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關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及其安全管理

文檔作者：劉曉1 4 張隆飆2 ZhangW J 3 Tu Y L 4 文檔來源： 1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院 2. 東北大學(xué)工商管理學(xué)院, 沈陽110004; 3. 薩斯客徹溫省大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 4. 卡爾加里大學(xué)機(jī)械與制造工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月04日
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第12卷第6期
2009年12月
管 理 科 學(xué) 學(xué) 報
JOURNAL OFMANAGEMENT SCIENCES IN CH INA
Vo.l 12 No. 6
Dec. 2009
關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及其安全管理¹
劉 曉1, 4, 張隆飆2, ZhangW J 3, Tu Y L 4
( 1. 上海交通大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院, 上海200240; 2. 東北大學(xué)工商管理學(xué)院, 沈陽110004;
3. 薩斯客徹溫省大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 加拿大; 4. 卡爾加里大學(xué)機(jī)械與制造工程學(xué)院, 加拿大)
摘要: 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施(CI)系統(tǒng)是復(fù)雜的、高度相互依存的、網(wǎng)絡(luò)化的社會) 技術(shù)系統(tǒng), 一旦系
統(tǒng)被中斷或者被破壞, 將會對國民健康、國土安全、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定以及政府的正常運轉(zhuǎn)等產(chǎn)生重大
的影響. 主要研究關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及其安全管理過程中的若干問題, 對CI的特點進(jìn)行了分析和
總結(jié), 建立了網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu), 并利用視圖模型來描述系統(tǒng), 同時還給出了災(zāi)難處理
的一般過程. 最后, 進(jìn)一步探討了如何使用系統(tǒng)工程的方法來分析和模擬網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的運
行方式、潛在的薄弱環(huán)節(jié)以及改進(jìn)這些薄弱環(huán)節(jié)的實施方法.
關(guān)鍵詞: 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施; 社會- 技術(shù)系統(tǒng); 建模; 體系結(jié)構(gòu)
中圖分類號: N949 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1007- 9807( 2009) 06- 0107- 09
0 引 言
近年來, 災(zāi)難事件在世界范圍內(nèi)頻頻發(fā)生, 如
中國的SARS、歐洲的瘋牛病、美國的911襲擊、印
度洋海嘯、美國和加拿大大停電、英國的地鐵爆炸
事件, 法國的機(jī)場坍塌事件, 加拿大的安大略洪水
災(zāi)難等等. 同樣, 我國對災(zāi)難的預(yù)防及應(yīng)急處理技
術(shù)也存在很大的需求, 很多地方都可以看到由災(zāi)
難事故及其引發(fā)的鏈鎖式反應(yīng)造成的嚴(yán)重后果.
比如, 廣東江門某油庫在施工過程中, 電焊產(chǎn)生的
火花使一座存有少量廢油的油罐發(fā)生爆炸, 導(dǎo)致
周邊數(shù)萬人被疏散. 另一個案例更加觸目驚心,
1989年8月12日中國石油天然氣總公司管道局
勝利油田輸油公司黃島油庫的特大火災(zāi), 造成19
人死亡, 100多人受傷, 燒掉原油4萬多立方米,
大約600噸石油在膠州灣海面形成幾條10 多海
里長、幾百米寬的污染帶, 另外還燒毀消防車10
輛, 直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3 540萬元. 這一系列的災(zāi)難
嚴(yán)重影響到人們的正常生活, 它不僅對人的生命
造成威脅, 而且在心理上也會產(chǎn)生巨大的負(fù)面影
響. 因此該領(lǐng)域的研究工作受到國內(nèi)外政府及學(xué)
者越來越多的重視.
災(zāi)難事件的誘因主要可以分為以下幾類:
( 1)自然災(zāi)害, 例如颶風(fēng)、地震、大范圍發(fā)生的傳
染病等; ( 2)人為事故, 主要是由人的誤操作引起
的事故; ( 3)技術(shù)問題, 主要是由設(shè)備可靠性問題
引發(fā)的事故; ( 4)恐怖襲擊, 主要是人為的故意破
壞. 盡管各國政府也都對上述各類事件都做出了
積極的反應(yīng), 但由于災(zāi)難事件管理是巨大的社
會) 技術(shù)復(fù)雜系統(tǒng), 尚缺乏行之有效的管理理論
或者實踐經(jīng)驗[ 1, 2] . 這就要求人們對那些一旦收
到破壞就會對直接威脅到國民健康、社會安定、經(jīng)
濟(jì)穩(wěn)定, 甚至導(dǎo)致整個社會體系崩潰的特殊基礎(chǔ)
設(shè)施, 即關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施事先考慮其發(fā)生災(zāi)難的風(fēng)
險, 并作好應(yīng)對措施.
