考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法研究

索瑋嵐，陳 銳

(中國(guó)科學(xué)院科技政策與管理科學(xué)研究所，北京 100190)

1 引言

以供熱、電力、燃?xì)庀到y(tǒng)為代表的城市典型生命線是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]，其具有如下特征：(1)公共性強(qiáng)[2-4]，城市典型生命線運(yùn)行安全性直接關(guān)系到每一個(gè)公眾社會(huì)活動(dòng)的便利性和穩(wěn)定性；(2)風(fēng)險(xiǎn)性高[5-6]，城市典型生命線運(yùn)行過程會(huì)受到自然、人為、內(nèi)在等方面諸多風(fēng)險(xiǎn)因素(如地震、恐怖事件、設(shè)備老化)的影響；(3)關(guān)聯(lián)性顯著[7-8]，城市典型生命線各系統(tǒng)由于空間毗鄰、功能交互產(chǎn)生了相互影響、彼此依存的關(guān)聯(lián)。近年來，城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)事故層出不窮，對(duì)公眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，也使各級(jí)政府和相關(guān)部門意識(shí)到加強(qiáng)城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)管理的迫切性[9]。風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)和前提，旨在研判風(fēng)險(xiǎn)根源、明晰風(fēng)險(xiǎn)因素本質(zhì)[10]。

然而，與一般的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別問題相比，城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別問題具有明顯的復(fù)雜性。一方面，城市典型生命線各系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)會(huì)增加運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性[9]，即某一系統(tǒng)運(yùn)行故障可能會(huì)誘發(fā)與之關(guān)聯(lián)的其他系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行失調(diào)；另一方面，城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素之間存在關(guān)聯(lián)[11-12]，而且該關(guān)聯(lián)所具有的傳導(dǎo)效應(yīng)會(huì)誘發(fā)間接關(guān)聯(lián)[1]，這可能導(dǎo)致城市典型生命線面臨直接風(fēng)險(xiǎn)和間接風(fēng)險(xiǎn)疊加造成的雙重破壞。需要指出的是，城市典型生命線各系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)、風(fēng)險(xiǎn)因素及其關(guān)聯(lián)以及傳導(dǎo)效應(yīng)誘發(fā)的間接關(guān)聯(lián)形成了一個(gè)涉及多個(gè)系統(tǒng)、諸多風(fēng)險(xiǎn)因素和多類關(guān)聯(lián)的復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境。已有研究指出關(guān)聯(lián)情境會(huì)影響風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別過程和結(jié)果[13]。因此，非常有必要開展考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法研究，這不僅有助于推動(dòng)相關(guān)理論與方法的深入發(fā)展，還有助于相關(guān)部門決策者研判風(fēng)險(xiǎn)根源、明晰風(fēng)險(xiǎn)因素本質(zhì)，并可以為其結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別結(jié)果制定針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)防范策略提供決策支持。

目前，關(guān)于城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法的研究已經(jīng)引起一些國(guó)外學(xué)者的關(guān)注，如Campbell和Smith[14]提出了一種基于案例推理的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法，Kr?ger[15]提出了一種經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和文獻(xiàn)分析相結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法，Cagno[16]等提出了基于檢查表法的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法。同時(shí)，還有一些國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了適用于城市典型生命線某個(gè)單一系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法，如基于失效模式與后果分析的電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法[17]、失誤樹分析和專家調(diào)查列舉相結(jié)合的電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法[18]、基于故障樹分析和粗集理論的燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法[19]等。已有成果為本研究提供了可借鑒的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法以及構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素集合的依據(jù)，但是，所提及的城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法或適用于某個(gè)單一系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法均沒有考慮現(xiàn)實(shí)中由多系統(tǒng)(供熱、電力、燃?xì)庀到y(tǒng))、多風(fēng)險(xiǎn)因素(自然、人為、內(nèi)在因素)以及各類關(guān)聯(lián)形成的復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境對(duì)城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別過程和結(jié)果的影響。若沿用這些方法將影響城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別過程的科學(xué)性和識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性，也不利于相關(guān)部門聯(lián)調(diào)聯(lián)動(dòng)防范風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于此，本文構(gòu)建了具有層級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別框架，并給出了一種考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法。該方法利用二元語(yǔ)義表示模型將各專家給出的語(yǔ)言短語(yǔ)形式的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)信息和風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)信息轉(zhuǎn)化為二元語(yǔ)義形式，并將決策試驗(yàn)與評(píng)價(jià)試驗(yàn)室(DEMATEL)法和Two-Additive Choquet(TAC)積分算子擴(kuò)展到二元語(yǔ)義環(huán)境，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各類關(guān)聯(lián)的綜合集成，從而確定風(fēng)險(xiǎn)因素的排序和歸類，以便于相關(guān)部門決策者研判風(fēng)險(xiǎn)根源、明晰風(fēng)險(xiǎn)因素本質(zhì)。本文提出的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法克服了現(xiàn)有方法的局限性，不僅考慮了復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別過程和結(jié)果的影響，而且計(jì)算得到的可視化風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別結(jié)果也便于決策者進(jìn)行直觀判斷和分析。

