首页|行业资讯|企业名录|周边产品|数字城市|增强现实|工业仿真|解决方案|虚拟医疗|行业仿真|图形处理|军事战场
资讯首页
行业资讯 >> 专业文献>>正文
国家关键基础设施建模仿真研究进展
2015年9月23日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:胡晓峰,李志强,曹 强,罗 批
    单位:国防大学信息作战与指挥训练教研部

    摘要: 自上个世纪90年代中期以来,随着支撑国家正常运转的关键基础设施复杂度和脆弱性的不断增长,以及其面临的局部自然失效和可能的蓄意恐怖袭击带来的连锁反应,国家关键基础设施建模仿真研究逐渐得到许多国家的高度重视。本文首先介绍国家关键基础设施的基本概念、组成要素、基本特点和建模仿真研究的必要性,然后重点介绍了西方发达国家在该研究领域的最新研究进展和几个典型的建模仿真系统,最后,根据我们当前的研究工作和远期构想,讨论了下一步重点关注的研究内容、基础理论与方法和关键技术等基本问题。

    0 引言

    随着世界经济的发展和科技的进步,支撑国家正常运行的国家基础设施服务系统逐渐演变成为了一个多领域相互关联的复杂系统。该系统上任何微小局部的自然失效、扰动和蓄意攻击破坏,都有可能在整个网络上造成不可预料的连锁反应,这不仅会严重威胁国家安全、社会经济发展和人们正常生活,而且还可能对国家的政治生活产生重要影响。例如,2003 年 8 月,美国东北部和加拿大东部电网大停电,其起因就只是一个局部变压器短路,但却在整个电力网络上造成了大范围的连锁失效,并导致了该地区数千万家庭和企业断电,不仅给人们生活和工厂生产产生严重影响,而且造成该地区的通信、供水、交通、金融系统等其他基础设施的瘫痪,直接经济损失达数百亿美元。 1999 年的科索沃战争中,最终导致以英勇顽强著称于世的南斯拉夫人屈服的不是其军事力量被消灭,而是城市供水系统被破坏导致的马桶无法抽水,即所谓的“马桶效应”。习惯了现代文明的贝尔格莱德市民有捍卫国家的坚强意志,却无法容忍因马桶抽不上水所带来的不便,最终导致政府民意丧失政权崩溃! 这些事情的起因很小,但导致的后果却是巨大的、灾难性的,而战争危机条件下这类问题将会更加突出!那么,是什么导致了这些不可预料连锁反应?为什么系统会发生级联失效?什么是核心关键的因素?回答这些深层次问题,不仅需要我们从定性角度加以分析,而且也需要找到切实可用的手段,对国家关键基础设施的内在运行机制及其复杂的关联关系进行动态定量的研究!关键基础设施建模仿真就是一种行之有效的方法。

    采用建模仿真的手段来研究复杂系统内在运行机制是复杂系统研究的重要方法,但复杂系统仿真研究不同于传统仿真,必须从整体、动态、演化的角度才可能反映复杂系统内在动力学特征!作为社会系统以及影响社会的主要复杂系统因素"国家基础设施,如何建模和仿真的问题是值得深入研究的新领域! 我国学者王飞跃提出:社会计算实验与平行系统是研究这类问题很好的方法学。我们认为战争条件下的社会仿真可以看成是“计算实验”的一个特殊类型! 而社会仿真 国家基础设施仿真  社会群体行为仿真! 其中,国家基础设施仿真包括:电力、交通、能源、通信、供水、金融、公共卫生等相互关联的多领域仿真;社会群体行为仿真包括:个体、组织、国家、政治、经济、社会、舆论等实体及其相互作用的仿真!国家关键基础设施和社会群体行为两者的相互作用将导致社会整体涌现行为的整体效果。

    鉴于国家关键基础设施建模仿真研究的重要理论意义和实用价值!本文首先介绍国家关键基础设施的基本概念、组成、特点,分析建模与仿真方法研究该问题的必要性,然后,介绍国内外在该领域研究的最新进展以及典型系统的特点,最后根据目前我们的当前工作和远期构想,指出下一步工作应关注的重点问题。

    1 国家关键基础设施仿真的内容

    1.1 国家关键基础设施概念及组成

    1997 年,在美国关键基础设施保护总统委员会(U.S. President’s Commission Critcal Infrastructure Protection PCCIP )的报告中,对关键基础设施作了如下的定义:所谓关键基础设施,就是指那些失效或被破坏后会削弱国家的国防和经济安全的设施!该报告定义了八项关键基础设施包括:通信、电力系统、石油和天然气、银行和金融、运输、供水系统、政府服务和应急服务! 2002 年美国国会的研究报告对这一问题的叙述如下:国家的财富、安全和健康依赖于一些设施和服务的分布和运转,这些物理设施的排列、组织结构和运作方式及在此基础上物流和服务的运动称为关键基础设施!国家关键基础设施(The National Critical Infastructure),按照美国爱国者法案((U.S. Patriot Act)给出的定义:它是指支撑一个国家或者社会正常运行的关键公共基础资源服务系统,该资源系统包括两类:一类是硬资源系统,主要是指物理上客观存在的,如交通、电力、通信、能源(石油和天然气管道)、供水、信息网络系统(计算机网络)等;另一类是软资源系统,如食品供应网、银行金融系统、公共卫生服务系统、国家应急处理系统、国家危险品流通系统等。

