基础设施系统的多视角多维度脆弱性分析

作     者：潘哲哲 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：欧阳敏;洪流

授予年度：2015年

学科分类：0711[理学-系统科学] 07[理学] 071102[理学-系统分析与集成] 

主      题：基础设施系统 互补系统 脆弱性分析 脆弱性模型 脆弱性指标 

摘      要：基础设施系统在社会稳定和发展中有举足轻重的地位,但是不可避免的面临着元件老化、自然灾害、人为失误等因素的破坏。因而学者们提出脆弱性的概念,研究系统在破坏事件下的性能响应,识别系统中的薄弱环节,以更好的保护基础设施系统。近年来,学者们运用拓扑结构模型和基于拓扑结构的指标从不同视角和维度来研究基础设施系统的脆弱性,那么不同模型和不同指标下系统脆弱性响应有何不同,这些模型或指标适用范围及其相关性如何是一个有待研究的领域。为探讨上述问题,本文提出基础设施系统的多视角多维度脆弱性分析框架,并应用到电网和中国铁路客运网的脆弱性分析中。针对电网,本文选择了三种电网模型:纯拓扑模型(Purely Topological Model,PTM)、基于介数的虚拟流模型(Betweenness Based Model,BBM)以及直流潮流模型(Direct Current Power Flow Model,DCPFM),并采用了六种脆弱性指标:基于网络效率的脆弱性指标VE、基于源汇节点网络效率的脆弱性指标VSDE、基于最大团尺寸的脆弱性指标VLCS、基于连通度的脆弱性指标VCL、基于平均聚类系数的脆弱性指标VCCO、基于供电量的脆弱性指标VPS。基于这些模型与指标,本文分析了IEEE300电网在随机故障情形下的脆弱性值并讨论了模型之间的差异性与指标之间的相关性。结果显示:在边容量系数或故障概率较大情形下,三个模型产生将近相同的基于拓扑指标的脆弱性值,而仅当所有元件故障时才能产生将近相同的基于流量指标的脆弱性值。PTM和BBM在逼近DCPFM方面哪个更优取决于故障概率的大小。此外,两个考虑源汇节点的脆弱性指标VCL和VSDE具有很强的相关性,VPS与考虑源汇节点的脆弱性指标VSDE和VCL有中等强度的相关性。针对铁路网,本文选择了四种模型:纯拓扑模型(Purely Topological Model,PTM)、纯最短路径模型(Purely Shortest Path Model,PSPM)、加权最短路径模型(Weight Based Shortest Path Model,WBSPM)以及实际铁路流模型(Real Train Flow Model,RTFM),并采用了两个脆弱性指标:可达性脆弱性指标VACC和基于流量的脆弱性指标VFOT。基于这些模型与指标,本文分析了中国客运铁路网在随机故障情形下的脆弱性值并讨论了模型之间的差异性与指标之间的相关性。此外,本文还从互补视角研究了铁路网在是否考虑其互补航空网这两种情形下的脆弱性差异,并定义此差异性为互补强度。结果显示:在一些极端事件中(元件故障概率为0.6-0.7),基于可达性指标衡量下,拓扑结构模型可以较好的逼近实际模型。然而基于流量指标衡量下,所有元件故障时拓扑结构模型才能对实际模型进行良好的逼近。基于流量的脆弱性指标和可达性脆弱性指标间中等相关。此外,铁路网对航空网的互补强度要比航空网对铁路网的互补强度大得多。当铁路网随机故障15%的元件时,不同破坏强度下航空网对铁路网有最大互补强度,而铁路网对航空网的互补强度随着航空网故障元件比例的增加而降低。