所謂關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施( critical infrastructures,
CI)是指能夠為國土防御、經(jīng)濟(jì)安全以及國民健
康、福利事業(yè)持續(xù)提供產(chǎn)品或服務(wù)的行業(yè)、公共機(jī)
構(gòu)和傳播媒介[ 1] . 它主要包括: 公共事業(yè)、電信設(shè)
¹ 收稿日期: 2006- 11 - 13; 修訂日期: 2008- 03 - 17.
基金項目: 國家自然科學(xué)基金資助項目( 70571077).
作者簡介: 劉 曉( 1967) ), 女, 吉林人, 博士, 副教授. Emai:l x liu@ mai.ln eu. edu. cn
施、能源、金融、物流5個重要部門. 其中, 公共事
業(yè)部門又包括水、食品、執(zhí)法機(jī)構(gòu)和公共衛(wèi)生設(shè)
施等眾多的子部門, 所有這些部門構(gòu)成了為國
民生存提供必備的物資和服務(wù)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò); 電
信設(shè)施和能源部門(如電力、石油、天然氣)的可
靠安全運行是其它關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施正常運轉(zhuǎn)的基
本保證, 在CI系統(tǒng)中起著非常重要的作用; 金
融、物流(機(jī)場、港口、地鐵、高速公路、鐵路、郵
政服務(wù)和航運) 是人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部
分, 同時也是其它基礎(chǔ)設(shè)施高度依賴的兩個關(guān)
鍵部門.
1 CI系統(tǒng)的特點
1. 1 依賴性和內(nèi)部依賴性
綜合H ea lth Canada[ 1] , Kuban[ 3 ] , R ina ld i[ 4]以
及Thissen和H erder[ 5 ]等的論述, 復(fù)雜的CI系統(tǒng)
具有相互依賴和內(nèi)部依賴的關(guān)系, 如圖1所示. 這
些依賴關(guān)系可以分為物質(zhì)流依賴關(guān)系和非物質(zhì)流
依賴關(guān)系[ 6] , 二者的區(qū)別在于是否存在物質(zhì)的流
動. 物質(zhì)又包括: 1)材料; 2)能源; 3) 信息; 4)人.
CI系統(tǒng)的物質(zhì)流關(guān)系是顯而易見的, 并且在作應(yīng)
急預(yù)案的時候也得到了考慮, 然而對于非物質(zhì)流
關(guān)系來說, 卻很少得到關(guān)注. 例如對于在同一地區(qū)
提供醫(yī)療服務(wù)的兩家醫(yī)院來說, 盡管兩個CI之間
沒有任何物質(zhì)的流動, 但它們卻是相關(guān)的, 因為它
們都要對傷員進(jìn)行處理. 如果一家醫(yī)院收到了破
壞, 那么另一家醫(yī)院就必須接待更多的患者. 鑒于
CI系統(tǒng)復(fù)雜的相互依賴及內(nèi)部依賴關(guān)系, 本文將
稱之為/網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)0.
圖1 網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)示例[ 7]
F ig. 1 An examp le of th e networked CI sys tem
1. 2 開放性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變性
由于系統(tǒng)邊界的開放性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可變
性, 網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)變得非常復(fù)雜. 當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時,
現(xiàn)有的CI系統(tǒng)可能會因為資源耗盡而變成孤立
系統(tǒng), 與此同時還可能涉及到管理團(tuán)隊的變動
(如成員的增減). 例如在經(jīng)歷災(zāi)難之后, 運輸系
統(tǒng)可能由于種種原因而遭到破壞, 此時它便會脫
離原來的CI系統(tǒng), 同時也要求對該運輸系統(tǒng)的管
理團(tuán)隊進(jìn)行裁減. 網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)對于這種增加或
裁減也是開放的. 由于CI系統(tǒng)的這種開放性特
點, 如果增加新的CI, 那么新增的CI將與現(xiàn)有
的CI建立新的聯(lián)系; 相反, 如果某些現(xiàn)有CI被
裁減, 那么這些CI將與現(xiàn)有的CI脫離原有的聯(lián)
系, 導(dǎo)致原來CI系統(tǒng)的連通性發(fā)生變化. 這就表
明災(zāi)難中的網(wǎng)絡(luò)化CI 系統(tǒng)具有可變的拓?fù)?
結(jié)構(gòu).
