城市大型公共服务设施运营韧性的理论阐释与案例解析
2020-05-13李灵芝袁竞峰
李灵芝， 袁竞峰， 张 磊
(1. 南京工业大学 土木工程学院， 江苏 南京 211800；2. 东南大学 土木工程学院， 江苏 南京 211189)
在高速城镇化背景下，我国城市公共服务设施的投资规模大幅提高，2016年全国公共服务设施建设用地约占城乡建设用地总面积的16.6%，公共服务设施投资额度已超过固定资产投资总额的16%[1]。作为供给公共服务的物质载体，城市公共服务设施已然成为我国基础设施建设与城市发展的重要着力点。作为社会大众开展公共活动或享用公共服务的场所，城市公共服务设施具有“公共性、开放性、重服务”等基本特点，特别是服务辐射力较强的城市级大型公共服务设施(Urban Large-scale Public Service Facilities，ULPSF)，包括医院、学校、养老设施、图书馆、博物馆、体育场馆、旅游景区、商业综合体等，还呈现出多结构、多功能、大规模、大人流等高度复杂性特征[2,3]。
在面临现代社会频发的极端气候灾害、恐怖袭击、重大传染病、人口老龄化、设施老化等多重扰动时，ULPSF极具脆弱性，呈现出预警不力、应急资源缺乏、承灾力差、自我修复力差等系统性管理失控问题，容易导致设施功能瘫痪、造成重大安全事故，甚至演变为公共危机，社会影响巨大[4]。值得注意的是，传统的预测式风险管理方法已无法应对当代高风险社会扰动事件的高度不确定性[5,6]。而“韧性”理论的演进发展表明：只有那些具有韧性的系统或设施才能在变幻莫测的内外部环境下保持自身的良性发展[5,7]。因此，本文着力于解析ULPSF的运营韧性，为ULPSF运营韧性的提升探寻路径，以保障ULPSF可持续运营、切实维护城市公共安全和社会稳定。
在当代高风险社会，越来越多的国家、组织或机构、学者开始着重韧性研究。当前欧美发达国家(美国、英国、加拿大等)已将“构筑韧性”上升为国家安全战略，以应对恐怖袭击、自然灾害、气候变化等不确定性风险[8,9]；国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)于2014年组建的国际安全标准化技术委员会(ISO/TC 292)也将“安全”拓展为“安全和韧性”[10]；国内外学者也在不同领域展开了韧性研究，包括城市韧性、社区韧性、基础设施韧性、供应链韧性、心理韧性、生态韧性等[5,11～14]。目前，与ULPSF韧性研究较为相关的则为城市、社区与基础设施等三个尺度的韧性研究。城市韧性研究落脚于宏观尺度，主要探索韧性城市的内涵、特征、规划框架、评价体系与配套政策等内容[11,15,16]；社区是城市的基本单元，社区韧性被视为城市韧性建设的基础，相关研究也仅停留在综述研究、框架研究与评估体系等定性层面[14,16]；越来越多的学者着重于关联基础设施(电网、水网、通讯网、能源网、交通网等)的韧性研究，通过解析各个基础设施之间存在物理、信息、地理、逻辑等关联来刻画关键基础设施系统，定量研究特定扰动情景下城市关键基础设施的韧性评估方法，并定性提出一些韧性提升策略[17～19]。相比而言，国内外学界针对ULPSF韧性则鲜有研究，少许国外学者关注于医疗设施的韧性，提出外部基础设施的脆弱性和可替代资源的低效问题[20]，并构建医院承灾韧性的评估体系[21]。
综合来看，既有的城市韧性与社区韧性研究定位于宏观尺度，但其相关理论建构可为ULPSF韧性研究提供框架；虽然关联基础设施韧性研究忽略了单个基础设施在关联网络中的异质性，但其复杂网络分析视角可为ULPSF的系统结构研究提供方法；现有研究缺乏对ULPSF整体系统结构的研究，将ULPSF的功能空间、设施设备、最终用户等关键部件割裂，完全量化的韧性测量与评估仍然存在较大困难，这导致韧性的提升研究缺乏着力点。本文通过文献综述，界定ULPSF运营韧性内涵，从复杂系统理论出发，解析ULPSF的系统结构与韧性要素、探究ULPSF运营韧性作用机理，并通过案例研究探讨ULPSF在特定扰动情景下显现的运营韧性与潜在的韧性要素，最终为塑造ULPSF运营韧性提供对策。
