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。     

基于风险的化工园区布局优化决策支持系统

为加强化工园区风险辨识和布局优化,主要研究化工园区布局优化决策支持系统。在分析该系统主要功能的基础上,介绍基于风险的化工园区布局优化决策支持系统的理论模型:对化工园区重大危险源事故预测建模,包括重大危险源事故发生概率预测和事故后果预测;从个人风险、社会风险和财产风险3个模型评价化工园区区域动态风险,依据这3种风险值,计算区域综合风险;分别就功能区布局、消防布局和交通布局,对化工园区提出动态布局优化方法和建议措施。通过理论模型建立决策系统软件,结合实证分析,证明该决策支持系统的合理性。     

事故建模方法研究进展

为更好地分析和预防事故,提高安全生产水平,通过描述事故发生机理和演化过程,系统研究国内外事故建模的社会技术背景、发展历程、方法理念和成果,进行分类、比较、分析和评述;基于此,指出事故建模的研究范围和目标,分析事故建模与风险、可靠性研究的相互关系,明确当前社会技术条件下事故致因分析的重点,总结事故建模所用的主要分析工具,论述事故建模发展的动因,展望事故建模发展趋势。     

高校事故非线性灰色预测模型及应用研究

通过调查和分析表明,近几年来湖南省高校事故中学生非正常死亡由自杀、交通、溺水等7项因素组成,且统计数据信息偏少。笔者将影响湖南省高校事故学生非正常死亡人数的各项因素作为一个系统,应用系统灰预测理论建立高校事故系统灰预测模型;将原始建模数据序列经过方根变换和数值初始化处理后,适合于建模的要求,构造GM(1,N)与GM(1,1)的嵌套模型;通过建模事中和事后的检验,预测湖南省2007年高校事故学生非正常死亡人数,预测值与实际值相差较小,模型精度较高;高校事故非线性灰色预测模型,为高校事故预测提供了一种应用方法并有一定的指导意义。     

事故致因模型体系及建模一般方法与发展趋势

为完善事故致因建模的基础理论体系,从微观、中观与宏观3个层面归纳国内外现有的50余种事故致因模型,并以“点-线-面-体”为主线论述事故致因模型的立体网状结构体系。基于此,从方法学的视角论述事故致因建模的理论基础,并提炼相似比较法、概率统计法等5种一般建模方法。最后分析新形势下事故致因模型及其建模方法的发展趋势。研究结果系统的梳理与归纳了现有事故致因模型及其结构体系,完善了事故致因建模的方法论,可为事故致因建模的研究与实践提供基础理论指导。     

案例—数据集成驱动的CI抗灾能力评估指标选择

关键基础设施（CI）是维持社会大系统正常运行的重要组成部分,是复杂的网络巨系统,而CI抗灾能力评估指标需具有系统性、客观性和一致性。案例驱动与数据驱动在能力评估指标选择中各有优势,亦相互支持。依靠案例驱动,可以把握历史经验,引导CI抗灾能力评估的情景设计及全局指标选择改进;借助数据驱动,可以发现潜在的微观指标,通过数据分析引导抗灾能力评估微观指标体系改进与完善。集成这2种评估驱动方法,提出CI抗灾能力评估指标选择的案例-数据集成驱动框架,并结合用例验证评估方法的有效性。     

基于混乱图的CI系统应急能力不足挖掘方法

关键基础设施(Critical Infrastructure, CI)系统应急能力建设的重要性是不言而喻的,已有的应急能力研究主要是基于应急能力评价指标体系展开评估,以此识别应急准备问题,但并未充分认知应急准备混乱,难以有效地挖掘应急能力不足。基于此,面向CI系统,从应急部门的角度采用混乱图挖掘应急能力不足,阐述特定突发事件情景下CI系统应急能力不足混乱图的构建流程。通过案例分析表明:CI系统应急能力不足混乱图可有效地反映应急准备混乱,并指导相关应急部门提升其应急能力。     

一种主动功能约束视域下的复杂系统事故预防模型

复杂系统事故发生模式具有多样性、不确定性的特点。传统的被动式、以失效因果分析为导向的事故预防模型虽然能够较为有效地防止或者减少同类事故的发生,但无法预防未发生过的新事故,因此并不适用于事故模式多样的复杂系统的事故预防。为了更加系统、全面地降低复杂系统的事故风险,需从更加主动的、前瞻性的视角分析如何使系统保持正常的功能。根据控制系统中的功能约束原理,并以功能分解与共振分析模型(ACAT/FRAM)为建模工具,提出一种主动功能约束视域下的复杂系统事故预防模型。该模型通过将复杂系统进行功能分解与抽象,以闭环控制关系对功能进行耦合关联,得到复杂系统要素的正常功能约束结构。基于该模型的事故预防机制在于保证系统各要素以及要素间的正常功能,据此可制定面向多种事故模式的事故预防措施。     

