随着世界经济的发展以及信息科学技术的不断突破,城市关键基础设施网络变得更为复杂,网络间连接也更加紧密。在自然灾害或蓄意攻击等突发事件下,一些零件的损伤会随着密集的连接关系在整个城市关键基础设施网络中扩散,致使某个网络中的微小扰动造成整个城市大范围居民生活受到影响的后果。为了更深刻的理解城市多层关键基础设施发生的级联失效现象,本文围绕多层耦合网络级联失效仿真,讨论连接关系、层间拓扑结构、负载重分配、节点不确定性失效等因素对多层耦合网络脆弱性的影响,给出了适用于城市多层关键基础设施耦合网络的脆弱性评价方法。本文主要开展了以下几个方面的研究:(1)基于复杂网络的逾渗理论讨论了不同关联关系对应的城市关键基础设施级联失效影响。针对城市关键基础设施网络相互依赖关系的不同特征,分析了基于功能依赖关系和地理关联关系的城市关键基础设施网络失效机理,并以我国某市关键基础设施网络为实际案例,验证了多层网络层间相互依赖关系导致网络脆弱性呈二阶相变的现象,揭示了地理关联关系的重要影响,指出应该联合考虑地理和功能依赖关系才能更准确反映关键基础设施网络的实际级联失效过程。(2)从结构和功能角度分析了层间关系对于多层耦合网络脆弱性的影响。构建了多层耦合网络层间拓扑结构指标,包括层间度、层间均衡性指标和层间紧密度指标,用以衡量层间拓扑结构模式对于多层网络脆弱性的影响,从而将多层耦合网络的脆弱性评价从两层和三层耦合网络推广至更多层、更复杂的耦合网络。此外,提出了多层耦合网络脆弱性的相互影响指数和基于级联失效的交叉影响量化公式。(3)构建了基于地理和功能特性的多层耦合网络脆弱性评价指标和方法。考虑了单层子网络节点失效后的负载重分配引发的级联失效,并强调不同基础设施网络共同承担城市服务功能的特点,采用保留服务功能面积比例代替最大连通分量节点比例作为城市基础设施网络脆弱性评价指标。在此基础上,引入了最大弱功能面积和最大强功能面积指标,并综合考虑人口和经济指标,实现了多角度、全方位地评价城市多层关键基础设施耦合网络的级联失效对城市的影响程度。(4)提出了不确定性破坏下城市多层关键基础设施耦合网络的级联失效模拟及控制措施。针对爆炸的区域破坏和随机性破坏特点,提出了基于期望的城市多层关键基础耦合网络脆弱性评价方法;并针对大规模网络节点随机破坏情况,采用蒙特卡洛方法模拟每个网络节点的失效不确定性,实现了爆炸破坏下城市多层关键基础耦合网的级联失效模拟;同时分析城市多层关键基础设施耦合网络发生级联失效的原因,结合级联失效的控制措施,实现了城市灾害蔓延模拟、脆弱性估计、薄弱区域识别以及级联失效控制措施的探讨。