（系统工程专业论文）复杂系统脆性理论及其在电力系统风险分析中的应用.pdf

、， c l a s s i f i e di n d e x u dc ： l i i i iii iii lii i ii ii lu i y 18 0 9 3 6 2 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fd e n g b r i t t l e n e s st h e o r yo f c o m p l e xs y s t e ma n d i t sa p p l i c a t i o nt or i s k a n a l y s i so f p o w e r s y s t e m c a n d i d a t e ： w a n gj i n s o n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h e nj i h o n g a c a d e m i cd e g r e ea p p ll e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a li t y ： s y s t e m se n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ： a p r i l ，2 0 1 0 j u n e ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 卜 ，入 卜 八 j 一 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：夏劾私 日期： 洲d 年b 月，口日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文旧在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：易劾影 日期：可口年占月f 汐日 导师( 签字) ：观位易7 秒年占月f d 日 一 0 复杂系统脆性理论及其在电力系统风险分析中的应用 摘要 近2 0 年来，电力工业通过解除管制、引入竞争，实现提高发电、输电、 配电经济效益的目的。随着我国经济建设的深入发展，我国电力工业市场化 改革在稳步推进的同时，保证解除管制的电力系统安全可靠的运行至关重要。 解除管制的电力系统及电力市场是一个复杂系统，在运行中会受到各种 各样的风险的影响，根据复杂系统脆性理论，除了复杂系统所具有的一般特 性之外，还具有脆性。本文以解除管制的电力系统作为研究对象，采用复杂 系统脆性理论和方法，针对解除管制的电力系统及电力市场的风险进行研究。 首先，以复杂系统作为研究对象，研究复杂系统的复杂性及其度量。在 所提出的脆性是复杂系统的一个基本特性的理论基础之上，综合现有的复杂 系统脆性研究成果，深入研究脆性的定义、特点和模型。 其次，对解除管制的电力系统风险及其脆性的研究。在解除管制的电力 系统环境下，独立发电商、输电系统运行机构、独立电能零售商可以被认为 是一个脆性基元内的三个子系统。并且，按照复杂系统脆性理论，他们之间 是非合作博弈的关系。为了保证系统正常运行，他们都需要负熵的注入。例 如：风险会引起电力系统熵增，而信息是一种负熵，信息的不完全，将导致 他们负熵的缺乏。在系统无外界干扰的情况下，他们彼此之间通过信息交换， 可以保证熵增在一定范围内，而保持稳定状态。在一个脆性基元内，当外界 干扰作用于一个子系统时，导致此系统的熵迅速增加，若无负熵补充，此系 统会因此崩溃，根据复杂系统脆性理论，其他的两个子系统也会崩溃。同时， 研究电力信息系统的脆性。 再次，基于核独立分量分析方法，分析风险对电力市场影响的估计的研 究。在不完全系统参数，仅仅了解部分风险对系统的综合影响的情况下，完 成了独立风险对电力市场影响的估计的研究。 核独立分量分析k i c a ( k e r n e li n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ) ，即白化 的核主分量分析加上独立分量分析算法，提供了一条途径将线性p c a 扩展到 观察数据的非线性子空间。