基于IIM模型的城市关联基础设施系统的脆弱性与弹性评价研究

In recent years, earthquake, fire, flood and terrorist attacks occurred often, and they affected urban interdependent infrastructure systems greatly. Therefore, it is very important to do so further research on the vulnerability and resilience of urban interdependent infrastructure systems, and to explore the corresponding control and management strategy. This project assesses the vulnerability and resilience of urban interdependent infrastructure systems mainly by expanding Inoperability Input-output Model (IIM) after unexpected events, using uncertainty theory, risk management and utility evaluation theory, establishes framework of the vulnerability and resilience of urban interdependent infrastructure systems. It discusses the vulnerability and resilience of emergency disturbance under uncertainty of urban interdependent infrastructure systems, finds the corresponding control strategies, and conducts a further empirical analysis and simulation research using grid technology and monte carlo method. By evaluating the vulnerability and resilience of urban interdependent infrastructure systems, we can further understand the effect of different types of perturbations for the urban interdependent infrastructure systems performance. This project will not only enriches the research methods and content of emergency management and risk management but also guides the government management of urban infrastructure and ability to respond to emergencies, provides a theoretical basis and methodological support for improvement the response and disposal of emergency decision-making ability, strengthen the construction of the emergency management protection of urban interdependent infrastructure systems.

近年来，地震、火灾、洪水以及恐怖袭击等突发事件不断对城市关联基础设施系统造成冲击，破坏性巨大。因此，对突发事件扰动下的城市关联基础设施系统的脆弱性与弹性进行研究，并探讨相应的决策与控制策略显得非常重要。本课题拟通过对非正常投入产出模型（IIM）进行扩展与推广，运用不确定性数学模型、风险管理与效能评估等理论，对不确定条件下城市关联基础设施系统在不同类型扰动下的脆弱性与弹性进行研究，建立城市关联基础设施系统的脆弱性与弹性评价模型与框架体系，评价不同类型突发事件扰动在系统里蔓延过程中城市基础设施系统的脆弱性与弹性，提出应对策略，并采用网格技术与蒙特卡洛模拟算法进行实证分析与仿真研究。本课题的研究成果不仅能够丰富应急管理与风险管理的研究内容与方法，而且对于指导政府管理城市基础设施、提升其应对和处置突发事件的决策能力、强化应急管理评估机制的建设具有重要的理论与现实指导意义。

本报告将突发事件对城市关联基础设施系统的扰动分为需求驱动的扰动和供应驱动的扰动两种类型，对具体的城市关联基础设施系统包括城市地铁系统和公路网络系统在不同类型扰动下的脆弱性和弹性进行评估，建立脆弱性与弹性评估体系，探讨不同类型突发事件扰动在系统中的蔓延对系统的适应力，抵抗力和恢复能力，寻找相应的应对策略，并进一步进行实证仿真分析。本项目通过对具体的基础设施系统包括城市地铁系统和公路网络系统弹性评估分析，可进一步了解不同类型扰动对系统弹性性能的影响作用，提高我国基础设施系统应对突发事件的能力，对我国城市关联基础设施系统的保护提供理论和方法。同时对供应链系统和创新生态系统的脆弱性与弹性进行了深入研究，本项目的主要结论是：.1.将IIM模型进一步扩展，用来分析具体的城市关联基础设施系统包括地铁系统和公路网络系统对灾害的适应能力与吸收能力，并进一步分析系统灾后恢复过程，为灾后应急管理提供一定的理论依据。.2.从地铁网络脆弱性评价模型出发，运用图论和复杂网络理论的方法，通过引入“日可达性”的评价指标和考虑站点间相互影响的情况，在已有研究的基础之上，构建新的地铁网络脆弱性评价模型。运用Matlab模拟仿真突发事件的攻击过程，通过与已有研究进行对比分析，找出两种评价模型的差异。最后结合星型、放射型、网格型、放射+环型、网格+环型五种典型的地铁网络类型，进行脆弱性对比分析，旨在找出面对随机攻击和蓄意攻击时更加鲁棒的地铁网络结构类型，为地铁网络的安全规划和管理提供参考。.3. 通过建立具体的城市关联基础设施系统的弹性评价框架体系，将城市关联基础设施系统包括城市地铁系统和公路网络系统的弹性评价分为三个阶段：突发事件发生之前，预测突发事件发生的频率对城市关联基础设施系统的影响，并采取必要的预防干预措施；突发事件发生到稳定下来，分析突发事件扰动对城市关联基础设施系统产生的波纹影响，评估系统的吸收能力与适应能力；突发事件发生之后，估计城市关联基础设施系统的恢复时间与代价及经济损失情况，评估系统的恢复能力。