1 韧性内涵演变与ULPSF运营韧性界定
“韧性”(Resilience)一词最早来源于拉丁语“Resilio”，其本意是“回复到原始状态”(Bouncing back)[22]。随着时代的演进，“韧性”这一概念被应用到了不同的学科领域：1858年，苏格兰工程师Rankine 以“韧性”来描述钢梁的强度和延展性[22]；自20世纪50年代开始，“韧性”又被拓展应用至心理学领域，用来评估人类面对精神创伤时的良好适应能力[12,23]；1973年，加拿大生态学家Holling[5]以系统论视角正式将韧性思想应用于系统生态学研究，强调韧性是刻画系统吸收状态变量、演进变量、参数等变化并维持稳态的能力；自此，国内外诸多学者逐步将韧性内涵拓展应用于管理实践与社会-经济系统中，包括城市规划、企业组织管理、基础设施运营管理等领域[6,15,18]。纵观以往研究，“韧性”自提出以来，先后经历了两次彻底的内涵演进：(1)1996年Holling公开提出并系统比较了工程韧性(Engineering Resilience)与生态韧性(Ecological Resilience)的概念，前者强调生态系统抵抗扰动并恢复至稳定状态的速度，而后者则主张生态系统存在多种平衡状态并用韧性度量系统从一个稳态到另一个稳态所能吸收的扰动量[15,24]；(2)2006年Folke提出了社会-生态韧性(Social-ecological Resilience)与演进韧性(Evolutionary Resilience)观点，主张韧性不仅能够表征系统吸收扰动并恢复至稳态的能力，还表征系统自组织能力以及学习、适应至新稳态的能力[25,26]。随后，社会生态系统韧性理论与演进韧性观点成为当代韧性研究主要的参考基准[16]。多学科领域的拓展应用虽然丰富了韧性内涵，但也因研究领域与研究视角的差异导致“韧性”的概念纷繁冗杂、尚无统一界定[27]。
韧性理论与基础设施系统相结合后，开拓了基础设施研究的内容与视野。在国际上，基础设施被分为经济性基础设施与社会性基础设施，前者是指那些直接参与、支持城市物质生产过程的基础设施(如能源、通信、水电供应等)，而后者是指那些旨在提高城市福利水平、间接影响城市物质生产过程的基础设施(如文化、教育、卫生、福利等)[28]。在我国，社会性基础设施也被称之为公共服务设施、公共设施等。本文锁定于面向基础设施的灾害管理与安全管理领域，系统整理了较有代表性的韧性内涵，见表1。由此可见，多数研究以“过程描述”的方式对韧性进行界定，强调基础设施抵抗、吸收扰动并能快速经济地从中恢复系统机能水平的韧性能力[7,8,29]。同时，部分研究还特别指出了韧性的演进特征，认为基础设施系统可以在应对扰动的过程中得到适应性发展，呈现出了更高的系统机能水平与新稳态[21,30]。此外，Alderson等[31,32]以“运营韧性”强调基础设施面对扰动时可持续的服务供给能力，这一术语包括物理韧性与组织韧性。对此，可将ULPSF运营韧性界定为：ULPSF系统在运营期能够有效抵抗、吸收扰动，维持、恢复系统的公共服务供给水平并得到自适应性发展的能力[33]。
表1 基础设施领域对韧性的内涵界定
2 ULPSF系统的结构特征
研究ULPSF运营韧性首先要深刻理解ULPSF。ULPSF承载着公共服务功能，它不是简单的建筑围合结构，设施设备的运转、空间功能的发挥、组织的运转、用户的行为活动都是其不可分割的组成部分[2,4,38]。本文将从系统论视角阐述ULPSF系统的主要结构特征。
2.1 ULPSF是由物理、组织、社会组成的高度复杂系统