基于关键基础设施耦合关系的城市韧性评价

基础设施耦合关系使得城市关键基础设施系统联系紧密而又脆弱，耦合关系导致微小扰动能够跨系统传播，从而引发较严重的后果，影响城市韧性。为挖掘影响城市正常运行的潜在威胁，从基础设施耦合关系视角建立功能耦合关系和地理耦合关系，构建城市3层网络耦合的城市韧性评估模型，采用复杂网络方法结合案例从削弱和改善2个角度分别论证基础设施耦合关系对城市韧性的影响效果。结果表明：耦合关系引发的基础设施系统间级联失效现象，会导致城市韧性突然削弱；若控制系统间的耦合程度，有望减少级联失效的发生，可有效改善城市的韧性。     

长输管道数据采集系统的成本优化模型

本文提出了一种面向长输管道数据采集系统的成本优化模型。该模型综合利用无线和有线通信系统,高效利用公网基础设施和专用通信节点,使数据采集系统的成本最小化。本文采用了分而治之的方法,对提出的模型进行了求解,并通过分析模型存在的一些问题,指出了下一步的工作。     

重要基础设施脆弱性评价模型及其应用

将重要基础设施脆弱性定义为威胁情景、保护作用和重要性的函数,并提出一种可定量化的重要基础设施脆弱性评价模型。模型结合系统理论知识分解系统,选取威慑、延迟、检测、响应4个评价因子评估系统各环节。模型由相关领域专家确定系统各环节权重以及为评价因子赋值,应用线性加权聚集模拟技术,综合评价因子信息;依据系统状况,建立系统各环节价值函数,运行模型得到脆弱性概率密度函数,以数学期望值表示系统脆弱性总值。并将模型应用于天津市部分供水系统,不仅得到系统各环节的实际评价值,而且可得整个供水系统脆弱性评价值,为更好地改进天津市供水系统各环节的安全运行提供了科学依据。     

小城镇基础设施防灾减灾决策支持系统的研究与开发

利用信息技术研究灾害问题成为研究热点之一 ,但在小城镇防灾减灾方面仍缺少应有的关注和重视。笔者将地理信息系统 (GIS)和决策支持系统 (DSS)集成应用于开发“基于GIS的小城镇基础设施防灾减灾决策支持系统” ,简要介绍了该系统研制目标和原则、系统结构框架及各子系统的功能 ,解决了系统实现过程中的一系列关键技术 :快速、高效构建小城镇基础空间数据库及三维可视化、应急预案及历史灾情库的电子化及各类灾害分析模拟的专业模型等。实践证明 ,基于基础设施、灾害源、防护保卫目标、应急救援力量的可视化与数字化 ,该系统能够实现对其进行科学管理、对各单一灾种的模拟分析以及应急决策支持 ,有效提高小城镇政府的应急指挥决策水平 ,增强其灾害应急反应能力。     

重要基础设施的依赖性模型及应用

把无效果投入产出模型(IIM)引入到重要基础设施的相互依赖性模型研究中,模型中的参数估计通过问卷调查从各领域专家处获得,并使用三角模糊数对该估计值进行修正,最终分别用依赖性指标和影响增益指标评价相互依赖性造成的影响;采用专家调查法和三角模糊数估计模型的参数值,构建了重大自然灾害中重要基础设施的相互依赖性模型。将模型应用于中国2008年南方冰冻雨雪灾害中重要基础设施的依赖性研究中,比较得到受影响最大的设施系统和依赖性最大的设施系统,为防灾减灾和有侧重地进行重要基础设施的保护和完善提供了依据。     

网络重要基础设施脆弱性评价模型及其应用

为了评价网络重要基础设施的脆弱性,基于网络图论,构建一个数学规划模型。利用ArcGIS将网络重要基础设施的弧段和节点赋值,将网络拓扑结构以数字形式表示;利用数学规划软件对该模型进行优化求解,得出网络重要基础设施中的脆弱性组件(弧段或节点)。结果表明这些组件的破坏会使网络脆弱性达到最大值,需要对这些组件进行优先防护。将该模型应用于京津冀高速公路交通网络系统,得到该交通网络系统的脆弱性路段。     

A disaster scene simulation system in 3D for oil transmission stations: Design and implementation

