖性纳入医院韧性评估中（Li等人，2020年；Poudel等人，2024年）。

尽管取得了这些进展，但仍存在一些关键差距。一些研究仅在宏观或系统层面分析了CI的性能，而没有考虑其组成部分（Rahmani等人，2023年；Achour等人，2014年）。尽管一些学者考虑了CI组件，但他们忽略了设施层面的相互依赖性，限制了这些模型捕捉互连系统复杂行为的能力（Hassan & Mahmoud，2019年）。即使是最近将城市医疗系统与相互依赖的生命线网络结合起来的框架（Poudel等人，2024年），也仍然以汇总的方式评估医院功能，没有体现控制实际医院性能的内部CI依赖性技术子系统和服务集群。这种遗漏降低了评估各个生命线对医院性能的独特贡献的准确性。因此，它们在城市规划和CI投资优先级制定中的应用仍然有限。

填补这一空白对于负责分配资源以维护和升级老化CI的决策者和城市管理者来说至关重要，同时也有助于整合针对其系统特定需求的创新策略（Izaddoost等人，2023年；Kong等人，2023年；Valentina等人，2025年）。这些努力不仅增强了CI的韧性，还支持了更可靠的应急响应和恢复计划的发展（Rezvani等人，2023年；Saha等人，2024年）。因此，需要一个框架，该框架使用设施级的CI表示来评估医院的抗震韧性，捕捉细粒度的相互依赖性，并能够制定和测试现实的多部门韧性增强策略。

本研究基于专家意见和全面的实地研究，提出了医院组件的新分类。在以往研究的局限性基础上，本研究做出了三个主要贡献。首先，它开发了一个设施级建模框架，明确纳入了CI组件（例如变电站、处理厂、泵站、水库）及其相互依赖性以及它们与医院系统的相互作用。与将医院或基础设施视为聚合节点的以往系统级方法不同，所提出的框架表示了各个医院集群及其支持的CI组件，从而更明确地表示了医院运营与基础设施元素之间的服务依赖性。通过采用系统动力学（SD）方法，该框架比系统级模型更精确地捕捉了连锁效应，提供了与城市韧性和可持续基础设施规划直接相关的见解。

其次，它将概率建模（特别是蒙特卡洛模拟）整合到CI相互依赖性框架中，从而系统地量化地震危险、组件脆弱性和恢复过程的不确定性。虽然许多先前的医院韧性研究依赖于确定性假设或简化的脆弱性表示，但这种整合通过修改脆弱性曲线明确考虑了老化效应，提供了更真实的表示，说明了城市生命线退化如何影响灾后服务可用性。

第三，它提出了增强方案，以解决CI组件的老化问题，减少相互依赖性，并提高基础设施冗余性——确保在地震期间向医院持续提供基本服务。为了应对现有评估框架有限的决策支持能力，这些方案与成本效益评估相结合，使城市管理者能够根据性能改进和经济可行性来优先考虑韧性干预措施。

章节片段

医院韧性

预计医院将在灾难后提供基本服务，它们在地震事件期间或之后的功能是一个关键问题（Cimellaro等人，2018年；Achour等人，2014年）。早期的研究认识到医院及其建成环境高度互联。Bruneau和Reinhorn（2007年）提出，医院依赖于其结构系统、非结构系统、生命线、组件和设备的性能

方法论

研究过程包括四个主要模块，由数据采集和系统特征描述的初始阶段支持：评估CI组件的脆弱性、开发设施级SD模型、制定增强CI韧性的方案以及评估其城市规模的结果（图1）。最后两个步骤可以在分析网络状态后详细讨论，将在第5节中阐述。

本研究采用SD方法，因为其

模型实施

在本节中，通过将其应用于一个实际案例来检验所提出模型的有效性。重点关注位于伊朗德黑兰东北部的尼坎医院。以下部分将详细介绍该案例研究中应用的研究框架。

制定增强CI韧性的方案

为增强CI网络韧性而设计的解决方案分为三类：升级老化组件、消除网络组件之间的相互依赖性以防止连锁故障，以及增加网络冗余性。

结论

本研究提出了一个全面的框架，用于通过设施级SD方法评估和增强医院及其支持的CI的抗震韧性。与传统系统级模型不同，该框架使用精细分类的医院组件明确表示了医院技术子系统与CI服务之间的相互作用。通过整合根据老化情况调整的脆弱性曲线和特定组件的恢复过程，该模型提供了

CRediT作者贡献声明

阿米尔·穆罕默德·萨巴格（Amirmohammad Sabbagh）：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。戈拉姆雷扎·赫拉维（Gholamreza Heravi）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法论、调查、概念化。梅格达德·穆罕默迪安（Meghdad Mohammadian）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。