地震后火灾应急响应的不确定性分析与韧性提升：考虑相互依赖的基础设施的连锁效应

《Sustainable Cities and Society》：Uncertainty Analysis and Resilience Enhancement for Post-Earthquake Fire Emergency Response Considering Cascading Effects of Interdependent Infrastructures

　　摘要
具有韧性的城市需要在预算和资源限制的情况下，有效优先考虑关键基础设施，以尽量减少灾难对环境、经济和社会的影响。本研究开发了一种方法，用于评估基础设施之间的物理和功能相互依赖性以及连锁效应，包括建筑群、交通、供水、电力和通信系统。该方法整合了深度学习驱动的建筑损坏评估、基于代理的路径规划、水力分析以及用于碎片分布、火灾引发、道路损坏和管道故障的概率建模，同时还包括电力和通信系统的从物理到功能的映射。蒙特卡洛模拟被用来量化由连锁故障引起的动态和不确定环境对消防响应的影响。此外，还从时间、空间、经济、社会心理学和恢复效率的角度提出了管理视角，以支持城市韧性的提高和应急响应决策。研究结果表明，灾前策略应重点加强通信基站和变电站等关键组件的成本效益加固，改进消防站的布局，并加强公众疏散培训。当地震矩幅度从7.5增加到8.0时，城市消防应急响应系统的故障类型从资源限制转变为系统级崩溃。灾后响应应采取时间优先和快速恢复的方法。对于强烈地震，应重点恢复电力系统并维持供水；而对于大地震，则应优先考虑紧急通信替代和大规模道路清理。

引言
联合国可持续发展目标（SDGs）明确指出，建设包容、安全、有韧性和可持续的城市是全球城市发展的核心政策目标。特别是SDGs 9和11提倡了一系列投资，旨在提高基础设施的韧性，从而培养出坚固、安全和可持续的城市。在此框架下，发展能够承受极端冲击并迅速恢复基本功能的韧性城市已成为灾害预防和减缓领域的主要策略。韧性被定义为社会组织（如机构和社区）减轻灾害影响、控制灾害后果并进行恢复的过程，以尽量减少社会中断和对未来地震的后果（Bruneau等人，2003年）。在各种极端自然灾害中，破坏性地震由于其突然发生和广泛影响而被广泛视为对城市韧性最严重的威胁之一。强烈的地震不仅会对关键基础设施造成物理损害，还会破坏它们之间的相互依赖性，从而引发严重的连锁次生灾害。其中，震后火灾（PEF）以高死亡率和快速蔓延以及对经济的毁灭性后果为特征，是最具破坏性的次生灾害之一（Wei等人，2025年）。地震活动可能导致燃气管道破裂、电气短路或危险物质泄漏，从而引发火灾。更严重的是，地震经常使交通和供水系统瘫痪（WDSs），使紧急消防工作因无法通行和缺水而受到严重限制。例如，在1923年的东京地震中，PEF摧毁了447000栋房屋，并由于道路网络和WDSs的中断导致140000人死亡（Tao等人，2025d）。同样，在2024年的能登县野户地震后，Wajima地区的PEF大约在24小时内被控制住，但导致约49000平方米的区域被毁，造成大量人员伤亡、经济损失和环境污染（Tao等人，2025a）。这些复合灾害和系统级连锁故障大大加剧了火灾的影响，对公共安全和社会稳定构成了严重威胁。此外，地震通常伴随着电力和通信中断，如2023年的Kahramanmaras地震（Strategy and Budget，2023年）。因此，对PEF情景下的消防应急响应（ER）进行全面研究已成为提高城市韧性的关键挑战。

