天然气供应系统基于防御与恢复的韧性评估框架

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：A defense and recovery-based resilience assessment framework for natural gas supply system

　　

• 提出了一种兼顾防御能力与恢复能力的天然气供应系统韧性评估新框架。• 提出了一种增强型的生态网络模型——风险与冗余生态网络模型（ENM-RR），用于量化系统在复合扰动下的防御能力。• 通过将关键减缓理论（CSD）与最大损失量及恢复时间指标相结合来评估恢复性能。• 该方法为提升基础设施鲁棒性和供应安全提供了系统化的决策支持工具。引言天然气凭借其高能效和低碳排放特性，在全球碳减排背景下已成为一种关键的过渡能源载体。近年来，天然气的使用量持续稳步增长。然而，气候变化、地缘政治冲突、恐怖主义和能源转型等多种因素正日益交织在一起，形成了一个复杂多变的动态风险环境。在多重风险的叠加影响下，天然气供应链的脆弱性不断加剧，对天然气供应系统的韧性构成了严重威胁。例如，2021年得克萨斯州的冬季风暴中断了天然气供应，导致450万人失去电力，还引发了化工厂的连锁停产，最终造成了高达1950亿美元的经济损失。2022年，北溪管道遭到破坏，使欧洲每年潜在损失1100亿立方米的天然气供应能力。同年爆发的俄乌战争导致俄罗斯对欧天然气供应急剧下降，部分地区陷入严重能源危机，并引发经济衰退。当年冬季的极端低温天气进一步加剧了局势，严重影响了居民生活。2023年，在巴以冲突升级期间，以色列塔马尔气田暂停生产，导致以色列液化天然气出口大幅减少。为缓解这些不利影响并增强系统韧性，亟需建立一套全面且准确的天然气供应系统韧性评估框架。该框架可使决策者和行业领导者定量评估供应安全并制定优化的供应策略。与煤炭和石油等一次能源相比，天然气供应系统具有独特的网络结构特征。其供应链高度依赖管道和液化天然气接收站等基础设施，还由多个相互关联的供应单元组成，且这些单元与外部环境之间存在着复杂的相互作用。与煤炭和石油相比，天然气系统面临的潜在风险来源更加多样化，潜在中断的严重程度也更高。特别是在全球能源格局深刻变革和气候变化加剧的背景下，天然气供应系统面临的环境不确定性大幅增加。然而，当前关于天然气供应系统韧性的研究主要关注恢复阶段，很少考虑防御能力的量化评估。这一忽视有两个方面的原因。理论上，防御能力决定了初始损失的大小，即使恢复速度再快，也无法弥补因防御能力薄弱而导致的不可逆损失。防御能力依赖于结构特征，而恢复能力则依赖于应对策略，二者不可相互替代。实践中，防御能力和恢复能力需要不同的投入。提升防御能力需要长期的结构性措施，而提升恢复能力则侧重于快速运营。忽视防御能力将误导资源分配，导致长期的次优规划。弥合这一差距可使决策者区分韧性不足是源于防御能力薄弱还是恢复效率低下，从而设计有针对性的策略。因此，本文提出了一种兼顾防御能力和恢复能力的天然气供应系统韧性评估框架。韧性这一概念起源于工程力学领域，用于描述材料在外力作用下发生形变并恢复原状的能力。简单来说，韧性就是系统在逆境中反弹的能力。如今，韧性理论得到了发展，并在生态[1,2,3]、心理[4,5]、工程[6,7]、交通[8,9]和能源系统等多个领域得到了广泛应用。韧性思维在能源领域的应用主要集中在电力电网和供应链等方面[10,11,12,13]。现有文献中，对韧性内涵的理解尚不统一，相应的评估方法也各不相同[14,15,16]。Arghandeh等人（2016）提出了一个电力系统韧性评估框架，该框架从压力与释放（PAR）模型角度出发，考虑了拓扑结构、物理特性、运行约束和动态行为等因素[17]。Espinoza等人（2016）将冲击后的恢复过程视为一个多阶段过程，构建了包含威胁特征、系统脆弱性、系统响应和恢复等多个维度的韧性评估方法[18]。Kwasinski（2016）将"适应能力"的概念纳入了韧性范畴，并指出系统可以从应急事件中汲取经验并采取措施来提升韧性水平[19]。这些研究主要考虑了两个关键因素：突发极端事件冲击下系统受损程度以及功能恢复所需时间[20]。现有的测量方法主要分为两类。第一类方法通过将韧性曲线随时间变化的不同属性（包括高度、宽度、面积或其组合）整合起来，来综合考虑上述两个关键因素，如表1所示。不同研究对象和场景下的韧性函数存在显著差异[21,22,23]。第二类方法通过测量冲击前后系统性能的变化来评估系统的响应能力，并提出了系统性能指标来描述韧性。然而，很少有研究从抵御外部扰动的能力角度来评估系统韧性。此外，对恢复能力的评估往往忽视了恢复速率。针对这一问题，本文将防御能力纳入韧性评估框架中。在防御能力的现有研究中，学者们开发了各种指标。例如，Cabalu（2009）基于天然气密度、净进口依赖度、国内产量与消费量的比率以及地缘政治因素等，构建了天然气供应系统的防御能力指数[24]。Biresselioglu等人（2014）评估了2001至2013年间全球23个天然气进口国的供应安全，采用了天然气进口国数量、对各国进口国的依赖程度以及供应国的脆弱性等指标[25]。Pavlovi?等人（2017）利用6个风险指标构建了综合指数，用于衡量克罗地亚天然气供应系统抵御外部扰动的能力[26]。Kong等人（2018）建立了一个考虑资源、政治和运输等因素的评估框架[27]。然而，各国天然气供应系统由各个部分组成，系统内部动态与外部环境密切相关。因此，一些学者采用了面向系统的分析建模方法，例如生态网络分析（ENA）方法。该方法能更好地反映系统内部以及系统与外部环境之间的相互作用[28,29,30]，并考虑了生态系统内部多种信息（HR）和平均互信息（AMI）两个因素[31]。近期研究通过纳入系统流量和出口国政治局势等额外因素，旨在增强防御能力的评估[32,33]。该方法可以对天然气供应系统的各个部分及整个系统的抗干扰能力进行分析和评估。例如，Shaikh等人（2016a, 2016b）运用ENA方法分析了2014年中国天然气供应系统的安全状况以及不同组成部分（如国内产量和主要进口国）的贡献[33,34]。Wang等人（2023）采用ENA方法，综合考虑网络结构和功能，发现中国化石能源供应系统的安全主要体现在天然气供应等外部依赖的关键环节[35]。然而，在现有的生态网络文献中，关注分室风险抵御能力的研究相对较少。因此，本文将网络分室对各种风险因素的防御能力纳入了生态网络分析的指标体系。此外，本文利用CSD方法将恢复速率纳入天然气供应系统恢复能力的评估中。CSD理论是一个源自物理学领域的概念，在生态学和物理学中得到了广泛应用，主要用于描述色散和波动现象。在复杂系统中，新相的形成在两种状态之间的转变点更有利，而旧相的恢复则相对不利[36,37]。换言之，当复杂系统接近临界转折点时，其从扰动中恢复的速率会减慢，表现出显著的波动性和记忆效应。通常，关键减缓表现为方差和滞后一阶自相关系数的上升[38]。关键减缓理论为理解和预测各种系统的韧性提供了强有力的工具。因此，CSD理论已应用于海洋环流系统和区域植被韧性变化的研究[39,40]。在特定时间范围内，其他因素也可能导致滞后一阶自相关系数（AC1）或方差的变化。因此，必须同时考虑这两个指标。当数据适用于CSD方法且被认为可靠时，这两个指标应大致提供恢复速率的等效估计。具体而言，λAC1/λVar的比值应接近一个特定值。现有文献中已发展出丰富的韧性评估方法。然而，这些方法的有效性在很大程度上取决于所研究特定系统的运行逻辑、结构特征和风险特征。将现有韧性框架应用于天然气供应系统时，必须同时审视其适用性和局限性。首先，现有方法确实提供了用于量化天然气供应系统韧性的宝贵工具和指标。例如，从供需流量中导出的韧性曲线可以衡量系统性能，还能反映在扰动事件下系统的最大损失和恢复时间。生态网络分析提供了另一视角，从网络角度解释了贸易流量结构如何从根本上支撑总体供应安全。然而，当这些方法应用于天然气供应系统时，出现了明显的局限性。一个局限在于对网络动态的表征不足。天然气供应系统不是一个静态的贸易拓扑结构，而是一个具有物理缓冲和时间延迟的动态网络。例如，储气设施的补偿能力会随时间衰减，并受到物理上限的约束。供需失衡的信息传播也存在延迟。第二个局限在于多重危害与网络结构之间的耦合不足。现有研究通常采用加权方案将多重风险压缩为综合指数，但很少有研究探讨这些多重危害与天然气供应网络之间如何相互作用。本文提出了一种纳入防御能力的天然气供应系统韧性评估框架，特别关注风险因素、应急响应和恢复适应性。本文主要在以下三个方面对文献做出贡献：（1）构建了一个全面的韧性评估框架：所提出的框架同时考虑了系统的防御能力和恢复能力，能够更加系统地捕捉静态和动态风险特征。（2）提出了一种基于改进型生态网络模型的防御能力评估模型——风险与冗余生态网络模型（ENM-RR）：该模型能够刻画多重风险特征以及系统与外部环境之间的相互作用。（3）将恢复速度纳入恢复能力评估：本文引入关键减缓（CSD）方法评估天然气供应系统的恢复效率，并将其与最大损失值和恢复时间相结合，以全面刻画系统的恢复性能。本文的结构安排如下：第2节提出了天然气供应系统的评估框架。

