供水系统是城市中重要的基础设施系统,其损坏会对城市安全、经济以及居民生活造成严重影响。近年来,城市经历了更加频繁的自然灾害或者人为灾害。以上海市为例,该城市会周期性地爆发蓝藻或者咸潮,严重影响了数百万居民的正常供水。与此同时,由于供水系统通常会组成一个复杂的、相互关联的网络,这种结构增加了系统对外界灾害的脆弱程度,也增加了系统从灾害中恢复的难度。本文拟解决城市应急管理者面临的重要问题:在自然灾害发生后,如何为供水系统建立有效的应急响应机制,从而及时恢复系统功能。该问题主要有三个难点,一是供水系统中的相互关联关系,另一个是自然灾害的动态性及不确定性,三是应急响应问题的集成性,它包含任务筛选、任务指派和维修队调度等多方面的决策问题。这些特征使得决策者在紧急状况发生时迅速而准确地做出响应变得非常困难。在本文中,相互关联的供水系统被构建为网络,通常包括水库、水处理厂、泵站、蓄水池、管道以及与其他系统（例如电力系统）的关联关系等。为实现快速响应,决策者通常需要做出三个方面的决策:首先决定在有限的维修能力下哪些关键设施需要被优先维修;然后将这些筛选出的任务指派给具有不同能力的维修队;最终决定每个维修队的维修顺序。与上述决策问题相对应,本文提出了三个研究内容:首先是基于脆弱性评价的系统关键设施预筛选;在脆弱性评价的基础上,本文分别从维修队和顶层城市管理者角度出发构建应急响应模型,这两种角度也分别对应了两种不同的决策方式。在这三部分内容中,第一部分内容是后续两部分内容的重要前提和基础,通过该部分工作决策者可以预先筛选出供水系统中的关键基础设施及功能,从而为决策者降低维修队的指派范围,便于决策者对紧急事件快速做出响应,提高决策速度。这三部分研究内容为负责城市供水系统的应急管理者共同提供了一个应急响应决策框架。本文共分为六章,第一章阐述了研究背景、研究动机及论文的组织结构。第二章是关于城市基础设施系统应急响应及相关方法的文献综述。第三章中,本文提出了基于随机网络分析法（Stochastic ANP）和博弈交叉评价模型（Game Cross Evaluation）的多指标决策方法来筛选城市供水系统中的关键设施,命名为随机ANP-GCE方法。该方法能够解决决策过程中不同灾害情境下专家意见的主观性和不确定性等问题,并为决策者提供了一套完整的评价过程。该方法主要包含四个步骤:1)构建ANP指标评价体系;2)提出随机ANP与GCE相结合的指标权重确定方法;3)计算加权脆弱性评价结果,划分脆弱性等级并进行可视化;4)针对不同的灾害情景进行动态模拟并进行敏感性分析。所提出的脆弱性评估方法均以上海市某区域供水网络为例进行了验证。在第三章脆弱性评价的基础上,我们分别从不同城市管理者视角出发构建了两个应急响应模型。在模型中,我们首先对系统进行脆弱性评估,预先筛选出系统中的关键节点,这些节点的修复将保证系统效率得到最大恢复,然后将结果输入到应急响应模型中。由于该步骤可以于灾害发生之间完成,因此将大大提高决策者的应急响应效率。在第四章,本文从维修队管理者视角出发构建了一个应急响应模型来解决维修队指派及调度问题。从该视角出发,高层决策者首先决定维修任务,然后由维修队管理者进行任务分配和调度,该模型被构建为一个两阶段混合整数规划模型,第二阶段通过将维修任务指派给各维修队最小化系统修复时间,第一阶段通过维修队调度最小化修复时间内的系统损失。本研究采用多项式复杂度的启发式算法和CPLEX软件来求解模型,并且通过数值实验验证了算法在求解大规模问题时的有效性。在第五章,本文从城市顶层管理者角度出发构建了一个实时应急响应模型,将维修任务选择、维修队分配及调度集中在一个模型中进行综合决策,使得应急响应策略达到整体最优。模型以最小化总损失（尤其是功能损失引起的累计惩罚成本）和系统修复时间为目标,因此构建出一个混合整数规划模型。模型使用了时空网络对供水系统进行建模,用以描述供水网络中流量的动态变化;与此同时,模型采用了滚动计划的方法刻画应急响应中的动态特征和不确定性,以每次信息更新为分界点将决策分为不同的阶段,并根据信息更新的内容对响应计划进行动态调整。为有效地求解该模型,本文提出了基于Benders分解的分支-切割算法,并提出了四种方法加速该算法,主要包括:生成有效的不等式约束;采用变量固定策略;采用启发式算法在算法初始时和迭代过程中获得可行解及其对应的优化切割约束;以及缩小可行域空间。最后,本研究通过数值实验验证了该方法的有效性。以上三部分研究内容为管理者提供了一套应急响应决策框架及流程,其最优解可以提高系统应对灾害的能力,降低灾害对系统带来的损失,促进城市可持续发展。针对每一部分研究,本文分别以上海某区域供水系统为例说明了各自工作过程。本文的贡献可概括如下:1)本研究将脆弱性分析和应急响应模型结合在一起,提高了应急响应的效率;2)在构建应急响应模型时,本研究不仅考虑了灾害的不确定性和动态性,也同时考虑了供水网络的相互关联性和动态性,更贴近实际管理需求。模型结果对于提高系统应对灾害的能力,降低灾害损失都有重要意义;3)本研究为构建的模型分别提出了有效的算法,因此在实际应用中能有效求解大规模问题。数值实验表明,所提出的算法与传统分支定界算法相比有很大的速度提升。与此同时,本研究还通过数值实验和敏感性分析为决策者提出若干决策建议。