《系統(tǒng)工程 第6版》 課件 實例七 基于復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)分析

實例七：基于復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)分析

2.1超圖理論1.城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施抗毀性現(xiàn)狀2.2超網(wǎng)絡(luò)理論3.1子網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建3.2超邊模型構(gòu)建及保護策略2.超網(wǎng)絡(luò)研究的理論與概念3.基礎(chǔ)設(shè)施超網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及仿真流程3.3基礎(chǔ)設(shè)施超網(wǎng)絡(luò)模型形式化表示3.4基礎(chǔ)設(shè)施超網(wǎng)絡(luò)抗毀性仿真流程實例七：基于復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)分析4.1案例選擇與數(shù)據(jù)獲取4.2超網(wǎng)絡(luò)分析5.1超網(wǎng)絡(luò)運用5.2系統(tǒng)評價4.實例分析4.3模擬結(jié)果分析5.總結(jié)與拓展隨著我國城市化和工業(yè)化進程加快，城市生態(tài)環(huán)境和資源承載力面臨嚴峻挑戰(zhàn)，非傳統(tǒng)安全領(lǐng)域的隱蔽性、耦合性、衍生性所導致的危機疊加效應(yīng)和擴散效應(yīng)進一步顯現(xiàn)。當前我國城市在統(tǒng)籌發(fā)展與安全、常態(tài)減災(zāi)與非常態(tài)救災(zāi)、風險防控與應(yīng)急處突能力等方面的不平衡問題。城市基礎(chǔ)設(shè)施作為維系城市系統(tǒng)運作的重要樞紐，同時也是災(zāi)害風險演化的關(guān)鍵載體。電力、通訊、交通等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)間的相互依賴程度高、耦合作用機理復雜，受到擾動后極易發(fā)生級聯(lián)失效、升級失效以及同因失效等嚴重后果，這些因素加大了災(zāi)害管理部門對于災(zāi)害風險的預(yù)防和響應(yīng)難度。1.城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施抗毀性現(xiàn)狀1.城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施抗毀性現(xiàn)狀基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)抗毀性研究仍存在以下不足：①僅涉及主體單一②缺乏針對自然災(zāi)害獨特性的研究網(wǎng)絡(luò)抗毀性網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性，衡量的是破壞一個系統(tǒng)的難度，即系統(tǒng)在遭到針對性的蓄意攻擊或隨機攻擊時網(wǎng)絡(luò)仍能保持連通且穩(wěn)定工作的能力。ALBERTR提出以網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點失效引起的網(wǎng)絡(luò)性能變化來衡量網(wǎng)絡(luò)抗毀性。網(wǎng)絡(luò)抗毀性研究的兩條主要分支：①基于圖論的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抗毀性研究②節(jié)點或邊的失效對物理網(wǎng)絡(luò)效能的影響研究對真實系統(tǒng)的刻畫，人們一直用復雜網(wǎng)絡(luò)來進行描述。復雜網(wǎng)絡(luò)由眾多“節(jié)點”和一些連接兩個節(jié)點的“邊”構(gòu)成。學者發(fā)現(xiàn)常規(guī)網(wǎng)絡(luò)難以有效刻畫復雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與其內(nèi)在邏輯關(guān)系，“超網(wǎng)絡(luò)”便應(yīng)運而生。1973年Berge提出并研究了超圖理論的基本概念和基本性質(zhì)。、超圖是圖的重要擴展和推廣，其不同于一般圖論之處在于：普通圖中的每條邊只連接兩個節(jié)點，然而超圖中的“超邊”能夠包括兩個以上的節(jié)點，能夠反映出多個節(jié)點之間所存在的關(guān)系，因此超圖中的邊被稱為“超邊”。

2.1超圖理論2.超網(wǎng)絡(luò)研究的理論與概念2.2超網(wǎng)絡(luò)理論超網(wǎng)絡(luò)的研究主要從超網(wǎng)絡(luò)兩種不同的定義展開：一種是基于超圖的超網(wǎng)絡(luò)（Hypernetwork），即用超圖來定義超網(wǎng)絡(luò)；另一種是基于網(wǎng)絡(luò)的超網(wǎng)絡(luò)（Supernetwork），即多個單一網(wǎng)絡(luò)相互耦合形成的多層超網(wǎng)絡(luò)，也稱為“網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)”。

