城市自古以来就是众多人口的聚居地,作为地区乃至国家的政治、经济、文化中心,其在国家经济与社会发展中具有重要地位,具有全局和长远的重大战略意义。在城市中,存在一个主要由电网、交通网、供水网、排水网以及能源网等功能网络组成的关键基础设施系统(Critical Infrastructure System,CIS),其与国家安全、经济发展以及人们的日常生活密切相关,是人们赖以生存的物质基础。近年来,各类灾害多发,由此导致的关键基础设施系统损害事件时有发生,使得相关服务缺失,如果不能够得到及时的处理与控制,在复杂性、不确定性和关联性等因素的作用下,极可能引发大规模的次生衍生灾害,从而为国家、社会带来巨大的损失,因此,人们应采取必要的措施加强城市关键基础设施保护。在公共管理和公共安全等相关领域,大量事实表明:城市关键基础设施系统在社会灾害中所表现出的强损失程度和弱抵抗能力,不完全源于社会灾害,还取决于CIS自身所表现出来的脆弱性(Vulnerability),这种脆弱性随着城市CIS内部复杂的关联关系作用而增强。因此,准确的评估系统脆弱性,采取有效的措施降低系统脆弱性是城市关键基础设施保护的主要途径之一。本文以关键基础设施之间的关联关系为线索,分析城市CIS的内涵和特点,根据城市关键基础设施结构不同,将其划分为强联系和弱联系两种类型,并深刻理解城市CIS脆弱性来源和机理,依据三种关联关系类型(地理关联、物理关联和信息关联)与两种关联关系样式(一元关联和多元关联)提出城市CIS脆弱性评估的总体框架,研究城市CIS在不同类型、不同样式关联关系作用下的脆弱性评估方法。首先,城市CIS关联关系建模。针对城市CIS内部关联关系的特性,利用结构化、形式化、本体化等多种方法,逐层深入,从不同的角度全方位研究城市CIS关联关系,为城市关键基础设施系统脆弱性评估奠定坚实的基础。其次,城市CIS节点的脆弱性评估。根据城市CIS特点,将关键基础设施主体抽象为节点,节点之间的关联关系抽象为边,利用改进的PageRank算法,从结构、位置和经济三个方面衡量节点重要性,促使评估结果更加的全面、客观和有效,以新的视角衡量城市CIS节点的脆弱性。再次,城市CIS一元关联的脆弱性评估方法。将城市CIS关联关系分为地理关联、物理关联和信息关联三种类型,分为一元关联和多元关联两种样式。在给出一元关联定义的基础上,针对三种关联关系类型分别提出脆弱性评估模型。(1)城市CIS地理关联的脆弱性评估方法。根据地理关联的定义,运用引力模型,通过城市距离、关键基础设施主体规模、地质因素3个变量衡量城市CIS地理关联脆弱性。(2)城市CIS物理关联的脆弱性评估方法。根据物理资源传输过程中,每个城市关键基础设施承担的功能、任务不同,将城市关键基础设施分为生产关键基础设施、传递关键基础设施和消费关键基础设施;建立以物理资源的“生产-消费”为驱动的城市CIS物理关联网络,运用连通性、正常状态变化率、传输效率三个指标结合元胞自动机建立脆弱性评估模型。(3)城市CIS信息关联的脆弱性评估方法。从城市CIS信息关联网络的产生和层次结构两个方面分析了城市CIS信息关联机理,并扩展Petri网语义,引入渗透规则,建立城市CIS信息关联网络攻击图,从攻击路径、攻击危害程度和攻击成功概率3方面构建城市CIS信息关联脆弱性评估模型。最后,城市CIS多元关联的脆弱性评估方法。与存在且仅存在地理关联、物理关联或信息关联中一种关联关系的城市CIS脆弱性评估相对应,考虑到社会灾害作用于城市关键基础设施系统时,可能同时影响两种或两种以上的关联关系,提出多元关联的概念,并以多元关联中的“地理-物理”关联为例,运用欧几里德距离衡量地理关联脆弱性,运用功能完整性函数和损失程度测量物理关联脆弱性,将两者无纲量化后的值作为城市CIS多元关联背景下的最终脆弱值,反映多元关联样式下城市关键基础设施系统的脆弱性。