基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的地鐵恐怖襲擊災(zāi)害鏈風(fēng)險分析

楊起帆， 張亞君， 歐陽作林

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制實驗室，河北 石家莊 050043)

地鐵是城市重要的公共交通設(shè)施，具有全線性、開放性、封閉性及群體性等特點，一旦地鐵內(nèi)發(fā)生恐怖襲擊，往往會引起二次災(zāi)害或衍生災(zāi)害，社會影響惡劣。國內(nèi)外學(xué)者針對地鐵恐怖襲擊災(zāi)害事故分析及防御方法開展了大量研究。Giovanni B等[1]根據(jù)地鐵易受恐怖襲擊的特點，改進了智能監(jiān)控系統(tǒng)，以提高監(jiān)測技術(shù)，保障地鐵安全系統(tǒng)的可靠性。Barbora S等[2]用TEREX計算機程序模擬布拉格地鐵系統(tǒng)，評估了不同情景下化學(xué)神經(jīng)毒劑恐怖襲擊對該地鐵安全的影響。吳鳳山等[3]則運用博弈論對地鐵恐怖襲擊進行了定量研究。陳琳[4]研究了新時期地鐵反恐怖基本策略，指出縱火、爆炸、核生化恐怖襲擊是當(dāng)前國際地鐵恐怖襲擊的主要形式，應(yīng)急處置體系是地鐵反恐工作的重要構(gòu)成，提高事前預(yù)防能力是關(guān)鍵。Alexey V. Shvetsov[5]通過數(shù)學(xué)計算方法，評估了爆炸裝置在地鐵內(nèi)的風(fēng)險，提出了降低爆炸影響的方法，該方法有效提高地鐵安全水平。陳建均[6]、于昕明[7]、李浩然[8]等構(gòu)建了城市軌道交通系統(tǒng)的災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)模型，并對災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)的安全狀態(tài)進行了評價。于恒等[9]統(tǒng)計分析地鐵恐怖襲擊事件，得到了爆炸為最常見的襲擊方式，并提出了地鐵反恐安全管理建議。李楓等[10]針對恐怖襲擊情境，研究了地鐵車站的乘客應(yīng)急疏散仿真。Ondrej Dolezal[11]利用AnyLogic，模擬了1995年東京地鐵恐怖襲擊事件，并假設(shè)不同場景，為使損失最小化，提出了減小恐怖襲擊后果嚴(yán)重度的安全建議。

目前，眾多學(xué)者圍繞地鐵事故的誘發(fā)原因和控制方法開展了大量研究，但關(guān)于地鐵恐怖襲擊災(zāi)害鏈鏈生演化機理的研究相對較少。因此，作者根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建地鐵恐怖襲擊災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)模型，綜合分析災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的重要度和邊的脆弱性，對地鐵恐怖襲擊災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)進行風(fēng)險評價，所得結(jié)論可為地鐵運營風(fēng)險預(yù)控提供指導(dǎo)意義。

1 地鐵恐怖襲擊災(zāi)害事故統(tǒng)計分析

調(diào)研1995～2017年內(nèi)發(fā)生的13起重大地鐵恐怖襲擊事件(見表1[12-14])，城市軌道交通恐怖襲擊事件主要集中于以下三種類型：生化襲擊、爆炸襲擊和人為縱火襲擊，且具有幾種特征。

表1 地鐵恐怖襲擊事件一覽表

(1)生化襲擊：以1995年3月20日日本東京地鐵沙林毒氣事件為例，生化毒氣感染大量站廳和列車內(nèi)的乘客，引起乘客恐慌，造成大規(guī)模的擁擠踩踏和群死群傷[12]；同時，核生化污染物質(zhì)擴散，造成大面積污染且難以消除，給城市造成無法估量的間接損失和環(huán)境破壞。

(2)爆炸襲擊：爆炸具有極強的破壞力和殺傷力，會造成通訊、電力供應(yīng)等設(shè)施損壞，引起地鐵交通網(wǎng)絡(luò)中斷，影響居民生活；此外，爆炸還可能會導(dǎo)致車站的主體結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)性能劣化。

(3)縱火襲擊：以2003年2月18日韓國大邱火災(zāi)為例，事故調(diào)查結(jié)論表明，火災(zāi)引起的擁擠踩踏和煙氣中窒息是引發(fā)大量人員傷亡的主要原因。

