蓄意攻击下城市关联生命线网络恢复力研究

Improving the resilience of urban lifeline networks under intentional attack event such as terror attack is a crucial way to maintain urban function and ensure social welfare of residents. The purpose of this project is to assess and optimize the resilience of interdependent lifeline networks under intentional attack. There are three challenges ahead, complex interdependence of multi-layer lifeline networks, attack-defense strategy game on interdependent lifeline networks, great diversity of recovery sequence of failure elements. To deal with the challenges, three closely related topics are studied. First, study cascading failure mechanism and create consequence analytical model of interdependent lifeline networks. Next, based on the consequence analytical model, explore the attack-defense strategy gaming mechanism, then the relative attack probability and initial damage state of each node in multi-layer lifeline networks can be calculated. Finally, assess the resilience of interdependent lifeline networks by the PRF method, then optimize the recovery sequence of failure elements to improve the system resilience. This project will give more insights into the attack-defense strategy gaming mechanism on interdependent lifeline networks, extend the research field of critical infrastructure resilience from natural disaster to man-made intentional attack, and provide theoretical and technical support for rapidly recovery of urban function under terror or war attack.

提升城市生命线网络在恐怖袭击等蓄意攻击下的恢复能力，是袭后维持城市运转，保障居民生活的重要途径。本项目拟围绕蓄意攻击下关联生命线网络恢复力评估和优化问题展开研究。针对解决该问题在“多层生命线网络复杂关联性”、“关联生命线网络单元受袭攻防策略博弈性”及“关联生命线网络恢复时序多样性”三方面挑战，首先研究生命线网络级联失效机制，建立关联生命线网络由初始单元毁伤引发级联失效的后果解析模型。进而结合后果解析模型，研究关联生命线网络攻防策略博弈均衡机理，得到各层网络节点相对受袭概率和初始毁伤状态分布。最终通过PRF方法，对关联生命线网络进行恢复力评估，并采用智能优化算法对失效单元进行恢复时序优化，以提升体系恢复力。通过本项目研究，将揭示复杂关联特征下生命线网络攻防策略博弈机理，推动生命线网络恢复力研究从自然灾害领域向人为蓄意攻击领域扩展，为恐怖袭击或战争打击下城市功能迅速恢复运转提供理论和技术支撑。

城市各类生命线现已发展成为多层的、相互关联的复杂网络综合体。恐怖袭击和战争打击等蓄意攻击是城市生命线网络面临的重大威胁。提升城市生命线网络在蓄意攻击下的恢复能力，是维持城市运转，保障居民生活的重要途径。本项目针对蓄意攻击下城市关联生命线网络恢复力评估和优化问题，开展了以下三个方面的研究，建立了蓄意攻击下关联生命线网络恢复力评估与优化方法。.（1）关联生命线网络运行机制和动态失效传播.对单层生命线网络内部网络流运行机制进行定量研究，建立生命线网络功能易损性模型。在此基础上，对双层关联生命线网络进行关联机制研究，建立了双层关联生命线网络物理关联模型和数学表达方法。进而基于非线性离散时间动力系统，建立了关联生命线复杂网络静态失效评估和动态失效传播模型。.（2）关联生命线网络单元相对受袭概率及初始毁伤状态判定.开展生命线网络融合节点自身价值及系统价值的综合价值定量评估研究，在此基础上建立了关联生命线网络攻防策略静态博弈均衡模型，确定了关联生命线网络单元相对受袭概率及初始毁伤状态判定方法，并分别适用于单一袭击者类型及多种袭击者类型，为蓄意攻击下关联生命线网络恢复力评估和优化奠定基础。.（3）关联生命线网络恢复力仿真评估及优化方法.基于网络各单元相对受袭概率和初始毁伤状态，采用PRF方法，建立关联生命线网络恢复力仿真评估框架及方法，对其开展恢复力评估。并根据PRF函数，采用智能优化算法，对关联生命线网络失效单元进行恢复时序优化分析，并实现该理论方法在我国实际关联生命线网络的案例应用，以提升关联生命线网络整体恢复力。.本项目提出的蓄意攻击下关联生命线网络恢复力评估与优化方法，未来可应用于城市生命线规划建设、韧性城市规划建设、城市综合防灾规划建设和军事韧性战场规划建设等多个方面。