基础设施系统多视角多维度脆弱性分析

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1、AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsFortheDegreeofMasterofEngineeringMulti-angleandMulti-dimensionalVulnerabilityAnalysisofInfrastructureSystemsCandidate:PanZhezheMajor:SystemsEngineeringSupervisor:AssociateProf.OuyangMinandHongLiuHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan

2、430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入

3、有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文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

4、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（PurelyTopologicalModel,PTM）、基于介数的虚拟流模型(BetweennessBasedModel,BBM)以及直流潮流模型（DirectCurrentPowerFlowModel,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

5、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

6、选择了四种模型：纯拓扑模型（PurelyTopologicalModel,PTM）、纯最短路径模型（PurelyShortestPathModel,PSPM）、加权最短路径模型（WeightBasedShortestPathModel,WBSPM）以及实际铁路流模型（RealTrainFlowModel,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

7、脆弱性差异，并定I华中科技大学硕士学位论文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