k i c a 先通过一个函数将原观察数据空间，或称 输入空间映射到一个高维的线性空间，称为特征空间，然后p c a 在这个高维 关键词：复杂系统脆性；核独立分量分析；盲源分离；电力系统；风险 ， 、 复杂系统脆性理论及其在电力系统风险分析中的应用 a b s t r a c t i nt h ep a s tt w e n t yy e a r s ，t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yh a sr e a l i z e di t sa i m sa t i m p r o v i n gt h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c eo fg e n e r a t i n g ，t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o n o ft h e e l e c t r i c i t yb ym e a n so fd e r e g u l a t i o na n dc o m p e t i t i o n a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m yc o n s t r u c t i o na n dt h eg r a d u a lr e f o r mo fp o w e rm a r k e ti n c h i n a , i ti sv e r yi m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es a f e t ya n ds t a b l eo p e r a t i o no ft h e d e r e g u l a t e de l e c t r i cp o w e rs y s t e m u n d e rt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tk i n d so fr i s k ，d e r e g u l a t e de l e c t r i cp o w e r s y s t e ma n dp o w e rm a r k e tc a nb er e g a r d e da sa c o m p l e xs y s t e m ，w h i c hs h o u l dh a s t h eb r i t t l e n e s sb e s i d e st h eo t h e rc h a r a c t e r i s t i c so w n e db yc o m p l e xs y s t e mb a s e d o nc o m p l e xs y s t e mb r i t t l e t h e o r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e r e g u l a t e de l e c t r i c p o w e rs y s t e mi sc o n s i d e r e da st h eo b je c t ，a n dt h er e s e a r c h e sh a v e b e e nc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h er i s ko ft h ed e r e g u l a t e de l e c t r i cp o w e rs y s t e ma p p l y i n gc o m p l e x s y s t e mb r i t t l em e t h o d sa n dt h e o r i e s f i r s t l y , c o m p l e xs y s t e mi sc o n s i d e r e da so b j e c t ，w h i c hc o m p l e x i t ya n di t s m e a s u r e m e n th a v eb e e ns t u d i e d f u r t h e rr e s e a r c h e sa b o u tt h e d e f i n i t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e l so fb r i r l e n e s sh a v eb e e ne m # a s i z e dd e p e n d i n go n t h ei n t e g r a t i o no fl a t e s tr e s e a r c h e sa b o u ti to nt h eg r o u n dt h a ti ti so n eo fb a s i c c h a r a c t e r i s t i co fc o m p l e xs