本發(fā)明涉及城市基礎(chǔ)設(shè)施的脆弱性分析，尤其涉及一種基于數(shù)字孿生的城市復(fù)雜系統(tǒng)脆弱性分析方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、城市集中著大量的重要經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，如電力與石油系統(tǒng)、能源基地等；城市生命線工程，如供電、供水、供氣、醫(yī)療中心、糧食儲(chǔ)備庫等；交通通訊樞紐，如機(jī)場(chǎng)、碼頭、鐵路編組站、交通干線、橋梁隧道、衛(wèi)星地面站、信號(hào)發(fā)射臺(tái)等；易造成次生災(zāi)害的目標(biāo)，如大型水庫、化工系統(tǒng)、核電站等。這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之間存在著密切的、多重制約的依存關(guān)系，形成了城市復(fù)雜系統(tǒng)。城市復(fù)雜系統(tǒng)在受到外部攻擊時(shí)會(huì)出現(xiàn)效能下降或者功能喪失，甚至?xí)诓煌南到y(tǒng)間不斷傳播，具有“攻一點(diǎn)，毀一片”的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響民眾生計(jì)。

2、脆弱性(vulunerability)是系統(tǒng)的一種固有屬性，用來描述其內(nèi)部存在的固有缺陷、薄弱環(huán)節(jié)所導(dǎo)致承受干擾或故障時(shí)不能正常運(yùn)行的狀態(tài)。城市復(fù)雜系統(tǒng)的脆弱性代表了其在運(yùn)行過程中所存在的固有漏洞以及薄弱環(huán)節(jié)特性。城市復(fù)雜系統(tǒng)的脆弱性分析是對(duì)于提升城市的安全性以及韌性十分重要，不僅可以預(yù)測(cè)外部攻擊對(duì)系統(tǒng)的影響，還可以挖掘系統(tǒng)的潛在薄弱點(diǎn)，評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定行以及可靠性。

3、近年來，為挖掘城市城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在常態(tài)、非常態(tài)下的運(yùn)行規(guī)律，行業(yè)與學(xué)術(shù)界都在利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)進(jìn)行抽象，將其中的關(guān)鍵設(shè)施抽象成網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，如交通樞紐、發(fā)電站等，將設(shè)施之間的聯(lián)系視作網(wǎng)絡(luò)的的邊，進(jìn)而模擬城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在受到外界攻擊下的失效過程。對(duì)于城市復(fù)雜系統(tǒng)脆弱性分析的關(guān)鍵問題之一就是對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)重要性進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，目前研究主要通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征或者某節(jié)點(diǎn)被破壞的前后對(duì)比來反應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的重要程度。

4、城市關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)一般具有應(yīng)急備份機(jī)制，大多數(shù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)具備冗余資源可供應(yīng)急調(diào)度，目前大多數(shù)相關(guān)城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)脆弱性分析方法未能將應(yīng)急措施這一因素考慮在內(nèi)。此外現(xiàn)有技術(shù)都是基于一個(gè)或多個(gè)特定的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)構(gòu)建脆弱性分析模型，沒有形成通用可擴(kuò)展的模型機(jī)制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題之一，本發(fā)明提供了一種基于數(shù)字孿生的城市復(fù)雜系統(tǒng)脆弱性分析方法及裝置，能夠解決城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別問題。

2、根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種基于數(shù)字孿生的城市復(fù)雜系統(tǒng)脆弱性分析方法，所述方法包括：

3、s10、根據(jù)各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建城市復(fù)雜系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系拓?fù)鋱D，其中，將每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)施作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)；

4、s20、基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系拓?fù)鋱D中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本特征以及動(dòng)態(tài)屬性進(jìn)行定義，確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為和狀態(tài)，從而構(gòu)建基于數(shù)字孿生的城市復(fù)雜系統(tǒng)耦合運(yùn)行模型；

5、s30、在城市復(fù)雜系統(tǒng)耦合運(yùn)行模型中的某一節(jié)點(diǎn)受到外部攻擊的情況下，對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為和狀態(tài)進(jìn)行更新，并基于更新后的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的所有其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，從而完成當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的更新；

