基于复杂网络的地铁恐怖袭击灾害链风险分析

杨起帆， 张亚君， 欧阳作林

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制实验室，河北 石家庄 050043)

地铁是城市重要的公共交通设施，具有全线性、开放性、封闭性及群体性等特点，一旦地铁内发生恐怖袭击，往往会引起二次灾害或衍生灾害，社会影响恶劣。国内外学者针对地铁恐怖袭击灾害事故分析及防御方法开展了大量研究。Giovanni B等[1]根据地铁易受恐怖袭击的特点，改进了智能监控系统，以提高监测技术，保障地铁安全系统的可靠性。Barbora S等[2]用TEREX计算机程序模拟布拉格地铁系统，评估了不同情景下化学神经毒剂恐怖袭击对该地铁安全的影响。吴凤山等[3]则运用博弈论对地铁恐怖袭击进行了定量研究。陈琳[4]研究了新时期地铁反恐怖基本策略，指出纵火、爆炸、核生化恐怖袭击是当前国际地铁恐怖袭击的主要形式，应急处置体系是地铁反恐工作的重要构成，提高事前预防能力是关键。Alexey V. Shvetsov[5]通过数学计算方法，评估了爆炸装置在地铁内的风险，提出了降低爆炸影响的方法，该方法有效提高地铁安全水平。陈建均[6]、于昕明[7]、李浩然[8]等构建了城市轨道交通系统的灾害链网络模型，并对灾害链网络的安全状态进行了评价。于恒等[9]统计分析地铁恐怖袭击事件，得到了爆炸为最常见的袭击方式，并提出了地铁反恐安全管理建议。李枫等[10]针对恐怖袭击情境，研究了地铁车站的乘客应急疏散仿真。Ondrej Dolezal[11]利用AnyLogic，模拟了1995年东京地铁恐怖袭击事件，并假设不同场景，为使损失最小化，提出了减小恐怖袭击后果严重度的安全建议。

目前，众多学者围绕地铁事故的诱发原因和控制方法开展了大量研究，但关于地铁恐怖袭击灾害链链生演化机理的研究相对较少。因此，作者根据复杂网络理论，构建地铁恐怖袭击灾害演化网络模型，综合分析灾害网络节点的重要度和边的脆弱性，对地铁恐怖袭击灾害网络进行风险评价，所得结论可为地铁运营风险预控提供指导意义。

1 地铁恐怖袭击灾害事故统计分析

调研1995～2017年内发生的13起重大地铁恐怖袭击事件(见表1[12-14])，城市轨道交通恐怖袭击事件主要集中于以下三种类型：生化袭击、爆炸袭击和人为纵火袭击，且具有几种特征。

表1 地铁恐怖袭击事件一览表

(1)生化袭击：以1995年3月20日日本东京地铁沙林毒气事件为例，生化毒气感染大量站厅和列车内的乘客，引起乘客恐慌，造成大规模的拥挤踩踏和群死群伤[12]；同时，核生化污染物质扩散，造成大面积污染且难以消除，给城市造成无法估量的间接损失和环境破坏。

(2)爆炸袭击：爆炸具有极强的破坏力和杀伤力，会造成通讯、电力供应等设施损坏，引起地铁交通网络中断，影响居民生活；此外，爆炸还可能会导致车站的主体结构和隧道结构性能劣化。

(3)纵火袭击：以2003年2月18日韩国大邱火灾为例，事故调查结论表明，火灾引起的拥挤踩踏和烟气中窒息是引发大量人员伤亡的主要原因。

2 地铁恐怖袭击灾害链网络构建

恐怖袭击事故后果极为严重，恐怖袭击发生后，直接导致人员伤亡或车站破坏，间接引发地铁停运(地面交通量突然增大)、人员慌忙撤离(潜在人员踩踏事故)、地铁结构损伤(工程结构内部损伤)。综合地铁恐怖袭击事件的综合调研和归纳分析[15-17]，本文从生化、爆炸和火灾三方面构建地铁恐怖袭击灾害的灾害链式传递模型，见图1。

图1 地铁恐怖袭击灾害链演化模型

地铁恐怖袭击灾害具有显著的复杂网络特征，网络节点代表地铁危机事件，边代表危机事件的演化关系，所构建地铁系统灾害的复杂网络模型见图2。图2中复杂网络模型共有33个节点和54条边，即该网络有33个灾害事件，54条灾害演化路径。

图2 地铁恐怖袭击灾害传递演化复杂网络

3 地铁恐怖袭击复杂网络综合分析

3.1 复杂网络节点重要度分析

利用节点的度中心性、紧密中心性和中介中心性三个度量指标，分别描述灾害事件节点在地铁灾害复杂网络中的重要性[18]。

(1)度中心性：网络中的节点与其他节点都发生直接联系，则该节点处于中心地位，节点关系越广，相邻节点越多，节点越重要，见式(1)[18]。

(1)