1. 3 自治性
每個CI本身就是一個高度自治的系統(tǒng)(比如
核電站), 它具有自己的災(zāi)難管理系統(tǒng). 當(dāng)某一CI
發(fā)生災(zāi)難時, 其災(zāi)難管理系統(tǒng)就會首先被觸發(fā). 在
這一問題上, Ibarra 等[ 8] 討論了運輸系統(tǒng)的災(zāi)難
管理, H ouck等[ 9]討論了電信系統(tǒng)的災(zāi)難管理. 如
果災(zāi)難和災(zāi)難管理的影響范圍超出了特定的CI
系統(tǒng), 那么該CI系統(tǒng)的災(zāi)難管理水平將會得到增
強(qiáng), 進(jìn)而影響其他的CI系統(tǒng).
1. 4 地理位置動態(tài)性
CI系統(tǒng)的地理位置在災(zāi)難狀態(tài)下可能發(fā)生
變化(例如移動發(fā)電站可以從一個地方轉(zhuǎn)移到另
一個地方), 然而這種變化可能會影響到它的功
能. 因為對于一個特定的CI系統(tǒng)來說, 其運行條
件會隨位置的改變而改變. 或者說, 每個CI都運
行于特定的外部條件下. 一些CI系統(tǒng)(例如動力
系統(tǒng)、電信系統(tǒng))可能包含分布式的子單元, 而這
些子單元位于不同的地理位置. 如果這些子單元
的地理位置發(fā)生了改變, 那么CI系統(tǒng)的地理位置
也將隨之相應(yīng)地改變.
1. 5 系統(tǒng)中人的因素
網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)不僅包括技術(shù)系統(tǒng), 而且還包
括社會系統(tǒng). 例如發(fā)電廠必須由人來進(jìn)行操縱和
監(jiān)督. 任何災(zāi)難的影響都將最終作用于人, 同時災(zāi)
難中的受害者又會作為反饋的一部分作用于災(zāi)難
) 108 ) 管 理 科 學(xué) 學(xué) 報2009年12月
管理系統(tǒng), 如圖2所示. 從圖中可以看到, 受害者
的狀態(tài)作為災(zāi)難管理系統(tǒng)輸出的一部分, 而這些
輸出會被進(jìn)一步反饋到災(zāi)難管理系統(tǒng)來調(diào)整它的
管理決策或者制定新的決策. 但需要注意的是, 由
于環(huán)境和人的雙重不確定性, 受害者的狀態(tài)也在
隨時間而改變. 因此可以看出, 災(zāi)難管理是具有不
確定輸出的復(fù)雜的控制問題.
圖2 災(zāi)難管理的雙重目的
Fig. 2 The dual goal in d isastermanagement
總之, 網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)具有如下特點: 1) 開放
性(C1); 2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變性(C2); 3)社會) 技術(shù)
以及人) 機(jī)之間的交互性(C3 ); 4 )動態(tài)演變性
( C4); 5)地理位置動態(tài)性( C5); 6)自治性(C6).
這些特點描述了網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的靜態(tài)特性. 然而
當(dāng)CI系統(tǒng)運行時, 其動態(tài)特性又包括極其復(fù)雜的
過程, 這些過程具有以下特征: ( i)并發(fā)性, ( ii)異
步性, ( iii)分布式, ( iv)并行性, ( v)隨機(jī)性[ 6] .
綜上所述, CI 系統(tǒng)是個復(fù)雜的、網(wǎng)絡(luò)化的、
/社會) 技術(shù)0以及/ 人) 機(jī)0交互系統(tǒng). 而人- 機(jī)
交互的本質(zhì)意味著每一個CI系統(tǒng)都與人自身休
戚相關(guān). 許多眾所周知的災(zāi)難性事件就是由于人
為因素造成的, 比如三里島事件. 這些事件對管理
能力提出了新的挑戰(zhàn), 即如何對網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)在
正常工作條件下或是在有意外事件發(fā)生的情況下
進(jìn)行有效地控制與管理. 目前, 在國內(nèi)外的研究中
主要存在兩個與網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)相聯(lián)系的基本問
題: 災(zāi)難預(yù)警和災(zāi)難處理. 其中, 災(zāi)難預(yù)警的關(guān)鍵
問題是如何確定網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié); 災(zāi)
難處理的關(guān)鍵問題是如何使損失最小化并使系統(tǒng)
功能得到迅速恢復(fù). 本文側(cè)重于災(zāi)難處理(或稱
應(yīng)急處理)的研究.