y s t e m s e c o n d l y , s t u d yo nt h er i s ka n db r i t t l e n e s so fd e r e g u l a t e de l e c t r i cp o w e r s y s t e ma n di t sp o w e rm a r k e t u n d e rt h ed e r e g u l a t e de n v i r o n m e n to fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，t h ei n d e p e n d e n tp o w e rp r o d u c e r , o p e r a t i o nu t i l i t yo fe l e c t r i ct r a n s m i s s i o n s y s t e ma n di n d e p e n d e n te l e c t r i cr e t a i lc a r lb ec o n s i d e r e da st h r e es u b s y s t e m si n o n eb r i t t l ee l e m e n t i na d d i t i o n ，t h e i rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c ho t h e rs h o u l db e n o nc o o p e r a t i v eg a m ea c c o r d i n gt ot h ec o m p l e xs y s t e mb r i t t l et h e o r y t h e ya l l n e e dt h ei n je c t i o no fn e g a t i v ee n t r o p yi no r d e rt ob ei ng o o do p e r a t i o ns t a t e h o w e v e r , f o re x a m p l e ，r i s kc a ni n d u c et h ee n t r o p yi n c r e a s eo fs y s t e m ，w h i l e i n f o r m a t i o ni so n ek i n do fn e g a t i v ee n t r o p y , w h i c hi n c o m p l e t ei n f o r m a t i o nw i l l 哈尔滨工程大学博十学位论文 r e s u l ti nt h ed e f i c i e n c yo ft h e m b e c a u s et h e yc a l lk e e pt h ei n c r e a s eo f e n t r o p y i n t h eb o u n d e dr a n g eb ym e a n so fi n f o r m a t i o ne x c h a n g ea m o n gt h e m ，t h e ya r ei n s t a b l es t a t e w h e no n es u b s y s t e mi nt h eb r i t t l ed e m e n ti sc o l l a p s e do w i n gt ot h e i n f e r e n c eo u t s i d ea n di t se n t r o p yi n c r e a s e ，t h eo t h e rt w os u b s y s t e m sw i l lf a c et h e s a m ec o l l a p s e dr e s u l tb e c a u s eo ft h ed e f i c i e n c yo fn e g a t i v ee n t r o p y a tt h es a m e t i m eb r i t t l e n e s so fi n f o r m a t i o ns y s t e mo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mh a sb e e ns t u d i e d t h i r d l y , o nt h eb a s i so f t h ek e r n e li n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i