本文摘要：摘要：針對蓄意攻擊下城市供水網(wǎng)絡(luò)防護的問題，提出一種新的供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點綜合價值評估方法。結(jié)合蓄意攻擊特性，用EPANET、ALOHA分別模擬節(jié)點被毀后供水網(wǎng)絡(luò)的效能變化和次生災(zāi)害后果，構(gòu)建基于節(jié)點自身價值、系統(tǒng)價值、間接價值的綜合價值評估模型。對湖
摘要：針對蓄意攻擊下城市供水網(wǎng)絡(luò)防護的問題，提出一種新的供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點綜合價值評估方法。結(jié)合蓄意攻擊特性，用EPANET、ALOHA分別模擬節(jié)點被毀后供水網(wǎng)絡(luò)的效能變化和次生災(zāi)害后果，構(gòu)建基于節(jié)點自身價值、系統(tǒng)價值、間接價值的綜合價值評估模型。對湖北省某城市供水網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用結(jié)果表明，相比于埋于地下的輸水管線，供水廠作為城市供水網(wǎng)絡(luò)源頭才是蓄意攻擊重點打擊目標(biāo);不同水廠綜合價值差距巨大，水廠3的綜合價值為水廠4的近5倍;水廠綜合價值越大，攻擊方收益也越大，受襲概率也越高，因此在應(yīng)對蓄意攻擊時應(yīng)為綜合價值高的水廠提供更多的防護資源。
關(guān)鍵詞：蓄意攻擊;供水網(wǎng)絡(luò);綜合價值評估;水利模擬;次生災(zāi)害
1引言
城市供水網(wǎng)絡(luò)是城市生命線系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。近年來，戰(zhàn)爭和恐怖襲擊等蓄意攻擊越來越多的將目標(biāo)轉(zhuǎn)向城市供水網(wǎng)絡(luò)上[1]。城市供水網(wǎng)絡(luò)作為現(xiàn)代城市運行和發(fā)展的基礎(chǔ)，若遭到蓄意攻擊破壞將會嚴重影響城市居民用水和工業(yè)用水，進而影響經(jīng)濟和民生。目前大多數(shù)研究還集中在地震災(zāi)害下城市供水網(wǎng)絡(luò)的性能評估及供水恢復(fù)上，如王永等[2]評估分析了2008年汶川地震下12個城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)損壞;盧金鎖等[3]對地震后城市供水系統(tǒng)進行風(fēng)險分析及震后供水;李黎等[4]針對埋于地下的供水管道，采用蒙特卡羅評價了地震下城市供水網(wǎng)絡(luò)連通可靠性。然而，對蓄意攻擊背景下的供水網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點及評估還很不足。
因此，本文構(gòu)建蓄意攻擊背景下供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點的綜合價值評估模型，分別從自身價值、系統(tǒng)價值、間接價值評估重要節(jié)點，應(yīng)用EPANET、ALOHA軟件對供水網(wǎng)絡(luò)性能及次生災(zāi)害進行仿真模擬，并通過熵權(quán)法確定不同價值的權(quán)重系數(shù)得到節(jié)點綜合價值(綜合價值最大的節(jié)點即為受蓄意攻擊威脅最大的目標(biāo))，為城市供水網(wǎng)絡(luò)安全防護提供了依據(jù)。
2供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點綜合價值評估模型
考慮到蓄意攻擊主要為物理毀傷，主要是對供水設(shè)施的實體結(jié)構(gòu)進行毀傷，且此種攻擊是使供水系統(tǒng)癱瘓的最有效和最危險的手段。城市供水網(wǎng)絡(luò)包括水廠、輸水管線、水泵機組和閘閥等。在不影響網(wǎng)絡(luò)特性的情況下，將供水網(wǎng)絡(luò)簡化為只由管線和節(jié)點兩類元素組成的管網(wǎng)模型。
在模型中，管段與節(jié)點互相關(guān)聯(lián)，由于輸水管線大多埋藏于地下，且分布廣泛[5]，對于蓄意攻擊者來說，水廠被攻擊所造成的轟動效應(yīng)巨大，通常是優(yōu)選目標(biāo)。同時，不同水廠由于地理位置、供水性能各方面的不同，其重要度也會有很大差異。因此，對不同水廠進行綜合價值評估確定重點防護目標(biāo)顯得尤為重要。供水廠綜合價值主要包括水廠自身價值、系統(tǒng)價值、間接價值，可通過熵權(quán)法確定不同價值的權(quán)重系數(shù)。