基于设施管理(Facility Management，FM)中“人-空间-业务流程”的交互作用原理[39]，ULPSF可被视为是由物理系统、组织系统、社会系统组成的“三维系统”，被称为系统的系统。其中，物理系统最为直观，是指构成ULPSF的建筑功能空间以及各类设备设施系统，包括空间系统、供电系统、照明系统、给排水系统、暖通空调、电梯系统等，它们的正常运转是实现公共服务正常供给、满足公众服务需求的必要硬件条件。组织系统是指ULPSF持有方或运营方各部门围绕ULPSF运营管理业务而形成的相互关联的结构体系[39]。社会系统是指在ULPSF运营管理中，特别是应急管理，ULPSF与公众、政府、医疗、消防、公安、媒体等社会要素产生关联而形成的系统。将ULPSF三维子系统及其子系统视为节点，节点之间存在的物理关联或信息关联视为边，这即构成一个庞大的复杂网络系统。ULPSF在受到内外部扰动时，可能导致复杂网络系统的局部失效，甚至会将失效扩散至整个网络系统、导致ULPSF功能瘫痪。
2.2 ULPSF易受多重扰动影响
在当代“高风险”社会，ULPSF在运营中通常暴露于多重扰动环境之中，在一个扰动的产生、传播、消散过程中，又可能触发新的扰动。以往研究对不同扰动类型展开了研究，邵亦文等[16]将扰动分为自然灾害(地震、飓风等)、人为灾难(恐怖袭击、疾病传播等)、累积性冲击(能源短缺、气候变化等)；王诗莹等[40]强调了技术扰动情景，包括系统技术故障、技术失误等；Mostafavi[37]、张惠[41]等将扰动又划分为急性冲击(地震、泥石流等)与慢性扰动(灰霾、水污染等)。
通过网络信息搜索对近十年国内与国际发生的比较典型的ULPSF事故案例进行了收集，综合考虑设施类型、突发事件类型、社会影响等，选取6个代表性案例以呈现突发事件冲击下ULPSF所处的源生、次生或衍生等多重扰动情景(表2)。事故案例中各类ULPSF应对突发事件时均呈现了一定的韧性能力，但最终无力抵抗扰动，导致服务供给功能瘫痪、危机蔓延、损失惨重。此外，在不同复合扰动情景下，各类ULPSF宏观呈现的韧性能力亦存在差异，这与扰动情景、ULPSF系统结构及其功能都有关联。因此，刻画多重扰动情景、分析系统结构是研究ULPSF运营韧性的首要问题。
表2 ULPSF运营的典型事故案例与扰动情景分析
2.3 ULPSF存在韧性要素
以往研究对韧性内涵界定中有一点重要共识：韧性是一种能力和过程[42]。在多重扰动作用下，ULPSF韧性能力的显现源于其系统自身潜在的韧性要素(Resilience Properties)，这些韧性要素的识别即是韧性研究从理论到实践的桥梁。最具代表性的是美国跨学科地震工程研究中心的Bruneau等[35]提出的4R韧性要素：鲁棒性(Robustness)、迅速性(Rapidity)、冗余度(Redundancy)、智慧性(Resourcefulness)。本文基于4R韧性要素，探讨ULPSF这一复杂系统的韧性要素。
鲁棒性是指ULPSF在承受一定的扰动时能够维持其原有功能的能力，由承灾后的剩余功能水平直接表征，也可通过应急预案有效性、物理系统可靠性等指标间接表征[43,44]。迅速性是指ULPSF在面临扰动时，能够迅速处理优先事项、控制损失并尽快恢复系统功能的能力，可由功能修复的速率、经济损失等来进行数学表征[43,44]。冗余度是指ULPSF系统及其组件的可替代程度，即在系统功能发生中断、退化或丧失时，通过启动可替代资源或组件使得系统维持功能稳定的能力，一般可通过物理系统的可替代性、所需资源的储存量与可替代性等表征[43,44]。智慧性是指ULPSF在面临扰动时，组织或社会要素能够识别故障、确立优先事项和调集资源的能力，可通过修复资源的可获得性、组织的应急管理能力、社会要素的协作能力等方面衡量[43]。另外，4R韧性要素之间是高度相关的，智慧性与可用资源的科学结合能为系统创造出更高的冗余度，而智慧性与冗余度的提升将有助于系统承灾后的功能修复，这即导致系统鲁棒性与迅速性的提升[43]。因此，ULPSF系统韧性的塑造需着力于4R韧性要素的有效提升。
3 ULPSF运营韧性的作用机理
