王 威,吳伊桐,趙 曜,吳潤(rùn)澤,汪世霖,李 瑞
(1.北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部,北京 100124;2.北京清華同衡規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100085)
消防站是城市消防系統(tǒng)中最重要的一環(huán),部分消防站在物資儲(chǔ)備和人員配備等方面可能有所欠缺,如遇重大災(zāi)害、部分消防站損壞或資源不足、部分地區(qū)地理環(huán)境較差無法獲得及時(shí)救援等情況,就需要協(xié)調(diào)臨近的消防站前往支援,提供物資和人力的補(bǔ)充供給。聯(lián)動(dòng)、合理的消防救援網(wǎng)絡(luò),可以迅速地提供最優(yōu)路徑選擇,保證整個(gè)消防救援網(wǎng)絡(luò)具有更高的抗毀性和魯棒性。
消防站的選址和優(yōu)化布局方面已有很多研究,如尚楚德[1]建立了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,并根據(jù)需求分析提出消防站布局的優(yōu)化策略。于志金等[2]運(yùn)用模型交點(diǎn)法分析出需要新增消防站點(diǎn)的情況,優(yōu)化城市消防站點(diǎn)布局,并計(jì)算新站點(diǎn)的POI覆蓋率與區(qū)域面積覆蓋率。劉偉軍等[3]評(píng)估了區(qū)域的消防有效覆蓋率,為優(yōu)化消防站點(diǎn)資源配置提供方法支撐。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建及抗毀性的分析在城市建設(shè)方面也有很多應(yīng)用,如詹斌等[4]提出了考慮城市軌道交通線路實(shí)際距離值和站點(diǎn)間線路數(shù)量干擾的加權(quán)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型,并分析網(wǎng)絡(luò)特征和抗毀性。薛亞東等[5]利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型,分析防災(zāi)公園同一等級(jí)場(chǎng)地之間的關(guān)聯(lián)性和不同等級(jí)場(chǎng)地之間的網(wǎng)絡(luò)性,選擇出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度和聚類系數(shù)較高的場(chǎng)地,確保防災(zāi)公園自組織系統(tǒng)的形成。李婧怡等[6]建立公交動(dòng)態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型,使用車輛服務(wù)強(qiáng)度與線網(wǎng)儲(chǔ)備運(yùn)力進(jìn)行線網(wǎng)車輛分布分析,并對(duì)動(dòng)靜態(tài)公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配性研究。王威等[7]首次將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方法應(yīng)用于城市消防救援規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)形態(tài)特征以及網(wǎng)絡(luò)在受打擊下的抗毀性分析,并提出了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抗毀性的消防站修建策略,但缺少對(duì)現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)的分析。
因此,筆者將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分析方法應(yīng)用到城市消防網(wǎng)絡(luò)形態(tài)特征的分析中,選取靜態(tài)指標(biāo)分析網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)特征,選取動(dòng)態(tài)指標(biāo)分析網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和魯棒性,對(duì)消防站的布局提出合理的優(yōu)化建議。
從某消防支隊(duì)提供的相關(guān)消防站資料中獲得當(dāng)前某市中心城區(qū)現(xiàn)有的18個(gè)特勤消防救援站站點(diǎn)的詳細(xì)名稱和位置布局。依據(jù)《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》,當(dāng)火災(zāi)過大或消防救援站自身故障時(shí),只考慮中心城區(qū)的特勤消防救援站,在車速正常、忽略堵車等特殊情況下,分析受攻擊情況下的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)層面的空間可達(dá)性,自行設(shè)定理想情況下半徑2 km范圍內(nèi)的消防救援站可前往支援,即服務(wù)半徑會(huì)重疊。