第三部分以中国天然气供应系统为案例研究，展示所提出的评估框架的应用。最后，第四部分总结了研究工作。
章节片段
提出的框架
传统能源安全韧性评估方法通常侧重于中断后的恢复。然而，当代风险格局的演变特性——表现为气候变化、地缘政治紧张局势和基础设施脆弱性的相互作用——要求从更动态、更全面的角度审视系统韧性。在此背景下，文献中通常将韧性概念化为系统预见、抵御、适应并快速...的能力。
数据集
本研究采用 2010 年至 2024 年的数据。中国天然气产量、消费量和进口量数据取自《BP 世界能源统计年鉴》和中国国家统计局。BP 数据集为年度数据，而国家统计局提供月度数据。防御能力评估依赖于 BP 年度数据。恢复能力分析，包括 DSR 曲线的构建、恢复时间和最大损失，基于月度...
理论意义
本研究提出了一种针对天然气供应系统的韧性评估框架，该框架同时考虑了系统的防御能力和恢复能力。在方法论上，本研究开发了一种改进的生态网络模型——风险与冗余生态网络模型。此外，创新性地应用了临界减慢（CSD）方法来量化能源系统内的恢复率，从而全面表征系统恢复...
CRediT 作者贡献声明
Wenya Wang：写作 – 原稿，方法论，经费获取，正式分析，数据整理，概念构思。Zhiqiang Niu：写作 – 原稿，软件，资源，方法论，调查研究。Mengqiao Xu：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，概念构思。Yang Bai：写作 – 审阅与编辑，监督，资源。Wenya Wang|Zhiqiang Niu|Mengqiao Xu|Yang Bai