2 城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別框架

為構(gòu)建城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別框架，首先需要確定風(fēng)險(xiǎn)因素集合，具體過程如下：(1)系統(tǒng)梳理相關(guān)研究文獻(xiàn)[5-6,9, 14-19]，并認(rèn)真剖析近年來發(fā)生的城市典型生命線事故；(2)結(jié)合梳理分析結(jié)果提煉出影響城市典型生命線運(yùn)行的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，形成備選風(fēng)險(xiǎn)因素集合；(3)通過問卷調(diào)查征求供熱、電力、燃?xì)庑袠I(yè)相關(guān)企業(yè)決策者對(duì)備選風(fēng)險(xiǎn)因素集合的意見；(4)根據(jù)反饋意見，對(duì)備選風(fēng)險(xiǎn)因素集合進(jìn)行篩選和修正，確定城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素集合(見表1)。

另一方面，為構(gòu)建城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別框架，還需要對(duì)復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境所涉及的各類關(guān)聯(lián)進(jìn)行機(jī)理方面的深入分析。系統(tǒng)關(guān)聯(lián)是雙向?qū)Φ鹊年P(guān)聯(lián)，主要表現(xiàn)為：(1)各系統(tǒng)之間相互干擾的冗余作用。如設(shè)施空間毗鄰的系統(tǒng)容易相互干擾，任一系統(tǒng)的設(shè)施故障都可能破壞其他系統(tǒng)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致城市典型生命線整體運(yùn)行效率降低；(2)各系統(tǒng)之間彼此依存的互補(bǔ)作用。如提供相近服務(wù)的兩個(gè)系統(tǒng)可在某一系統(tǒng)出現(xiàn)短期故障時(shí)由另一系統(tǒng)代替其提供服務(wù)，從而保證城市典型生命線服務(wù)功能的正常提供。現(xiàn)實(shí)中，管線鋪設(shè)在通行地溝內(nèi)的供熱系統(tǒng)與燃?xì)庀到y(tǒng)之間存在相互干擾的冗余作用，而均可為公眾提供供暖服務(wù)的供熱系統(tǒng)和電力系統(tǒng)之間存在彼此依存的互補(bǔ)作用。風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)是單向不對(duì)等的關(guān)聯(lián)，而且其具有的傳導(dǎo)效應(yīng)會(huì)誘發(fā)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的間接關(guān)聯(lián)，主要表現(xiàn)為各系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素之間以及不同系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素之間的直接和間接影響作用，如系統(tǒng)1的風(fēng)險(xiǎn)因素A直接影響系統(tǒng)1的風(fēng)險(xiǎn)因素B，而系統(tǒng)1的風(fēng)險(xiǎn)因素B又直接影響系統(tǒng)2的風(fēng)險(xiǎn)因素C，則傳導(dǎo)效應(yīng)會(huì)誘發(fā)系統(tǒng)1的風(fēng)險(xiǎn)因素A間接影響系統(tǒng)2的風(fēng)險(xiǎn)因素C。現(xiàn)實(shí)中，燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷會(huì)加大該系統(tǒng)管道失效的可能性，而燃?xì)庀到y(tǒng)管道失效導(dǎo)致的供氣中斷也會(huì)制約供熱系統(tǒng)能源供應(yīng)的正常秩序，則風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)的傳導(dǎo)效應(yīng)誘發(fā)燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷間接影響供熱系統(tǒng)的能源供應(yīng)。基于表1所羅列的城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素以及對(duì)復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境中各類關(guān)聯(lián)的分析構(gòu)建了具有層級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別框架(見圖1)，包括目標(biāo)層、維度層和因素層，同時(shí)考慮了維度層各系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)、因素層中各系統(tǒng)內(nèi)部以及系統(tǒng)之間風(fēng)險(xiǎn)因素的直接關(guān)聯(lián)和由于關(guān)聯(lián)傳導(dǎo)效應(yīng)衍生的間接關(guān)聯(lián)。