為了定量描述消防救援站網(wǎng)絡(luò),以該城市中心城區(qū)18個(gè)消防救援站為點(diǎn),以節(jié)點(diǎn)之間的邊表示消防救援站之間存在資源或人員轉(zhuǎn)移,構(gòu)建消防救援站網(wǎng)絡(luò)的有向無權(quán)網(wǎng)絡(luò)G=(V,E)。其中,V為節(jié)點(diǎn)集;E為邊集,用鄰接矩陣A中的元素aij來表示;若消防救援站i和消防救援站j之間關(guān)系符合上述設(shè)定,則在vi和vj之間存在一條有向的邊,表示aij=1;反之,則aij=0,邊的方向表示資源轉(zhuǎn)移的方向。構(gòu)建的中心城區(qū)消防救援站網(wǎng)絡(luò)有18個(gè)節(jié)點(diǎn)和24條邊。節(jié)點(diǎn)中心度分析的結(jié)果如圖1所示,其中節(jié)點(diǎn)11、7、1、12、17、5、3、6(按重要性排序)處于比較中心的優(yōu)勢(shì)地位,而其他節(jié)點(diǎn)則處于比較邊緣的劣勢(shì)地位。
圖1 消防救援網(wǎng)絡(luò)中心性分析
筆者通過數(shù)據(jù)的可視化,從緊密度、性能效率和連通性3個(gè)方面來分析該消防網(wǎng)絡(luò)的特征,分別對(duì)應(yīng)指標(biāo)度、路徑和聚類系數(shù)、介數(shù),復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征分析內(nèi)容如圖2所示。
圖2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征分析內(nèi)容
消防救援站網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)度定義為網(wǎng)絡(luò)中連接節(jié)點(diǎn)的邊數(shù),表示一個(gè)消防救援站與其他消防救援站的緊密程度。點(diǎn)入度表示其他節(jié)點(diǎn)指向vi節(jié)點(diǎn)的邊數(shù),點(diǎn)出度表示vi節(jié)點(diǎn)指向其他節(jié)點(diǎn)的邊數(shù),節(jié)點(diǎn)度越高,說明該節(jié)點(diǎn)幫助其他受損節(jié)點(diǎn)的可能性更高,在網(wǎng)絡(luò)中會(huì)處于更加重要的位置。
該網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)度大小對(duì)比如圖3所示。7號(hào)的節(jié)點(diǎn)度為5,11號(hào)的節(jié)點(diǎn)度數(shù)為6,這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重較大,處于比較核心的地位,監(jiān)管部門應(yīng)該增派人手,增大檢查力度,做好預(yù)測(cè)和預(yù)防工作,保障其正常運(yùn)行。網(wǎng)絡(luò)中有6個(gè)節(jié)點(diǎn)的度值為4,分別是1、3、5、6、12、17號(hào)節(jié)點(diǎn),這6個(gè)站點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)的較重要地位;度為1的節(jié)點(diǎn)有5個(gè),相對(duì)來說在網(wǎng)絡(luò)中處于邊緣地位。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)中的18號(hào)是度為0的孤立節(jié)點(diǎn),該消防站分布在中心城區(qū)地圖的東南部,與網(wǎng)絡(luò)中心部分有大河相隔,與其他消防站不能得到及時(shí)的聯(lián)系。
圖3 消防救援網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度
各節(jié)點(diǎn)出度與入度計(jì)算結(jié)果如圖4所示,其中入度大于出度的節(jié)點(diǎn)有2個(gè),7號(hào)節(jié)點(diǎn)入度比出度多3,4號(hào)消防站的入度比出度多2,這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)被其他消防救援站支援的可能性更大。出度和入度相同的節(jié)點(diǎn)有12個(gè),入度比出度小的節(jié)點(diǎn)有4個(gè),這4個(gè)消防站支援其他站點(diǎn)的可能性更大。
圖4 消防救援網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出入度
現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)為0.339,網(wǎng)絡(luò)緊密程度不高。有些節(jié)點(diǎn)是其相鄰節(jié)點(diǎn)唯一的中介,如果這些節(jié)點(diǎn)毀壞,相鄰節(jié)點(diǎn)間便中斷聯(lián)系。聚類系數(shù)的分布頻數(shù)如圖5所示,值為0的點(diǎn)最多,共有7個(gè),說明網(wǎng)絡(luò)中有7個(gè)節(jié)點(diǎn)過于分散處于邊緣地帶,而聚類系數(shù)為1的點(diǎn)有2個(gè),整體上說明網(wǎng)絡(luò)傾向集中于兩個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。
