【模型工具】自然灾害下基础设施故障级联风险的通用建模框架

sunflower2018

原文信息

题目：A generalized natural hazard risk modelling framework for infrastructure failure cascades

作者：Evelyn Mühlhofera,b, Elco E. Koksc, Chahan M. Kropfa,b, Giovanni Sansavinid, David N. Brescha,b

作者单位：a 苏黎世联邦理工学院环境决策研究所；b 瑞士联邦气象和气候局；c 荷兰阿姆斯特丹自由大学环境研究所；d 苏黎世联邦理工学院能源与过程工程研究所

期刊：Reliability Engineering & System Safety

时间：2023

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ress.2023.109194

文章亮点

1. 构建了从自然灾害到基础设施故障和基本服务中断的“无缝”框架。

2. 专为大规模、现实世界相互依存的基础设施系统的风险评估而设计。

3. 具有开源代码库，可使用世界各地公开的数据。

4. 针对横跨美国3个州和6个基础设施系统的历史性飓风进行了验证的模型演示。

背景与目的

当自然灾害破坏关键基础设施（CI）时，其故障可能会对公共卫生、安全、保障、福祉和经济活动造成不利影响。捕捉相互依存的CI系统对自然灾害的反应，并研究其失效对人口的影响，是一项处于自然灾害（NH）风险建模、基础设施建模和社会脆弱性研究交叉领域的努力。然而，现有的研究由于研究范围小、对NH的刻画不贴合实际、缺少对社会脆弱性的考虑等问题，难以捕捉现实世界NH事件和CI系统的级联风险。本研究旨在开发一个灵活的开源端到端的影响模型，估计因自然灾害引起的CI级联故障而导致基本服务中断的人员的空间模式。

研究方法

本文构建的开发框架包括（1）基础设施系统建模、（2）自然灾害风险建模、（3）对基础设施组件的影响分析和（4）对依赖人口的影响分析四个阶段。在第一阶段，基础设施系统模型使用基础设施组件的地理参考信息、依赖人口、依赖启发式方法以及供需数据来计算相互依赖的关键基础设施的功能状态。CI系统被视为通过相互依赖关系相互连接的分层拓扑网络。第二阶段使用风险评估平台CLIMADA，根据空间明确的危险足迹和定制的脆弱性曲线计算基础设施组件的结构损坏。第三阶段将结构损坏计算的结果反馈到基础设施系统模型中，从而触发沿基础设施依赖关系的故障级联。在第四阶段，CI故障的技术影响转化为以人为本的影响。这一框架还支持对各阶段不确定性的分析。

研究结果

作者在2018年佛罗里达州的飓风迈克尔这一NH中应用了模型，并将CI故障和基本服务中断的实际情况与模拟结果进行了对比验证，考虑的基础设施系统包括主干道、输电线、发电厂、手机信号塔、给水处理厂、医疗机构和公立学校。研究结果表明已建立的模型框架可以捕捉影响热点并重现故障级联动态，且CI的相互依赖性对于设施和人口的脆弱性有决定性作用。

编者点评

本文结合基础设施和社区风险建模方法，开发了一个开源建模框架，捕捉大型现实世界基础设施网络中的级联故障及其对人们的影响。建议未来的研究减少对基础设施依赖关系的简化、考虑中断和恢复的时变性并更深入地分析社会脆弱性。

关键图表

图1 用于模拟因NH引发的基础设施级联故障而导致基本服务中断的人口的框架



图2 3个CI系统、人员和飓风事件的整个建模链的程式化说明



图3 将模型结果与关于（a）道路堵塞、结构损坏和流动事故、（b）停电、（c）医疗保健相关事故和医院损坏、（d）学校关闭、（e）基站中断和（f）供水中断的实际报告进行对比



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