表1 城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素及其描述

圖1 城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別框架

3 考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法

基于圖1所示的框架，本文給出一種考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法。首先，給出問題描述，然后給出方法的原理與步驟。

3.1 問題描述

為便于分析，采用下列符號(hào)描述考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別問題所涉及的集合和量。

U={U1,U2,U3}：系統(tǒng)集合，U1、U2和U3分別表示供熱、電力和燃?xì)庀到y(tǒng)；

E={E1,E2,…,Em}：專家集合(m≥2)，其中，Ek為第k個(gè)專家，k∈{1,2,…,m}；

S={S0,S1,…,Sg}：語(yǔ)言短語(yǔ)評(píng)價(jià)集合，其中，Sl為第l個(gè)語(yǔ)言短語(yǔ)，l∈{0,1,…,g}；

W=(w1,w2,w3)T：系統(tǒng)權(quán)重向量，w1、w2和w3分別為供熱、電力和燃?xì)庀到y(tǒng)權(quán)重，由風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別工作的組織者給出，wa∈S，a=1,2,3；

Yk=[ykab]3×3：系統(tǒng)關(guān)聯(lián)初始判斷矩陣，其中，ykab為專家Ek針對(duì)系統(tǒng)Ua與Ub(a≠b)之間的關(guān)聯(lián)作用效果給出的評(píng)價(jià)信息，ykab∈S，k=1,2,…,m，a,b=1,2,3，這里不考慮各系統(tǒng)自身的關(guān)聯(lián)，即ykaa=″-″，k=1,2,…,m，a=1,2,3。

3.2 方法的原理與步驟

為解決上述問題，本文給出一種考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法，其原理與步驟描述如下。

θ:S→S×[-0.5,0.5)

(1a)

(1b)

(1c)

(1d)

(1e)

(1f)

(1g)

k=1,2,…,m,a,b=1,2,3

(2a)

k=1,2,…,m,a,b=1,2,3

(2b)

當(dāng)η,φ∈{1,2,…,n}時(shí)，有：

(3a)

當(dāng)η,φ∈{n+1,n+2,…,2n}時(shí)，有：

(3b)

當(dāng)η,φ∈{2n+1,2n+2,…,3n}時(shí)，有：

(3c)

當(dāng)η∈{1,2,…,n},φ∈{n+1,n+2,…,3n}或η∈{n+1,n+2,…,2n},φ∈{1,2,…,n,2n+1,2n+2,…,3n}或η∈{2n+1,2n+2,…,3n},φ∈{1,2,…,2n}時(shí)，均有：

(3d)

其中：

(3e)

(3f)

(4)

這里，0

結(jié)合上述兩個(gè)性質(zhì)以及風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)的傳導(dǎo)效應(yīng)，構(gòu)建城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素間接關(guān)聯(lián)矩陣V=[vηφ]3n×3n，η,φ=1,2,…,3n，其計(jì)算公式為:

V=limτ→(X2+…+Xτ)=X2(I-X)-1

(5)

在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素綜合關(guān)聯(lián)矩陣T=[tηφ]3n×3n，其中，tηφ表示風(fēng)險(xiǎn)因素之間直接與間接關(guān)聯(lián)程度的總和，即綜合關(guān)聯(lián)程度，其計(jì)算公式為：

tηφ=xηφ+vηφ,η,φ=1,2,…,3n

(6)

基于矩陣T確定各風(fēng)險(xiǎn)因素的中心度pη和關(guān)系度rη，其計(jì)算公式分別為：

(7)

(8)

這里，中心度pη表明該風(fēng)險(xiǎn)因素在風(fēng)險(xiǎn)因素集合中所起作用的大小，關(guān)系度rη表明該風(fēng)險(xiǎn)因素的歸類。若rη>0，則表明該風(fēng)險(xiǎn)因素通過關(guān)聯(lián)作用影響其他風(fēng)險(xiǎn)因素，為原因型風(fēng)險(xiǎn)因素；若rη<0，則表明該風(fēng)險(xiǎn)因素受其他風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，為結(jié)果型風(fēng)險(xiǎn)因素。

最后，以P為橫軸、R為縱軸構(gòu)建城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的因果關(guān)系圖。由此，相關(guān)部門決策者可以根據(jù)可視化的因果關(guān)系圖直觀地判定風(fēng)險(xiǎn)因素的排序和歸類并制定針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)防范策略。一方面，中心度值較高的風(fēng)險(xiǎn)因素為風(fēng)險(xiǎn)根源所在，需要重點(diǎn)關(guān)注其實(shí)時(shí)狀態(tài)。另一方面，對(duì)于原因型風(fēng)險(xiǎn)因素，可以通過制定相應(yīng)的預(yù)防措施來盡量減少風(fēng)險(xiǎn)損失；而對(duì)于結(jié)果型風(fēng)險(xiǎn)因素，則可通過制定相應(yīng)的管控措施來規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

