关联基础设施系统相互作用模型与脆弱性分析

关联基础设施系统相互作用会耦合放大失效损失,严重影响城市和区域经济社会系统稳定。基于基础设施网络的拓扑结构、工程特性和关联关系,构建关联基础设施系统相互作用仿真模型,提出度量关联关系对脆弱性影响的指标,分析关联基础设施网络的脆弱性。通过算例仿真,得到关联关系对脆弱性影响显著,降低一类基础设施的脆弱性可使关联网络脆弱性降低,关联结构越紧密脆弱性越大等结论。研究成果有助于掌握基础设施微观结构变化与宏观功能变化的逻辑关联。     

基于Agent能源管网基础设施模型设计与研究

能源管网基础设施网络具有脆弱性、不确定性和自适应修复性特征.对此类系统在危机条件下的建模仿真研究可帮助研究者确定系统关键节点的位置,提高防护策略的有效性.基于Agent能源管网基础设施模型设计包括对建模对象和抽象层次的确定、各类Agent实体设计、核心算法设计和Agent交互原理设计.关联性是影响系统行为的关键因素,能源管网基础设施模型系统中关键节点的分布状态和关联性的复杂程度决定了系统整体行为趋势.     

城市基础设施投资结构的动态仿真与分析——以北京市为例

基础设施在城市化进程中扮演着关键作用,合理选择基础设施投资结构对于城市可持续发展至关重要。鉴于基础设施的多系统复合特征,结合系统动力学和耦合协调理论,构建了城市基础设施系统效益仿真模型,通过调整各类基础设施投资占比参数,设计出资金投入总额有限下的4种基础设施投资情景,模拟了北京市2018~2030年4种情景下基础设施效益子系统间耦合协调水平,提出了在模拟期内优化基础设施投资结构的参考方案。结果表明：2018~2030年4种情景下基础设施效益子系统间耦合协调水平存在差异,整体处于上升状态,由低度耦合协调演变为极度耦合协调;均衡兼顾型和现状延续型情景下的城市基础设施效益子系统间耦合协调水平分别在2018~2027年和2028~2030年两个时段内表现最优,更有利于推动城市可持续发展,可将此两种情景下的城市各类基础设施投资占比参数作为相应时段内城市基础设施投资的参考方案。     

面向脆弱性的城市CIS节点重要性评估方法

节点重要性评估是城市关键基础设施系统(CIS)脆弱性研究的主要内容之一。节点重要性影响因素非常复杂,仅从结构角度出发衡量节点的重要性略显片面,还需要考虑位置和经济等因素,因此,提出一种新的城市CIS节点重要性评估方法。在分析城市CIS关联关系特点的基础上,运用树形网络模式结构化表达系统内部的层级关联关系,提出二阶段IIM模型通过布尔逻辑捕捉城市CIS内的复杂关联关系;根据城市CIS特点,将单一关键基础设施抽象为节点,利用改进的PageRank算法,从结构重要性、位置重要性和经济重要性三方面衡量节点重要性,促使评估结果更加全面、客观、有效;最后,构造一个含有5个关键基础设施子系统,80个节点的虚拟城市CIS,给出算法具体评估过程和分析结果。     

城市关键基础设施网络脆弱性关联分析的知识本体配置

城市关键基础设施网络(critical infrastructure networks, CIN)之间具有密切耦合的关联关系,系统分析城市CIN关联失效的脆弱性具有重要现实意义,却面临责任组织间信息差异带来的知识鸿沟困境.本文考虑跨组织的知识交互共享,提出一种城市CIN脆弱性关联分析的本体配置方法.本体配置的核心是通过嵌入特征集对分析的情景本体映射,传递关联组织脆弱性分析的灾害情景信息以带动本组织情景描述的更新与完善.面向灾害映射情景,利用规则推理激活关联本体与识别CIN关联失效,从时间差和情景差出发重用评价本体与生成关联脆弱性结果.用例结果表明:所提方法有助于通过及时有效的组织沟通实现关键知识传递,由此提升CIN脆弱性关联分析的系统性和时效性;同时,该方法能够消减跨组织知识的语义障碍,促进知识的有效集成.     

基于物理关联的相互依赖关键基础设施网络模型构建

相互依赖关键基础设施的脆弱性、风险评估等相关研究能够为其保护提供依据，其中，建模是基础，确定相互依赖关系则是建模的前提。针对微观层次的相互依赖关系确定问题，从物理关联的角度，提出一种基于“输入-输出”的关键基础设施相互依赖关系分析方法。在此基础上，以能源、通信、供水和交通系统为对象，结合各系统的层次结构，构建相互依赖网络模型，并给出考虑供给能力和数量的边权值确定方法。最后，以武汉市的能源、通信、供水和交通系统为例，建立不同层次的相互依赖网络，发现能源类节点的影响力最高，需要给予更多的关注。     

基于网络最大流的城市雨水管网系统脆弱性评价

为了对城市雨水管网系统进行针对性的改建,在暴雨天提高事故抢修速度,需要对城市雨水管网系统进行脆弱性评价并找出脆弱管段.首先介绍了城市雨水管网系统排出雨水的干扰因素,提出了城市雨水管网系统脆弱性的概念,并逐一分析了影响城市雨水管网系统的因素,综合考虑各方面因素,建立了城市雨水管网系统的脆弱性评价模型.在此基础上,结合图论中网络最大流理论,寻找城市雨水管网系统中的脆弱管段.最后以西安某高校的雨水管网系统为例进行研究,测得了该高校雨水管网系统的脆弱度为0.877,证明该区域雨水管网脆弱性较低,不易形成内涝,并找出该高校雨水管网的脆弱管段.     