2 地鐵恐怖襲擊災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

恐怖襲擊事故后果極為嚴(yán)重，恐怖襲擊發(fā)生后，直接導(dǎo)致人員傷亡或車站破壞，間接引發(fā)地鐵停運(地面交通量突然增大)、人員慌忙撤離(潛在人員踩踏事故)、地鐵結(jié)構(gòu)損傷(工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷)。綜合地鐵恐怖襲擊事件的綜合調(diào)研和歸納分析[15-17]，本文從生化、爆炸和火災(zāi)三方面構(gòu)建地鐵恐怖襲擊災(zāi)害的災(zāi)害鏈?zhǔn)絺鬟f模型，見圖1。

圖1 地鐵恐怖襲擊災(zāi)害鏈演化模型

地鐵恐怖襲擊災(zāi)害具有顯著的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點代表地鐵危機事件，邊代表危機事件的演化關(guān)系，所構(gòu)建地鐵系統(tǒng)災(zāi)害的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型見圖2。圖2中復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型共有33個節(jié)點和54條邊，即該網(wǎng)絡(luò)有33個災(zāi)害事件，54條災(zāi)害演化路徑。

圖2 地鐵恐怖襲擊災(zāi)害傳遞演化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

3 地鐵恐怖襲擊復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)綜合分析

3.1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度分析

利用節(jié)點的度中心性、緊密中心性和中介中心性三個度量指標(biāo)，分別描述災(zāi)害事件節(jié)點在地鐵災(zāi)害復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的重要性[18]。

(1)度中心性：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點與其他節(jié)點都發(fā)生直接聯(lián)系，則該節(jié)點處于中心地位，節(jié)點關(guān)系越廣，相鄰節(jié)點越多，節(jié)點越重要，見式(1)[18]。

(1)

式中：σij表示節(jié)點i與節(jié)點j之間的邊的數(shù)目;N是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù)。

(2)緊密度中心性：網(wǎng)絡(luò)中與各節(jié)點聯(lián)系路徑最短的一個中心點，節(jié)點緊密度越高，說明此節(jié)點直接或間接與其他節(jié)點的聯(lián)系最多，見式(2)[18]。

(2)

式中：dij為節(jié)點i與節(jié)點j間的最短路徑；N為網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點總數(shù)。

(3)中介中心性：是指表示連接網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點對的最短路徑中，經(jīng)過某一節(jié)點的最短路徑數(shù)目，見式(3)[18]。

(3)

式中：s,t代表1組節(jié)點對，σ(s,t)為節(jié)點對之間的最短路徑總數(shù)；σ(s,t|v)為節(jié)點對最短距離經(jīng)過節(jié)點i的次數(shù)；v是圖中頂點的集合，其中的每個元素對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點代表網(wǎng)絡(luò)中的一個實體。

本節(jié)利用層次分析法對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度進行綜合評價。依據(jù)專家意見，對度中心性、緊密度中心性和中介中心性三個指標(biāo)重要度進行對比分析，構(gòu)造比較判斷權(quán)重矩陣(見表2)，計算得出指標(biāo)權(quán)重分別為0.2、0.4和0.4，所得結(jié)果通過了一致性檢驗。

表2 評價指標(biāo)比較矩陣

(4)節(jié)點綜合重要度：分別求出不同評價指標(biāo)體系下，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的重要度百分比，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重值，求得該節(jié)點的綜合重要度P。分析計算結(jié)果，得出地鐵災(zāi)害演化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點結(jié)構(gòu)重要度排序為：隧道變形異常、隧道透水、隧道結(jié)構(gòu)性能劣化、爆炸和隧道結(jié)構(gòu)坍塌等，見表3。

表3 地鐵災(zāi)害演化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要度評價

(4)

(5)

3.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)邊的脆弱性分析

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論和網(wǎng)絡(luò)抗毀性評價，利用邊介數(shù)、連通度和平均路徑長度三個指標(biāo)評價災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)邊的脆弱性[19-21]。

(1)邊介數(shù)：網(wǎng)絡(luò)中通過該邊的最短路徑數(shù)目，邊介數(shù)越大，則該邊對網(wǎng)絡(luò)抗毀性影響也越大，見式(6)[19-21]。