圖5 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)頻數(shù)分布圖
網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度是任意兩個(gè)站點(diǎn)之間的平均距離,衡量傳遞能力。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)中心城區(qū)消防救援站網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度較小,為2.750,表明資源轉(zhuǎn)移時(shí),平均經(jīng)過2~3個(gè)消防站即可到達(dá)目的地。
網(wǎng)絡(luò)的直徑D為6,是網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)之間的距離,即最多經(jīng)過6個(gè)消防救援站就能到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)。
消防救援站網(wǎng)絡(luò)的介數(shù)中心性表示某消防救援站有多大程度成為其他消防救援站的中間樞紐,發(fā)揮間接控制或者連通作用。消防救援站節(jié)點(diǎn)介數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖6所示,現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的介數(shù)范圍為0~72,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)介數(shù)均值為17.611,相對(duì)較小。介數(shù)為0的節(jié)點(diǎn)有8個(gè),總占比為38.9%,介數(shù)在59以上的節(jié)點(diǎn)有3個(gè),介數(shù)值較大。
圖6 消防救援站節(jié)點(diǎn)介數(shù)
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)分析,得出以下結(jié)論:①網(wǎng)絡(luò)整體是向兩個(gè)節(jié)點(diǎn)集中的較均勻的形態(tài),后續(xù)的規(guī)劃應(yīng)該傾向讓網(wǎng)絡(luò)更加多中心化;②網(wǎng)絡(luò)中有18個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)11和7是網(wǎng)絡(luò)中最重要的兩個(gè)節(jié)點(diǎn),需要存放最多的救援物資和消防人員,應(yīng)及時(shí)做好資源管理和補(bǔ)充;③網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)9和10處于網(wǎng)絡(luò)的邊緣,是脆弱節(jié)點(diǎn),二者與中心網(wǎng)絡(luò)無聯(lián)系,后續(xù)的規(guī)劃需要與中心網(wǎng)絡(luò)建立更密切的聯(lián)系;④節(jié)點(diǎn)18是一個(gè)單獨(dú)的脆弱站點(diǎn),獨(dú)自承擔(dān)伊河南岸消防工作,難以得到及時(shí)的支援,需要重點(diǎn)在18號(hào)節(jié)點(diǎn)附近規(guī)劃鄰近站點(diǎn)。
筆者以邊及點(diǎn)的連通率為度量研究網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和隨機(jī)/蓄意攻擊下網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)魯棒性[8-10]。以邊和點(diǎn)的連通率為度量的攻擊方式中,針對(duì)每種度量方式,都對(duì)節(jié)點(diǎn)、邊和混合分別采取隨機(jī)和蓄意攻擊,共6種攻擊方式。在結(jié)構(gòu)魯棒性的攻擊方式中,針對(duì)組織內(nèi)部的合作[11],研究隨機(jī)和選擇性合作中斷情況下網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。
網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程中,會(huì)被很多或隨機(jī)或蓄意的因素所影響。根據(jù)調(diào)查分析研究,結(jié)合研究對(duì)象的實(shí)際情況,筆者將相關(guān)影響因素分為內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)大類,具體如表1所示。其中,外部影響因素和內(nèi)部影響因素是由軟件模擬的一些攻擊方式造成的網(wǎng)絡(luò)失效原因。
表1 消防網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能影響因素