关键基础设施，包括建筑群、交通、供水、电力和通信系统，其重要性在于，在灾难发生后其失效会严重影响城市安全、经济稳定和公共卫生（Zio，2016年）。灾害管理周期包括三个连续阶段：准备、响应和恢复。在这个过程中，灾后响应策略通常在事件发生后的关键窗口期内启动，主要目的是最大限度地挽救生命、保护财产并有效抑制损害的蔓延。面对突如其来的灾难性事件，决策者需要在资源受限和救援能力有限的条件下迅速协调应急行动，从而建立保护屏障，防止社区受到进一步伤害（Yousefi等人，2024年）。在ER过程中，各基础设施发挥着不同但相互依赖的作用，共同构成了一个综合支持系统。交通系统确保物理可达性，WDSs提供必要的消防水源，建筑物提供庇护和避难所，电力系统维持能源供应，通信系统实现信息交换。具体而言，交通网络是部署救援力量和疏散受影响人口的重要通道。以往关于交通ER的研究主要集中在灾后空间可达性和旅行时间（Bono和Gutiérrez，2011年；Gehl等人，2022年；Miller和Baker，2016年；Xu等人，2022年；Zhu等人，2025年；Zhu等人，2023年）、交通流重新分配和道路容量下降（Dong等人，2024年；Hara和Kuwahara，2015年；Li等人，2025b）以及基于代理的救援模拟（Feng等人，2020年；Sun等人，2025年；Taghizadeh等人，2023年；Yang等人，2026年）。在PEF情景下，WDS的完整性在资源供应中起着决定性作用（Tao等人，2025b）。许多方法依赖图论为基础的拓扑连接性分析（Fragiadakis和Christodoulou，2014年；Herrera等人，2016年）或水力建模（Hou等人，2026年；Hou和Li，2021年；Jia等人，2024年；Liu等人，2020年）来评估剩余系统功能，从而支持灾后供水管理。建筑群发挥着复杂的双重作用。虽然完好的公共建筑（如医院和学校）是庇护、医疗护理和资源分配的重要中心，但结构损坏可能导致重大人员伤亡和大规模次生火灾的发生（Hou和Li，2021年；Li等人，2025a；Liu等人，2026b；Sarreshtehdari和Elhami Khorasani，2021年；Tao等人，2025a；Tao等人，2025d；Tao等人，2025e；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2025a）。关于应急电力系统的研究主要集中在移动能源资源的灵活分配上，包括应急发电机、车载储存系统、电动汽车和备用电池（Lei等人，2019年；Liang等人，2026年；Yang等人，2020年）。应急通信则侧重于快速部署临时通信系统，通常通过无人机作为空中基站和激活卫星链接来实现，这可以及时恢复物理中断地区的信息流动（Debnath等人，2022年；Kagai等人，2025年；Tang等人，2024年）。总之，这些关键基础设施构成了PEF应急响应的基本物理和信息基础。

随着现代系统的复杂性和相互依赖性的增加，基础设施网络越来越容易受到连锁故障的影响。这种故障不仅会在单个系统内部传播，还会在多个相互连接的系统之间传播，从而引发广泛的基础设施中断。传统的灾害评估模型主要集中在单个基础设施的脆弱性上。尽管这些方法在描述单个系统内的性能退化方面取得了显著进展，但它们在捕捉跨系统交互产生的相互依赖性和连锁效应方面存在固有局限性。为了解决这一限制，许多研究转向研究基础设施之间的耦合效应，探索了诸如建筑-交通系统（Bakio?lu和Karaman，2018年；El-Maissi等人，2023年；Zheng等人，2026年）、电力-通信系统（Reed等人，2009年；Wu等人，2026年）、水-电力系统（Karakoc等人，2020年）、建筑-水-电力系统（Cavalieri等人，2012年）以及电力-通信-交通系统（E. E. Lee等人，2007年）等交互场景。然而，以往的研究主要集中在两个或三个系统之间的局部耦合上。实际上，现代城市的运作依赖于由更多相互连接的基础设施组成的复杂网络，所有这些基础设施在灾难中都可能受到物理损害。因此，迫切需要全面量化跨系统相互依赖性和综合基础设施系统内的连锁故障机制。由于跨学科建模的固有复杂性，包含三个以上系统的综合框架仍然相对较少。Marasco等人（2021年）开发了一个综合平台，用于评估基础设施（包括建筑物、WDSs、电网、交通和社会技术网络）的地震韧性和脆弱性，同时通过社区级混合模型明确考虑了它们的相互依赖性。Zhang等人（2025b）采用事件树方法将社区级性能目标分解为基础设施级目标，涵盖建筑物、供水、电力、交通和燃气系统，从而明确了社区韧性与基础物理基础设施之间的依赖关系。Zhang等人（2025c）提出了一个综合框架，将城市洪水模拟与空间网络分析相结合，构建多基础设施灾害链网络，系统地揭示了在不同降雨情景下的时空演变。Sarreshtehdari和Elhami Khorasani（2021）对交通、电力系统、WDSs和建筑物进行了建模，以研究PEF应急响应，并量化了与消防资源分配和运营效率相关的经济损失。尽管这些研究在整合多系统相互依赖性和ER方面取得了显著进展，但它们存在两个局限性：首先，它们忽略了通信系统中断对救援延迟的关键影响；其次，它们没有解决决策者如何在复杂的灾后环境中动态分配有限资源的问题，也没有在预算限制下制定最佳的灾前资源分配和加固策略以有效提高城市韧性。