6、s40、判斷更新后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)是否出現(xiàn)功能水平下降，若是，通過應(yīng)急調(diào)度措施對(duì)更新后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的各個(gè)未失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)急調(diào)整，得到應(yīng)急調(diào)整后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)至s50，否則，直接轉(zhuǎn)至s50；

7、s50、將應(yīng)急調(diào)整或更新后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的變化作為外部因素對(duì)另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)的屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為和狀態(tài)進(jìn)行更新，并基于更新后的相關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)所在基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的所有其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，從而完成另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的更新；

8、s60、重復(fù)s40-s50，直至城市復(fù)雜系統(tǒng)中的所有基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)均不再產(chǎn)生新的失效節(jié)點(diǎn)；

9、s70、獲取各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在受到外部攻擊后的功能水平；

10、s80、基于各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在受到外部攻擊后的功能水平獲取城市復(fù)雜系統(tǒng)在受到外部攻擊后的綜合功能水平，以完成城市復(fù)雜系統(tǒng)的脆弱性分析。

11、優(yōu)選的，所述屬性代表各個(gè)節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)信息；所述結(jié)構(gòu)代表各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系；所述機(jī)理代表各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)和其他基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)間的運(yùn)行機(jī)制；所述行為代表各個(gè)節(jié)點(diǎn)受到的外界影響；所述狀態(tài)代表各個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前運(yùn)行情況。

12、優(yōu)選的，所述靜態(tài)信息包括名稱、編號(hào)、坐標(biāo)和負(fù)載上限；所述各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系包括系統(tǒng)類型、節(jié)點(diǎn)類型和與其他節(jié)點(diǎn)連通性；所述各個(gè)節(jié)點(diǎn)在各自的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)和其他基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)間的運(yùn)行機(jī)制包括相關(guān)約束條件；所述各個(gè)節(jié)點(diǎn)受到的外界影響包括外部攻擊和應(yīng)急措施；所述各個(gè)節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前運(yùn)行情況包括正常運(yùn)行狀態(tài)和失效狀態(tài)。

13、優(yōu)選的，在s30中，對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為和狀態(tài)進(jìn)行更新，并基于更新后的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的所有其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，從而完成當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的更新包括：

14、s31、外部攻擊觸發(fā)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的行為，以使當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)更新；

15、s32、判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否失效，若是，對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)更新，否則，對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的屬性更新；

16、s33、基于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)更新或?qū)傩愿峦瓿僧?dāng)前節(jié)點(diǎn)的機(jī)理更新；

17、s34、判斷是否完成當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中所有其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)的更新，若是，則完成當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的更新，否則，轉(zhuǎn)至s35；

18、s35、將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)更新后的機(jī)理作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所在的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的另一相關(guān)節(jié)點(diǎn)的外部因素，將相關(guān)節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)；

19、s36、外部因素觸發(fā)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的行為，以使當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)更新，并轉(zhuǎn)至s32。

20、優(yōu)選的，在s40中，通過應(yīng)急調(diào)度措施對(duì)更新后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的各個(gè)未失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)急調(diào)整，得到應(yīng)急調(diào)整后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)包括：應(yīng)急調(diào)度措施通過提高各個(gè)未失效節(jié)點(diǎn)的供應(yīng)能力、降低各個(gè)未失效節(jié)點(diǎn)的需求或選擇其他供應(yīng)路徑來降低故障影響，從而得到應(yīng)急調(diào)整后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。

21、優(yōu)選的，在s50中，將應(yīng)急調(diào)整或更新后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的變化作為外部因素對(duì)另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)的屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為和狀態(tài)進(jìn)行更新，并基于更新后的相關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)所在基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的所有其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，從而完成另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的更新包括：

22、s51、將另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)；

23、s52、外部因素觸發(fā)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的行為，以使當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)更新；

24、s53、判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否失效，若是，對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)更新，否則，對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的屬性更新；