2 FEBPSS框架
系統(tǒng)是由一系列相互關(guān)聯(lián)的元素或?qū)嶓w構(gòu)成
的. 本文將其描述為/功能– 效果– 行為– 規(guī)
則– 結(jié)構(gòu)– 狀態(tài)0 ( function2effect2 behavior2
princ iple2structure2state, FEBPSS)框架[ 10] . FEBPSS
框架的核心概念包括: 1) 結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和狀態(tài)變
量; 2 ) 行為; 3) 規(guī)則; 4 ) 功能和效果; 5 ) 系統(tǒng)
分解.
上述概念之間的關(guān)系如圖3所示. 從圖中可
以看出結(jié)構(gòu)位于整個體系的最低層, 繼而依次是
狀態(tài)、行為和功能. 規(guī)則處于狀態(tài)和行為之間, 用
于支配或者解釋行為. 效果位于行為和功能之間,
它給出了從行為到功能的基本準(zhǔn)則. 此外,
FEBPSS框架沿兩個維度安排這些概念: 1)聚合維
(結(jié)構(gòu)y 狀態(tài)y 行為y 功能); 2)控制維(規(guī)則
和效果).
圖3 FEBPSS框架
Fig. 3 The FEBPSS framework
另外, 圖3的右下部分體現(xiàn)了系統(tǒng)分解的思
想. 對于一個系統(tǒng)來說, 不僅其本身可以被分解成
多個子系統(tǒng)和組件, 而且其結(jié)構(gòu)、行為、規(guī)則、效果
和功能也都是可以再分解的. 這說明研究組件、子
系統(tǒng)、系統(tǒng)的行為(功能、規(guī)則、效果)是必要的.
同時可以清楚地看出, 系統(tǒng)分解和FEBPSS是正
交的.
3 網(wǎng)絡(luò)化C I系統(tǒng)的建模方法
3. 1 網(wǎng)絡(luò)化C I系統(tǒng)及其災(zāi)難管理的控制系統(tǒng)
視圖
前面的討論表明災(zāi)難管理實質(zhì)上是決策問題
或者控制問題. 因此, 可以從控制系統(tǒng)的角度來研
第6期劉 曉等: 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及其安全管理) 109 )
究網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的災(zāi)難管理過程, 從而可以得到
具有控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的概念模型(參見
圖4).
圖4 災(zāi)難管理的控制系統(tǒng)視圖
F ig. 4 Con trol system v iew of d isastermanagemen t
控制系統(tǒng)通常有目標(biāo)導(dǎo)向和任務(wù)導(dǎo)向兩種類
型的工作. 在目標(biāo)導(dǎo)向型的控制工作中, 通常會有
一個明確定義的目標(biāo). 而對于任務(wù)導(dǎo)向型的工作
來說, 工作不能通過預(yù)定義的方式進(jìn)行描述, 比如
在人員的搜救工作中, 救援隊對是否有人員的傷
亡, 具體的傷亡數(shù)目, 或者是他們處于什么狀態(tài)并
不知道. 為了量化問題, 不得不將面向任務(wù)的工作
分解成一系列在某一時間段內(nèi)面向目標(biāo)的工作.
網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)中的災(zāi)難管理便是任務(wù)導(dǎo)向型的
工作, 它的首要任務(wù)就是在限定的時間內(nèi)恢復(fù)處
于災(zāi)難狀態(tài)下的CI系統(tǒng). 這一任務(wù)可以被分解成
多個子任務(wù), 例如在10小時內(nèi)用地面運輸系統(tǒng)將
傷員從A地運送到B地, 把他們送到最近的醫(yī)院
等等. 與此同時, 控制、管理和協(xié)調(diào)將會起到應(yīng)有
的作用.
3. 2 建模策略的選擇
按照控制論的觀點, 為了有效的控制和管理
一個工廠, 需要建立使工廠與其輸入、輸出關(guān)聯(lián)的
模型. 建立此模型有兩種策略, 第1種是從工廠的
結(jié)構(gòu)開始建模, 第2種是從工廠的行為開始建模.
對于網(wǎng)絡(luò)化的CI系統(tǒng)來說, 第2 種策略并不合
適, 因為要了解網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的行為并非易事
(要了解其行為要求災(zāi)難發(fā)生在一個特定的網(wǎng)絡(luò)
CI系統(tǒng)中, 而這是不現(xiàn)實的). 因此本文采用第1
種建模策略, 即利用FEBPSS框架來建立模型(見
圖5). 在圖5中, 對每一個CI系統(tǒng), 甚至網(wǎng)絡(luò)化
CI系統(tǒng)整體都利用FEBPSS框架進(jìn)行建模. 這種
方法符合第2部分提到的FEBPSS體系結(jié)構(gòu)與系
統(tǒng)分解相互正交的建模原則.
