【作者】Joseph Jonathan Magouaa, Fei Wanga, Nan Lia,b,*
a Dept. of Construction Management, Tsinghua Univ., Beijing, China
b Hang Lung Center for Real Estate, Tsinghua Univ., Beijing, China
【通讯作者邮箱】nanli@tsinghua.edu.cn
【期刊信息】Simulation Modelling Practice And Theory 118 (2022) 102529
【全文链接】https://doi.org/10.1016/j.simpat.2022.102529
内容摘要
城市基础设施系统（CISs）间的关联性显著影响了CISs的可靠性、性能以及社会的韧性。以往研究虽然提出了众多模型来分析CIS的行为和关联性，但上述模型往往不能融合各个CIS已有的领域知识，不能刻画CIS之间的系统异质性，不能准确地模拟CIS之间的相互依赖关系，从而限制了它们对关联CIS行为的模拟能力。为了解决上述不足，本研究提出了一个基于高级体系结构（HLA）的框架来对关联CIS展开建模，该框架可以融合各CIS领域中多年来积累的有效实践、知识、数据及模拟工具。该框架提供了一种方法，用于集成精细化的异构CIS领域模型，并对它们之间及其与外部环境的复杂交互展开建模，从而高保真地复现复杂关联系统。本文以关联的水电系统为例展开案例研究，结果验证了该框架的有效性。仿真结果表明，基于HLA的CISs模型能够捕获和模拟各CIS特有的功能和系统异质性，并揭示使用现有建模方法可能无法观察到的各种故障引起的系统脆弱性和反馈回路。
关键词：基础设施；高级体系结构；联合仿真; 关联性；领域模型； 系统异质性
研究方法
整合各CIS领域的知识、数据、模型或工具对于提高关联基础设施模型的精细化程度并改进关联基础设施的韧性评估方法具有重要意义。为了实现这一目标，我们利用HLA标准，提出了一种关联基础设施联合仿真框架。如图1所示，该框架由四个模块组成，各模块通过运行中间件（RTI）传递信息；每个模块由负责模拟特定的CIS、灾害情景和其他主体的数据、模型或工具组成；RTI保证了框架中不同组件之间的信息传递和互操作性。图2中所描述的数据交换机制展示了在该框架中数据是如何共享、管理和解释的。
图1 本文提出的关联CISs联合仿真框架
图2 本文提出的联合仿真框架的信息交换和管理机制
案例分析
该框架已应用于美国田纳西州谢尔比县的水电关联系统模拟中，该水电关联系统的基础信息如图3所示。当前已有大量文献以谢尔比县水电关联系统为案例展开研究，这为实现基础设施系统的高保真模拟提供了详细的数据。水电关联系统间的双向依赖关系可以很好地展示该框架在揭示跨系统复杂影响机制（如反馈回路）方面的能力。此外，以往研究中谢尔比县的其他案例情景和数据可用于验证本研究的结果。图4结果表明使用该框架所获得的模拟结果具有高度精细化的特点。模拟结果还有助于识别关联基础设施之间的反馈回路。不同硬件配置对模型仿真性能的影响如表1所示。
（a）供电系统拓扑图；（b）供水系统拓扑图
图 3 本文案例中水电关联系统拓扑图
（a）泵站的状态；（b）向泵站供电的变电站的负荷；（c）六个高位水箱的水位；（d）配电节点处的压力；（e）仿真期间发电机的运行水平
图4 本文仿真结果：系统的状态和性能
表1敏感性分析结果：不同配置下模型的表现
讨论与结论
随着现代CIS的复杂程度逐渐增加，各系统之间的关联关系也日益复杂。由于基础设施之间的强烈的依赖性，所以一个可能与某一基础设施无关的事件仍然可能对该系统造成严重影响。本研究探讨了采用基于HLA的框架对关联基础设施的行为进行建模仿真的可行性。该框架通过融合各基础设施系统领域内实践、知识、数据和模拟工具解决了现有模拟方法的局限性。案例研究结果表明，基于本文提出的框架所建立的关联基础设施模型能够融合各基础设施特有的领域知识，进而捕捉各种基础设施系统的异质性，从而更全面、更准确地模拟CIS的行为。研究结果还表明，本文提出的框架可以通过解决相关文献中的局限性来拓展现有关联基础设施研究的边界。此外，该框架还可以为研究者和从业人员提供一种有效的方法来测试和分析CIS的设计，并预测不同仿真环境或场景下的级联失效等复杂系统行为，从而设计更安全、更具韧性的基础设施系统。
该框架也存在一定局限性：与其他建模方法相比，该方法的计算时间相对较长。这是由于该框架采用了保守的时间管理机制。随着联邦成员数量和联邦复杂性的增加，计算时间的差异可能会变得更加显著。此外，在采用HLA标准时，开发人员必须解决一些重要但具有挑战性的问题，如联邦鲁棒性的容错机制和跨主机的负载平衡，以提高联邦的性能。不过，越来越多的资源（如开源软件、插件、工具箱等）已经可以用于提升HLA联邦的设计和实现。
今后的工作中，将通过改进CIS模块的组织和跨模块通信机制解决上述不足，进一步优化该框架。此外，该框架也将被用于更复杂的仿真场景，通过增加额外的模块和联邦成员来研究关联基础设施级联失效和恢复过程，以及在关联基础设施的建模中引入人因因素，从而拓展案例研究中所开发的模型。
