《系统工程 第6版》 课件 实例七 基于复杂系统结构的城镇基础设施防灾减灾分析

实例七：基于复杂系统结构的

城镇基础设施防灾减灾分析

2.1超图理论1.城镇基础设施抗毁性现状2.2超网络理论3.1子网络模型构建3.2超边模型构建及保护策略2.超网络研究的理论与概念3.基础设施超网络模型构建及仿真流程3.3基础设施超网络模型形式化表示3.4基础设施超网络抗毁性仿真流程实例七：基于复杂系统结构的

城镇基础设施防灾减灾分析4.1案例选择与数据获取4.2超网络分析5.1超网络运用5.2系统评价4.实例分析4.3模拟结果分析5.总结与拓展随着我国城市化和工业化进程加快，城市生态环境和资源承载力面临严峻挑战，非传统安全领域的隐蔽性、耦合性、衍生性所导致的危机叠加效应和扩散效应进一步显现。当前我国城市在统筹发展与安全、常态减灾与非常态救灾、风险防控与应急处突能力等方面的不平衡问题。城市基础设施作为维系城市系统运作的重要枢纽，同时也是灾害风险演化的关键载体。电力、通讯、交通等基础设施系统间的相互依赖程度高、耦合作用机理复杂，受到扰动后极易发生级联失效、升级失效以及同因失效等严重后果，这些因素加大了灾害管理部门对于灾害风险的预防和响应难度。1.城镇基础设施抗毁性现状1.城镇基础设施抗毁性现状基础设施网络抗毁性研究仍存在以下不足：①仅涉及主体单一②缺乏针对自然灾害独特性的研究网络抗毁性网络拓扑结构的可靠性，衡量的是破坏一个系统的难度，即系统在遭到针对性的蓄意攻击或随机攻击时网络仍能保持连通且稳定工作的能力。ALBERTR提出以网络中关键节点失效引起的网络性能变化来衡量网络抗毁性。网络抗毁性研究的两条主要分支：①基于图论的网络结构抗毁性研究②节点或边的失效对物理网络效能的影响研究对真实系统的刻画，人们一直用复杂网络来进行描述。复杂网络由众多“节点”和一些连接两个节点的“边”构成。学者发现常规网络难以有效刻画复杂系统的结构与其内在逻辑关系，“超网络”便应运而生。1973年Berge提出并研究了超图理论的基本概念和基本性质。、超图是图的重要扩展和推广，其不同于一般图论之处在于：普通图中的每条边只连接两个节点，然而超图中的“超边”能够包括两个以上的节点，能够反映出多个节点之间所存在的关系，因此超图中的边被称为“超边”。

2.1超图理论2.超网络研究的理论与概念2.2超网络理论超网络的研究主要从超网络两种不同的定义展开：一种是基于超图的超网络（Hypernetwork），即用超图来定义超网络；另一种是基于网络的超网络（Supernetwork），即多个单一网络相互耦合形成的多层超网络，也称为“网络中的网络”。

（1）基于超图的超网络。Estrada扩展了以超图表示复杂网络的子图中心性和聚类的概念，其主要以超图理论为基础，通过简化层次结构，使得节点间的联系能够清晰表达。（a）竞争二部图（b）竞争超网络2.2超网络理论（2）基于网络的超网络（Supernetwork）。一方面聚焦于超网络中各子网之间关系的研究，另一方面则是网络与外界环境的交互性研究。研究总体上侧重于现实网络多级、多层、多维的复杂特性，将整体超网络视为多个单层网络构成的集合，每层子网络具有不同功能和属性，而各层子网络间存在复杂的耦合作用关系。一些复杂网络特征，如有向和无向网络、有权和无权网络等也被纳入超网络研究，适合于解决具有多层次网络的建模问题，为分析大规模系统各组成部分之间的关系提供了新方法。

3.基础设施超网络模型构建及仿真流程在灾害演化及应对过程中，主要涉及致灾因子、基础设施、应急组织三个重要主体，组织的防灾减灾策略可分为两种：①防控致灾因子，降低其发生概率、减少次生灾害；②防护基础设施，提升承灾体抗毁性。研究构建由组织网络、风险网络、基础设施网络三种子网络构成的超网络模型。该超网络模型构建包括子网络模型构建和超边模型构建。3.1子网络模型构建

3.1子网络模型构建

3.1子网络模型构建

3.2超边模型构建及保护策略

3.2超边模型构建及保护策略

3.2超边模型构建及保护策略

：3.2超边模型构建及保护策略（3）风险网络到基础设施网络的映射故基础设施整体网络的风险值

表达式为

（8-26）——采取保护做事的基础设施节点数量；——基础设施节点有组织保护且相关风险被组织干预的基础设施节点风险值；——基础设施节点有组织保护但相关风险未被组织干预的基础设施节点风险值；——基础设施节点无组织保护但相关风险被组织干预的基础设施节点风险值；——基础设施节点无组织保护且相关风险未被组织干预的基础设施节点风险值。：3.2超边模型构建及保护策略