圖5 FE BPSS框架在網(wǎng)絡(luò)CI系統(tǒng)中的應(yīng)用
F ig. 5 App licat ion of the FEBPSS framework to the
network ed CI system
3. 3 網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)的組成元素和它們
之間的功能性關(guān)系. 在本文中, 提出了網(wǎng)絡(luò)化CI
系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的通用模型GANetCI( generic arch i2
tecture of the networked CI system). 為了使GANetCI
具有前述網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的所有特征, 需要首先做
一些假定, 以使該體系結(jié)構(gòu)能夠利用FEBPSS框
架來進(jìn)行建模.
將網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)中的每個CI都看作是擁有
FEBPSS框架的智能體. 為具有CI系統(tǒng)的開放性
特點( C1), 假定智能體的數(shù)量是可變的. 為了具
有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變的特點( C2), 假定CI之間聯(lián)系
的數(shù)量是開放的. 為具有自治性特點( C6), 假定
每個CI系統(tǒng)都具有災(zāi)難管理系統(tǒng)(見圖5); 同時
假定同一層次的所有CI系統(tǒng)構(gòu)成的聚合體也具
有災(zāi)難管理系統(tǒng)(見圖5). 為了具有動態(tài)演變性
和地理位置動態(tài)性的特點( C4, C5), 認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)化
CI系統(tǒng)的所有狀態(tài)都是時間和位置的函數(shù).
在研究包含多種上述關(guān)系的復(fù)雜性動態(tài)系統(tǒng)
時, 視圖模型被認(rèn)為是最有效的方法
[ 10] . 每種視
圖都從一個特定的角度對系統(tǒng)進(jìn)行描述, 并且都
可以視為系統(tǒng)的簡化版本. 視圖模型所隱含的哲
學(xué)思想是: 系統(tǒng)的復(fù)雜性可利用/ 分而治之0的方
法來處理. 實際上, 可以將視圖看成是對系統(tǒng)的抽
象, 例如X的視圖是忽略除X之外的所有其它東
西之后得到的[ 11] .
利用視圖模型方法, 可以為網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)定
義下列視圖: 1)功能視圖, 2)過程(或行為)視圖,
3)結(jié)構(gòu)視圖, 4)人類組織視圖, 5)資源視圖, 6)災(zāi)
) 110 ) 管 理 科 學(xué) 學(xué) 報2009年12月
難視圖. 前3種視圖直接與FEBPSS框架相聯(lián)系,
第4種視圖與具有特性C3的社會系統(tǒng)相關(guān)聯(lián), 最
后兩種視圖與災(zāi)難和災(zāi)難管理相關(guān)聯(lián). 下一部分
將對這些視圖模型進(jìn)行詳細(xì)的討論.
4 網(wǎng)絡(luò)化C I系統(tǒng)的視圖
眾所周知, 視圖和視圖模型是不同的. 視圖描
述的是系統(tǒng)的語義, 而視圖模型是對使用形式語
言的視圖的描述. 下面將對網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的視圖
逐一進(jìn)行研究.
4. 1 功能視圖
功能視圖著眼于在網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)中探索CI
系統(tǒng)的功能以及它們之間的關(guān)系. CI系統(tǒng)功能之
間的關(guān)系并不包括物質(zhì)的流動. 關(guān)系的種類可以
利用數(shù)據(jù)抽象的方法來分類, 而數(shù)據(jù)抽象又包括
普遍化/特殊化( generalization / specialization , G/
S)和聚合/分解( aggrega tion / decomposition , A/
D)兩種形式. 如圖6, 災(zāi)難管理系統(tǒng)中共有3家醫(yī)
院, 其作用是為災(zāi)難中的受傷人員提供醫(yī)療服務(wù).
圖6a是傷員醫(yī)療服務(wù)的局部模型, 圖中同時顯示
了利用A /D數(shù)據(jù)抽取方法處理這類問題的具體
做法. 在本例中, 還需要利用運輸系統(tǒng)把傷員從一
個地方送到另外一個地方. 圖6b為包含運輸系統(tǒng)
的功能視圖, 圖中同時顯示了利用A /D數(shù)據(jù)抽取
圖6 功能視圖
F ig. 6 Function view
方法處理這類問題的具體做法. 另外, 需要指出的
是, 在網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)中, 可能有些系統(tǒng)并不是關(guān)
鍵的, 但是為了保持網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)功能的完整
性, 這些輔助系統(tǒng)的存在是必要的, 例如污水排放
系統(tǒng), 臨時居住點等. 由于它們并不是關(guān)鍵因素,
因此假定輔助系統(tǒng)的容量是無限的. 同樣需要注
意的是, 容量限制也是功能視圖的一部分.