以往研究表明：韧性是ULPSF的内在属性，在多重扰动作用下宏观涌现为“多维”系统机能水平(设施功能、服务质量、服务容量等)的变化[35]。本文立足于韧性内涵，捕捉ULPSF对多重扰动的全过程反应，以动态系统机能水平变化曲线表征ULPSF系统宏观涌现的韧性发挥过程，包括抵抗与吸收扰动、恢复机能、自适应发展三个阶段，从而明晰ULPSF运营韧性的作用机理，如图1所示。
图1 大型公共服务设施系统(S)对多重扰动的全过程反应示意
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4 案例分析
据第六次全国体育场地普查[45]，2013年我国大型体育场(2万座及以上)292个、大型体育馆(3000座及以上)721个，这些大型体育场馆是举办体育赛事、文化演艺、会展活动等各类社会公共活动的主要空间载体，可称之为ULPSF的典型代表。由于大型体育场馆具有规模较大、内部功能综合、设备设施复杂、人员高度集中、赛事氛围引发观众情绪失控等特征，在面临扰动发生时极具脆弱性，极易造成群死群伤与重大经济损失，其中拥挤踩踏是最为常见的事故类型[46]。本文考虑事故/扰动类型的普遍性、韧性刻画的全面性与全过程等特点，选取在全球范围内影响较大、具有较强代表性的4·15希尔斯堡体育场踩踏事故展开案例分析，从显现的“三阶段”运营韧性、潜在的韧性要素两个角度解析希尔斯堡体育场的运营韧性，并提出运营韧性塑造的相关建议。
4.1 案例简介——4·15希尔斯堡踩踏惨案
1989年4月15日15:00，英国谢菲尔德的希尔斯堡体育场举办利物浦队对阵诺丁汉森林队的足总杯半决赛，在入场与比赛之初发生了人群踩踏惨剧，共造成96名球迷死亡，760余人受伤，史称“希尔斯堡惨案”。2016年4月26日，英国高等法院陪审团最终裁定，该事故发生的原因是警方玩忽职守，现场组织、管理和控制不力，导致人群失控、相互踩踏[47]。希尔斯堡惨案发展过程与相关行为主体如图2所示。
图2 希尔斯堡惨案的具体过程与相关行为主体
4.2 希尔斯堡体育场的运营韧性分析
4.2.1 希尔斯堡体育场显现的“三阶段”运营韧性
抵抗与吸收扰动阶段：球赛开始前半小时(14∶30)已经出现了入口转门前“人群过度拥挤”的扰动，内外场之间的通信故障以及“C”门的打开使得拥挤扰动由转门前转移至狭长的地下通道与空间有限的西看台Pen3与Pen4区域(图3)，比赛开始时(15∶00)不断涌入的球迷使得拥挤扰动进一步加剧。为了逃生，球迷各自全力翻越圈围Pen3与Pen4区域的铁丝网，至此(15∶05)，球迷跌倒、相互踩踏，场面完全失控。在短短的35分钟(14∶30-15∶05)，拥挤与踩踏扰动加剧、蔓延，现场安保警方SYP无力抵抗，最终导致比赛中止。面对此次扰动事件，希尔斯堡体育场系统机能下降迅速、系统机能完全失效，在抵抗与吸收扰动阶段呈现出较差的韧性。
图3 希尔斯堡体育场平面示意
机能恢复阶段：在比赛中断后(15∶06)，救援工作开始，直到15∶12完成地下通道入口处的封锁，安保警察到达球场组织Pen3区域伤亡人员的转移，并于15∶13向消防部门请求支援、切割铁丝网，然而现场警方组织不力、SWFC配备的医疗救护水平有限、资源不足，对接医院尚无做好应急准备等导致救援工作非常缓慢，延误治疗现象已然出现，最终导致96名球迷死亡，600余名球迷受伤，在组织管理、社会要素等方面表现出较差的恢复能力，希尔斯堡体育场系统在机能恢复阶段呈现出较差的韧性。
自适应发展阶段：此次惨案后，希尔斯堡体育场吸取教训，开始重视球场安全，球场站立看台逐渐被取消，改为全坐席看台，看台与球场之间的铁丝网亦被拆除，同时对大型赛事的球场安保、票务规划、应急管理以及球场入口、出口与看台的容量设计等提出更高要求。希尔斯堡体育场的安全保障与应急管理体系得到完善，系统机能得到有效提升。
4.2.2 希尔斯堡体育场潜在的4R韧性要素
4R韧性要素存在于ULPSF的“三维”复杂系统之中，本研究分别从物理、组织、社会等系统角度解析希尔斯堡体育场潜在的4R韧性要素。