通過編程對(duì)中心城區(qū)消防救援站網(wǎng)絡(luò)連通率與抗毀性的內(nèi)涵的研究,分析各項(xiàng)測(cè)度指標(biāo),結(jié)合筆者的研究對(duì)象,選取5種合適的指標(biāo),5種指標(biāo)的均值表示網(wǎng)絡(luò)攻擊模擬時(shí)的連通性變化。從攻擊類型的角度出發(fā),針對(duì)不同的攻擊目標(biāo),選取合適的測(cè)度來構(gòu)建評(píng)價(jià)模型,如圖7所示。
圖7 以連通率作為度量的抗毀性評(píng)價(jià)模型
Matlab模擬攻擊的流程以混合點(diǎn)/邊攻擊為例,如圖8和圖9所示。以邊連通性作為度量的抗毀性攻擊如圖10所示,與隨機(jī)攻擊相比,點(diǎn)蓄意攻擊對(duì)網(wǎng)絡(luò)抗毀性打擊要更強(qiáng)烈,混合隨機(jī)比混合蓄意要更強(qiáng)烈。在開始時(shí)邊蓄意攻擊和邊隨機(jī)攻擊的線段重合,兩種攻擊方式?jīng)]有明顯差異;在現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)中,第5次攻擊之后邊蓄意攻擊的曲線驟降,網(wǎng)絡(luò)的抗毀性變差,一些度大而介數(shù)小的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)較多,這些節(jié)點(diǎn)失效,網(wǎng)絡(luò)的連通性很難維持。如果與這些點(diǎn)相關(guān)的邊受到攻擊,連通性會(huì)隨之變差。對(duì)網(wǎng)絡(luò)打擊最重的是混合蓄意的邊蓄意攻擊。
圖8 隨機(jī)混合節(jié)點(diǎn)攻擊策略算法流程圖
圖9 蓄意混合邊攻擊策略算法流程圖
圖10 以邊連通率作為度量的網(wǎng)絡(luò)抗毀性分析
以點(diǎn)連通率作為度量的抗毀性攻擊如圖11所示,變化與以邊連通率作為度量的走向類似。
圖11 以點(diǎn)連通率作為度量的網(wǎng)絡(luò)抗毀性分析
中心城區(qū)消防救援站已形成相對(duì)穩(wěn)定的服務(wù)網(wǎng)絡(luò),但網(wǎng)絡(luò)演化進(jìn)程中會(huì)出現(xiàn)各種不確定性因素導(dǎo)致各消防救援站之間的合作中斷的情況。
結(jié)構(gòu)魯棒性是指網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在受到外界干擾或自身功能失效的情況下,可以提供其他能替補(bǔ)的支撐網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行方案的能力。衡量指標(biāo)為平均節(jié)點(diǎn)度、最大連通度、網(wǎng)絡(luò)效能、聚類系數(shù)、平均雙端可靠性和最大特征值的均值。
根據(jù)合作中斷的4種策略(策略1~策略4),選取一半節(jié)點(diǎn)隨機(jī)或選擇性刪除。選擇性刪除的依據(jù)是按度值的排序從大到小依次刪除,節(jié)點(diǎn)失活數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)魯棒性關(guān)系如圖12所示,網(wǎng)絡(luò)的初始結(jié)構(gòu)魯棒性為0.025。組織內(nèi)信息系統(tǒng)失活的隨機(jī)(策略1)和蓄意(策略2)合作中斷策略,策略1曲線中隨著節(jié)點(diǎn)失活數(shù)增加,結(jié)構(gòu)魯棒性曲線在一定數(shù)值范圍內(nèi)波動(dòng),整體上為下降趨勢(shì),曲線的上下波動(dòng)描述刪除節(jié)點(diǎn)的重要程度。當(dāng)失活節(jié)點(diǎn)達(dá)到一半時(shí),結(jié)構(gòu)魯棒性下降到21.7%,說明系統(tǒng)中某些節(jié)點(diǎn)比較脆弱,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)隨機(jī)聯(lián)系中斷的情況,即節(jié)點(diǎn)失活時(shí),系統(tǒng)有一個(gè)閾值,網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)魯棒性表現(xiàn)得非常敏感。
圖12 組織內(nèi)信息系統(tǒng)失活的隨機(jī)和蓄意合作中斷策略
同樣,策略2曲線呈現(xiàn)平滑的緩慢下降趨勢(shì),但分析可以發(fā)現(xiàn),選擇性聯(lián)系中斷和隨機(jī)聯(lián)系中斷的閾值有所區(qū)別,兩種中斷方式有兩個(gè)不同的臨界值。兩種策略縱向比較發(fā)現(xiàn),策略2的曲線一直普遍比策略1曲線低,說明兩種中斷方式,相比在隨機(jī)聯(lián)系中斷時(shí),網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)魯棒性更強(qiáng)。