基于不完全信息博弈的关联基础设施网络保护策略研究

攻击的智能性和基础设施网络间关联的复杂性为制定关键基础设施保护策略带来了巨大挑战.基于此,本文以社区关联基础设施网络为对象,探讨了在攻击和保护资源有限的一般情形下,求解最佳保护策略的模型和有效算法.首先,根据城市社区关联基础设施网络间的关联关系,构建了关联基础设施网络物理模型;其次,基于网络最大流思想,设计了“最大流综合指数”来表征多个关联基础设施网络的工作绩效.然后,基于保护策略公开和攻击者总是选择最佳的攻击方式破坏关联基础设施网络的博弈场景,构建了用于求解不完全信息下“攻击资源不确定-保护资源有限”的关联基础设施网络保护策略求解模型.进一步,设计了计算单向依赖关联基础设施网络遭受攻击后的最终失效组件计算方法,并提出求解关联网络最佳防守-攻击策略的probabilistic solution discovery algorithm (PSDA)算法.该方法被应用到一个代表性算例当中,以验证算法的有效性和解释模型的应用.     

基于复杂网络的关联公共交通系统韧性分析

为保证城市公共交通系统的正常运行,对其拓扑结构及韧性进行研究。依据城市公交与地铁之间的耦合距离,建立相互依赖的公共交通网络模型,通过深度学习对耦合网络的拓扑属性进行识别;结合熵权法与最优理想解距法提出节点综合重要性指标,根据节点重要性对节点进行择优恢复,对比不同恢复策略下的网络韧性。以武汉市公共交通网络为例,验证了该方法的适用性和准确性。     

基于Logistic的区域交通基础设施生态系统演化模型

作为城市(群)生态系统的子系统,区域交通基础设施系统具有类似自然生态系统的递进演化特征,是一个非线性耗散结构体系,由于环境容量的限制,区域交通基础设施生态系统的演化和平衡满足Logistic模型.本文分析区域交通基础设施生态系统演化的动力机制,构建系统演化模型及系统种群共生演化模型,描述系统整体演化过程及系统多种群趋向不同平衡态的演化路径.以上海市对外交通系统为例,验证区域交通基础设施生态系统演化模型的准确性和实用性,反推上海市对外交通系统演化的Logistic方程,并预测其演化趋势.以上海市市内三种交通类型演化为例,验证区域交通基础设施生态系统多种群共生演化模型.根据模型结果,本文系统提出注重维护已有设施、合理发展公共交通、引进推广绿色交通的区域交通基础设施发展策略,为城市(群)交通基础设施网络功能优化和能力提升提供理论支撑.     

复杂微系统的端点特性建模理论

复杂微系统的模拟要求建立统一的,适合于植入电网络仿真器计算的系统级模型.以热力学概念作为通用理论框架,建立多畴耦合微系统通用模型的-般性理论.利用热力学共轭参量"流"和"势"统一表达从属于不同物理域子系统的端点特性,可建立各个子系统多端口组件模型.结合广义的Kirchhoffian网络理论,建立适合于电网络仿真器计算的MEMS系统级模型.便于对MEMS系统进行反复模拟和优化设计.以静电微泵为例,阐述了这一建模方法的有效性.     

基于综合效益最优的水务设施资金分配

城市水务基础设施的建设水平对城市的发展具有较大影响,建立完善的融资体制,科学合理分配资金,已成为城市水务基础设施建设的必然要求。为解决城市水务基础设施的资金分配问题,本文利用群体多属性决策方法,对城市水务基础设施系统进行了评价;根据综合评价结果,在已经建立的资金分配模型上,对其进行求解。研究结果表明:资金分配需要优先考虑用水子系统。     

基于区域毁伤的基础设施网络抗毁性评估模型

基础设施网络对国家经济、人民生活和社会安全具有重要意义,为了能够准确迅速地评估基础设施网络面对物理攻击或自然灾害时的抗毁性,提出了基于区域毁伤的基础设施网络抗毁性评估模型。该模型将网络的边均分成虚拟节点,提出加权聚类算法寻找关键区域,使用归一化方法平衡网络规模和网络地理覆盖范围对评估结果的影响,算法复杂度低,运算量小,模型应用范围广,便于多个网络之间或同一网络不同规划方案的抗毁性比较。以智利电力输送网络为例,设计多组实验对评估模型进行检验,并给出可视化结果和分析。     

