蓄意攻擊下供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點(diǎn)價(jià)值評(píng)估方法及應(yīng)用

　　摘要：針對(duì)蓄意攻擊下城市供水網(wǎng)絡(luò)防護(hù)的問(wèn)題，提出一種新的供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點(diǎn)綜合價(jià)值評(píng)估方法。結(jié)合蓄意攻擊特性，用EPANET、ALOHA分別模擬節(jié)點(diǎn)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(diǎn)自身價(jià)值、系統(tǒng)價(jià)值、間接價(jià)值的綜合價(jià)值評(píng)估模型。對(duì)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(diǎn)打擊目標(biāo);不同水廠綜合價(jià)值差距巨大，水廠3的綜合價(jià)值為水廠4的近5倍;水廠綜合價(jià)值越大，攻擊方收益也越大，受襲概率也越高，因此在應(yīng)對(duì)蓄意攻擊時(shí)應(yīng)為綜合價(jià)值高的水廠提供更多的防護(hù)資源。

　　關(guān)鍵詞：蓄意攻擊;供水網(wǎng)絡(luò);綜合價(jià)值評(píng)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(lái)，戰(zhàn)爭(zhēng)和恐怖襲擊等蓄意攻擊越來(lái)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(yùn)行和發(fā)展的基礎(chǔ)，若遭到蓄意攻擊破壞將會(huì)嚴(yán)重影響城市居民用水和工業(yè)用水，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)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(píng)估及供水恢復(fù)上，如王永等[2]評(píng)估分析了2008年汶川地震下12個(gè)城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)損壞;盧金鎖等[3]對(duì)地震后城市供水系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析及震后供水;李黎等[4]針對(duì)埋于地下的供水管道，采用蒙特卡羅評(píng)價(jià)了地震下城市供水網(wǎng)絡(luò)連通可靠性。然而，對(duì)蓄意攻擊背景下的供水網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)及評(píng)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(diǎn)的綜合價(jià)值評(píng)估模型，分別從自身價(jià)值、系統(tǒng)價(jià)值、間接價(jià)值評(píng)估重要節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用EPANET、ALOHA軟件對(duì)供水網(wǎng)絡(luò)性能及次生災(zāi)害進(jìn)行仿真模擬，并通過(guò)熵權(quán)法確定不同價(jià)值的權(quán)重系數(shù)得到節(jié)點(diǎn)綜合價(jià)值(綜合價(jià)值最大的節(jié)點(diǎn)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(hù)提供了依據(jù)。

　　2供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點(diǎn)綜合價(jià)值評(píng)估模型

　　考慮到蓄意攻擊主要為物理毀傷，主要是對(duì)供水設(shè)施的實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xiǎn)的手段。城市供水網(wǎng)絡(luò)包括水廠、輸水管線、水泵機(jī)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(jiǎn)化為只由管線和節(jié)點(diǎn)兩類元素組成的管網(wǎng)模型。

　　在模型中，管段與節(jié)點(diǎn)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(duì)于蓄意攻擊者來(lái)說(shuō)，水廠被攻擊所造成的轟動(dòng)效應(yīng)巨大，通常是優(yōu)選目標(biāo)。同時(shí)，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(huì)有很大差異。因此，對(duì)不同水廠進(jìn)行綜合價(jià)值評(píng)估確定重點(diǎn)防護(hù)目標(biāo)顯得尤為重要。供水廠綜合價(jià)值主要包括水廠自身價(jià)值、系統(tǒng)價(jià)值、間接價(jià)值，可通過(guò)熵權(quán)法確定不同價(jià)值的權(quán)重系數(shù)。

　　2.1自身價(jià)值評(píng)估方法

　　選擇層次分析法評(píng)估城市供水網(wǎng)絡(luò)重要節(jié)點(diǎn)自身價(jià)值。首先需要確定判斷矩陣，即通過(guò)各元素之間兩兩比較確定合適標(biāo)度，結(jié)合專家打分實(shí)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(jià)值評(píng)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(yùn)行時(shí)，所有居民都能用上水，此時(shí)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(diǎn)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(jì)要求，城市供水管網(wǎng)的供水水壓應(yīng)滿足需水點(diǎn)處壓力28m的要求。因此，假設(shè)需水點(diǎn)若水壓低于28m，則代表該點(diǎn)供不上水。

　　2.3間接價(jià)值評(píng)估方法

　　自來(lái)水廠是城市供水網(wǎng)絡(luò)的源頭，同時(shí)也是原水轉(zhuǎn)化為生活用水的重要環(huán)節(jié)。目前中國(guó)許多城市的自來(lái)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(duì)人體有強(qiáng)烈的刺激性，氯氣擴(kuò)散將造成嚴(yán)重的人員中毒傷亡。間接價(jià)值主要表現(xiàn)為水廠被破壞后氯氣擴(kuò)散導(dǎo)致的人員傷亡影響。

　　2.4節(jié)點(diǎn)綜合價(jià)值評(píng)估

　　選擇熵權(quán)法確定節(jié)點(diǎn)不同價(jià)值的權(quán)重系數(shù)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)重要度進(jìn)行綜合評(píng)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(gè)需水點(diǎn)、577根管線，每個(gè)需水點(diǎn)為該區(qū)域的居民提供用水，自來(lái)水廠可視為城市供水網(wǎng)絡(luò)的水源頭，對(duì)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(duì)供水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)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(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)、華中科技大學(xué)主辦，武漢國(guó)測(cè)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(bào)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(bào)道經(jīng)驗(yàn)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(dòng)力、土木與力學(xué)、環(huán)境工程、控制工程、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科。

　　4結(jié)論

　　a.通過(guò)對(duì)水廠自身價(jià)值、系統(tǒng)價(jià)值、間接價(jià)值三個(gè)方面的量化計(jì)算，直觀顯示了不同水廠的綜合價(jià)值高低，可為蓄意攻擊威脅下的重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象提供理論依據(jù)。b.對(duì)于綜合價(jià)值高的目標(biāo)應(yīng)投入更多的防護(hù)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(duì)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?chǔ)罐地下化，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(duì)，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(gè)水廠造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

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　　[2]王永，劉遂慶，鄭小明，等.供水管網(wǎng)地震損失分析與評(píng)估指標(biāo)研究[J].給水排水，2010，46(10)：112-116.

　　[3]盧金鎖，柴蓓蓓，黃廷林，等.城市給水系統(tǒng)地震風(fēng)險(xiǎn)分析及震后供水[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008(5)：686-691.

　　[4]李黎，程志遠(yuǎn)，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(qiáng)，肖元昊，席俊鵬

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