基于复杂网络理论的基础设施系统脆弱性分析

【摘要】：基础设施是一类为社会生产和居民生活提供服务的物质工程设施，它们是社会赖以生存和发展的一般性物质条件，也是典型的复杂系统。当今社会越来越依赖于基础设施系统提供的各种服务以维持其正常运行。然而近年来以北美大停电、08年中国南方雪灾为代表的各类灾害频繁爆发，给基础设施系统的安全敲响了警钟。鉴于基础设施系统对社会生产和人民生活的重要性，研究基础设施系统在不同扰动下的响应情形，分析、理解、识别基础设施系统的脆弱性，进而提出相应的抗干扰措施和改进策略，提高基础设施系统的可靠性，成为了当前研究的一个热点课题。 围绕基础设施系统的脆弱性研究及其应用，国内外众多研究机构和学者分别采用投入产出模型、系统动力学模型、Agent仿真模型，探讨了灾害对基础设施系统中的经济体、功能器件、业务流程等的影响并取得了若干初步成果，但是就总体而言，基础设施系统脆弱性的研究尚处于起步阶段，特别地，对于关联基础设施系统脆弱性研究目前仍然是一个较新的研究领域。 复杂网络作为大量真实复杂系统的高度抽象，其理论与应用研究已渗透到数理、生命和工程学科等众多不同的领域。利用复杂网络的理论和方法能够很好的描述基础设施系统的内部结构和彼此间的关联关系，为基础设施系统脆弱性的研究提供一个全新的视角和研究方法，有助于从整体上把握系统的复杂性和系统响应的动力学特性。基于此，本文运用复杂网络的理论和方法，从单一基础设施系统入手，以关联基础设施系统为研究重点分析基础设施系统的脆弱性。主要研究内容如下： 首先，利用复杂网络的理论和方法对基础设施系统进行了拓扑描述和功能刻画，介绍并总结了描述基础设施系统的聚类系数、度相关性、介数等参量，以便更深刻的理解基础设施系统结构与功能特性，给出了基础设施系统的脆弱性分析理论框架。 针对以往单一基础设施系统网络脆弱性研究中对边的级联故障和社团脆弱性很少提及这一情形，本文在一般脆弱性分析的基础上，建立了节点和边的级联故障模型，分析了基础设施系统网络在节点故障和边故障下的脆弱性。同时利用模块度优化算法给出了社团结构划分方法，并结合基础设施系统网络的结构特性和功能特点分别提出了结构和功能脆弱性指标，用以寻找网络最脆弱和鲁棒的社团。 对于关联基础设施系统，本文分别从关联类型、运行状态、基础设施特性、故障类型、耦合和响应行为、基础设施环境等不同方面分析了其关联性，结合基础设施系统脆弱性分析框架，对关联基础设施系统进行了脆弱性分析。在研究中对每一个具体系统进行了拓扑结构抽象，结合其运行机制建立了功能模型，考虑了不同系统间的关联关系，并给出了关联基础设施系统接口设计策略。利用网络效率、雪崩规模等性能指标分析了系统在不同接口、不同扰动策略下的脆弱性，得出了关联基础设施系统的故障容忍性和最优的接口设计标准。 脆弱性分析的目的是为了更好的保护基础设施系统。在单一和关联基础设施系统脆弱性分析基础上，探讨了基础设施系统的关键组件辨识方法，以便对这些关键组件进行重点保护。通过纳入缓冲、增加冗余、故障修复等手段讨论了基础设施系统的改进策略，为控制基础设施系统的级联故障、增强系统的抗干扰能力提供决策支持。