sa l g o r i t h m ， t h er e s e a r c hf o re s t i m a t i n gt h ei n f l u e n c e so fp o w e rm a r k e tb r o u g h tf r o mr i s kh a s b e e ns t u d i e d t h ee s t i m a t i o no nt h ei n f l u e n c e so fp o w e rm a r k e tb r o u g h t 劬m s i n g l er i s kh a sb e e nf i n i s h e db ym e a n so fo n l yp a r to fk n o w l e d g eo fs y s t e ma n d i n t e g r a t e di n f l u e n c e so fp o w e rm a r k e ti n d u c e db ys o m ek i n d so fr i s k s k e r n e lp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( k p c a ) ，i e w h i t e n e dk e r n e lp r i m a r y c o m p o n e n ta n di n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i sa l g o r i t h r n ，p r o v i d e so n ew a yt o u s el i n e a rp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i si nt h ee x p a n d e dn o n l i n e a rs u b s p a c eo ft h e o b s e r v e dd a t a t h a ti s ，k p c am a p st h eo r i g i n a ld a t as p a c et oa h i g hd i m e n s i o n s p a c ec a l l e df e a t u r es p a c et h r o u g ha k e r n e lf u n c t i o n ，w h i c hp c ai sc a r r i e do u ti n t h i sf e a t u r es p a c e t h ed i s t r i b u t i o no ft h e p r o j e c t e dd a t ac a nb em a d ea s n o n g a u s s i a na sp o s s i b l e f i n a l l y , r e s u l t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tk i c ac a nb eu s e df o r e s t i m a t i n gt h ei n d i v i d u a lr i s ki n f l u e n c ep r o f i l eo fp o w e rm a r k e tb yt h em e a n so f p a r to fd a t ao fs y s t e mw i t h o u tt h ek n o w l e d g eo f s t r u c t u r eo fs y s t e m k e yw o r d s ：b r i t t l e n e s so fc o m p l e xs y s t e m ；k e r n e li n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a l y s i s ；b l i n ds o u r c es e p a r a t i o n ；p o w e rs y s t e m ；r i s k t i r 。 