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蓄意攻击下供水网络重要节点价值评估方法

2021-07-05 139 上传者：管理员

摘要：针对蓄意攻击下城市供水网络防护的问题,提出一种新的供水网络重要节点综合价值评估方法。结合蓄意攻击特性,用EPANET、ALOHA分别模拟节点被毁后供水网络的效能变化和次生灾害后果,构建基于节点自身价值、系统价值、间接价值的综合价值评估模型。对湖北省某城市供水网络的应用结果表明,相比于埋于地下的输水管线,供水厂作为城市供水网络源头才是蓄意攻击重点打击目标;不同水厂综合价值差距巨大,水厂3的综合价值为水厂4的近5倍;水厂综合价值越大,攻击方收益也越大,受袭概率也越高,因此在应对蓄意攻击时应为综合价值高的水厂提供更多的防护资源。

关键词：
供水网络
水利模拟
综合价值评估
蓄意攻击
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1、引言

城市供水网络是城市生命线系统中最重要的基础设施之一。近年来，战争和恐怖袭击等蓄意攻击越来越多的将目标转向城市供水网络上[1]。城市供水网络作为现代城市运行和发展的基础，若遭到蓄意攻击破坏将会严重影响城市居民用水和工业用水，进而影响经济和民生。目前大多数研究还集中在地震灾害下城市供水网络的性能评估及供水恢复上，如王永等[2]评估分析了2008年汶川地震下12个城镇供水管网损坏；卢金锁等[3]对地震后城市供水系统进行风险分析及震后供水；李黎等[4]针对埋于地下的供水管道，采用蒙特卡罗评价了地震下城市供水网络连通可靠性。然而，对蓄意攻击背景下的供水网络的重要节点及评估还很不足。因此，本文构建蓄意攻击背景下供水网络重要节点的综合价值评估模型，分别从自身价值、系统价值、间接价值评估重要节点，应用EPANET、ALOHA软件对供水网络性能及次生灾害进行仿真模拟，并通过熵权法确定不同价值的权重系数得到节点综合价值（综合价值最大的节点即为受蓄意攻击威胁最大的目标），为城市供水网络安全防护提供了依据。

2、供水网络重要节点综合价值评估模型

考虑到蓄意攻击主要为物理毁伤，主要是对供水设施的实体结构进行毁伤，且此种攻击是使供水系统瘫痪的最有效和最危险的手段。城市供水网络包括水厂、输水管线、水泵机组和闸阀等。在不影响网络特性的情况下，将供水网络简化为只由管线和节点两类元素组成的管网模型。在模型中，管段与节点互相关联，由于输水管线大多埋藏于地下，且分布广泛[5]，对于蓄意攻击者来说，水厂被攻击所造成的轰动效应巨大，通常是优选目标。同时，不同水厂由于地理位置、供水性能各方面的不同，其重要度也会有很大差异。因此，对不同水厂进行综合价值评估确定重点防护目标显得尤为重要。供水厂综合价值主要包括水厂自身价值、系统价值、间接价值，可通过熵权法确定不同价值的权重系数。综合价值评估模型见图1。

2.1自身价值评估方法

选择层次分析法评估城市供水网络重要节点自身价值。首先需要确定判断矩阵，即通过各元素之间两两比较确定合适标度，结合专家打分实现定性向定量转化，根据打分结果建立判断矩阵。在构建判断矩阵时为避免出现逻辑性错误，需对矩阵进行一致性检验，一致性指标CI为：

图1水厂综合价值评估模型

式中，n为判断矩阵的阶数；λmax为判断矩阵的最大特征值。

为了衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI。RI值与判断矩阵阶数有关，阶数n越大，一致性随机偏离的可能性越大，对应关系见表1。

表1平均随机一致性指标RI

1、2阶判断矩阵总是完全一致的。当阶数大于2时，为避免随机原因导致一致性的误差，引入随机一致性比率CR来检验判断矩阵是否具有满意的一致性。定义随机一致性比率CR为：

