突发事件下城市关键基础设施应急策略研究

城市关键基础设施系统由于相互之间存在的各种关联关系而形成了一个相互依存的网络化复杂系统,在突发事件下,一个单一系统功能的失效或部分功能丧失会导致与其相关联的系统产生级联失效现象。针对关键基础设施系统间相互耦合的特性,建立了突发事件下多层系统之间的供需关系网络数学模型,提出当某单一系统的节点失效后,通过分析事故链,利用与之耦合系统的供需关联关系,进行紧急状态下的备用资源调度应急策略。研究表明,基于城市关键基础设施系统之间的供需关联关系来进行资源调度的应急决策能够有效地突破传统方法中以调用备用资源为主的单系统内部优化应急策略的局限性,更有效地优化整个网络资源以降低系统总体损失。     

城市基础设施系统韧性管理综述

为从韧性视角探索基础设施系统对城市防灾减灾的作用,综述城市基础设施系统韧性管理相关研究。基于Web of Science核心合集,筛选出576篇相关文献,从期刊来源、发表年份、国家、基础设施类型和扰动事件类型等方面,全方位分析城市基础设施系统韧性管理的研究现状,界定城市基础设施系统韧性及其与可靠性、脆弱性、可持续性等概念之间的联系与区别,归纳基础设施系统韧性管理中的关键问题。研究结果表明:在过去10年,城市基础设施系统韧性管理的研究受到越来越多学者的关注,其中交通基础设施和自然扰动为主要研究对象;基础设施系统韧性管理研究已在韧性识别、度量、提升和仿真4个方面取得一定成果,但仍需加强理论支撑,探索度量方法,关注耦合扰动和基础设施系统内部关联性。     

基于级联失效的管制扇区网络韧性评估

为减轻管制空域因遭受极端天气、设备故障等特殊事件而出现的大面积失效对航班的影响，研究了不同事件中，不同恢复策略对管制空域韧性的改变。通过复杂网络理论对管制空域进行建模，结合级联失效理论的负载-容量模型与公共交通领域的韧性评价指标，提出一种适用于评价扇区网络的级联失效-恢复过程。依据节点的特征参数设定扳机节点并触发级联失效过程，对扇区网络分别以度优先和介数优先2种策略进行恢复模拟。以西南地区的管制扇区为研究对象展开仿真试验，结果显示：在面对中心扇区失效时，度优先恢复策略下的容量损失更小，效率损失更低；繁忙扇区失效时，2种恢复策略各有优劣。扇区网络采取度优先的恢复策略有更好的韧性。     

预案视角下城市防汛应急组织间网络鲁棒性评价

为解决城市防汛应急预案在制订过程中,相关组织应急协同能力难以量化的问题,提出考虑级联失效的城市防汛应急组织间网络鲁棒性评价方法。首先,以北京、上海与深圳市防汛应急预案为研究对象,构建组织间网络,并提出网络攻击策略与鲁棒性评价指标;其次,计算网络特征统计参数,并分析网络拓扑特性;然后,以自然连通度为鲁棒性指标,评价城市防汛应急组织间网络在遭受节点单次攻击与连续攻击下的鲁棒性;最后,对比不同攻击下网络的鲁棒性强弱并找出对鲁棒性影响较大的关键组织。结果表明：北京、上海与深圳市防汛应急预组织间网络具有无标度特性和小世界特性;节点单次攻击时,相较于非级联失效情形,组织间网络在级联失效情况下鲁棒性较弱,造成级联失效节点数较大的组织为影响网络鲁棒性的关键组织;连续攻击时,组织间网络在蓄意攻击情形下鲁棒性较弱,度值较大的组织为影响网络鲁棒性的关键组织。     

基于N-K模型的城市燃气管道失效可能性因素耦合分析

为分析多因素耦合作用对城市燃气管道失效可能性的影响，构建了基于复杂网络的N-K模型；应用轨迹交叉理论分析管道失效可能性因素的耦合作用机理；基于N-K模型对2011—2014年所发生的1 127起城市燃气管道事故进行耦合分析，计算不同耦合方式发生的概率和耦合值。结果表明:多因素耦合过程中，参与耦合的因素越多，管道失效的概率越大，但耦合发生的频率却随耦合因素的增加逐渐减少；环境因素和人为因素参与耦合时，管道失效的概率较大。     

网络化关键基础设施依存关系建模与仿真方法研究

针对关键基础设施(CI)依存关系导致的系统级联效应这一问题,在系统化分析网络化CI依存关系建模与仿真的各种方法之上,通过比较各种研究方法的优缺点、适用范围、存在问题,提出采用系统动力学和Multi-Agents混合建模方法,来模拟系统之间的动态关联关系的变化。最后,以一个水资源系统的突发安全事件为例,利用Any-Logic软件对事故所涉及影响到事故系统间的参数进行优化与数值模拟。结果表明:通过该方法优化试验确定事故水系统对其他关联系统的最优供给量,优化该地区的基础设施网络运作能力,同时有效防御系统的级联损失。     