f 广 复杂系统脆性理论及其在电力系统风险分析中的应用 目录 第1 章绪论1 1 1 研究的背景及意义1 1 2 国内外相关领域研究现状一3 1 2 1 复杂系统脆性研究的进展3 1 2 2 复杂系统脆性理论的应用及影响4 1 2 3 复杂系统脆性理论研究的内容和方法6 1 3 解除管制电力系统的风险”8 1 4 论文主要研究对象和内容1 1 1 4 1 研究的对象”1 1 1 4 2 研究的内容和方法1 l 第2 章复杂系统及其复杂性度量1 3 2 1 引言一l3 2 2 系统背景理论1 4 2 2 1 动态系统1 4 2 2 2 系统稳定性和流域引力1 5 2 2 3 其他动态系统概念17 2 3 复杂系统l8 2 3 1 复杂系统的概念1 9 2 3 2 复杂的和简单的系统1 9 2 3 3 复杂系统的例子1 9 2 4 复杂性2 2 2 5 确定复杂性水平2 4 2 6 本章小结2 7 第3 章系统脆弱性与风险评估2 8 3 1 脆弱性概念2 8 3 2 风险因素对于系统脆弱性的影响2 9 3 2 1 内部风险因素2 9 哈尔滨下程大学博士学位论文 3 2 2 外部风险因素3 3 2 3 安全和缓解功能3 3 3 脆弱性分析3 3 3 1 脆弱性分析与风险分析3 3 3 2 两步脆弱性分析方法3 6 3 4 本章小结3 9 第4 章复杂系统脆性理论深入探讨4 0 4 1 复杂系统脆性的含义4 0 4 2 复杂系统脆性的性质4 1 4 3 复杂系统脆性基元4 2 4 4 复杂系统脆性的模型4 3 4 5 复杂系统脆性研究方法4 5 4 5 1 申农熵4 5 4 5 2 负熵4 6 4 5 3 脆性联系熵4 6 4 5 4 非合作博弈4 7 4 5 5 电力系统脆性4 8 4 6 本章小结4 9 第5 章解除管制电力信息系统中的安全一5 1 5 1 引言5 l 5 2 工业的应对策略5 2 5 3 网络安全风险5 5 5 4 本章小结6 2 第6 章独立分量分析原理及应用6 4 6 1 引言6 4 6 2 独立分量分析算法目标6 4 6 2 1 盲源分离”6 4 6 2 2i c a 的定义6 5 6 3 信号的统计独立特性”6 6 6 4i c a 估计原则”6 7 复杂系统脆性理论及其在电力系统风险分析中的应用 6 4 1 非高斯是独立的一6 7 6 4 2 非高斯化的措施6 8 6 5i c a 的预处理7 1 6 6f a s t l c a 算法步骤7 1 6 7i c a 的应用7 3 6 8 本章小结7 4 第7 章基于核独立分量分析的脆性风险分析7 5 7 1 引言”7 5 7 2 核独立分量分析7 5 7 3 电力市场脆性风险综合作用模型7 7 7 4 电力市场风险仿真及结果分析7 8 7 5 本章小结8 1 结论8 2 参考文献8 3 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果9 1 致 射9 2 个人简历9 3 哈尔滨工程大学博十学位论文 ，i 第1 章绪论 1 1 研究的背景及意义 第1 章绪论 本课题的研究是基于复杂系统脆性理论进行的，在现有研究基础之上， 提出应用复杂系统脆性理论分析解除管制的电力系统的脆性。 重要的基础设施定义为与国民经济运行最低需要相关的那些自然和数码 系统。他们被看做发达国家和发展中国家的经济支柱，因为他们可以为社会 各个部分提供必须得服务。 由于科学技术的进步，一个国家最复杂的大规模网络系统，电力系统的 自动化程度在过去几十年内得到了迅猛发展。另一方面，科学技术的进步导 致了装备的故障，由于人为因素，气候和其他自然原因，黑客的攻击等，成 为电力系统新脆弱性产生原因。持续增长的系统规模，对于自动化设备的过 分依赖，轻微的局部故障就可能导致大规模的故障。尤其是当电力系统工作 在其稳定性和容量极限的时侯，这种多米诺骨牌效应的连锁故障现象最易发 生。 对于这个问题，一个最有说服力的原因，当然是经济性的需要。尽管在 系统建设之初，各种设备以及整个系统都考虑了一定的鲁棒性与冗余，但是 电力传输系统无法与快速增长的需求保持同步。 对于安全性、鲁棒性、可靠性以及大规模网络效率性的挑战，成为网络规 划和运营商的重要问题。他们必须提前确定和制定适当、有效的手段，以保 护如电网一样重要的民用基础设施。大规模停电是罕见的事件，但他们影响 可能是灾难性的。高度可靠的电力供应系统，对于国家安全、我们的经济的 良性发展和人民生活的质量是非常重要的。 在一个开放的，解除管制的电力市场环境下，为了保持系统的可靠性， 同时应付日益增长的负荷需求存在着迫切需要来兴建新的输电线路，或升级 现有的输电设施。但是，对环境的限制和大量的前期资金成本投资，限制了 这种显而易见的解决办法。具有一个较小的稳定裕度的电力系统运行已进入 一个更具竞争力的经济时代，接近或超出该系统的稳定裕度都可能导致大规 各业的生产资料，又是与人民生活息息相关的生活资料，所以电力供应安全 与社会稳定和人民生活密切相关，稍有闪失就会造成大的社会影响。有关电 力系统脆性问题的研究及其风险分析是必须也是必要的。 本文在对复杂系统脆性理论以及电力系统安全、风险和脆弱性的研究基 础之上，提出脆性是解除管制的电力系统的一个基本特性，并且研究电力系 统风险及脆性分析问题。 