基于級聯(lián)失效的社會經濟系統(tǒng)脆弱性研究及其彈性優(yōu)化.pdf

1、伴隨著社會經濟的發(fā)展,各種不同的社會經濟關系變得日趨復雜,這使得自然界社會生活中大量不同的復雜系統(tǒng)呈現(xiàn)出來,諸如社會生態(tài)系統(tǒng),供應鏈系統(tǒng)、生態(tài)工業(yè)園系統(tǒng)、基礎設施系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等.復雜網絡作為復雜系統(tǒng)的高度抽象,可以用來描述這些大量的形形色色的復雜系統(tǒng).各類復雜網絡的安全有效運行是人們正常生活和全球經濟發(fā)展的重要基礎,它們的安全能夠嚴重影響到社會經濟的發(fā)展和穩(wěn)定.而且,級聯(lián)失效現(xiàn)象普遍發(fā)生于實際生活中的許多復雜網絡.在這樣的網絡中,即便

2、剛開始網絡只是局部失效,最終也可能因為級聯(lián)傳播而遭受到嚴重破壞甚至整體癱瘓.特別是,社會經濟網絡中大規(guī)模級聯(lián)失效的發(fā)生,常常能給整個社會乃至全球經濟帶來極強的沖擊和破壞力.因此,對于不同社會經濟網絡在級聯(lián)失效下的脆弱性進行分析和控制就顯得尤為重要.然而,目前復雜網絡較多地應用于電力系統(tǒng),基礎設施系統(tǒng)等的脆弱性研究中,社會經濟領域的應用研究卻相當缺乏,特別在生態(tài)工業(yè)園系統(tǒng),供應鏈系統(tǒng),社會系統(tǒng)這三種重要的社會經濟系統(tǒng)上的研究十分少.盡管級

3、聯(lián)失效問題是社會經濟網絡中實際存在的普遍現(xiàn)象,而現(xiàn)有社會經濟系統(tǒng)的脆弱性研究大多仍停留在定性研究和靜態(tài)研究,其中涉及到社會經濟網絡中級聯(lián)失效的相關研究更是非常少.而且,在復雜系統(tǒng)的安全研究上,關于彈性優(yōu)化方面的結果很少,已有研究中彈性研究方法也較單一,考慮的失效形式不夠全面.
　　本文針對社會經濟系統(tǒng)中暴露出的脆弱性問題,利用網絡化的觀點,分別從不同的角度,對社會經濟系統(tǒng)中的生態(tài)工業(yè)園網絡,集群供應鏈網絡,城市社會網絡的脆弱性進行

4、深入的探討,討論了它們在級聯(lián)失效下的脆弱性動態(tài)行為.同時,考慮到現(xiàn)實生活中絕大多數(shù)復雜系統(tǒng)具備無標度特征,引入熵方法研究了無標度網絡面臨選擇性攻擊和隨機失效同時威脅下的綜合彈性優(yōu)化問題.主要工作及創(chuàng)新成果如下：
　　提出了生態(tài)工業(yè)園系統(tǒng)的網絡描述方法,并基于生態(tài)工業(yè)園區(qū)共生網絡,建立了一個級聯(lián)失效檢測模型.考慮到生態(tài)化程度是生態(tài)工業(yè)園發(fā)展的一個重要指標,給出了一種新的節(jié)點重要度的評估方法,鑒定出生態(tài)工業(yè)園系統(tǒng)中的潛在關鍵節(jié)點.基于

5、級聯(lián)模型提出閾值的概念,通過仿真分析和理論解析,探索生態(tài)工業(yè)園系統(tǒng)在級聯(lián)失效下的脆弱性,并獲得網絡能夠具有最強彈性的負載可調參數(shù)值.這為在考慮每個企業(yè)成本以及其對整個網絡影響的前提下,規(guī)劃選取網絡負載容忍參數(shù),以及較優(yōu)的初始負載分配,都提供了有價值的參考,有助于生態(tài)工業(yè)園共生網絡整體脆弱性的降低.研究了集群供應鏈網絡在級聯(lián)失效傳播中的脆弱性動態(tài)行為.利用網絡化的方法,結合集群供應鏈網絡本身的物理特性和結構特性,建立級聯(lián)模型刻畫其內部的級

6、聯(lián)失效現(xiàn)象和傳播機制.然后基于企業(yè)成員節(jié)點的負載提出網絡負載熵的概念,對集群供應鏈網絡在級聯(lián)傳播中的脆弱性進行探索.提出的模型方法不僅可以有效地刻畫集群供應鏈網絡在級聯(lián)失效傳播過程中的脆弱性,而且可以用來預測早期級聯(lián)失效和鑒定重大級聯(lián)事故的發(fā)生.這為防范和控制由級聯(lián)失效所引起的災難,降低集群供應鏈網絡的脆弱性,保證其穩(wěn)定安全的生產運營都提供了很好的指導,具有非常重要的應用價值.
　　基于復雜網絡的觀點研究了城市社會系統(tǒng)的脆弱性,并

7、充分考慮了其中的級聯(lián)效應問題.對城市社會系統(tǒng)中的成員及其關聯(lián)關系進行建模,把它抽象為一個網絡.針對城市社會系統(tǒng)中的級聯(lián)效應現(xiàn)象,圍繞社會參與者負載這個對級聯(lián)效應的發(fā)生和傳播有重要影響的物理量,構建城市社會系統(tǒng)的級聯(lián)模型,并基于模型提出了城市社會系統(tǒng)脆弱性的評價指標.結合案例研究,獲得了能有效降低城市社會系統(tǒng)脆弱性的較好的方案,同時也驗證模型方法對于城市社會系統(tǒng)脆弱性分析的實用性和有效性.這為研究城市社會系統(tǒng)在級聯(lián)失效下的可靠性和安全性提

8、供了一種全新全面的方法和觀點,有助于揭露社會系統(tǒng)的全局潛在的脆弱性行為.
　　面向無標度網絡從彈性的角度研究了復雜系統(tǒng)的安全性問題.引入熵方法研究了無標度網絡在面對隨機失效和選擇性攻擊下的綜合彈性優(yōu)化.采用連續(xù)近似的方法,推導出了網絡結構熵函數(shù),并基于熵函數(shù)提出了一個新的彈性優(yōu)化模型.發(fā)現(xiàn)提出的熵函數(shù)是度量這種無標度網絡綜合彈性的一個簡單而有效的新方法,而且通過熵優(yōu)化模型，把考慮隨機失效和選擇性攻擊時的網絡綜合彈性增強問題轉化為該