14个有价值的城市安全系统学理论基础问题

安全系统学是安全科学的核心基础理论,很适用于研究城市系统安全问题。本文从认识论和本体论出发阐述系统发生事故的本质原因,归纳了城市安全需要研究全生命周期与全球视野问题、微系统—中系统—宏系统耦合匹配问题、可持续—智慧—公共服务—多系统—生活生产安全—公共安全协同问题、输入与输入平衡关系、应急与涌现关系、信息与安全情报关系、安全管理与自组织关系、复杂城市与复杂科学关系,简述本质安全并非基础设施安全、风险管理需要精准安全、韧性并非物理性问题,认为使命—人—机—物—管—环—信—文的体系,以及工程—教育—管理—文化等对策应赋予新的安全内涵。上述内容是城市系统安全学的重要理论基础问题。     

级联失效特性下的危险品运输路径选择研究

基于复杂网络的级联失效特性,构建危险品运输网络的级联失效模型,提出用路段重要度来度量某条路段上发生危险品事故后引起网络其他路段失效的规模。以路径风险最小化和路径总重要度最小化为目标,建立危险品运输路径的多目标决策模型,并利用标号法进行求解。算例结果表明,危险品运输网络确实存在级联失效现象。选择危险品运输路径时,应尽量避开重要度高的路段,以降低危险品事故对普通道路网络的不良交通影响。     

核事故场内人员撤离网络级联失效分析

核事故发生后,选择快速有效的撤离路径是核设施场内人员安全的重要保障。基于贝叶斯网络推理,结合给出的先验知识和条件概率,构建了贝叶斯网络结构并进行参数学习,分析了不同样本数据量的学习结果。对比分析了基于贝叶斯网络分析前后网络级联失效情况,采用级联失效模型分析了人员撤离网络抗毁性,针对级联失效影响相对较大的节点,可采取增加该节点容量或加大对该节点撤离路径指导等方法。     

城市燃气管道泄漏多因素耦合致灾机制研究

城市燃气管道很容易因复杂的城市环境影响而发生失效泄漏,而多灾害因素共同作用下的城市燃气泄漏的灾害后果更加严重,灾害形势更为复杂。为揭示城市燃气管道泄漏后多因素耦合作用下的动态致灾过程及灾害特征,首先采用系统框图对城市燃气管道泄漏灾害系统的内部结构进行分析,并在此基础上构建多因素耦合致灾数学模型;然后基于系统动力学理论,分别以燃气火灾、爆炸及毒害气体灾害为子模块,建立灾害系统动力学模型,并以模型检验来验证其适用性;最后应用于实际案例分析,采用系统动力学专用仿真软件,分别讨论了不同耦合条件下的单灾害和多灾害的动态致灾过程。结果表明:灾害子系统内部耦合度及同质耦合度增加,会促进各种灾害的增长速度、加速灾害发展,但不改变灾害损失的程度;而子系统间的耦合度增加,不仅会加快灾害的发展速度,还会提高其损失的程度、增加灾害损失的严重度。这表明,为有效控制复杂环境下的城市燃气管道泄漏灾害,应该削弱系统内部的因素耦合,孤立子系统间的因素耦合。     

基于贝叶斯网络的地铁工程系统韧性评价

为提高地铁建设施工的安全性和稳定性,开展地铁工程系统抵抗风险并快速恢复能力的研究。通过引入韧性概念,分析影响地铁工程系统韧性的主要因素,利用贝叶斯网络(BN)建立表达各因素间因果关系的韧性模型,并通过调查采集的数据样本学习网络模型的参数;通过调整网络中的各结点分析各因素与系统韧性的关系,明确应采取的措施和重点控制的对象,从而提高系统韧性,确保正常施工安全有序地开展。研究表明:用该模型能够量化地铁工程系统韧性值,并推理分析各因素对韧性值的影响,从而提高建造管理能力。     

地震灾害下城市供水网络韧性评估及优化研究

为提升城市供水网络应对地震灾害的能力,基于性能响应函数(PRF)方法,引入基础设施网络均衡理论,设计综合考虑城市供水网络物理状态和输送能力的性能时程响应函数,构建贯穿结构和功能双维度的地震灾害下城市供水网络韧性评估方法;从灾害概率、灾害后果、恢复速度、恢复程度等4个关键因素出发,提出城市供水网络网状扩张、管道延性改造、增加恢复资源和提升恢复储备等韧性优化策略;以我国华东某市供水网络为例,定量评估不同优化策略下的韧性提升效果,提出不同决策场景下恢复资源r和恢复储备b的优化配置方法。结果表明:管网延性改造是提升供水网络韧性的有效措施,网状扩张能提升供水网络性能,但对韧性提升无明显作用,网状扩张后要注意增加网络恢复资源和恢复储备。     

核应急双层指挥网络鲁棒性研究

核事故应急指挥网络是核事故发生后做好应急工作的重要保障。构建了核应急双层指挥网络,基于级联失效模型,仿真分析不同攻击强度下,决策层攻击、行动层攻击和混合攻击下网路的级联失效规模。对比分析不同网络结构级联失效规模变化情况,为提高网络鲁棒性提供参考。     