（公式）

当CR<0.1时，则认为判断矩阵具有满意的一致性；否则就不满足一致性。由判断矩阵计算所得权重系数VEi即为水厂i的自身价值。

2.2系统价值评估方法

供水网络性能表示网络为居民提供用水的能力。当供水网络正常运行时，所有居民都能用上水，此时网络性能为居民总用水量。当供水网络遭到破坏，网络性能下降最明显的特征就是需水点水压不足。根据《城市给水工程规划规范》[6]中的设计要求，城市供水管网的供水水压应满足需水点处压力28m的要求。因此，假设需水点若水压低于28m，则代表该点供不上水。使用网络总供水量P来表示自来水厂的性能，公式为：

（公式）

式中，Dj为需水点j的需水量；αj为关于0、1的参数，当需水点j正常供水时为1;Mj为需水点j处的水压值；n为水厂的总数；m为需水点的总数。

当供水网络正常运行时，所有水厂正常供水能满足所有需水点用水量，此时αj等于1，供水网络初始性能为P0，表示为：

（公式）

当自来水厂i受到攻击和破坏时，供水网络各需水点水压下降，不能保证部分需水点用水量。此时供水网络的性能变化可表示为：

（公式）

式中，ΔPi为由于水厂i被破坏而导致的网络供水性能下降；P0为供水网络的初始性能；Pi为自来水厂i被破坏后的供水网络的性能。

当水厂i遭到破坏，ΔPi越大，说明供水网络性能下降越大，对供水网络影响程度也越大，其系统价值越高。

根据式（6）将数据归一化处理，得到水厂i的系统价值VSi为：

（公式）

2.3间接价值评估方法

自来水厂是城市供水网络的源头，同时也是原水转化为生活用水的重要环节。目前中国许多城市的自来水厂仍采用氯化消毒法，并备有大量的氯气。氯气是一种黄色有刺激性气味的气体，对人体有强烈的刺激性，氯气扩散将造成严重的人员中毒伤亡。间接价值主要表现为水厂被破坏后氯气扩散导致的人员伤亡影响。根据人员中毒程度分为死亡、重伤、轻伤三种情况，为了便于计算，定义程度系数φ（φ代表三种中毒状态的严重程度，数值可由不同地区自行定义）。因此，人员伤亡后果Di可表示为：

（公式）

式中，Si1、Si2、Si3分别为第i座水厂被破坏后氯气扩散导致人员死亡、重伤、轻伤的面积；ρi为第i座自来水厂周围的人口密度；φ1、φ2、φ3分别为死亡、重伤、轻伤的程度系数，本文设定为2∶1∶0.035[7]。

根据式（8）将数据归一化处理，得到水厂i的间接价值VDi为：

（公式）

2.4节点综合价值评估

选择熵权法确定节点不同价值的权重系数，并对节点重要度进行综合评估。熵权法确定权重系数步骤如下。

步骤1建立指标数据矩阵。针对n组数据、m个指标，将第i组数据的第j个指标的数值记为xij，建立指标数据矩阵Rm×n为：

步骤2数据标准化处理。公式为：

（公式）

步骤3计算各指标权重ωj。公式为：

（公式）

式中，ej、ωj分别为第j个价值指标的熵值、权重；bj为信息冗余度。

通过熵权法计算出各项指标的权重，基于城市供水网络重要节点自身价值VEi、系统价值VSi、间接价值VDi，计算得到重要节点i的综合Vi为：

（公式）

式中，ω1、ω2、ω3分别为节点自身价值、系统价值、间接价值的权重。

3、应用

湖北省某城市供水网络包括5座水厂、332个需水点、577根管线，每个需水点为该区域的居民提供用水，自来水厂可视为城市供水网络的水源头，对城市供水起着至关重要的作用，也是恐怖分子着重打击的目标。出于保密性和安全性的考虑，隐藏该城市的具体地理信息，并对供水网络进行适当简化。某城市供水网络拓扑结构图见图2，供水网络中5座水厂的相关信息见表2。