本文将对复杂系统的脆性理论及其应用进行深入研究，此项研究具有以 下几方面的意义： ( 1 ) 有利于加深对复杂系统脆性的认识；复杂系统脆性理论的提出，是认 识上的一次飞跃。对复杂系统脆性的认识是逐渐深入的，尤其是对其定义、 性质、模型的研究。为进一步深入研究复杂系统建立了坚实的基础。 2 第1 章绪论 ( 2 ) 为国民经济建设提供指导意见；本文应用复杂系统脆性理论于解除 管制的电力系统脆性分析中，所建立的理论和方法将为国民经济建设的决策 者提供了理论上的指导。 ( 3 ) 提高电力系统承受危机事件的能力；电力系统由于无法避免地要遭 遇到各种内外突发事件的干扰而引发危机。在解除管制的条件下，如何保证 其安全稳定和经济运行，防止灾难性事故的发生，是国家亟待解决的重大课 题之一。 ( 4 ) 为电力市场的建设和稳定运行提供理论指导。本文的研究有助于电 力市场的建设和运行过程中，可靠地规避风险。 1 2 国内外相关领域研究现状 1 2 1 复杂系统脆性研究的进展 钱学森院士等人发起研究的系统科学研究新领域，开创了我国对复杂系 统研究的工作。许多学者，对复杂系统进行了大量的研究工作2 1 。 复杂系统脆性研究的课题组，在金鸿章教授的领导下，经过近1 0 年努力， 在复杂性科学的基础之上，以复杂系统作为研究对象，取得了复杂系统脆性 研究的一定成果。 提出脆性是复杂系统的一个基本特性【l3 1 ，而且指出脆性作为复杂系统的 一个基本特性是客观存在的。在提出脆性的定义、特点和模型的基础之上， 建立了复杂系统脆性的理论体系。并将此理论用于分析和处理意外事件给复 杂系统带来的影响和危机，对电力网络，对通信系统的脆性分析【1 4 弓。 简言之，目前对于系统脆性理论已进行了如下几个方面的研究： ( 1 ) 给出了脆性的定义、并且尝试在数学进行定义，分析脆性的特点， 给出了研究脆性问题最小单元，即脆性基元的形式和结构； ( 2 ) 应用集对分析理论和熵理论，建立了脆性联系熵的概念，提出复杂 系统内，各个子系统间的非合作博弈是在系统发生事故后，造成系统进一步 熵增，最终促使系统崩溃的原因； ( 3 ) 根据突变理论，提出了脆性势函数的概念，并求出系统崩溃时临界 哈尔滨t 程大学博士学位论文 点的集合； ( 4 ) 建立了系统脆性的形象化模型，并基于概率风险的方法定义了脆性 风险函数，对系统脆性的概率风险进行了定量的分析； ( 5 ) 基于一维元胞自动机理论建立了脆性模型，以熵作为中间量，对脆 性发生的连锁故障进行了模拟，并以恶性传染病为例，对系统脆性发生过程 进行了仿真。 虽然国内外没有明确提出对脆性提出研究，但是近几年在国内外的研究 中针对不同研究领域所开展一些研究也是与复杂系统的脆性有一定关系，这 些研究涉及到国防、环护、工农业生产、计算机网络与电信、自动控制系统、 国家财政税收与金融、航空航天飞行器的制造、计算机软件硬件工程、电力 网络、道路交通系统等领域【3 2 4 3 1 。 1 2 2 复杂系统脆性理论的应用及影响 目前对于复杂系统脆性的一些研究成果已经引起了一些学者的关注，主 要体现在以下几方面。 1 供应链系统的脆性模型脚】 对供应链系统进行脆性研究，根据复杂系统脆性结构建立三级供应链系 统的脆性模型，利用脆性熵建立三级供应链系统内部的脆性关联模型，并以 此导出系统的脆性关联系数矩阵及整体脆性度，最后建立基于脆性因子的三 级供应链系统的脆性风险模型，并且给出了实例，对供应链系统的脆性进行 数值演示。 2 黄 - - i o e 下游灾害系统的脆性研列4 3 , 4 6 1 一方面是黄河中下游灾害系统的脆性源控制m 】。将复杂系统的脆性理论 引用到黄河灾害的研究。量化了复杂系统脆性的定义和特性，并基于复杂系 统的脆性特征，运用系统动力学原理对黄河中下游的自然灾害进行系统的分 析，建立了自然灾害系统的链锁式反应机制模型。在此基础上，结合黄河中下 游的现状，提出了工程和非工程的灾害预防控制措施。 另一方面是基于f a h p 的黄河中下游灾害系统脆性评价【4 5 1 。首次将复杂 系统的脆性引用到黄河灾害的研究中，并根据复杂系统的层次结构，采用模 4 第1 章绪论 糊层次分析法( f a h p ) 对黄河中下游灾害系统进行了分析。由模糊层次分析法 求得了灾害子系统的相对重要度排序向量，找出了极易使黄河中下游系统崩 溃的脆性因素。结合黄河中下游的现状，通过对系统必要的脆性分析，为决 策者提供重要的参考依据。 3 基于f a h p 的电力变压器的脆性分析【4 7 】 由于复杂系统具有层次结构，采用模糊层次分析法( f a h p ) 对复杂系统进 行了脆性分析。由模糊层次分析法得到了子系统( 或元件) 的相对重要度排序 向量，通过定义脆性激发度及激发阈值，对复杂系统的脆性是否被激发进行了 理论的分析。