4 實(shí)例研究

某樣區(qū)(簡(jiǎn)稱C區(qū))地處北京市南郊平原地帶，隨著近年來在城市規(guī)劃與建設(shè)方面的迅猛發(fā)展，該樣區(qū)內(nèi)城市典型生命線運(yùn)行面臨的風(fēng)險(xiǎn)隱患日益增多。為此，相關(guān)部門邀請(qǐng)了來自生命線運(yùn)行管理、風(fēng)險(xiǎn)管理等領(lǐng)域和供熱、電力、燃?xì)馊笮袠I(yè)的5位專家，采用本文給出的方法對(duì)樣區(qū)內(nèi)城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行科學(xué)有效的識(shí)別。城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素集合如表1所示，語(yǔ)言短語(yǔ)評(píng)價(jià)集合S={S0: VL/SC(很低/強(qiáng)冗余)，S1: L/WC(低/弱冗余)，S2: M/MI(中等/相互獨(dú)立)，S3: H/WD(高/弱互補(bǔ))，S4: VH/SD(很高/強(qiáng)互補(bǔ)}，系統(tǒng)權(quán)重向量W=(H,VH,H)T。

然后，根據(jù)公式(4)-(6)，分別構(gòu)建城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)規(guī)范化矩陣X=[xηφ]3n×3n、城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素間接關(guān)聯(lián)矩陣V=[vηφ]3n×3n和城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素綜合關(guān)聯(lián)矩陣T=[tηφ]3n×3n，即：

表2 城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素中心度和關(guān)系度的計(jì)算結(jié)果

圖2 城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素的因果關(guān)系圖

5 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境下城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別問題研究對(duì)于相關(guān)部門聯(lián)調(diào)聯(lián)動(dòng)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防范發(fā)揮著重要的作用。針對(duì)該問題，本文首先構(gòu)建了具有層級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別框架，然后提出一種考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別方法。該方法可以幫助相關(guān)部門決策者在復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境下研判城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)根源、明晰各類風(fēng)險(xiǎn)因素的本質(zhì)，并能夠?yàn)橹贫ㄡ槍?duì)性的風(fēng)險(xiǎn)防范策略提供有效的決策支持。與已有研究相比，本文充分考慮了現(xiàn)實(shí)中由多系統(tǒng)(供熱、電力、燃?xì)庀到y(tǒng))、多風(fēng)險(xiǎn)因素(自然、人為、內(nèi)在因素)以及各類關(guān)聯(lián)所形成的復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境對(duì)城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別過程和結(jié)果的影響，所得到的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別結(jié)果具有更強(qiáng)的科學(xué)性和可解釋性，而且能夠可視化的結(jié)果也便于決策者對(duì)風(fēng)險(xiǎn)根源及風(fēng)險(xiǎn)因素本質(zhì)進(jìn)行直觀的分析與判斷。此外，由于復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境往往導(dǎo)致城市典型生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的危害性和破壞力倍增，因此研究考慮復(fù)雜關(guān)聯(lián)情境的城市典型生命線運(yùn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法將是進(jìn)一步需要開展的工作。

附錄

專家E1給出的風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)信息：

F11F12F13F14F25F26F27F28F39F310F311F312F11-VHLVLHHMLVLMVLVLF12VL-VLLLMLVLLVLVLVLF13VLVL-VLVHHMLVLHLLF14LHL-VLMLVLLLVLLF25VLLVLVL-HVHVLLHLVLF26LHMLVH-VHLVLVHMHF27VLMLLLH-LLMLLF28VLHVHVLHMM-VHVHHHF39VLLHVLVHHML-VHVLVLF310VLLLVLHHMVLL-LVLF311VLHVHLMHHVLHH-LF312VLLMVLVHHMLLHVL-

專家E1給出的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)信息：

U1U2U3U1-WDSDU2WD-WDU3SDWD-

專家E2給出的風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)信息：

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專家E2給出的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)信息：

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專家E3給出的風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)信息：

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專家E3給出的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)信息：

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專家E4給出的風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)信息：

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專家E4給出的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)信息：

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專家E5給出的風(fēng)險(xiǎn)因素關(guān)聯(lián)信息：

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專家E5給出的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)信息：

U1U2U3U1-SDWDU2SD-WDU3WDWD-

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