城市道路交通网络级联失效的灾害蔓延动力学模型

城市道路交通网络中个别节点的失效,可能引发大规模的交通瘫痪。为描述这种级联失效行为,考虑节点的自修复功能和灾害蔓延机制,基于复杂网络的蔓延动力学理论构建了城市道路交通网络灾害蔓延动力学模型。利用灾害蔓延动力学模型分析了城市道路交通网络节点失效与节点连接强度、节点度及自修复因子的相关性。结果表明,节点自修复能力和延迟时间因子对灾害蔓延有重要影响,所建立的模型能有效模拟城市道路交通网络的灾害演化动力学行为。     

基于N-K模型的海上交通安全风险因素耦合分析

为定量分析海上交通安全风险因素间的影响关系,识别导致海上交通事故的关键因素,分别从单因素、双因素和多因素的角度分析了人、船、环境、管理等风险因素间的耦合关系,运用N-K模型构建了海上交通安全风险耦合度量模型,结合中国海事局、德国联邦海事事故调查局、英国船舶事故调查局和美国国家运输安全委员会等海事调查机构公布的710起海上交通事故,利用所构建的模型计算出不同风险耦合的发生概率和风险值。结果表明:风险耦合因素越多,海上交通事故的发生概率越高;人的因素是引发海上交通事故的重要原因。     

组合赋权-TOPSIS在洪涝灾害下城市区域韧性评估中的应用

城市暴雨洪涝灾害是目前我国城市最突出的自然灾害。在韧性城市理念的基础上，从抵抗力、适应力和恢复力3大属性及经济、社会、生态环境和基础设施4个维度建立洪涝灾害下城市韧性评估指标体系。为定量评估城市应对洪涝灾害的能力，基于层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)和CRITIC(Criteria Importance Though Intercrieria Correlation)的组合赋权法，运用逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to the Ideal Solution, TOPSIS)构建城市韧性评估模型。以西安市为例，对新城区、碑林区、莲湖区、灞桥区、未央区和雁塔区6个区域韧性进行评估。结果表明：抵抗力属性和生态环境维度是影响城市韧性水平的最主要因素；灞桥区韧性水平等级为Ⅲ级，新城区和未央区韧性水平等级为Ⅱ级，碑林区、莲湖区和雁塔区为Ⅰ级。评估结果可为提升城市韧性、降低洪涝灾害风险提供参考。     

关注 科技提升城市安全韧性

随着我国城镇化率的迅速提升,城市发生事故的总量、强度也在提升。因此,提升城市的安全韧性,就变得迫在眉睫。安全韧性城市是具备在逆变环境中承受、适应和迅速恢复能力的城市,其强调城市适应不确定性的能力。要建设韧性城市,首先基础设施要有韧性防灾能力,能够对灾害进行快速反应并且快速恢复;其次,对既有基础设施数字化和智慧运维是实现韧性的先决条件,因此韧性基础设施还要具备智慧运维的能力。     

城市安全发展评估指标体系与指数构建

为识别城市安全发展状态和存在的问题，基于国内外韧性城市和我国安全发展示范城市建设实践经验，系统研究城市安全、韧性和安全发展等目标的演化历程；基于城市复杂适应系统和韧性理论，探讨城市安全发展的目标和韧性潜能表现，提出评估指标体系和指数生成方法。研究结果表明：安全是可持续发展的重要保障，是城市系统在面对危险、威胁等不确定干扰事件中保持可持续发展的一种状态；系统韧性反映城市系统防灾和应急模式从被动反应向主动防范、及时适应和调整的转变能力，是实现安全发展重要手段；城市安全发展评估是一个动态过程，应关注城市系统的韧性表现，确保城市系统始终对灾难事件保持持续适应和提升的管理模式。     

基于改进ISM的农村自建房防灾韧性影响因素研究

为提升我国农村自建房自然灾害防范能力,从韧性角度研究影响自建房防灾减灾的差异化因素。分析农村自建房灾害事故,结合自建房使用现状及自然灾害特点,分别从自建房可靠性和恢复力2个韧性维度提取了23个相关因素,应用改进的解释结构模型法（ISM）形成多因素多级递阶结构的自建房防灾韧性系统,确定因素间的内在耦合及层次关系。结果表明：自建房选址、建造年代为农村自建房防灾可靠性关键因素,而家庭收入、常住人口中成年人占比和户主受教育水平则是农村自建房灾后恢复力关键因素。     

关注 科技提升城市安全韧性

正随着我国城镇化率的迅速提升,城市发生事故的总量、强度也在提升。因此,提升城市的安全韧性,就变得迫在眉睫。安全韧性城市是具备在逆变环境中承受、适应和迅速恢复能力的城市,其强调城市适应不确定性的能力。要建设韧性城市,首先基础设施要有韧性防灾能力,能够对灾害进行快速反应并且快速恢复;其次,对既有基础设施数字化和智慧运维是实现韧性的先决条件,因此韧性基础设施还要具备智慧运维的能力。