2.1自身價值評估方法
選擇層次分析法評估城市供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點自身價值。首先需要確定判斷矩陣，即通過各元素之間兩兩比較確定合適標(biāo)度，結(jié)合專家打分實現(xiàn)定性向定量轉(zhuǎn)化，根據(jù)打分結(jié)果建立判斷矩陣。
2.2系統(tǒng)價值評估方法
供水網(wǎng)絡(luò)性能表示網(wǎng)絡(luò)為居民提供用水的能力。當(dāng)供水網(wǎng)絡(luò)正常運行時，所有居民都能用上水，此時網(wǎng)絡(luò)性能為居民總用水量。當(dāng)供水網(wǎng)絡(luò)遭到破壞，網(wǎng)絡(luò)性能下降最明顯的特征就是需水點水壓不足。根據(jù)《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》[6]中的設(shè)計要求，城市供水管網(wǎng)的供水水壓應(yīng)滿足需水點處壓力28m的要求。因此，假設(shè)需水點若水壓低于28m，則代表該點供不上水。
2.3間接價值評估方法
自來水廠是城市供水網(wǎng)絡(luò)的源頭，同時也是原水轉(zhuǎn)化為生活用水的重要環(huán)節(jié)。目前中國許多城市的自來水廠仍采用氯化消毒法，并備有大量的氯氣。氯氣是一種黃色有刺激性氣味的氣體，對人體有強烈的刺激性，氯氣擴散將造成嚴重的人員中毒傷亡。間接價值主要表現(xiàn)為水廠被破壞后氯氣擴散導(dǎo)致的人員傷亡影響。
2.4節(jié)點綜合價值評估
選擇熵權(quán)法確定節(jié)點不同價值的權(quán)重系數(shù)，并對節(jié)點重要度進行綜合評估。
3應(yīng)用
湖北省某城市供水網(wǎng)絡(luò)包括5座水廠、332個需水點、577根管線，每個需水點為該區(qū)域的居民提供用水，自來水廠可視為城市供水網(wǎng)絡(luò)的水源頭，對城市供水起著至關(guān)重要的作用，也是恐怖分子著重打擊的目標(biāo)。出于保密性和安全性的考慮，隱藏該城市的具體地理信息，并對供水網(wǎng)絡(luò)進行適當(dāng)簡化。
電力論文投稿刊物：《水電能源科學(xué)》(Water Resources and Power)屬于工業(yè)技術(shù)類學(xué)術(shù)性刊物，創(chuàng)刊于1983年，教育部主管，中國水力發(fā)電工程學(xué)會、華中科技大學(xué)主辦，武漢國測三聯(lián)水電設(shè)備有限公司、鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心協(xié)辦主要報道水、電、能源及相關(guān)學(xué)科的新理論、新技術(shù)、新方法及工程應(yīng)用成果，適當(dāng)報道經(jīng)驗交流、技術(shù)革新和技術(shù)改造，涉及水電、電氣與電子、能源與動力、土木與力學(xué)、環(huán)境工程、控制工程、計算機等多個學(xué)科。
4結(jié)論
a.通過對水廠自身價值、系統(tǒng)價值、間接價值三個方面的量化計算，直觀顯示了不同水廠的綜合價值高低，可為蓄意攻擊威脅下的重點防護對象提供理論依據(jù)。b.對于綜合價值高的目標(biāo)應(yīng)投入更多的防護資源。首先，可為重要水廠的關(guān)鍵設(shè)備及廠房建造防爆墻，以減少攻擊對供水能力的影響;然后，建議將廠房建在人口稀疏的地方或?qū)⒙葰獯鎯薜叵禄�，以減少水廠被打擊后造成的次生災(zāi)害影響;還可設(shè)置專業(yè)搶修和救援隊，以保障被打擊后供水廠的搶修及人員的搶救;最后，從城市供水規(guī)劃上應(yīng)盡量將各水廠的供水能力分散化，避免攻擊單個水廠造成整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓。
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[3]盧金鎖，柴蓓蓓，黃廷林，等.城市給水系統(tǒng)地震風(fēng)險分析及震后供水[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(5)：686-691.
[4]李黎，程志遠，吳奎，等.城市供水系統(tǒng)抗震可靠性分析[J].水電能源科學(xué)，2010，28(12)：68-70.
作者：陳順，趙旭東，肖寶強，肖元昊，席俊鵬
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