4. 2 過程視圖
網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的過程視圖對應(yīng)FEBPSS框
架中的行為的概念. 系統(tǒng)(或者子系統(tǒng)、部件)的
行為主要是指與系統(tǒng)相關(guān)的一系列主動變量和被
動變量之間的關(guān)系(見圖7a). 根據(jù)FEBPSS框架
的正交性, 本文給出了過程視圖(見圖7). 在此圖
中, X1, X2(圖7a)兩個系統(tǒng)被聚合成一個更高層
次的系統(tǒng)X1X2(圖7b). 系統(tǒng)X1X2具有自己的
包括一個輸入和兩個輸出的行為, 并且通過輸入
輸出進(jìn)一步和其他系統(tǒng)相聯(lián)系(見圖7b). 此外根
據(jù)在1. 1節(jié)的討論, 過程中的物質(zhì)的種類有4種:
1)材料, 2)能源, 3)信息, 4)人. 復(fù)雜的過程可以
包括所有這4種物質(zhì). 很明顯, 可以在物質(zhì)分類的
基礎(chǔ)上對過程視圖進(jìn)行進(jìn)一步地分解. 例如, 可以
將其進(jìn)一步分解為材料過程視圖和信息過程視圖.
這兩種視圖(確切地說子視圖)是相互聯(lián)系的.
圖7 過程視圖
F ig. 7 Process view
4. 3 結(jié)構(gòu)視圖
結(jié)構(gòu)視圖通常用于描述CI系統(tǒng)以及它們之
間的聯(lián)系, 例如醫(yī)院不僅是一個CI系統(tǒng), 同時它
又與運輸CI系統(tǒng)和化工廠都有聯(lián)系(詳見第5部
分的討論). 在結(jié)構(gòu)視圖中, 將空間的和時間的信
息也包含進(jìn)來, 以滿足第1部分提到的動態(tài)演變
性和地理位置動態(tài)性的特點(C4, C5). 一般來說,
結(jié)構(gòu)視圖和功能視圖在所包含關(guān)系的交叉部分可
能會產(chǎn)生混淆. 例如在網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)中, 具有層
次結(jié)構(gòu)的圖6b對醫(yī)療和運輸系統(tǒng)的相關(guān)性進(jìn)行
了描述, 具有網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)的圖8描述了他們之間
第6期劉 曉等: 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及其安全管理) 111 )
的相關(guān)性. 但實際上這種混淆是易于解決的, 因為
圖6b所描述的關(guān)系是當(dāng)兩個CI都對社會) 技術(shù)
系統(tǒng)的整體功能產(chǎn)生作用時的情況; 而圖8 實際
上描述了任意兩個CI之間的物質(zhì)流關(guān)系. 這種觀
點是在產(chǎn)品建模工作中被首先提出的[ 12 ] .
圖8 結(jié)構(gòu)視圖
Fig. 8 Structu re view
4. 4 災(zāi)難視圖
災(zāi)難視圖是關(guān)于以下這些方面的信息: 1)災(zāi)
難發(fā)生的時間(when) 和地點(where ), 2)災(zāi)難的
類型, 3)災(zāi)難的規(guī)模, 4)災(zāi)難引起的網(wǎng)絡(luò)化CI系
統(tǒng)功能的受破壞程度, 5)災(zāi)難中生命系統(tǒng)(包括
人、動物、植物) 之間的因果關(guān)系. 在具有災(zāi)難管
理的情況下, 可以在災(zāi)難發(fā)生前觀察到異常的征
兆, 這些征兆可能由自然、意外、人為破壞3 個因
素中的1個或者多個所引起[ 2 ] .
4. 5 資源視圖
系統(tǒng)的過程是指系統(tǒng)的輸入與輸出之間的關(guān)
系, 資源就像可以隨時取用需求物資的/倉庫0,
用以保證/過程0處于穩(wěn)定的狀態(tài). 當(dāng)有充足的資
源投入到過程中時, 過程就會/加速0. 當(dāng)資源不
足時, 物質(zhì)的流動就會/ 減速0直至最終/ 停止0.
值得一提的是, 資源在過程的輸出端還起到了
/儲存0剩余物質(zhì)的作用. 在災(zāi)難管理的情況下,
資源的種類和物質(zhì)的種類相同, 即材料、能源、信
息和人. 其中, 物質(zhì)材料還包括用于加工物質(zhì)的工
具和設(shè)施.