图2城市供水网络拓扑图

表2水厂的相关信息

3.1节点自身价值计算

通过专家打分，构建不同水厂两两比较矩阵见表3。

表3不同水厂比较矩阵

通过计算比较矩阵获得权重系数分别为0.1120、0.3190、0.4596、0.0737、0.0357。比较矩阵的最大特征值λmax=5.1837，根据式（2）解得一致性指标CI=0.046。由表2查得平均随机一致性指标RI=1.12，根据式（3）求解出CR=0.041<0.1。

因此，该判断矩阵具有满意的一致性。水厂的自身价值分别为VE1=0.1120、VE2=0.3190、VE3=0.4596、VE4=0.0737、VE5=0.0357。

3.2节点系统价值计算

选择EPANET[8]作为水力分析模拟软件，通过仿真计算，得到每个水厂被摧毁后网络中不能供水的需水点，进而得到网络供水性能变化ΔPi。通过计算被打击前各水厂的供水性能pi，计算得供水网络初始供水性能P0，计算水厂被打击后需水点的总供水量，得到水厂i被打击后的网络性能Pi，从而计算得到网络性能变化ΔPi和各水厂的系统价值VSi，见表4。

表4EPANET仿真结果

3.3节点间接价值计算

根据最不利原则，重点分析自来水厂遭袭击后，液氯存储罐发生完全破裂，氯气在一瞬间向大气中扩散。氯气扩散会引起人员中毒，中毒的严重程度取决于氯气浓度和人员暴露时间。选择急性暴露指导浓度（AEGL）来确定毒气浓度的危害程度。根据ALOHA[9]模拟仿真，得到每个水厂被破坏后氯气扩散的毁伤范围。通过计算不同毁伤程度覆盖面积，结合当地人员密度得到氯气扩散的人员伤亡后果Di，通过标准化数据得到各水厂的间接价值。氯气扩散范围越大，人员越密集，人员伤亡越严重，其水厂的间接价值也越大，结果见表5。

表5ALOHA仿真结果

3.4节点综合价值

基于熵权法分析不同价值的权重，得到自身价值权重系数ω1=0.62、ω2=0.13、ω3=0.25。基于水厂自身价值、系统价值、间接价值计算结果，根据式（13）计算出水厂W1～W5的重要度Vi分别为0.136、0.304、0.406、0.073、0.081。其结果定量分析了水厂的重要度，明确各水厂在供水网络的关键地位，为城市供水网络防护提供了依据。

4、结论

a．通过对水厂自身价值、系统价值、间接价值三个方面的量化计算，直观显示了不同水厂的综合价值高低，可为蓄意攻击威胁下的重点防护对象提供理论依据。

b．对于综合价值高的目标应投入更多的防护资源。首先，可为重要水厂的关键设备及厂房建造防爆墙，以减少攻击对供水能力的影响；然后，建议将厂房建在人口稀疏的地方或将氯气存储罐地下化，以减少水厂被打击后造成的次生灾害影响；还可设置专业抢修和救援队，以保障被打击后供水厂的抢修及人员的抢救；最后，从城市供水规划上应尽量将各水厂的供水能力分散化，避免攻击单个水厂造成整个网络瘫痪。

参考文献：

[2]王永,刘遂庆,郑小明,等,供水管网地震损失分析与评估指标研究[J].给水排水,2010,46(10):112-116.

[3]卢金锁,柴蓓蓓,黄廷林,等,城市给水系统地震风险分析及震后供水[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2008(5):686-691.[4]李黎,程志远,吴奎,等.城市供水系统抗震可靠性分析[J].水电能源科学,2010,28(12):68-70.

[5]韩建军,曾辉.基于节点关系的城市供水网络关键区域识别[J].水电能源科学,2020,38(1):119-122,98.

文章来源：陈顺,赵旭东,肖宝强,肖元昊,席俊鹏.蓄意攻击下供水网络重要节点价值评估方法及应用[J].水电能源科学,2021,39(06):89-92.