自然灾害下基础设施网络系统级联失效的建模与仿真研究

Interdependent infrastructures are the cornerstone of modern society. The research of modeling and simulation of cascading failure of critical infrastructure system in natural disasters should be vigorously carried out. This is not only the reality need of national security, but also has important practical application value. At present, the research is mainly to take advantage of the complex network approach to study the disaster diffusion in a single infrastructure network from a structural point of view,or take advantage of the functional model approach to study the disaster diffusion among several infrastructure networks from a functional point of view.The research of cascading failure of critical infrastructure system in natural disasters, from the perspective of a combination of structure and function, is just getting started. The study proposes a model to study interdependent infrastructure networks，based on the complex network theory and the infrastructure functional model，from the perspective of the structure and function interdependence among infrastructures.According to the characteristics of natural disasters and infrastructures, a model is proposed to study the spread of natural disasters in a single infrastructure network and among infrastructure networks. By using the model, the cascading failure of critical infrastructure system and the disaster control strategy from the perspective of the structure and function are simluated. The model is validated by applying it to simulate the snow disaster which broke out in infrastructures of a major city in Central China in recent years. This study not only enriches the research methods and content of the complex network theory , but also provides the basis for the infrastructure network infrastructure design, improvement , and emergency management .

基础设施网络系统是现代社会赖以生存维系的基石，开展自然灾害下基础设施系统级联失效的研究，既是国家安全的现实需要，也具有重要的实际应用价值。目前，相关研究中主要以利用复杂网络方法从结构角度研究单一网络中的灾害扩散，与利用功能模型从功能角度研究多个网络间的灾害扩散为主，将两者相结合从结构与功能角度研究自然灾害下多个关联基础设施网络组成的基础设施网络系统的级联失效研究才刚起步。 本研究拟借鉴复杂网络理论方法，综合现有基础设施网络功能模型，从结构关联、功能交互的角度建立基础设施网络关联模型，依据灾害及网络特性建立灾害在各类网络内与各网络间的扩散模型，仿真基础设施网络系统的级联失效过程，从结构改进与功能调整的角度设计灾害控制策略，以我国近年遭受的冰雪灾害为案例展开实证研究，验证研究成果的正确性。本研究不仅能丰富复杂网络理论的研究方法和内容，还能为基础设施网络系统的设计、改进 和应急管理提供依据。

基础设施网络系统日趋复杂，网络间的关联越来越紧密。网络间的相互关联在提高网络整体效率的同时，也使得因灾害而造成基础设施网系统的级联失效成为可能。本课题研究有助于人们了解基础设施网络系统的级联失效过程，并为管理者制定控制策略提供参考。.主要研究内容如下：.1、提出基础设施网络系统的一种建模方法，与Agent、投入产出、系统动力学等模型相比，能更好地从网络拓扑结构、网络运转负载以及网络结构功能关联的角度分析网络系统的级联失效影响。.2、设计网络系统级联失效的仿真模型，并以基础设施网络损失代价最小为目标函数，给出了如何利用该模型来仿真灾后各网络的状态转移过程以及网络系统的级联失效过程。.3、实验发现基础设施网络间关联关系的建立不仅会放大级联失效影响，还会改变原基础设施网络内重要节点的排序，针对第二个现象给出了一种网络系统中重要节点的搜索方法。.4、城市尺度方面，选择某城市冰雪灾后水网电网级联失效为案例展开研究，不仅验证了模型及仿真设计的可行性，还发现当以本网络损失代价最小为目标来调整负载时，无论是从网络系统损失代价，还是服务需求满足程度来看，控制效果均不佳，而较理想的是以保障网络关联节点为目标的负载调整策略。.5、国家尺度方面，综合我国铁路网拓扑结构及火车流信息，构建铁路网模型，分析了不同省份遭受不同程度地震（或区域性）灾害情况下，铁路网的级联失效情况及控制策略。.6、次生灾害方面，以华南地区登革热疫情为背景，研究自然灾害在城市造成次生灾害的级联扩散影响，识别出影响因素为：基础设施系统、社区的经济资本、社会资本、人口特征和制度因素。提出了城市社区灾害弹性能力的模型，该模型将基础设施系统与人文社会系统相结合，以达到控制灾害以及次生灾害级联扩散的效果。.7、灾后重建方面，以福岛地震引起的核泄漏及其在基础设施系统中的级联失效影响为例，给出了基础设施系统灾后重建的一种设计方法，并运用该方法对福岛灾后重建设计进行了研讨。