策略3為組織間系統(tǒng)聯(lián)系的隨機(jī)聯(lián)系中斷,策略4為組織間系統(tǒng)聯(lián)系的選擇性聯(lián)系中斷,兩種策略下節(jié)點(diǎn)失活數(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)魯棒性的關(guān)系如圖13所示。這兩種針對(duì)組織間的中斷方式與組織內(nèi)的兩種中斷方式得出的結(jié)論相似,區(qū)別在于閾值不同。隨機(jī)聯(lián)系中斷橫向比較,組織間合作中斷曲線下降趨勢(shì)比組織內(nèi)的曲線下降程度高,組織間合作中斷的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)魯棒性下降快,說明組織間合作中斷對(duì)結(jié)構(gòu)魯棒性打擊要大。
圖13 組織間信息系統(tǒng)失活的隨機(jī)和選擇性合作中斷策略
根據(jù)識(shí)別出的重要及脆弱節(jié)點(diǎn),進(jìn)行了規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的增設(shè)?,F(xiàn)以18個(gè)消防救援站與新增設(shè)的6個(gè)規(guī)劃消防站為點(diǎn),以節(jié)點(diǎn)之間的邊表示消防救援站之間存在資源或人員轉(zhuǎn)移,構(gòu)建的某市中心城區(qū)消防救援網(wǎng)絡(luò)有24個(gè)節(jié)點(diǎn)和41條邊。衡量節(jié)點(diǎn)重要性的一個(gè)主要指標(biāo)是中心性分析。由圖14所示的節(jié)點(diǎn)中心度分析結(jié)果可以看出,5、7、11、3、4、6、17、21處于比較中心的優(yōu)勢(shì)地位,而其他節(jié)點(diǎn)則處于比較邊緣的劣勢(shì)地位。
圖14 消防救援站規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)中心性分析
(1)靜態(tài)指標(biāo)評(píng)估。依據(jù)消防救援網(wǎng)絡(luò),增設(shè)6個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),已滿足全域的消防需求,所以遠(yuǎn)期建設(shè)目標(biāo)為增設(shè)6個(gè)消防站,如圖15~圖16所示。通過趨勢(shì)分析可知,選取兩個(gè)圖中4種指標(biāo)的原因是因?yàn)榻?jīng)過運(yùn)算這4種指標(biāo)的變化明顯且合理,隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)逐一增加,發(fā)現(xiàn)在增設(shè)第3個(gè)消防站時(shí),各項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo)的值都幾乎是峰值且之后的趨勢(shì)趨于穩(wěn)定,即中期建設(shè)目標(biāo)為建設(shè)1~3號(hào)消防站,遠(yuǎn)期建設(shè)4~6號(hào)消防站。
圖15 規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)度數(shù)與聚類系數(shù)分析圖
圖16 規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接近和度數(shù)中心度分析圖
(2)動(dòng)態(tài)指標(biāo)評(píng)估。以點(diǎn)連通率作為度量,如圖17所示。隨著增設(shè)節(jié)點(diǎn)的增加,當(dāng)節(jié)點(diǎn)增設(shè)到3個(gè)時(shí),網(wǎng)絡(luò)抗毀性的提升已不明顯,從經(jīng)濟(jì)的角度看,將增設(shè)3個(gè)消防站作為中期建設(shè)目標(biāo),對(duì)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性十分有利。
圖17 以點(diǎn)連通率作為度量的蓄意攻擊
(1)從整體、局部和個(gè)體3個(gè)視角全面研究了城市消防救援網(wǎng)絡(luò)形態(tài)特征指標(biāo)、抗毀性級(jí)聯(lián)失效與魯棒性。
(2)通過對(duì)現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)的度、路徑、聚類系數(shù)、介數(shù)等分析,識(shí)別了消防救援網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)11、7等關(guān)鍵重要節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)9、10、18等脆弱節(jié)點(diǎn);通過點(diǎn)/邊的隨機(jī)/蓄意/混合攻擊,探究了現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)在攻擊模式下的抗毀性和魯棒性變化,并擴(kuò)展研究了規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)新增節(jié)點(diǎn)的中遠(yuǎn)期建設(shè)目標(biāo),可為城市消防救援網(wǎng)絡(luò)形態(tài)優(yōu)化提供新研究模式。