25、s54、基于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)更新或?qū)傩愿峦瓿僧?dāng)前節(jié)點(diǎn)的機(jī)理更新；

26、s55、判斷是否完成另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中所有其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)的更新，若是，則完成另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的更新，否則，轉(zhuǎn)至s56；

27、s56、將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)更新后的機(jī)理作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所在的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的另一相關(guān)節(jié)點(diǎn)的外部因素，將另一相關(guān)節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，并轉(zhuǎn)至s52。

28、優(yōu)選的，通過下式獲取各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在受到外部攻擊后的功能水平：

29、

30、式中，vj代表第j個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在受到外部攻擊后的功能水平，ui代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的原始功能水平，代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在受到外部攻擊下的功能水平，n代表第j個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

31、優(yōu)選的，通過下式獲取城市復(fù)雜系統(tǒng)在受到外部攻擊后的綜合功能水平：

32、vc＝∑j∈m?wjvj；

33、式中，vc代表城市復(fù)雜系統(tǒng)在受到外部攻擊后的綜合功能水平，wj代表第j個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的功能水平權(quán)重因子，vj代表第j個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在受到外部攻擊后的功能水平，m代表基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的總數(shù)。

34、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于數(shù)字孿生的城市復(fù)雜系統(tǒng)脆弱性分析裝置，所述裝置包括：

35、模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)構(gòu)建城市復(fù)雜系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系拓?fù)鋱D，還用于基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系拓?fù)鋱D中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的基本特征以及動(dòng)態(tài)屬性進(jìn)行定義，確定各個(gè)節(jié)點(diǎn)的屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為和狀態(tài)，從而構(gòu)建基于數(shù)字孿生的城市復(fù)雜系統(tǒng)耦合運(yùn)行模型，其中，將每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)施作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)；

36、故障傳播分析模塊，用于在城市復(fù)雜系統(tǒng)耦合運(yùn)行模型中的某一節(jié)點(diǎn)受到外部攻擊的情況下，對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為和狀態(tài)進(jìn)行更新，并基于更新后的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的所有其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，從而完成當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的更新；用于在更新后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)出現(xiàn)功能水平下降的情況下，通過應(yīng)急調(diào)度措施對(duì)更新后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的各個(gè)未失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)急調(diào)整，得到應(yīng)急調(diào)整后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)；還用于將應(yīng)急調(diào)整或更新后的當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的變化作為外部因素對(duì)另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)的屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為和狀態(tài)進(jìn)行更新，并基于更新后的相關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)所在基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)內(nèi)的所有其他相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新，從而完成另一基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的更新，直至城市復(fù)雜系統(tǒng)中的所有基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)均不再產(chǎn)生新的失效節(jié)點(diǎn)；

37、分析評(píng)估模塊，用于獲取各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在受到外部攻擊后的功能水平；還用于基于各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)在受到外部攻擊后的功能水平獲取城市復(fù)雜系統(tǒng)在受到外部攻擊后的綜合功能水平，以完成城市復(fù)雜系統(tǒng)的脆弱性分析。

38、根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的基于數(shù)字孿生的城市復(fù)雜系統(tǒng)脆弱性分析程序，所述處理器執(zhí)行所述基于數(shù)字孿生的城市復(fù)雜系統(tǒng)脆弱性分析程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述任一所述方法。

39、應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，基于數(shù)字孿生思想構(gòu)建城市復(fù)雜系統(tǒng)耦合運(yùn)行模型，從屬性、結(jié)構(gòu)、機(jī)理、行為、狀態(tài)五個(gè)維度對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的基本特征以及動(dòng)態(tài)屬性進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范化的描述，支持導(dǎo)入系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行模型與業(yè)務(wù)邏輯，支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行交互、狀態(tài)更新。本發(fā)明綜合考慮了系統(tǒng)之間的雙向關(guān)聯(lián)關(guān)系以及應(yīng)急調(diào)度措施，模擬在外部攻擊下多系統(tǒng)間的故障動(dòng)態(tài)傳播過程，解決了城市基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別問題。