(6)

式中：Bi為邊i介數(shù)；njk(i)表示為節(jié)點j和k之間經(jīng)過邊i的路徑數(shù)目。

(2)連通度：從網(wǎng)絡(luò)圖中某起始節(jié)點出發(fā)，能夠連通的節(jié)點數(shù)和總節(jié)點數(shù)的比值，見式(7)[19-21]。

(7)

式中：N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總數(shù)；Ni為從某起始節(jié)點出發(fā)能夠連通的節(jié)點數(shù)。

(3)平均路徑長度：原生災(zāi)害事件到其他所有次

生災(zāi)害事件的距離，網(wǎng)絡(luò)的平均災(zāi)害路徑度越大，該邊的重要性也就越大，見式(8)[19-21]。

(8)

式中：N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的總數(shù)；dij為節(jié)點i與j之間的最短距離。

(4)脆弱性：邊的脆弱性由邊介數(shù)、連通度和平均路徑長度三個指標(biāo)共同確定，邊的脆弱度越大，則其重要性越強，見式(9)[19-21]。

(9)

式中：k為該災(zāi)害鏈中邊的總數(shù)。

利用上述公式，計算地鐵災(zāi)害鏈?zhǔn)窖莼W(wǎng)絡(luò)邊的重要度，得到地鐵恐怖襲擊災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)的邊介數(shù)、連通度、平均路徑長度和脆弱性指標(biāo)，并對所得指標(biāo)進行歸一化處理，見表4。

表4 地鐵災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)邊脆弱度評價指標(biāo)

3.3 災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評價

依據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和邊的作用關(guān)系，綜合分析地鐵恐怖襲擊災(zāi)害發(fā)展演化過程和其可能產(chǎn)生的實際影響。將歸一化的“節(jié)點綜合重要度”和“邊的脆弱性”，引入到風(fēng)險評估的模型中，結(jié)合式(10)得出災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)中每一條災(zāi)害鏈的風(fēng)險值，見表5。

R=PVi+VEi

(10)

式中：PVi節(jié)點綜合重要度；VEi邊的脆弱性。

通過表5可以看出，A3衍生的爆炸災(zāi)害鏈一共21條，說明爆炸災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)中次生災(zāi)害事件多，且后果嚴(yán)重，災(zāi)害鏈風(fēng)險值大。

表5 地鐵災(zāi)害鏈風(fēng)險值

爆炸已成為當(dāng)今最主要的恐怖活動形式，恐怖活動的發(fā)生頻率和破壞程度也在不斷增長。B4地鐵隧道結(jié)構(gòu)性能劣化，其遭到破壞會造成車站癱瘓及附近地鐵交通網(wǎng)絡(luò)中斷，影響地面其他交通線路和車輛的出行安全；甚至衍生地面坍塌、建筑物倒塌、連環(huán)爆炸等次生災(zāi)害事件，因此對爆炸的防范要尤為重視。

其次，A4衍生的火災(zāi)災(zāi)害鏈條數(shù)是6條，雖然災(zāi)害鏈條數(shù)少，但風(fēng)險值高，一旦發(fā)生火災(zāi)，將會造成車站以及經(jīng)過車站的整條線路中斷。煙氣窒息中毒是發(fā)生火災(zāi)時的主要傷害；大火還會造成機車受損和車站結(jié)構(gòu)破壞，短時間內(nèi)無法修復(fù)，其造成的嚴(yán)重后果和本身的無規(guī)律性也會造成大量的人員傷亡、經(jīng)濟損失和不良社會影響。

最后，A2衍生的生化災(zāi)害鏈條數(shù)是5條，生化襲擊不僅會造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失，對社會穩(wěn)定和人民群眾心理所造成的影響更為可怕，放射性物質(zhì)的釋放甚至可能導(dǎo)致癌癥或其他慢性疾病。

4 結(jié)束語

本文以定性和定量相結(jié)合的方法，對地鐵恐怖襲擊災(zāi)害進行了風(fēng)險評價，但本文僅分析了單個地鐵災(zāi)害事件，對多種地鐵災(zāi)害間的關(guān)聯(lián)有待進一步深入研究。