4. 6 人類組織視圖
人類組織視圖是從人的角度來看待網(wǎng)絡(luò)化
CI系統(tǒng). 本文認(rèn)為對于技術(shù)系統(tǒng)中的每個部件和
子系統(tǒng), 都會有相應(yīng)的人類組織視圖. 這一觀點在
圖2中已經(jīng)有所體現(xiàn), 圖中每個CI都與特定的社
會環(huán)境相聯(lián)系, 而社會環(huán)境既為技術(shù)CI系統(tǒng)提供
約束又為其提供條件. 基于這種考慮, 每個CI都
在雙重約束下工作: 1)對其他CI系統(tǒng)的依賴; 2)
對人類組織系統(tǒng)的依賴.
圖9 災(zāi)難和功能視圖的聯(lián)系
Fig. 9 The conn ection between th e disaster and funct ion v iews
上述這些視圖之間是相互聯(lián)系的. 功能、過程
和結(jié)構(gòu)視圖同屬于FEBPSS體系結(jié)構(gòu)的一部分,
因而是相關(guān)的. 資源視圖與物質(zhì)有關(guān), 而物質(zhì)從過
程中流入或流出. 人類組織視圖與每個技術(shù)CI系
統(tǒng)相聯(lián)系, 因為每個技術(shù)CI都有其存在的社會環(huán)
境[ 9] . 災(zāi)難和功能視圖之間的聯(lián)系可以通過圖9
進(jìn)行描述, 從圖中可以看出每一個災(zāi)難都可能會
影響到網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的多種功能. 因此, 我們可
以從功能整體的角度對災(zāi)難進(jìn)行預(yù)警. 災(zāi)難視圖
通過結(jié)構(gòu)視圖進(jìn)一步和人類組織視圖相聯(lián)系.
5 GANetCI有效性演示
目前研究中的關(guān)于災(zāi)難事故處理的措施與步
驟總結(jié)如下:
1) 預(yù)防以減小或消除自然災(zāi)害和人為災(zāi)害
帶來的影響為目的的一系列措施;
2) 準(zhǔn)備完善應(yīng)對措施、程序和計劃, 從而更
加有效地應(yīng)對緊急事件;
3) 反應(yīng)在緊急情況發(fā)生時或事后的應(yīng)對措施;
4) 恢復(fù)事件發(fā)生后的重建.
在圖10中, 橫坐標(biāo)代表災(zāi)難發(fā)生的時間, 縱
軸代表各個與災(zāi)難相關(guān)的決策制定者(或者說管
理者). 同時圖10還進(jìn)一步說明了圖2中的災(zāi)難
控制過程(見圖10的虛線部分).
可以通過對基于GANetCI的災(zāi)難管理通用
過程的設(shè)計來演示災(zāi)難發(fā)生后決策制定者應(yīng)該如
何使用GANetCI來對災(zāi)難進(jìn)行處理. 現(xiàn)在, 以包
) 112 ) 管 理 科 學(xué) 學(xué) 報2009年12月
圖10 災(zāi)難處理流程
Fig. 10 Process of disasterman agemen t
含醫(yī)院、運輸系統(tǒng)、化工廠3個CI的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)
為例進(jìn)行討論. 假定某化工廠發(fā)生了爆炸, 并導(dǎo)致
毒氣泄露. 同時假定毒氣不是被監(jiān)控裝置而是被
工廠的工人所發(fā)現(xiàn), 假定毒氣在10小時內(nèi)就會擴(kuò)
散到附近的居民區(qū).
每個CI系統(tǒng)都有自己的FEBPSS模型(如圖11
所示). 災(zāi)難管理有兩個目的: 1)恢復(fù)遭到破壞的功
能, 2)營救受害者. 這些目的可以通過與GANetCI緊
密聯(lián)系的通用過程來實現(xiàn), 具體過程如下:
圖11 包括( a)醫(yī)院, ( b )運輸系統(tǒng), ( c)化工廠三個CI
系統(tǒng)的簡化FEBPSS模型
F ig. 11The smi pl ified FEBPSSmodel for the three CI
systems ( ( a) hosp ita,l ( b ) transportation, ( c) chemical p lan t)
第1步 從災(zāi)難視圖的角度來描述災(zāi)難. 災(zāi)
難也有其自己的生命周期, 從開始、發(fā)展直至結(jié)
束. 進(jìn)一步講, 生命周期還是時間和空間的函數(shù).