通过分析，可以找出复杂系统中的脆性元件或因素，对其进行重点 监测，使得最大程度的避免了脆性的发生。最后以变压器故障的模糊层次分析 为例，分析了变压器故障的因素的相对重要度，找出了易使变压器崩溃的脆性 因素，说明进行复杂系统的脆性分析是必要的。 4 基于f a h p 的舰船电力系统脆性分析【4 8 】 将复杂系统脆性引用到舰船电力系统研究中，由于舰船电力系统是复杂 系统，具有层次结构，因此采用模糊层次分析法( f a h p ) 对其进行脆性分析。由 模糊层次分析法求得舰船电力系统各子系统的相对重要度排序向量，找出极 易使舰船电力系统崩溃的脆性因素，为决策者提供重要的参考依据。 5 基于脆性熵理论的船舶电力系统脆性评价【4 9 射】 将脆性理论引用到船舶电力系统研究中，通过对船舶电力系统脆性概率 熵、脆性综合概率熵、脆性风险熵、脆性综合风险熵定义和研究来分析船舶 电力系统的脆性。通过仿真表明以上定义能很好地评价船舶电力系统的脆性。 6 矿井通风安全系统的脆性关联分析【5 2 】 将脆性联系理论应用到矿井通风安全系统中，并建立该系统的脆性关联 层次结构模型，利用a h p 发来定量分析系统的脆性关联关系，找到影响安全 的脆性所在。 7 基于f a h p 的溜井平硐运输系统的脆性分析【5 3 j 利用模糊层次分析法对露天矿山溜井平硐运输系统这一复杂系统进行了 脆性分析，找出了该矿山溜井平硐运输系统的脆性因素，分析结果与实际情 况一致。 8 金融体系脆弱性的研究 5 4 , 5 5 1 5 哈尔滨工程大学博十学位论文 基于复杂系统脆性理论的金融体系脆弱性结构模型的建立【4 2 】。根据复杂 系统脆性理论，可看出金融体系脆弱性风险是由系统内部组织结构和外部脆 弱性环境两部分构成，经深入探究，可建立一种包含外部环境输入和系统内 部组成的金融体系脆弱性结构模型。 金融系统脆弱性理论研究【5 5 1 。首先，对金融系统的脆弱性形成机理作了 结构性描述，分析了金融系统脆弱性的基本特性；其次，在其形成机理和基 本特性的基础上，建立了基于脆性熵的金融脆弱性测度函数；再次，利用金融 系统脆性熵函数的基本性质，对金融系统的脆弱性演化问题进行了系统分析； 最后，对中国的金融改革提出了建议。 9 基于蚁群算法的供应链系统脆性研究1 5 6 j 供应链系统是典型的复杂系统，脆性亦为供应链的特征属性，应用蚁群 算法同时考虑到供应链脆性因子的重要性和脆性事件的发生概率，可以有效 的选择导致供应链脆性事件发生的脆性因子。 1 0 农业风险管理方法及其应用研究p 7 j 将复杂系统理论应用到农业风险管理中。分析了农业系统及其风险的复 杂性特征，提出了农业系统的脆性是农业系统风险的表现的观点，并从农业 系统的吸引了原理、从分岔到混沌、农业系统的分形原理和农业系统的突变 性等方面对农业系统的混沌风险管理进行了探讨。 1 1 基于复杂系统脆性的危机检测【5 8 】 从复杂系统脆性理论与界壳论出发，集合可拓学、集对分析等知识来探 讨系统危机检测的新方法。 除此之外，还进行了一般系统的脆性研究【5 9 1 、子系统脆性故障的研究删 等方面的研究。并且利用经营难度系数的我国机场企业领导人员薪酬设计 6 l 】 间接的利用了复杂系统的脆性理论。 1 2 3 复杂系统脆性理论研究的内容和方法 对于复杂系统脆性的研究的对象是复杂系统： ( 1 ) 复杂系统脆性的定义和特点的研究 一个复杂系统新特性的提出，首先证明它的存在并且给出它的定义。在 6 第1 章绪论 给出脆性定义的基础之上，研究复杂系统脆性的基本特点。研究复杂系统脆 性理论与其它系统科学理论的关系，利用相关的系统科学理论来建立复杂系 统脆性的理论体系。 ( 2 ) 研究复杂系统中各部分、各个子系统之间的脆性联系 定性分析复杂系统中各部分、各个子系统之间的脆性联系，建立了子系 统间的脆性联系函数，研究子系统之间的脆性联系率，定性地分析子系统之 间的脆性联系。将时间序列理论和方法引入到复杂系统的脆性的研究中。定 义了子系统的脆性相关序列的概念。研究脆性相关序列的复杂度和功率谱密 度，通过掌握脆性序列相关值的变化规律，分析子系统之间的脆性联系。 ( 3 ) 复杂系统脆性源的研究 脆性源是指引起整个系统崩溃的那一部分元件，例如“挑战者号”中的o 环，“库尔斯克号”上的鱼雷就都是系统崩溃的脆性源。如何找到最容易成为 脆性源的器件，是复杂系统脆性研究的前提，只有找到这样的脆性源，才能 够有的放矢，有效的避免事故发生。 ( 4 ) 复杂系统脆性行为的研究 复杂系统的脆性行为就是脆性源发生崩溃后，崩溃行为对其他子系统的 作用过程。对脆性行为的研究是脆性研究的重要部分，是复杂系统各子系统 的脆性关系在系统崩溃过程中的表现形式。