基于復雜網絡的地鐵恐怖襲擊災害鏈風險分析

楊起帆， 張亞君， 歐陽作林

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學河北省大型結構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施，具有全線性、開放性、封閉性及群體性等特點，一旦地鐵內發生恐怖襲擊，往往會引起二次災害或衍生災害，社會影響惡劣。國內外學者針對地鐵恐怖襲擊災害事故分析及防御方法開展了大量研究。Giovanni B等[1]根據地鐵易受恐怖襲擊的特點，改進了智能監控系統，以提高監測技術，保障地鐵安全系統的可靠性。Barbora S等[2]用TEREX計算機程序模擬布拉格地鐵系統，評估了不同情景下化學神經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前國際地鐵恐怖襲擊的主要形式，應急處置體系是地鐵反恐工作的重要構成，提高事前預防能力是關鍵。Alexey V. Shvetsov[5]通過數學計算方法，評估了爆炸裝置在地鐵內的風險，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]等構建了城市軌道交通系統的災害鏈網絡模型，并對災害鏈網絡的安全狀態進行了評價。于恒等[9]統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，并假設不同場景，為使損失最小化，提出了減小恐怖襲擊后果嚴重度的安全建議。

目前，眾多學者圍繞地鐵事故的誘發原因和控制方法開展了大量研究，但關于地鐵恐怖襲擊災害鏈鏈生演化機理的研究相對較少。因此，作者根據復雜網絡理論，構建地鐵恐怖襲擊災害演化網絡模型，綜合分析災害網絡節點的重要度和邊的脆弱性，對地鐵恐怖襲擊災害網絡進行風險評價，所得結論可為地鐵運營風險預控提供指導意義。

1 地鐵恐怖襲擊災害事故統計分析

調研1995～2017年內發生的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的乘客，引起乘客恐慌，造成大規模的擁擠踩踏和群死群傷[12]；同時，核生化污染物質擴散，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、電力供應等設施損壞，引起地鐵交通網絡中斷，影響居民生活；此外，爆炸還可能會導致車站的主體結構和隧道結構性能劣化。

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

2 地鐵恐怖襲擊災害鏈網絡構建

恐怖襲擊事故后果極為嚴重，恐怖襲擊發生后，直接導致人員傷亡或車站破壞，間接引發地鐵停運(地面交通量突然增大)、人員慌忙撤離(潛在人員踩踏事故)、地鐵結構損傷(工程結構內部損傷)。綜合地鐵恐怖襲擊事件的綜合調研和歸納分析[15-17]，本文從生化、爆炸和火災三方面構建地鐵恐怖襲擊災害的災害鏈式傳遞模型，見圖1。

圖1 地鐵恐怖襲擊災害鏈演化模型

地鐵恐怖襲擊災害具有顯著的復雜網絡特征，網絡節點代表地鐵危機事件，邊代表危機事件的演化關系，所構建地鐵系統災害的復雜網絡模型見圖2。圖2中復雜網絡模型共有33個節點和54條邊，即該網絡有33個災害事件，54條災害演化路徑。

圖2 地鐵恐怖襲擊災害傳遞演化復雜網絡

3 地鐵恐怖襲擊復雜網絡綜合分析

3.1 復雜網絡節點重要度分析

利用節點的度中心性、緊密中心性和中介中心性三個度量指標，分別描述災害事件節點在地鐵災害復雜網絡中的重要性[18]。

(1)度中心性：網絡中的節點與其他節點都發生直接聯系，則該節點處于中心地位，節點關系越廣，相鄰節點越多，節點越重要，見式(1)[18]。

(1)

式中：σij表示節點i與節點j之間的邊的數目;N是網絡節點總數。

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

(2)

式中：dij為節點i與節點j間的最短路徑；N為網絡的所有節點總數。

(3)中介中心性：是指表示連接網絡所有節點對的最短路徑中，經過某一節點的最短路徑數目，見式(3)[18]。

(3)

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

本節利用層次分析法對網絡節點重要度進行綜合評價。依據專家意見，對度中心性、緊密度中心性和中介中心性三個指標重要度進行對比分析，構造比較判斷權重矩陣(見表2)，計算得出指標權重分別為0.2、0.4和0.4，所得結果通過了一致性檢驗。

表2 評價指標比較矩陣

(4)節點綜合重要度：分別求出不同評價指標體系下，復雜網絡中每個節點的重要度百分比，結合指標權重值，求得該節點的綜合重要度P。分析計算結果，得出地鐵災害演化復雜網絡中的節點結構重要度排序為：隧道變形異常、隧道透水、隧道結構性能劣化、爆炸和隧道結構坍塌等，見表3。

表3 地鐵災害演化復雜網絡節點重要度評價

(4)

(5)

3.2 復雜網絡邊的脆弱性分析

基于復雜網絡理論和網絡抗毀性評價，利用邊介數、連通度和平均路徑長度三個指標評價災害網絡邊的脆弱性[19-21]。

(1)邊介數：網絡中通過該邊的最短路徑數目，邊介數越大，則該邊對網絡抗毀性影響也越大，見式(6)[19-21]。

(6)

式中：Bi為邊i介數；njk(i)表示為節點j和k之間經過邊i的路徑數目。

(2)連通度：從網絡圖中某起始節點出發，能夠連通的節點數和總節點數的比值，見式(7)[19-21]。

(7)

式中：N為網絡節點的總數；Ni為從某起始節點出發能夠連通的節點數。

(3)平均路徑長度：原生災害事件到其他所有次

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

(8)

式中：N為網絡節點的總數；dij為節點i與j之間的最短距離。

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

(9)

式中：k為該災害鏈中邊的總數。

利用上述公式，計算地鐵災害鏈式演化網絡邊的重要度，得到地鐵恐怖襲擊災害網絡的邊介數、連通度、平均路徑長度和脆弱性指標，并對所得指標進行歸一化處理，見表4。

表4 地鐵災害網絡邊脆弱度評價指標

3.3 災害網絡風險評價

依據復雜網絡節點和邊的作用關系，綜合分析地鐵恐怖襲擊災害發展演化過程和其可能產生的實際影響。將歸一化的“節點綜合重要度”和“邊的脆弱性”，引入到風險評估的模型中，結合式(10)得出災害網絡中每一條災害鏈的風險值，見表5。

R=PVi+VEi

(10)

式中：PVi節點綜合重要度；VEi邊的脆弱性。

通過表5可以看出，A3衍生的爆炸災害鏈一共21條，說明爆炸災害鏈網絡中次生災害事件多，且后果嚴重，災害鏈風險值大。

表5 地鐵災害鏈風險值

爆炸已成為當今最主要的恐怖活動形式，恐怖活動的發生頻率和破壞程度也在不斷增長。B4地鐵隧道結構性能劣化，其遭到破壞會造成車站癱瘓及附近地鐵交通網絡中斷，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、連環爆炸等次生災害事件，因此對爆炸的防范要尤為重視。

其次，A4衍生的火災災害鏈條數是6條，雖然災害鏈條數少，但風險值高，一旦發生火災，將會造成車站以及經過車站的整條線路中斷。煙氣窒息中毒是發生火災時的主要傷害；大火還會造成機車受損和車站結構破壞，短時間內無法修復，其造成的嚴重后果和本身的無規律性也會造成大量的人員傷亡、經濟損失和不良社會影響。

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

4 結束語

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