为了解决上述挑战，本研究调查了城市关键基础设施（包括建筑群、WDSs、交通、电力和通信系统）之间的连锁效应。在动态灾害环境下，社区级PEF应急响应系统中的不确定性被定量描述，从而为消防当局提供了科学和定量的决策支持。本研究的主要贡献总结如下：
(i) 本研究明确考虑了灾后消防ER中城市建筑群、WDSs、交通、电力和通信系统之间的相互依赖性：(a) 建筑碎片和断裂的道路阻碍了交通网络；(b) 水管破裂导致消防栓压力不足和建筑物消防系统失效；(c) 包含关键电力设施（如变电站）的建筑物受损，中断了电力传输并导致建筑物火灾报警系统失败；(d) 承载通信基站的建筑物遭到物理破坏，直接导致通信功能丧失，阻碍了建筑物损坏和火灾事件的及时报告；(e) 电力供应中断进一步使通信基站瘫痪；(f) 通信系统的整体恶化延长了从火灾检测和报警处理到调度和动员的紧急通信时间，同时实时交通状况无法迅速获取或同步。通过考虑这些基础设施相互依赖性来描述整个灾害演变过程，从初始基础设施损坏和连锁功能退化到消防响应延迟，本研究揭示了连锁故障对ER性能的严重限制。
(ii) 蒙特卡洛模拟被用来量化多源不确定性对灾后消防ER的影响，包括地震危险、建筑物损坏（包括变电站和通信基站）、建筑物碎片的空间分布、火灾引发位置、道路损坏、管道破裂和紧急通信延迟；建模方法捕捉了建筑群的形态和空间特征以及多级道路网络特征；深度学习驱动的建筑损坏评估模型与基于代理的路径规划模型相结合，使得在高度不确定的环境中能够动态规划消防行动。
(iii) 基于对基础设施如何限制灾后消防效果的精确量化，提出了五个维度的综合决策策略：时间、空间、经济影响、社会心理学和恢复率，为灾害管理提供了科学依据。在灾前阶段，研究阐明了决策者如何在固定预算限制下优化资源分配，以最大限度地提高城市消防ER系统的整体韧性。在灾后紧急阶段，根据不同的地震强度和有限的资源条件，确定了恢复关键基础设施功能的优先顺序，从而为高效的救援决策提供了强大的科学支持。

本文的其余部分组织如下。第2节描述了所提出的方法。第3节详细介绍了该方法的应用。第4节讨论了研究结果，并提出了强化ER和韧性的建议。最后，第5节总结了本文。

**方法论**
所提出的框架旨在量化地震后消防应急响应期间多个城市基础设施之间的不确定性传播和连锁效应。该方法的总体框架如图1所示。其目标是量化城市基础设施之间的物理和功能相互依赖性对地震后消防应急响应的影响。该框架整合了多个基础设施模型，包括建筑物模型。土耳其伊斯坦布尔被选为本研究的目标区域，如图6所示。建筑物（包括变电站和消防站）和道路网络信息是通过OpenStreetMap获取的。由于供水系统（WDS）的管道通常埋设在道路下，因此可以根据道路信息获取水网信息。水力分析结果表明，本研究中使用的供水系统能够满足日常生活和消防的需求。

**结果与讨论**
在低至中等地震强度下，潜在功能损失（PEF）的概率相对较低，基础设施的功能退化通常保持在可控范围内，使得应急响应操作能够在常规消防能力范围内进行。因此，为了揭示极端情况下城市消防应急系统的脆弱性，本研究重点关注了两种主要场景：震级为7.5（强地震）和8.0（大地震）。通过模拟物理损害……

**结论**
本研究开发了一个多维定量框架，用于评估潜在功能损失（PEF）的应急响应能力，阐明了五个城市基础设施（建筑物群、交通、供水、电力和通信系统）之间的物理和功能相互依赖性以及连锁失效机制。该研究超越了灾害缓解研究中传统的单一基础设施脆弱性关注点，提供了关于相互依赖性如何限制应急响应能力的系统分析。

**作者贡献声明**
陶宇轩：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、资源获取、方法论研究、概念化。
徐赵东：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。
刘新宇：撰写——审阅与编辑、可视化、调查研究。
魏亚欣：撰写——审阅与编辑、可视化。
彭浩研：撰写——审阅与编辑、可视化。

**利益冲突声明**
本手稿的提交不存在利益冲突，并已获得所有作者的发表同意。

**致谢**
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号52130807）和江苏省前沿引领技术基础研究重大项目（项目编号BK20222006）的财政支持。作者对这些财政支持表示感谢。

陶宇轩 | 徐赵东 | 刘新宇 | 魏亚欣 | 彭浩研
中国-巴基斯坦基础设施智能防灾联合实验室，东南大学，南京210096，中国