    可见,国家关键基础设施是指那些属于国家或公共所有的,涉及国家安全、社会稳定、经济发展、人民生活的重要基础和保障设施。

    1.2 国家关键基础设施特点

    国家关键基础设施是一个典型的多领域基础设施网络组成的复杂网络系统,其基本特点如下:

    1)复杂性:国家关键基础设施是由多领域网络系统形成的复杂网络系统,具有复杂系统的非线性基本动力学特征。

    2)自组织:在一定条件下,国家关键基础设施系统可能从无序变成有序,也可能从有序变成无序,甚至会出现有序和无序交替出现的局面,并和外界进行物质和能量的交换!在离开平衡态后,由于系统的内部功能,实现从一种序到另一种序的演变,这就是自组织!国家关键基础设施系统可以自增长、对环境和条件的变化具有一定的适应和修复能力,但其自增长具有一定的盲目性。

    3)临界性:国家关键基础设施系统具有临界性!临界性是指系统或系统的某些节点的破坏或失效程度达到一定阈值时会引起级联失效(“雪崩”效应),可能产生连锁反应(多米诺骨牌效应)。

    4)相互依赖性:组成国家关键基础设施的各个部分之间,各个部分内部都存在相互依赖!这些依赖关系主要分为物理依赖、信息依赖、地理空间依赖、政策依赖和社会依赖等类型。如物理依赖:大树压倒电线,导致断电,影响计算机系统;政策依赖:“911”时关闭所有机场,导致空中交通中断;社会依赖:“911”后公众恐惧航空导致航空业亏损等。

    1.3  建模仿真必要性

    对国家关键基础设施的研究,不能将关键基础设施看成某个部门的事情,而应该看成国家整个系统的重要基础支撑;基础设施网络复杂度和脆弱性同步增长,既支撑着社会的运行,也日益增多了安全威胁!如,其自身的局部自然失效导致的崩溃,不可预料的自然灾害和蓄意的恐怖袭击,战争威胁的存在带来的隐患等。对国家关键基础设施的研究可以解决两个大方面的问题! 一是如何保护自己国家的关键基础设施,增强抵御敌攻击和自然灾害的影响!二是如何打击敌人的国家关键基础设施,以较小的代价达成战争的目的。

    为了能够寻找到基础设施网络上的核心脆弱节点,为了能够获得基础设施网络上突发事件的合理应急处理策略,评估突发事件和恐怖袭击对基础设施网络破坏等,必须进行相关的实验分析!但是,国家关键基础设施规模巨大,任何实验室实验场地都不可能全部包括;国家关键基础设施各部分影响复杂,是国家正常运行的基础,无法采用实际试验的方法进行研究!因此,基础设施网络的复杂性和特殊性使建模仿真就成为唯一的实验分析手段,利用计算机建模仿真的方法,建立相应的模拟环境,就可以达到研究的目的。

    2 国家关键基础设施仿真研究进展

    2.1 国外工作

    西方国家开始重视国家关键基础设施建模仿真主要是在恐怖主义活动日益增多的 20 世纪 90 年代中后期1996 年,美国总统克林顿成立了国家关键基础设施保护总统委员会PCCIP。 1997年,PCCIP 发布了第一份年度报告,其中重点强调关键基础设施之间关联关系导致的连锁故障的危险性,以及所面临的恐怖主义威胁1998 年,克林顿总统签署第63 号总统令((PDD-63),要求国家采用各种手段确保日益增长的相互依赖性和脆弱性的美国国家基础设施的安全( The Critcal Infrastructure Protection ,CIP)。同时,国家关键基础设施建模仿真研究逐渐成为美国各大国家实验室的重大研究课题。例如,Sandia 国家实验室主要负责经济系统研究;Los Alamos国家实验室主要负责交通系统、供水等系统研究;Idaho国家实验室正在从事开发CIMS( Critcal Infrastructure Modeling System)系统等!此外,2000 年还成立了专门的国家基础设施仿真中心(The National Infrastructure Simulation and Analysis Center,NISAC) ,NISAC 的主要职责是采用复杂系统建模仿真方法来评估国家安全问题,其研究方向主要有动态基础设施关联仿真与分析,基于 Agent 的经济学实验室,铁路网络分析系统,资产优先度区分的方法,高级建模与技术研究,相互关联的能源基础设计仿真系统,城市基础设施系统等!911 事件以后,为了应对恐怖袭击对美国本土安全的威胁,美国成立国土安全部(Department of Homeland Security ,DHS) ,NISAC便成为美国国土安全部基础设施保护和风险管理局(Infrastructure Protection / Risk Management Division,IP/RMD)的一个非常重要的资助项目。 2003年2 月,美国首先提出了关于关键基础设施和资产的物理防护的国家战略!该战略把建模仿真和评估分析作为关键基础设施保护优先考虑和核心要素之一。

