城市典型生命线系统耦联多维测度方法研究

摘要

以供热、电力、燃气系统为代表的典型生命线是城市运行的重要基础设施，其具有的系统耦联性往往会诱发系统运行异常的不良连锁效应。系统耦联测度研究对于识别城市典型生命线各系统之间的复杂耦联关系并优化其布局与运行具有重要意义。针对城市典型生命线系统耦联测度问题，首先以结构性、功能性和阶段性维度为切入点进行了系统耦联机理分析；然后提出了一种基于主客观信息的系统耦联多维测度方法，借助二元语义表示模型与决策试验和评价实验室（DEMATEL）法处理和集结各维度的主客观耦联信息，进而通过计算各系统的中心耦联度和关系耦联度来确定系统耦联的强弱和类型；最后应用所提方法测度了北京某样区内城市典型生命线的系统耦联性。结果表明：中心耦联度值最高的电力系统在系统耦联中发挥了显著作用；关系耦联度为负值的供热系统为结果型耦联系统，关系耦联度为正值的电力和燃气系统为原因型耦联系统；需要根据测度结果制定针对性的优化策略。

关键词 城市典型生命线；系统耦联；多维测度方法；机理分析；优化策略

中图分类号 C94；C934

文献标识码 A

文章编号 1002-2104（2013）03-0140-06 doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2013.03.022

城市生命线是维系城市功能的基础性工程，包括交通、供水、供热、电力、燃气、通讯等系统[1-2]，其具有公共性高[3-4]、耦联性强[5-6]、脆弱性显著[7-8]等特点。在城市生命线诸多系统中，以供热、电力、燃气（简称热电气）系统为代表的城市典型生命线又构成了城市运行的必要条件[9-10]。虽然城市典型生命线各系统独立运营，但其在空间布施、功能交互等方面具有的系统耦联性使得某一系统的异常往往会诱发其他系统的不良连锁效应，导致公众的生命和财产损失[5， 7]。城市典型生命线系统耦联测度不同于一般的测度问题，其具有很强的复杂性。一方面，城市典型生命线在设施布局、运行功能等多个维度存在系统耦联性[11-14]，且这种耦联性通常具有传导效应[15-16]；另一方面，城市典型生命线各维度耦联机理的不同导致其耦联性具有方向和强弱的差异，而且各维度耦联信息获取的手段和表现形式也各有不同[13-14]。因此，如何采用有效的测度方法解决城市典型生命线系统耦联测度问题是一个重要的课题，不仅有助于相关部门识别各系统之间的复杂耦联关系、还可以为优化城市典型生命线的布局与运行提供指导和支持。

目前，国内外关于城市生命线系统耦联测度方法的研究尚处于探索阶段。其中，Ouyang等[17]定义了耦联系数来量化城市生命线的系统耦联性，并借助仿真方法模拟出系统耦联度；张明媛等[18]使用0-1信息来量化城市生命线的系统耦联性，并采用基于脆性理论的方法计算了系统耦联度；Ge等[19]使用0-1信息来量化城市生命线的空间地理耦联性，并研发了基于GIS和Petri网技术的仿真器用以模拟系统耦联度；Johansson和Hassel[20]使用城市生命线节点之间连接线路的数量来刻画系统耦联性，并采用基于网络理论的建模方法计算了系统耦联度；Zhang和Peeta[21]采用0-9分来量化城市生命线的系统耦联性，并采用基于可计算一般均衡理论的建模方法计算了系统耦联度。然而，上述测度方法在应用过程中存在如下不足之处：① 大多采用0-1信息来描述系统耦联性的有无，信息粒度会比较粗糙，还需要针对系统耦联性的方向及强弱给出更为全面、精确的描述；② 没有考虑城市典型生命线系统耦联诱发的传导效应，可能会影响测度结果的准确性；③ 没有考虑耦联机理差异会造成耦联信息形式的不同，对各种形式耦联信息的处理和集结问题尚未涉及。因此，需要研究新的测度方法来解决城市典型生命线系统耦联测度问题。

鉴于此，本文首先从结构性、功能性和阶段性维度入手进行城市典型生命线系统耦联机理分析；然后，提出一种基于主客观信息的城市典型生命线系统耦联多维测度方法。该方法利用二元语义表示模型将语言短语形式的功能性和阶段性维度耦联信息转化为二元语义形式，并通过对决策试验和评价实验室（DEMATEL）法进行扩展，实现对数值形式的结构性维度耦联信息与二元语义形式的功能性和阶段性维度耦联信息的处理和集结，进而确定各系统的中心耦联度和关系耦联度，便于相关部门明晰各系统耦联的强弱及类型。本文提出的测度方法克服了现有测度方法的局限性，不仅同时考虑了耦联信息的方向和强弱以及耦联传导效应，还充分考虑了耦联信息形式的差异，并在信息处理和集结过程中有效地避免了信息损失。