在基础设施战争中测量电力功能的连续性：一个具有外部验证的、考虑不确定性的EFCI框架

《International Journal of Critical Infrastructure Protection》：Measuring Electricity Function Continuity in Infrastructure Warfare: An Uncertainty-Aware EFCI Framework with External Hold-Out Validation

　　摘要
暴露于基础设施战的电力系统可能在遭受重大物理破坏的同时，仍能保留大量物理资产，但会失去维持基本社会功能的能力。本研究开发了一个考虑不确定性的电力功能 continuity 指数（EFCI），以评估冲突相关中断情况下电力功能的保留情况。该框架结合了两轮结构化专家咨询、基于证据的从源到分的编码、基于 Dirichlet 的顺序权重更新、Monte Carlo 不确定性传播、风险调整、基于方差的全球敏感性分析、鲁棒性测试以及直接的 SHAP 归因方法。伊朗、乌克兰和加沙被选为最大变异性主要案例。在确定权重结构、编码规则、风险规范和解释性阈值后，该模型未经重新校准即可应用于三个外部对照案例：俄罗斯、黎巴嫩和科威特。通过 100,000 次 Monte Carlo 仿真分析，伊朗的平均 EFCI 得分为 57.62，乌克兰为 39.28，加沙为 5.46。对照案例的平均得分分别为俄罗斯 75.33、科威特 64.80 和黎巴嫩 31.27，这六个案例的排序为俄罗斯 > 科威特 > 伊朗 > 乌克兰 > 黎巴嫩 > 加沙，其概率为 98.745%。敏感性和归因分析表明，关键负荷供应、恢复能力、燃料可用性、备用容量和网络状况是影响不确定性和得分差异的主要因素；鲁棒性测试显示，与基于分类的排序相比，这种比较排序在预设阈值附近更加稳定。结果表明，战时电力连续性不仅取决于物理损坏或发电能力，还取决于保留的运营能力、恢复能力、关键负荷支持、物流、相互依赖关系以及持续存在的风险之间的相互作用。因此，EFCI 被视为一种相对快速、考虑不确定性的比较筛选和战略决策支持框架，适用于数据受限的冲突环境。外部对照测试验证了其适用性和已知组的一致性，但并未构成基于人群水平的统计验证，也不能替代详细的可靠性分析和实时运营分析。

引言
电力是现代社会的基础基础设施，因为医疗保健、水和污水处理服务、通信、应急响应、交通、公共行政和经济活动的连续性直接或间接依赖于可靠的电力供应。在武装冲突期间，电力基础设施的中断可能会波及电力部门以外的许多领域。对发电、输电和配电资产的物理攻击可能同时发生燃料短缺、网络和控制系统中断、维修人员和备件限制、交通路线不安全以及相互关联的服务故障。在这种情况下，电力系统中断的后果不仅取决于物理损坏的程度，还取决于仍可用的基本电力功能以及系统维持、恢复和优先处理关键服务的能力。本研究中的基础设施战指的是电力基础设施及其运行系统受到直接或间接敌对破坏的情况，包括物理损坏、网络物理干扰、物流限制、资源短缺以及相互依赖的关键服务中断。这一定义并不意味着每个案例都必须经历全面的电力系统崩溃，而是涵盖了从局部或有限的中断（保留了大量功能）到长期退化和几乎完全失去电力服务的情况。这种区分很重要，因为处于冲突中的电力系统在领土规模、系统配置、损坏严重程度、恢复能力和运营约束方面可能存在显著差异，但它们都面临着在持续敌对压力下维持基本电力功能的共同分析问题。现有的电力系统评估方法提供了重要但不同的信息形式：传统的可靠性分析主要关注中断频率、持续时间、供应充足性和相关工程性能；电力系统韧性评估强调抵御、吸收、适应和从破坏性事件中恢复的能力；能源安全框架关注能源供应的充足性、可用性、可访问性和依赖性；物理损坏评估量化资产损失和重建需求。这些方法对于各自的目的都是不可或缺的，但没有一种方法能够在同时考虑物理损坏、恢复、关键负荷供应、燃料获取、备用资源、基础设施相互依赖性和持续战时风险的情况下，提供低数据负担的评估指标。在冲突条件下，这种区分尤为重要，因为即使存在部分功能连续性，也可能会与严重的物理损坏共存，而如果燃料、输电、物流或关键负荷支持受到严重限制，也可能导致脆弱的连续性。因此，本研究关注电力功能连续性，即电力系统在严重冲突相关中断下维持和恢复基本电力服务的能力。这一概念比一般的基础设施韧性更为具体，旨在补充已建立的可靠性、韧性、能源安全或损坏评估方法，而不是替代它们。它探讨了一个补充性问题：鉴于系统的运营状况和持续影响它的风险，还有多少基本电力功能是可用的？第 2 节将更详细地阐述这一区别，并对 EFCI 与其他电力系统评估方法进行结构化比较。

第二个挑战在于冲突期间可用证据的质量。受冲突影响的系统之间很少有可比较的网络级测量数据，运营信息可能包括政府统计数据、系统运营商报告、国际评估、技术研究、人道主义报告以及定性或代理证据。将这些异质性信息视为支持单一确定性估计可能会夸大其精确度。因此，一个有用的比较框架应使从源到分的流程可审计，区分强弱证据，在输入和权重中传播不确定性，并测试其在不同假设下的主要比较结论是否稳定。为了解决这些问题，本研究开发了电力功能 continuity 指数（EFCI），作为一个考虑不确定性的冲突暴露电力系统的比较评估框架。该框架区分了四个组成部分：关键电力功能、连续性评估维度、运营变量和风险调整因素。关键功能和连续性维度定义了电力连续性的概念含义，而运营变量和风险因素构成了数值 EFCI 计算中使用的可测量或代理编码输入。因此，这些概念层面不会单独汇总到最终指数中，从而减少了理论构建与其运营表示之间的重复计算风险。