（1）基于超圖的超網(wǎng)絡(luò)。Estrada擴展了以超圖表示復雜網(wǎng)絡(luò)的子圖中心性和聚類的概念，其主要以超圖理論為基礎(chǔ)，通過簡化層次結(jié)構(gòu)，使得節(jié)點間的聯(lián)系能夠清晰表達。（a）競爭二部圖（b）競爭超網(wǎng)絡(luò)2.2超網(wǎng)絡(luò)理論（2）基于網(wǎng)絡(luò)的超網(wǎng)絡(luò)（Supernetwork）。一方面聚焦于超網(wǎng)絡(luò)中各子網(wǎng)之間關(guān)系的研究，另一方面則是網(wǎng)絡(luò)與外界環(huán)境的交互性研究。研究總體上側(cè)重于現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)多級、多層、多維的復雜特性，將整體超網(wǎng)絡(luò)視為多個單層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的集合，每層子網(wǎng)絡(luò)具有不同功能和屬性，而各層子網(wǎng)絡(luò)間存在復雜的耦合作用關(guān)系。一些復雜網(wǎng)絡(luò)特征，如有向和無向網(wǎng)絡(luò)、有權(quán)和無權(quán)網(wǎng)絡(luò)等也被納入超網(wǎng)絡(luò)研究，適合于解決具有多層次網(wǎng)絡(luò)的建模問題，為分析大規(guī)模系統(tǒng)各組成部分之間的關(guān)系提供了新方法。

3.基礎(chǔ)設(shè)施超網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及仿真流程在災(zāi)害演化及應(yīng)對過程中，主要涉及致災(zāi)因子、基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)急組織三個重要主體，組織的防災(zāi)減災(zāi)策略可分為兩種：①防控致災(zāi)因子，降低其發(fā)生概率、減少次生災(zāi)害；②防護基礎(chǔ)設(shè)施，提升承災(zāi)體抗毀性。研究構(gòu)建由組織網(wǎng)絡(luò)、風險網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)三種子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的超網(wǎng)絡(luò)模型。該超網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建包括子網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建和超邊模型構(gòu)建。3.1子網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

3.1子網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

3.1子網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

3.2超邊模型構(gòu)建及保護策略

3.2超邊模型構(gòu)建及保護策略

3.2超邊模型構(gòu)建及保護策略

：3.2超邊模型構(gòu)建及保護策略（3）風險網(wǎng)絡(luò)到基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的映射故基礎(chǔ)設(shè)施整體網(wǎng)絡(luò)的風險值

表達式為

（8-26）——采取保護做事的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點數(shù)量；——基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點有組織保護且相關(guān)風險被組織干預(yù)的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點風險值；——基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點有組織保護但相關(guān)風險未被組織干預(yù)的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點風險值；——基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點無組織保護但相關(guān)風險被組織干預(yù)的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點風險值；——基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點無組織保護且相關(guān)風險未被組織干預(yù)的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點風險值。：3.2超邊模型構(gòu)建及保護策略

：3.3基礎(chǔ)設(shè)施超網(wǎng)絡(luò)模型形式化表示

3.4基礎(chǔ)設(shè)施超網(wǎng)絡(luò)抗毀性仿真流程圖8-52基礎(chǔ)設(shè)施超網(wǎng)絡(luò)抗毀性模擬流程

4.案例分析4.1案例選擇與數(shù)據(jù)獲取案例選擇：本文以2008年汶川地震為例構(gòu)建超網(wǎng)絡(luò)，探討基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)保護。數(shù)據(jù)獲??；研究的數(shù)據(jù)收集與處理主要運用網(wǎng)絡(luò)分析方法（NetworkAnalysis），具體為基于文本的多信源混合方法，案例基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)節(jié)點說明如表所示?；A(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)節(jié)點說明4.1案例選擇與數(shù)據(jù)獲取應(yīng)急組織間的協(xié)同關(guān)系以及組織管控的災(zāi)害風險和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，通過分析相關(guān)應(yīng)急預(yù)案和組織自身職能提煉獲取。構(gòu)建的汶川地震超網(wǎng)絡(luò)模型如圖所示。

汶川地震的基礎(chǔ)設(shè)施超網(wǎng)絡(luò)模型4.2超網(wǎng)絡(luò)分析（1）組織網(wǎng)絡(luò)分析。分析得到汶川地震應(yīng)急救援組織的合作網(wǎng)絡(luò)，進一步采用社會網(wǎng)絡(luò)分析方法計算不同組織中心性。汶川地震組織網(wǎng)絡(luò)圖4.2超網(wǎng)絡(luò)分析按度中心性排名靠前的組織為發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部、財政部和住建部，即這些組織與較多的組織直接關(guān)聯(lián)，且這些組織在汶川地震災(zāi)害救援過程中，發(fā)揮著保障民眾衣食住行等基本生活水平的重要作用。發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部、銀監(jiān)會、地震局等組織在整個網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)出較強的權(quán)力輸出、信息傳遞和資源調(diào)度能力，它們在整個汶川地震合作網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著協(xié)調(diào)的主體作用。