复杂系统脆性行为具有隐蔽性， 一般情况下不表现出来。 ( 5 ) 研究复杂系统脆性的基本模型 根据对复杂系统建模的特点，基于复杂系统脆性的定义与基本特点，研 究其模型。研究以形象化的图形模型来说明复杂系统脆性被激发，进而导致 整个复杂系统崩溃的过程。 ( 6 ) 研究复杂系统脆性的评价方法 评价系统脆性的程度，为系统的预报与决策提供有效的依据。应用突变 理论和突变级数法，研究复杂系统进行脆性评价的方法，以尖点突变级数法 和燕尾突变级数法作为复杂系统脆性评价方法，并且根据隶属关系，给出了脆 性评价指标。 ( 7 ) 复杂系统脆性的预报与控制 无论我们对复杂系统脆性源的研究、脆性行为的研究还是对脆性评价体 7 哈尔滨1 二稗大学博士学位论文 系的研究，其目的都是实现对复杂系统脆性的有效预报和控制。由于对复杂 系统的非线性、复杂性和涌现性等特点，以现有的对复杂系统的认知程度， 对复杂系统行为的预报与控制相当困难的，但是随着复杂性研究以及其它学 科的不断发展和进步，对复杂系统脆性的预报与控制是可以实现的。 ( 8 ) 复杂系统脆性理论的应用研究 一个新概念、新理论的提出需要在实践中进行应用。通过应用研究不断 丰富和发展复杂系统脆性理论，将复杂系统脆性理论应用于复杂系统尤其是 国防武备系统的分析中，是脆性研究的初衷，也是它的重要研究方向。 复杂系统的脆性研究是复杂性研究的一个组成部分，复杂性科学的研究 方法为脆性研究提供了丰富的手段与方法。 1 3 解除管制电力系统的风险 近年来，人们对风险评估中，在解除管制的电力系统中的应用，产生了 极大的兴趣。其中大多数研究重点针对系统元件的工作范围展开的，如变压 器或输电线路的热限制。例如，爱荷华州立大学进行的研究，在强调电力系 统设施的条件下遭受可能的意外事故时，分析预计经营成本。m c c a l l e y 等提 出了作为一种复合风险运行条件 6 2 1 。这种复合风险考虑到变压器的风险承载 能力【6 3 1 ，输电线路，电压崩溃，电压过载限制，和短暂的不稳定。时变负荷 的概率性质也可用于识别与运行限制有关的变压器、传输线等元件风险中。 戴博士和m c c a l l e y 第一次提出通过对适当的平衡系统的模型复杂性和准 确性计算的研究方法【叫，来鉴别供电系统在研究期间的轨迹。然后基于预测 的轨迹，重点放在制定一个可以计算一年累积风险的框架。充分性和安全性 两者都被认为是获得组合风险指数。但是，他们的研究是只限于热过负载的 风险评估和潮流不可行性风险评估。并没有强调由于多个组件同时中断而带 来的风险。 其他类似的研究报告，例如：康奈尔大学的t h o r p 研究组应用重要性抽样 技术仿真导致系统级联停电事件【6 孓6 6 】。重要性抽样的主要缺点是它必须对每 个事件的序列进行多次模拟，以估计其发生概率。之后，该小组又提出以一个 随机搜索算法的为基础，对电力系统的停电途径进行启发式、更快的搜索【6 7 】。 8 第1 章绪论 但是，计算的消耗仍然非常高。 我们知道，可靠性是指元件或系统在给定的准则的条件下，在任何特定 时刻，或在给定的时间内，能够令人满意工作的概率。据北美电力可靠性标 准【68 6 9 】，所有控制领域内，不稳定，不加控制的分离，或级联停电不会发生 最严重的意外事件或由区域政策规定的多个合理的停电导致。公用工程系统 必须在一定的安全区域内运行。在系统中，尽管发生任何一个重要组成部分 损失的情况，系统仍然可以持续达到或超过一定的最低服务水平运营【6 9 1 。 通过开展所谓的n 一1 的意外事故分析，考虑到各种具有代表负载需求、电 厂配置和网络结构组合的的要求【7 0 7 1 1 。有时，有限n 一2 安全性分析用于一些 严格的个案，但它并非是通过一个穷尽搜寻，而是通过对超过传输网络的一 小部分容量的系统储备，进行局部评估。一个传统的安全分析的优点是计算 运行边界相当简单，已被广泛接受。但是，应用这种确定性的方式来执行大 规模输电系统安全评估，虽然被广泛使用，却过于主观。 传统执行安全分析的方法本质上是静态的，当用于像电力系统动态过程 时，具有潜在的弱点。在今天的解除管制电力系统的环境下，传统安全分析 方法的缺点似乎超过了它的优点。因此，基于风险的安全评估的研究已经延 伸到电力系统运行与规划当中。这种评估的方法为电力系统工程师们理解系 统发生故障可能性，以及在特定的干扰下的结果，提供了深入的视角。例如， 对于三相故障，更加特殊的，基于风险的评估可以为电力系统运行提供定量 输入。 一般来说，风险在i e e e 标准词典中定义为相关事件结果的概率积。那 么，一个没有严重结果的可能事件不会认为是有风险的。而一个有严重结果 的可能事件就会被认为是有风险的。基于概率风险的安全性评估方法已经在 航空、核电工业等许多领域应用了几十年。针对感兴趣的领域的不同，