The disaster scene in three-dimensional (3D) plays a crucial role in disaster emergency management and risk communication of oil transmission stations. However, existing research for the disaster scene mainly focuses on reproducing the disaster environment and rarely predicts the damage state of the disaster-affected object. This paper proposes an object-oriented modeling method that utilizes a multilevel decomposition pattern for disaster scenes. This method combines earthquake vulnerability assessment with 3D visualization technology to predict and characterize the damage state of critical infrastructure in oil transmission stations. To enhance earthquake risk perception, a simulation system is designed and developed, which allows for the construction of virtual scenes and quick simulation of disaster scenes in 3D. The case application shows that the system improves the 3D modeling efficiency of disaster scenes and enhances public awareness of earthquake risks. The simulation system can provide technical support for seismic mitigation planning and emergency management decision-making at oil transmission stations and has good application prospects.     

Application of social network theory to prioritizing Oil & Gas industries protection in a networked critical infrastructure system

As a typical process industry, the Oil & Gas industries play a key role within a networked critical infrastructure system in terms of their interconnection and interdependency. While the tight coupling of infrastructures increases the efficiency of infrastructure operations, interdependency between infrastructures may cause cascading failure of infrastructures. The interdependency between critical infrastructures gives rise to an infrastructure network. In this paper, we apply social network analysis, an analytical tool used by social scientists, to study human interactions and to analyze characteristics of the critical infrastructure network. We identify Oil & Gas, Information & Communication Technologies (ICT), and Electricity as three infrastructures that are most relied upon by other infrastructures, thus these may cause the greatest cascading failure of the infrastructures. Among the three, we further determine that Oil & Gas and Electricity are the more vulnerable infrastructures. As a result, priority toward critical infrastructure protection should be given to the Oil & Gas and Electricity infrastructures since they are most relied upon but at the same time depend more on other infrastructures.     

Blast phenomena in urban tunnel systems

Traffic infrastructure in urbanised areas is increasingly projected in tunnels underground or covered over, these days. A consequence is that in case of an incident with hazardous materials the safety level for fellow road users in tunnels is considerably less than it is in surface infrastructure. To reduce the consequences of incidents for fellow tunnel users, urban tunnels are sometimes interrupted by open spaces of limited length. Open spaces allow, for instance, the release of smoke in case of a fire. In this way, possible lethal effects are limited to the tunnel section in which the incident occurred. To what extent an open space may also be effective in the mitigation of blast effects from an explosion in a tunnel system is subject of this paper.

To this end, the blast effects originating from the rupture of a 50 m³ LPG pressure vessel in an urban tunnel system have been computed by numerical simulation. The results show that an open space in a tunnel system has a significant mitigating effect on the blast effects indeed. However, as a consequence of the ingress of a high-velocity jet flow that follows on a primary blast wave, a second blast wave develops in the tunnel section following on an open space. The strength of this second blast wave is not very dependent on the length of the open space. It shows that an open space in a tunnel system may not always limit the lethal effects of explosion incidents in tunnels to the tube in which the incident occurred. The second blast wave in the tunnel section following on an open space may have lethal consequences for fellow tunnel users by car window failure.     

流域梯级水库事故风险分析与防洪联合调度实现

通过对水库溃坝事故案例的分析,就流域梯级水库大坝面临连锁性的灾难事故风险问题,研究水库大坝溃决的诱发条件、破坏模态、临界条件、溃决的演变机理与规律;提出流域梯级水库防洪系统优化模型和实现方案;初步设计应急体系信息化建设的需求与功能方案。笔者对流域梯级水库事故风险分析及防洪联合调度实现成果,为水电站建设工程项目的设计与施工提供决策支持。     

Reducing security vulnerabilities for critical infrastructure

In this paper, we show the need for improved Process Control System (PCS) security, and describe some of the promising research areas in PCS security. One implementation of PCS in critical infrastructure and factory automation is a supervisory, control, and data acquisition (SCADA) system, a real-time industrial process control system which centrally monitors and controls remote and/or local processes utilizing plant, equipment, or devices (such as switches, valves, pumps, relays, etc.) while collecting and logging field data. Current SCADA systems are distributed, networked, and dependent on open protocols for the internet, which are exposed to remote cyber terrorism. They are particularly vulnerable to unauthorized access. We give some examples of SCADA processes with natural gas control systems in USA and the Ubiquitous Sensor Network (USN) in Korea. We also examine a representative vulnerability and corresponding measures for security, and present an example of concrete measures for the security of mass transportation as a critical infrastructure.