汶川地震組織網(wǎng)絡(luò)中心性計算結(jié)果（按度中心性排序）4.2超網(wǎng)絡(luò)分析（2）風險網(wǎng)絡(luò)評估。通過分析收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，得到汶川地震引發(fā)的主要災(zāi)害及其演化關(guān)系。汶川地震風險災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)圖4.2超網(wǎng)絡(luò)分析以洪水災(zāi)害為例，研究基于自然災(zāi)害風險“四因子”理論，即危險性、暴露性、脆弱性與防災(zāi)減災(zāi)能力，運用AHP方法對洪水風險概率進行評估，具體步驟如下：步驟一：建立洪水風險的遞階結(jié)構(gòu)洪水風險的遞階結(jié)構(gòu)圖4.2超網(wǎng)絡(luò)分析步驟二：建立各階層的判斷矩陣，并進行一致性檢驗。

階數(shù)12346789101112131415RI000.580.891.241.521.411.451.491.521.541.561.581.594.2超網(wǎng)絡(luò)分析

4.2超網(wǎng)絡(luò)分析

4.2超網(wǎng)絡(luò)分析（3）組織網(wǎng)絡(luò)到風險網(wǎng)絡(luò)的映射。展現(xiàn)了組織網(wǎng)絡(luò)和風險網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部及其子網(wǎng)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，其中組織網(wǎng)絡(luò)中顏色相同的組織意味著其相互協(xié)同構(gòu)成了組織子群，其內(nèi)部按照致災(zāi)因子發(fā)生概率進行資源的協(xié)調(diào)分配，以提升風險防治效率。組織網(wǎng)絡(luò)到風險網(wǎng)絡(luò)映射圖4.3模擬結(jié)果分析利用軟件MATLAB對基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)抗毀性進行模擬模型參數(shù)初始化設(shè)置

在沒有風險控制的情況下，應(yīng)急組織分別對基礎(chǔ)設(shè)施進行隨機保護和協(xié)同保護時，各基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點的風險值如圖。表明組織間的協(xié)同能夠更有效的降低基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)風險，通過提前對網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點進行保護，能夠提升基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)面臨重大自然災(zāi)害時的抗毀性。4.3模擬結(jié)果分析

當應(yīng)急組織協(xié)同進行基礎(chǔ)設(shè)施保護時，不同風險控制策略下基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點風險值如圖。表明政府組織對致災(zāi)因子節(jié)點的干預(yù)措施能夠在一定程度上提升基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)抗毀性，但若是應(yīng)急管理組織缺乏及時有效的溝通而表現(xiàn)出各自為政的隨機管理狀態(tài)，可能出現(xiàn)的災(zāi)害后果依然較為嚴重；相反，組織間若是相互協(xié)同合作，則能夠迅速整合并高效分配資源，以防范致災(zāi)因子的級聯(lián)風險，從而提升基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的抗毀性。

不同風險控制策略下節(jié)點風險值變化4.3模擬結(jié)果分析

為不同組織協(xié)同策略對于基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)節(jié)點風險值的影響，其中無組織協(xié)同是指組織對于基礎(chǔ)設(shè)施與致災(zāi)因子節(jié)點均進行隨機干預(yù)，此時基礎(chǔ)設(shè)施整體網(wǎng)絡(luò)風險為0.154；僅協(xié)同進行風險控制或是僅協(xié)同保護基礎(chǔ)設(shè)施時，網(wǎng)絡(luò)風險值分別為0.074、0.081，兩種策略并無明顯差異。此外，若是組織間協(xié)同進行關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護和災(zāi)害節(jié)點風險防控，對于基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)抗毀性的提升效果最為顯著。

不同組織協(xié)同策略下節(jié)點風險值變化5.總結(jié)與擴展超網(wǎng)絡(luò)作為復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的重要理論工具，有利于更加深入刻畫現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)的復雜特性。具體分析了災(zāi)害演進過程中不同的基礎(chǔ)設(shè)施保護、風險控制與組織協(xié)同策略對于基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)抗毀性的影響。結(jié)果表明：組織對于風險控制和基礎(chǔ)設(shè)施保護進行有的放矢的協(xié)同管理，可以有效提升基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)面臨重大自然災(zāi)害時的抗毀性。研究有助于進一步從多層多級特征、多目標準則以及網(wǎng)絡(luò)嵌套性方面認識基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)抗毀性，以提高組織的應(yīng)急管理效率。5.總結(jié)與擴展（1）超網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：由于超網(wǎng)絡(luò)在表示復雜網(wǎng)絡(luò)的多層多級特征、多目標準則性、網(wǎng)絡(luò)嵌套性等方面具有極大優(yōu)勢，因而被國內(nèi)外學者廣泛應(yīng)用于供應(yīng)鏈、生物系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)、知識網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等研究領(lǐng)