對于演示系統(tǒng), 做如下的假定:
發(fā)生爆炸
時間: 上午10點;
地點: 工廠東部區(qū)域X1, Y1, Z1;
聲音: 60分貝;
工人聞到毒氣H2 S
爆炸擴(kuò)散
時間: 上午11點;
地點: 工廠東部區(qū)域X2, Y2, Z2
第2步 如果能立即獲取災(zāi)難的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),
則確定遭到破壞的功能和受害者數(shù)量;
第3步 如果在特定的時間內(nèi)不能確定災(zāi)難
的影響情況, 就需要用結(jié)構(gòu)視圖來估計遭到破壞
的功能和受害者數(shù)量. 當(dāng)?shù)弥獮?zāi)難發(fā)生的具體位
置之后, 利用結(jié)構(gòu)視圖和功能視圖之間的聯(lián)系可
以確定遭到破壞的功能. 此外, 可以從人類組織視
圖和結(jié)構(gòu)視圖之間的聯(lián)系確定受害者的數(shù)量;
第4步 找出功能在正常情況下與遭到破壞
的情況下的差異.
第5步 以功能視圖和過程視圖之間的聯(lián)系
為基礎(chǔ)來確定遭到破壞的過程;
第6步 找出正常過程和遭到破壞的過程之
間的差異, 這將有助于確定需要的資源.
第7步 比較為恢復(fù)遭到破壞的功能所需的資
源和基于資源視圖的現(xiàn)有資源, 確定尚未滿足的
資源;
第8步 對未滿足資源的配送過程進(jìn)行計劃
和調(diào)度.
與上述步驟同樣重要的是, 需要營救受害者,
尤其需要完成以下兩步:
第4. 步 確定將傷員送往哪些醫(yī)院(通過結(jié)構(gòu)
視圖), 確定受影響區(qū)域的居民被安排到哪些地方;
第5. 步 對受害者的運送進(jìn)行計劃和調(diào)度. 在
這一點上, 10小時的時間限制假定就變得非常重要.
在如上的理論支持下, 本文開發(fā)了基于GIS
的CI決策支持系統(tǒng), 如圖12所示.
圖12 CI決策支持系統(tǒng)
F ig. 12 CI Decis ion2mak ing System
第6期劉 曉等: 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及其安全管理) 113 )
6 結(jié)束語
本文主要討論了網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的基本概念,
并提出了處于災(zāi)難中的網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框
圖. 所討論的最重要的概念之一就是網(wǎng)絡(luò)CI化系
統(tǒng)的控制系統(tǒng)視圖, 該視圖引出了兩個相互分離
的概念: 1)網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng); 2)災(zāi)難管理機(jī)制. 這
種分離為解決網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)的復(fù)雜性提供了一
個框架. 通過對系統(tǒng)控制和災(zāi)難管理的類比進(jìn)一
步提高了將控制系統(tǒng)的豐富理論, 尤其是穩(wěn)定性
和魯棒性, 應(yīng)用于災(zāi)難管理的可能性. 本文所討論
的另一個重要的概念就是技術(shù)CI和它的社會環(huán)
境. 這對概念是沿著技術(shù)CI系統(tǒng)分解的階梯提出
的. 此概念使得可以用系統(tǒng)化的方式來對人的
因素進(jìn)行建模. 最后, 整篇文章還受到一般工程
設(shè)計理論的影響, 尤其是第5部分提出的通用
過程采用了設(shè)計模式. 按照一般工程設(shè)計的概
念, 可以在將來用于研究網(wǎng)絡(luò)化CI系統(tǒng)重構(gòu)的
問題.
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2. School ofBusiness Administration, Northeastern University, Shenyang 110004, China;
3. Department ofMechan ica lEngineering, University of Saska tchewan, Canada;
4. Department ofMechan ica l andManufacturing Engineering, University ofCa lgary, Canada
Abstra ct: Critica l infrastructure ( CI) safety system is a complex and high ly inter2dependent and networked
socia l2techn ica l system wh ich, if d isrupted or destroyed, wou ld have a serious impact on the health, safety,
security, or economicwell2be ing of peop le and / or the e ffective function ing of governments. Th is paper is de2
voted to the study of the architecture of the CI safety system and problems in itsmanagemen.t We present the
architecture of the networked CI system alongwith its d isastermanagement system, inwhich the system is de2
scribed with the notion of view, and the generic process of the disastermanagemen.t Also, it d iscusses how to
apply the systems engineering approach to analyze and simulate the networked CI system, and how to find the
underlyingweak parts and effic ientways to improve them. F inally, we show the usefu lness of the arch itecture
by outlining a genera l procedure for disastermanagement wh ich is systematic and rationa.l
K ey words: critical infrastructure; socio2technical systems; mode ling; arch itecture
第6期劉 曉等: 關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施及其安全管理) 115 )

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