方法ologically，该框架结合了两轮结构化专家咨询、可审计的基于证据的从源到分编码、基于 Dirichlet 的顺序/伪计数权重更新、Monte Carlo 不确定性传播、乘法式战时风险调整、基于方差的全球敏感性分析、鲁棒性测试以及直接的 SHAP 归因。专家判断提供了初始的权重结构。然后，主要应用案例之间的差异仅作为对 Dirichlet 集中结构的有限伪计数贡献引入。这一程序不被视作传统的基于似然的贝叶斯推断，主要案例也不假设为来自定义统计群体的随机样本。其目的是在保持专家推导的权重结构主导的同时引入适度的经验差异信号。全球敏感性分析用于识别对 EFCI 估计方差贡献最大的不确定输入，而 SHAP 直接应用于确定性 EFCI 映射，以将计算得出的分数分配给各个运营和风险条件。SHAP 分析没有使用替代预测模型， sensitivity 分析和 SHAP 也不被视为因果关系的证据或独立验证。经验设计将模型开发主要应用与外部评估分开。伊朗、乌克兰和加沙是通过最大变异性分析策略选出的，而不是通过统计抽样，因为它们代表了不同的电力功能保留、基础设施中断、恢复能力、资源约束和战时风险组合。它们的目的是检查该框架是否能够区分不同的功能状况，而不是估计所有受冲突影响电力系统的平均效果。在确定更新后的 Dirichlet 权重分布、从源到分的规则、风险调整规范和解释性阈值后，相同的框架未经重新校准应用于俄罗斯、黎巴嫩和科威特这三个外部对照案例。这些案例的证据没有进入顺序权重更新过程或修改模型参数。因此，这项对照测试验证了该框架在额外冲突暴露系统条件下的适用性和已知组的一致性，尽管案例数量较少，但不构成基于人群水平的统计验证或普遍适用性的证明。

研究有三个主要贡献：首先，它将电力功能连续性定义为一种分析上不同于物理损坏、发电可用性、传统可靠性和广泛韧性评估的概念；其次，它在一个为严重数据限制设计的单一比较框架中整合了结构化专家判断、透明的证据编码、不确定性传播、有限的基于 Dirichlet 的权重更新、战时风险调整、全球敏感性分析、鲁棒性测试和直接模型归因；第三，它将主要应用案例与仅在模型规范固定后进行评估的额外对照案例分开，从而提供了比仅限于三个原始案例的评估更强的外部适用性评估。EFCI 主要作为比较筛选和战略决策支持工具使用。其连续得分、不确定性区间、比较排序和敏感性结果被认为比单纯的分类标签更具信息量。该框架不旨在替代详细的电力系统可靠性、稳定性、保护和实时运营分析，其解释性阈值不应被视为经验证的工程故障限制。相反，EFCI 提供了一种结合异质证据的方法，以检查冲突情况下剩余的电力功能、评估的不确定性以及哪些运营或风险条件对其影响最大。论文的其余部分安排如下：第 2 节回顾相关文献，建立电力功能连续性的概念基础，并将 EFCI 与其他评估方法进行比较；第 3 节介绍方法论，包括案例选择、专家咨询、证据编码、基于 Dirichlet 的顺序权重更新、不确定性传播、风险调整、全球敏感性分析、鲁棒性和重叠测试、直接 SHAP 归因以及外部对照设计；第 4 节报告主要案例的结果以及俄罗斯、黎巴嫩和科威特的模型评估；第 5 节讨论 EFCI 的附加功能价值、不确定性和鲁棒性、冲突特定的相互依赖性和可转移性、外部适用性边界以及战略决策支持意义。

文献回顾和 EFCI 框架的概念基础
在冲突基础设施情景下，电力连续性不能仅基于发电能力、物理破坏和停电时间来判断。冲突可能影响发电、输电、获取燃料、通信、服务恢复、控制系统和基础设施连接的能力。因此，即使存在广泛的物理破坏，也可能在某种程度上保持连续性，因为服务恢复、冗余性等。

方法论
该方法论工作流程旨在将第 2 节中发展出的电力功能连续性的概念定义转化为可审计和考虑不确定性的比较评估。该流程包括五个相互关联的阶段：(i) 结构化专家咨询以确定初始权重结构；(ii) 收集和从源到分的案例证据编码；(iii) 有限的基于 Dirichlet 的顺序更新运营变量和风险因素权重。

结果
本节分两个阶段展示了 EFCI 框架的实证结果。首先，报告了三个主要应用案例——伊朗、乌克兰和加沙的实证结果，包括专家推导和更新的权重结构、特定案例的运营和风险输入、考虑不确定性的 EFCI 估计、分类概率、全局敏感性结果、鲁棒性检验和基于 SHAP 的归因。其次，使用…（此处原文内容不完整）

讨论
结果扩展了之前关于电力系统损坏和保留电力功能之间的概念区别。在六个案例中，EFCI 区分了面临不同运营退化、恢复能力、关键服务支持和持续战时风险组合的系统。核心含义并不是传统的关于物理损坏、发电可用性、停电或可靠性的证据没有信息价值，而是这些因素…