：3.3基础设施超网络模型形式化表示

3.4基础设施超网络抗毁性仿真流程图8-52基础设施超网络抗毁性模拟流程

4.案例分析4.1案例选择与数据获取案例选择：本文以2008年汶川地震为例构建超网络，探讨基础设施网络保护。数据获取；研究的数据收集与处理主要运用网络分析方法（NetworkAnalysis），具体为基于文本的多信源混合方法，案例基础设施网络节点说明如表所示。基础设施网络节点说明4.1案例选择与数据获取应急组织间的协同关系以及组织管控的灾害风险和基础设施系统，通过分析相关应急预案和组织自身职能提炼获取。构建的汶川地震超网络模型如图所示。

汶川地震的基础设施超网络模型4.2超网络分析（1）组织网络分析。分析得到汶川地震应急救援组织的合作网络，进一步采用社会网络分析方法计算不同组织中心性。汶川地震组织网络图4.2超网络分析按度中心性排名靠前的组织为发改委、农业部、财政部和住建部，即这些组织与较多的组织直接关联，且这些组织在汶川地震灾害救援过程中，发挥着保障民众衣食住行等基本生活水平的重要作用。发改委、农业部、银监会、地震局等组织在整个网络中表现出较强的权力输出、信息传递和资源调度能力，它们在整个汶川地震合作网络中发挥着协调的主体作用。

汶川地震组织网络中心性计算结果（按度中心性排序）4.2超网络分析（2）风险网络评估。通过分析收集到的相关数据，得到汶川地震引发的主要灾害及其演化关系。汶川地震风险灾害网络图4.2超网络分析以洪水灾害为例，研究基于自然灾害风险“四因子”理论，即危险性、暴露性、脆弱性与防灾减灾能力，运用AHP方法对洪水风险概率进行评估，具体步骤如下：步骤一：建立洪水风险的递阶结构洪水风险的递阶结构图4.2超网络分析步骤二：建立各阶层的判断矩阵，并进行一致性检验。

阶数12346789101112131415RI000.580.891.241.521.411.451.491.521.541.561.581.594.2超网络分析

4.2超网络分析

4.2超网络分析（3）组织网络到风险网络的映射。展现了组织网络和风险网络的内部及其子网间的结构关系，其中组织网络中颜色相同的组织意味着其相互协同构成了组织子群，其内部按照致灾因子发生概率进行资源的协调分配，以提升风险防治效率。组织网络到风险网络映射图4.3模拟结果分析利用软件MATLAB对基础设施网络抗毁性进行模拟模型参数初始化设置

在没有风险控制的情况下，应急组织分别对基础设施进行随机保护和协同保护时，各基础设施节点的风险值如图。表明组织间的协同能够更有效的降低基础设施网络风险，通过提前对网络中的关键节点进行保护，能够提升基础设施网络面临重大自然灾害时的抗毁性。4.3模拟结果分析

当应急组织协同进行基础设施保护时，不同风险控制策略下基础设施节点风险值如图。表明政府组织对致灾因子节点的干预措施能够在一定程度上提升基础设施网络抗毁性，但若是应急管理组织缺乏及时有效的沟通而表现出各自为政的随机管理状态，可能出现的灾害后果依然较为严重；相反，组织间若是相互协同合作，则能够迅速整合并高效分配资源，以防范致灾因子的级联风险，从而提升基础设施网络的抗毁性。

不同风险控制策略下节点风险值变化4.3模拟结果分析

为不同组织协同策略对于基础设施网络节点风险值的影响，其中无组织协同是指组织对于基础设施与致灾因子节点均进行随机干预，此时基础设施整体网络风险为0.154；仅协同进行风险控制或是仅协同保护基础设施时，网络风险值分别为0.074、0.081，两种策略并无明显差异。此外，若是组织间协同进行关键基础设施保护和灾害节点风险防控，对于基础设施网络抗毁性的提升效果最为显著。

不同组织协同策略下节点风险值变化5.总结与扩展超网络作为复杂系统结构研究的重要理论工具，有利于更加深入刻画现实网络的复杂特性。具体分析了灾害演进过程中不同的基础设施保护、风险控制与组织协同策略对于基础设施网络抗毁性的影响。结果表明：组织对于风险控制和基础设施保护进行有的放矢的协同管理，可以有效提升基础设施网络面临重大自然灾害时的抗毁性。研究有助于进一步从多层多级特征、多目标准则以及网络嵌套性方面认识基础设施网络抗毁性，以提高组织的应急管理效率。5.总结与扩展（1）超网络应用：由于超网络在表示复杂网络的多层多级特征、多目标准则性、网络嵌套性等方面具有极大优势，因而被国内外学者广泛应用于供应链、生物系统、互联网、知识网络、交通网络等研究领