式中：σij表示节点i与节点j之间的边的数目;N是网络节点总数。

(2)紧密度中心性：网络中与各节点联系路径最短的一个中心点，节点紧密度越高，说明此节点直接或间接与其他节点的联系最多，见式(2)[18]。

(2)

式中：dij为节点i与节点j间的最短路径；N为网络的所有节点总数。

(3)中介中心性：是指表示连接网络所有节点对的最短路径中，经过某一节点的最短路径数目，见式(3)[18]。

(3)

式中：s,t代表1组节点对，σ(s,t)为节点对之间的最短路径总数；σ(s,t|v)为节点对最短距离经过节点i的次数；v是图中顶点的集合，其中的每个元素对应网络中的一个节点代表网络中的一个实体。

本节利用层次分析法对网络节点重要度进行综合评价。依据专家意见，对度中心性、紧密度中心性和中介中心性三个指标重要度进行对比分析，构造比较判断权重矩阵(见表2)，计算得出指标权重分别为0.2、0.4和0.4，所得结果通过了一致性检验。

表2 评价指标比较矩阵

(4)节点综合重要度：分别求出不同评价指标体系下，复杂网络中每个节点的重要度百分比，结合指标权重值，求得该节点的综合重要度P。分析计算结果，得出地铁灾害演化复杂网络中的节点结构重要度排序为：隧道变形异常、隧道透水、隧道结构性能劣化、爆炸和隧道结构坍塌等，见表3。

表3 地铁灾害演化复杂网络节点重要度评价

(4)

(5)

3.2 复杂网络边的脆弱性分析

基于复杂网络理论和网络抗毁性评价，利用边介数、连通度和平均路径长度三个指标评价灾害网络边的脆弱性[19-21]。

(1)边介数：网络中通过该边的最短路径数目，边介数越大，则该边对网络抗毁性影响也越大，见式(6)[19-21]。

(6)

式中：Bi为边i介数；njk(i)表示为节点j和k之间经过边i的路径数目。

(2)连通度：从网络图中某起始节点出发，能够连通的节点数和总节点数的比值，见式(7)[19-21]。

(7)

式中：N为网络节点的总数；Ni为从某起始节点出发能够连通的节点数。

(3)平均路径长度：原生灾害事件到其他所有次

生灾害事件的距离，网络的平均灾害路径度越大，该边的重要性也就越大，见式(8)[19-21]。

(8)

式中：N为网络节点的总数；dij为节点i与j之间的最短距离。

(4)脆弱性：边的脆弱性由边介数、连通度和平均路径长度三个指标共同确定，边的脆弱度越大，则其重要性越强，见式(9)[19-21]。

(9)

式中：k为该灾害链中边的总数。

利用上述公式，计算地铁灾害链式演化网络边的重要度，得到地铁恐怖袭击灾害网络的边介数、连通度、平均路径长度和脆弱性指标，并对所得指标进行归一化处理，见表4。

表4 地铁灾害网络边脆弱度评价指标

3.3 灾害网络风险评价

依据复杂网络节点和边的作用关系，综合分析地铁恐怖袭击灾害发展演化过程和其可能产生的实际影响。将归一化的“节点综合重要度”和“边的脆弱性”，引入到风险评估的模型中，结合式(10)得出灾害网络中每一条灾害链的风险值，见表5。

R=PVi+VEi

(10)

式中：PVi节点综合重要度；VEi边的脆弱性。

通过表5可以看出，A3衍生的爆炸灾害链一共21条，说明爆炸灾害链网络中次生灾害事件多，且后果严重，灾害链风险值大。

表5 地铁灾害链风险值

爆炸已成为当今最主要的恐怖活动形式，恐怖活动的发生频率和破坏程度也在不断增长。B4地铁隧道结构性能劣化，其遭到破坏会造成车站瘫痪及附近地铁交通网络中断，影响地面其他交通线路和车辆的出行安全；甚至衍生地面坍塌、建筑物倒塌、连环爆炸等次生灾害事件，因此对爆炸的防范要尤为重视。

其次，A4衍生的火灾灾害链条数是6条，虽然灾害链条数少，但风险值高，一旦发生火灾，将会造成车站以及经过车站的整条线路中断。烟气窒息中毒是发生火灾时的主要伤害；大火还会造成机车受损和车站结构破坏，短时间内无法修复，其造成的严重后果和本身的无规律性也会造成大量的人员伤亡、经济损失和不良社会影响。

最后，A2衍生的生化灾害链条数是5条，生化袭击不仅会造成大量的人员伤亡和经济损失，对社会稳定和人民群众心理所造成的影响更为可怕，放射性物质的释放甚至可能导致癌症或其他慢性疾病。

4 结束语

本文以定性和定量相结合的方法，对地铁恐怖袭击灾害进行了风险评价，但本文仅分析了单个地铁灾害事件，对多种地铁灾害间的关联有待进一步深入研究。