集群创新扩散的鲁棒性和脆弱性

采用有向加权网对集群网络进行更加现实的刻画,从企业微观创新决策行为角度出发,通过构建随机阈值模型,运用仿真方法探讨了不同网络类型集群创新扩散的稳定性和脆弱性问题.研究结果表明:集群网络结构对创新扩散的稳定性和脆弱性具有明显的影响;小世界网络集群的鲁棒性较差而脆弱性不显著;相比而言,无标度网络集群的稳定性更好但脆弱性更明显;还分析了集群内部企业的决策方式对创新扩散稳定性和脆弱性的影响,进一步从网络角度说明了不仅是网络连接的方式包括权重、方向等,而且网络节点企业的决策行为都对集群创新扩散的鲁棒性和脆弱性产生影响.     

多层耦合网络传播综述

简要介绍多层耦合网络上传播动力学方面的阶段性研究进展以及存在的一些问题,主要关注的内容:多层耦合网络上的生物传播、社会传播、生物-社会耦合传播及多层耦合网络面临的一些挑战性问题。这些阶段性的研究成果从多层耦合网络的新角度加深了我们对真实传播过程及其机制的理解。能更好地控制疾病传播和减少它对人类的危害,深入探讨相关问题将有助于明确下进一步研究的方向。     

基于环境责任的闭环供应链网络多准则决策均衡问题

为使闭环供应链网络成员企业在注重利润最大化的同时,在环境保护方面承担社会责任,实现企业物流活动同环境发展相协调,建立了考虑环境指标的闭环供应链网络多准则决策均衡模型。给出了多层闭环供应链网络各层决策者的多准则优化条件、对应的变分不等式公式以及多准则网络均衡条件。最后,通过算例对不同环境排放权重下均衡模型网络中产品生产量、交易量、交易价格及排放量等相关经济指标均衡结果进行对比分析。     

综合飞行/火力/推进控制系统建模

针对空—地轰炸模态,研究了综合飞行／火力／推进控制系统的建模;根据综合系统机理进行系统分解,建立各个子系统扩展模型;按照综合系统组合结构和子系统之间耦合作用建立耦合作用模型;由耦合作用模型组合子系统扩展模型建立综合系统模型;按照火控、飞控和推进控制系统功能之间的耦合作用,建立多重递阶的综合控制系统结构,该结构描述了子系统控制之间指令与跟踪的耦合作用。在建立的综合系统模型上进行了攻击机采用机翼非水平甩投方式的轰炸过程数学仿真。仿真表明,该模型表达了综合系统中子系统功能之间的耦合作用,可用于综合控制系统设计、验证与评价。     

交通运输网络级联失效影响规律及影响范围

基于耦合映像格子模型,研究了交通运输网络路段级联失效的规律并给出了预测交通运输网络路段级联失效影响范围的算法流程。基于耦合映像格子,建立了交通运输网络的级联失效模型,结合交通运输网络的特征,分析了相应的耦合映像格子模型中的参数,通过仿真分析了不同的网络拓扑结构、不同的路段移除方式与不同的外部扰动,以及不同的耦合强度对网络级联失效的影响规律。结果表明:最容易造成网络级联失效的是饱和度和节点度组合最大的节点;外部扰动R越大,网络越容易发生级联失效,当外部扰动R的值大于某个阈值之后,网络就会发生级联失效;耦合强度ε越大,网络也越容易发生级联失效,当耦合强度ε的值大于某个阈值之后,网络也会发生级联失效。最后,给出交通运输网络失效传播范围的预测算法流程,并用Transmodeler软件对实际路网进行仿真分析说明了算法的有效性。     

基于Modelica语言的反作用飞轮多领域建模与仿真

反作用飞轮是三轴稳定小卫星高精度姿态控制系统的首选执行机构。针对反作用飞轮多领域耦合特性及其高置信度数值仿真问题,探索了基于Modelica语言实现反作用飞轮多领域建模与仿真的可行性。在反作用飞轮控制领域、电气领域、力学领域等不同领域数学模型的基础上,采用Modelica搭建了相应的反作用飞轮多领域仿真模型,并在设定工况下对其动态特性进行了数值仿真分析,得到了飞轮系统的多领域耦合特性。该仿真模型实现了飞轮系统不同领域模型之间的无缝集成和数据交换,能够有效分析各领域间的耦合特性。     

不确定的多商品流多准则供应链网络模型

基于供应链网络中同层成员的相互竞争以及不同层成员间的相互合作关系,构建了不确定条件下由制造商、分销商和零售商组成具有多准则决策的多商品流供应链网络模型.研究了制造商和分销商的多准则决策,零售商在市场需求不确定条件下进行决策,同时考虑了制造商和零售商之间的直销关系.利用变分不等式的形式给出了供应链网络中各层以及整体的均衡条件和相应的经济解释.最后,通过算例说明了模型的合理性.