从物理韧性角度分析：希尔斯堡体育场的物理系统包括球场、看台、场内通道、入口等功能空间以及供电、照明、通信等设备设施系统。在球迷入场时，西看台区域的安保警员对讲机失灵，与场外入口处安保警员的通信中断，且无备用通信设备，通信无法立即恢复，场外警员始终不明场内拥挤现状，从而没有在入口处及时疏导、分流入场球迷，最终导致场内拥挤场面完全失控[47]。另外，通往西看台和北看台的入口处仅有23座转门(1～16，A～G)且需输送约25000名球迷(图3)，转门数量远远不够，入口即成为球迷拥挤的瓶颈地带。再者，C大门的打开引发大量球迷涌入容量不足的Pen3与Pen4，该区域由铁丝栅栏圈围，形成球迷高度密集的封闭空间，亦没有安全有效的逃生通道，以致惨案发生。这一过程体现通信设备系统的鲁棒性较差、冗余度较低，入口与看台等功能空间的冗余度也较低，即希尔斯堡体育场的物理韧性明显不足。
从组织韧性角度分析：希尔斯堡体育场的组织系统由体育场持有者SWFC与赛事运营方FA构成。SWFC将查验门票视为赛前工作重心，忽略了“人群过度拥挤”这一扰动的发生，风险识别能力较差。FA对入口处转门的规划不合理，一味追求利润而出售过多站票致使看台容量超负荷、丧失安全冗余。在救援中，SWFC与FA组织协调能力差，无法快速调集救援力量，直到15∶25才通过公共广播系统发出援助请求，救援工作开展缓慢。这些行为直接表现出SWFC与FA的智慧性较差、迅速性不足，即希尔斯堡体育场的组织韧性有待提升。
从社会韧性角度分析：希尔斯堡体育场的社会系统是由参与赛事运营与应急救援的社会要素构成，主要包括负责现场安保的南约克郡警察局SYP、医疗救护方SJA、NG医院、RH医院、球迷、媒体等。SYP总警司缺乏赛事安保经验、无法第一时间应对扰动，在拥挤扰动出现初期拒绝打开安全出口C大门，导致拥挤持续加剧，而后在尚不知场外情况下突然下令打开C大门，球迷一拥而上、场面失控，另外，总警司在后期救援的现场秩序维护中亦组织不力，场面混乱，救援缓慢。SWFC持有侥幸心理，选择了收费较低、医疗资源有限的SJA机构提供应急医疗保障，事发后现场的医护人员、抢救设备极其匮乏[47]，耽误了最佳救护时间。另外，SJA机构没有第一时间通知NG和RH医院大量伤亡的发生，导致医院紧急预案启动较晚，严重影响了救治工作的迅速开展[48]。上述过程均体现了SYP，SJA等社会要素缺乏识别故障、确立优先事项、调集资源、迅速恢复的能力，智慧性较差、冗余度较低、迅速性缺乏，即希尔斯堡体育场的社会韧性严重不足。
5 结 论
(1)在文献研究基础上，总结现有基础设施韧性研究的不足，并对ULPSF运营韧性进行定义，即ULPSF系统在运营期能够有效抵抗、吸收扰动，维持、恢复系统的公共服务供给水平并得到自适应性发展的能力。
(2)从系统论视角提出ULPSF系统的结构特征：ULPSF是由物理、组织、社会组成的“三维”系统；ULPSF易受多重扰动影响；ULPSF存在4R韧性要素，包括鲁棒性、迅速性、冗余度、智慧性。
(3)以ULPSF系统机能水平的变化曲线来表征多重扰动作用下ULPSF“抵抗与吸收扰动、恢复机能、自适应发展”的三阶段运营韧性机理。
(4)通过4·15希尔斯堡惨案案例研究，解析大型体育场显现的三阶段运营韧性及其潜在的4R韧性要素，得出：大型体育场运营韧性的塑造依赖于“物理、组织、社会”三维系统的共同作用；塑造物理韧性，关键在于提升其鲁棒性与冗余度；塑造组织韧性与社会韧性，关键在于提升其智慧性、迅速性与冗余度。
(5)在当代高风险社会，塑造ULPSF的运营韧性越发重要，可从3个方面展开：1)在防御扰动阶段，强化ULPSF复杂系统的韧性要素，基于复杂网络分析设计多重扰动情景的应急预案，提升ULPSF的潜在韧性能力；2)在抵抗扰动与机能修复阶段，充分调动ULPSF各系统的韧性要素，实现物理韧性、组织韧性与社会韧性的全面发挥；3)在自适应发展阶段，应吸取经验、持续学习，提高ULPSF系统机能水平，增强ULPSF系统韧性的薄弱环节，进而提升抵抗未来扰动的能力。同时，定量研究多重扰动下ULPSF系统机能水平的变化，构建韧性动态评估体系与智能监测系统，是值得进一步关注的问题。