    下面我们简单介绍国外几个的典型系统:

    CIP/DSS( The Critcal Infrastructure Protection Decision Support System, CIP/DSS)关键基础设施保护决策支持系统,该系统由美国三大国家实验室联合开发。CIP/DSS系统考虑了支撑美国国家运行的14大类的基础设施网络系统和它们之间复杂的依赖关联关系!主要用于评估分析某一基础设施网络的被攻击后的连锁效应和综合影响,包括对经济,公共卫生和政府执政信度影响,以及可能在其他基础设施网络上产生的连锁效应;分析整个基础设施网络上的核心脆弱节点的基本特征,寻找基础设施网络上脆弱节点(攻击该节点将会在整个网络上产生大范围灾难性影响);评估分析政府在基础设施上的投资策略,在力图减少基础设施网络风险的情况下,提高投资策略的合理性等! 从建模方法上,CIP/DSS 系统采用的系统动力学方法来建立各个子系统因果关系及其它们之间复杂的关联关系模型。

    IEISS(Interdependent Energy Infrastructure  Simulation  System,IEISS)相互依赖的能源基础设施仿真系统,该系统由 NISAC 能源基础设施研究部开发。IEISS主要研究能源输送网络(例如电力、石油和天然气网络等)的物理行为包括它们之间的相互依赖关系;支持国家和地区级的能源基础设施之间的复杂、非线性和涌现交互行为特征分析;可以评估突发事件对整个网络的影响,评估基础设施失效的经济影响,评估在未来规划中系统的鲁棒性以及辨识支持系统运行的关键节点。

    TRANSIMS(The Trasportation Analysis and Simulation System, TRANSIMS)交通分析与仿真系统,由美国Los Alamos 国家实验室开发的目前比较成熟的系统,它的软件最新版为 2007 年8月 2 日发布的TRANSIMS Ver4.0。TRANSIMS 以元胞自动机为底层模型,以个人的日常行动为基础(Activity Based),可提供交通状况、能耗和污染的精确信息,预测交通政策的改变对整个交通系统的影响。

    EPSISMS(Epidemiology Simulation  System,EPSISMS)流行病学仿真系统,是美国Los Alamos 国家实验室研制的一个基于虚拟现实技术实现的虚拟人工社会模型!主要用来仿真恐怖分子对美国本土进行释放天花病毒的袭击时,为美国卫生部官员采取应对措施的有效性进行仿真分析。美国政府花 1 亿美元购入用于研究恐怖袭击。EPSISMS(可以进行疾病的地理分布和人口分布、时间因素的评估,模拟各种应对措施的效果,例如隔离、接种和抗生素使用效果等;使用真实城市(波特兰市)的社会网络数据进行分析。

1
标签:设施Agent推演
上一篇:Jaunt VR 获得6500万美元投资
下一篇:Oculus DK2 参数规格(开发套件2)
网友评论:国家关键基础设施建模仿真研究进展
评论
留名: 验证码:
您可能还需要关注一下内容:
·智能Agent及多Agent在虚拟环境中的应用研究进展
·国家关键基础设施建模仿真研究进展
·美军推出“增强现实沙盘”:让战争更像游戏
·核设施退役虚拟仿真系统框架研究
·人工社会—基于Agent的社会学虚拟仿真
·日本采用虚拟现实系统训练打击核恐怖主义
·基于多Agent系统的计算机生成兵力建模研究
·战场态势推演GIS动态表达技术与应用
·基于GIS的应急预案过程动态推演模拟技术研究
·Agent人工智能在虚拟现实环境中的应用
☏ 推荐产品

Ladybug5全景
商家:力方国际

ProJet®
商家:力方国际

ProJet®
商家:视科创新

Premium1.5
商家:视科创新

巴可HDX主动立体投
商家:德浩科视

巴可HDF-W26投
商家:德浩科视

巴可30000流明2
商家:德浩科视

巴可4万流明2K投影
商家:德浩科视
☞ 外设导航
☏ 企业名录
【广州】中科院广州电子技术有限公司
【北京】第二空间(北京)科技有限公司
【北京】幻维世界(北京)网络科技有限公司
【厦门】厦门惠拓动漫科技有限公司
【厦门】厦门幻眼信息科技有限公司
【深圳】深圳南方百捷文化传播有限公司
【北京】北京思源科安信息技术有限公司
【上海】上海殊未信息科技有限公司
【北京】北京赢康科技开发有限公司
【武汉】武汉科码软件有限公司
友情链接 关于本站 咨询策划 行业推广 广告服务 免责声明 网站建设 联系我们 融资计划
北京第三维度科技有限公司 版权所有 京ICP备09001338
2008-2016 Beijing The third dimension Inc. All Rights Reserved.
Tel:010-57255801 Mob:13371637112(24小时)
Email:d3dweb@163.com  QQ:496466882
扫一扫 第三维度
官方微信号