关联基础设施系统的弹性评估

Infrastructure systems, such as power systems, water supply systems, telecommunication systems and so on, provide essential services that support economic prosperity and quality of life. However, these systems are not alone, but interdependent at multiple levels so that small failures in one infrastructure system can result in cascading failures within it and across other systems, largely impacting the regional or national economic systems as well as people's life. Currently, most of research mainly focus on the modeling of cascading failures among interdependent infrastructure systems, and ignore the modeling on sytems' restoration processes. Full consideration of both aspects is pertinent to the term "resilience", which is defined as the joint ability of infrastructure systems to resist any possible hazards, absorb initial damage, and recover to normal operation. This project intends to design a computationally efficient method to analyze the cascading failures of interdependent infrastructure systems immediately after a disruptive event, establish a post-disaster restoration model of interdepedent infrastructure systems in a cooperated fashion, and then propose a method to estimate the resilience of interdependent infrastructure systems. Taking several real systems as test-beds, the proposed resilience framework has been validated and complemented. This project not only contributes to the fields of complex network theory and complex systems theory, but also provides theoritical foundations to improve and protect our national infrastructure systems, as a basis to realize a resilient China.

基础设施系统如电力、供水与通信系统等，为社会生产与居民生活提供基本服务，支撑经济发展并保证人民生活质量。然而，这些系统并非独立存在，而是相互关联，使得单个基础设施内的局部故障不仅会在系统内扩散，还会蔓延至与其关联的其它系统，对区域乃至整个国家的经济和人民生活造成严重影响。目前，多数研究主要关注关联基础设施系统灾后连锁故障过程的建模，忽视了系统恢复过程的建模。两者的综合考虑引出了弹性的概念，强调系统对各种危害的抵抗性、适应性以及从破坏中恢复的能力。本课题拟设计关联基础设施系统灾后连锁故障过程中系统状态变化的有效计算方法，建立关联系统灾后的协调恢复过程模型，进而提出关联基础设施系统弹性的评估方法，并以多个实际关联系统为案例，验证并完善弹性评估框架。本项研究不仅能丰富复杂网络、复杂系统的研究方法和内容，还能为我国基础设施系统的改进与保护提供理论依据，为实现弹性中国打下基础。

近年来，自然灾害频发，许多学者开展了弹性社区或城市的研究，强调对各类灾害的抵抗性、适应性以及恢复能力。基础设施系统的弹性决定了一个社区或城市面对各种灾害的弹性，因为通信、电力、交通等基础设施影响着受灾区域人民的信息获取、风险意识与生存状况，以及应急与灾后重建资源的分配与调度。然而，这些系统并非独立存在，而是相互关联，使得单个基础设施内的局部故障不仅在系统内扩散，还会蔓延至与其关联的其它系统，对区域乃至整个国家的经济和人民生活造成严重影响。基于此，项目组在过去三年里开展了关联基础设施系统的弹性评估研究，主要研究内容包括：(1) 研究关联系统连锁故障过程中系统状态变化的有效计算方法，计算灾后稳态时的系统状态与整体性能指标；(2) 研究关联系统的协调恢复过程模型，生成系统的性能恢复过程曲线；(3) 基于灾后稳态性能指标与性能恢复过程曲线，研究关联系统的弹性评估指标与计算方法; (4) 评估不同的实际基础设施系统的弹性。根据上述研究内容，截止2015年12月31号，共发表SCI收录期刊论文14篇(10篇标注基金编号，4篇在基金申请过程中发表)，参加国内外学术会议若干次，主要成果包括：（1）提出了采用拓扑结构模型近似基础设施实际流模型计算灾后稳态性能指标的条件，提高了特定条件下关联系统连锁故障过程的计算效率；（2）以电网与天然气网为例，提出了关联系统的协调恢复过程模型，以最小化关联系统的整体弹性损失，并给出模型的求解方法；（3）提出了基础设施系统多维度弹性评估指标及其计算方法；（4）对休斯顿地区的电网，IEEE 57、IEEE 118、IEEE 300电网, 中国铁路网，以及休斯顿地区的关联电网与水网，中国的关联铁路网与航空网等实际系统，开展了弹性以及弹性相关特性的实证研究。此外，上述研究成果得到了较好的引用，Google Scholar引用249次，1篇ESI 1%高被引论文，同时项目负责人被评为Elsevier发布的“中国高被引学者”中的一员（领域：安全，风险，可靠性和质量）。本项目提出的弹性分析方法一方面能够对由局部故障可能引发的全局性问题进行预警和预防，从而提高系统对灾害的抵抗与适应能力；另一方面能够对已知危害情形进行弹性分析，从而制定相应的减灾方案，提高系统从破坏中恢复的能力。同时，本项目的研究也丰富了复杂网络理论的研究内容和方法，也为复杂系统的弹性研究提供了启示。