关联基础设施网络弹性提升的机制与方法研究——以城市住区为例

It is very important to build a more resilient infrastructure system that is not only able to withstand the high intensity disasters, but also mitigate the propagation speed of the disasters, and recovery rapidly from the disasters. What's more, because different types of infrastructure are interdependent, we must research the mechanism and methods to improve resilience of interdependent infrastructures from an overall perspective. In order to accurately measure the resilience of the interdependent infrastructure system, the proposal intends to build an interdependent infrastructure network model, and then design an integral performance evaluation index on interdependent infrastructure network and explore the algorithm to calculate the index through the integration of the max-flow theory and evolutionary algorithms. On this basis, according to the stage characteristics of the system performance change after the disasters, the proposal proposed four progressive emergency response mechanisms to improve the resilience of interdependent infrastructure network. Four progressive emergency response mechanisms are in turn withstanding the disaster, slowing down the spread of the disaster, enhancing service capabilities for disaster period and completing efficiently the system recovery. By means of using the new performance index of system, the first mechanism from a new perspective on vulnerability, will identify critical components and critical geographical locations, then develop pre-disaster prevention programs; In the following three mechanisms, three multi-objective programming models will be built in turn to explore the quantitative methods on improving system performance during disasters and after disasters, thus provide a reliable basis for quantitative decision-making according to different objectives among the network performance, the available resources and the recovery time in different stages.

建设一个既能抵御高强度灾害，又能减缓灾害传播速度，并从灾害中迅速恢复的弹性基础设施系统非常重要。而基础设施之间的相互关联，决定了应从整体上研究关联基础设施网络弹性提升的机制与方法。为了准确度量关联基础设施系统的弹性，本项目拟通过构建关联基础设施网络模型，设计一个关联基础设施网络的综合绩效评价指标，并基于最大流理论与进化算法，探索计算该指标的算法；并在上述基础上，根据灾害发生后系统绩效变化的阶段特征，从抵御灾害发生、减缓灾害传播、提升灾害期服务能力和高效完成系统恢复等四个方面，提出关联基础设施网络弹性提升的四道递进式应急反应机制。应用新的系统绩效评价指标，第一道机制将从一个新的脆性评价视角，识别网络关键组件和关键位置，制定灾前预防方案；后三道机制将依次构建三个多目标规划模型，探索灾中、灾后提升系统绩效的量化方法，为决策者在相应阶段权衡资源、时间与系统绩效等多目标，进行定量化决策提供依据。

基础设施是人类社会生产、生活的物质基础，人类的文明依赖于基础设施的发展水平以及运行管理水平。伴随着全球各种极端自然灾害的增加、稳定繁荣国家地区基础设施的老化、极端恐怖分子的蓄意攻击等外部和内部因素对基础设施的破坏性影响，建设一个既能抵御高强度灾害，又能减缓灾害传播速度，并从灾害中迅速恢复的弹性基础设施系统异常重要。本项目突出关注不同破坏类型下，关联关键基础设施的保护与管理机制设计，以及在可能的破坏类型下，系统不同绩效阶段维护资源、维护时间与系统绩效等目标下的决策理论模型与求解方法的研究。本项目具有典型的跨学科特点，主要涉及建设工程生命周期管理和工业工程等领域的经典理论模型和方法，本质上属于基础设施的安全保护与可靠性领域的研究。.基于前述的社会需求背景和学术领域的研究关注，围绕项目申请书的研究计划和研究目标，本项目在理论研究方面，从灾害的预警-发生-抵御-维护的生命周期视角到提出了关联基础设施网络弹性提升应急反应机制的决策理论模型，涉及和涵盖对博弈论、多目标优化、进化算法等知识的综合创新运用。在理论模型的指导下，针对系统绩效的阶段性特征开展了深入具体的研究。首先在关联基础设施的脆弱性评估方面，以典型基础设施为例兼顾攻击的损失和攻击的可能性等提出了蓄意攻击下关键基础设施的评价指标体系，并给出了不同重要程度的系统组件在保护和维护状态下的资源分配模型与方法。其次在基础设施灾害发生后的运维管理方面，从不同视角设计了多个决策模型。在基础设施网络运行优化方面，以优化网络传输切换为思路，根据成本的最小化和概率可靠性的最大化提出了求解最佳传输切换策略的多目标模型及求解算法，并基于算例进行了检验，证明了其有效性。在基础设施灾后维护资源的指派分配上，以系统绩效损失最小化为指标提出了多个不同维护效率维修队伍的维修指派与路径选择方法，并给出了一个改进的进化算法进行模型求解。在执行计划书中的研究内容过程中，项目团队深度挖掘，针对系统外部失效的不确定性，基于博弈思想给出了系统组件正常和最坏情况下兼顾的提升系统鲁棒性的冗余资源分配方法；针对应急状态下维修人员的住宿环境与生活状况改善，以建筑工人为对象进行了一个案例研究，以成本最小化和居住舒适最大化为目标给出了居住设施的模块设计方法。依托本项目发表的研究论文能够为关键基础设施的灾前、灾中、灾后维护与运营管理以及相关政策制定提供决策借鉴。