基础设施系统韧性评价

日期:2020-06-16浏览:389次来源:

建筑群落


建筑群落做为城市基础设施的重要组成部分,包括住宅、商用和工业建筑、医院、学院、行政建筑等。保证建筑群落的灾害韧性是城市防灾减灾的关键环节,原因在于:一方面,建筑群落的功能需求依赖于城市生命线网络提供的基础设施服务;另一方面,建筑群落是否安全可靠直接影响居民和用户的生活和工作质量,从而影响城市的经济发展和社会稳定。本课题组提出了一系列建筑群落抗震韧性评估与规划的基本框架[Lin & Wang, 2018],包括:

1)基概率的城市区域建筑群落灾害损伤分析和损失估计[Lin & Wang, 2016];分析过程中考虑了各建筑所在场地的灾害强度以及建筑的结构反应的不确定性和空间相关性;

2)基于概率的建筑群落灾后功能损失评估;其中建筑的功能状态是由建筑本身的损伤和建筑所在场地的基本服务设施(例如水电)供给量的状态共同决定[Zhang et al, 2016]

3)采用连续时间马尔可夫过程模拟建筑群落灾后功能恢复过程;该模型把影响建筑功能恢复过程的时间分为三部分(即建筑维修前的准备时间、维修/重建时间、和基础设施供给恢复时间)。这些时间组成本质上反映了建筑维修和重建的工程实践经验,以及城市区域的社会经济条件、救灾资源和能力、政策规划等客观条件[Lin & Wang, 2017a, 2017b]

4)基于多目标优化的决策模型,服务于求解以提高城市韧性为目标的建筑群落灾前加固和灾后重建最优策略[Lin et al., 2016; Wang & Wang, 2017]

5)把建筑群落损伤分析与经济社会模型相结合,作为以经济社会韧性为指标的防灾减灾规划的理论基础。例如本课题组将建筑群落灾害损伤分析与社会模型相结合,实现了灾害发生后返家的住户个数的实时预测;该模型的假设为住房是否返家取决于住宅、商用建筑、与学校的功能恢复,以及住户的社会经济条件[Lin & Wang, 2019]



图1. 建筑群落韧性评价与决策基本框架



图2. 典型范例可视化


交通网络(基于韧性理念的减灾、应急、恢复决策)


本课题组发展了一套基于风险的分阶段交通网络韧性规划决策框架,可用于灾前减灾优先级确定(第一阶段)、灾后应急资源调配(第二阶段)以及长期恢复过程优化(第三阶段)。该框架包括两部分:(I)分阶段韧性评价的指标体系。该体系包含三个网络性能指标,分别对应三个不同阶段的特定决策过程[Zhang et al., 2017];(II)分阶段决策模型(数学上是一个随机多目标优化问题),包括了经费约束条件下灾前加固项目的优先级[Zhang & Wang, 2017]、时间约束下灾后紧急救援时的资源调度以及人力物力资源约束下的恢复重建的施工排序[Zhang et. al, 2017]。该决策框架已被应用于田纳西州Shelby郡的公路网络



图3. 交通网络三阶段决策优化(Zhang et al., 2017)


水电网络


城市各基础设施系统是一个功能耦合的整体,正所谓牵一发而动全身,某一个系统的破坏也会造成其他一个或者多个系统的功能受到影响,甚至完全破坏。作为级联失效的典型破坏案例,我们着重分析了城市水电网络之间的功能耦合关系[Zhang et al., 2018]首先,我们提出了一种全新的概率分析框架来预测震后社区建筑环境的功能损失,这种建筑环境不仅包含建筑物,同时还包括水电系统和交通网络。这一分析方法充分考虑了在一致的空间尺度上具有不同拓扑结构和灾害响应特征的物理系统之间的功能耦合,并在此基础上提出了一个基于物理机制的、量化的、涵盖整个社区关键基础设施的功能损失评价模型。利用这一模型,可以进一步得到每个系统的抗灾需求和其结构响应参数的不确定性和它们之间的空间相关性。该模型采用了基于网络流理论的方法来模拟特性各异网络之间的功能依存关系。该分析揭示并量化了灾害强度的空间变化、建筑物和公共基础设施系统组件的固有脆弱性,相互依存的公共基础网络中的级联失效以及公共网络中剩余供应能力的再分配,从而量化了社区建筑环境灾后的各项功能损失和空间分布。为城市的防灾减灾以及韧性规划决策提供了丰富的信息支持.

另一方面,研究中心在城市供水管网的抗震防灾方面,展开了深入持久的研究,这不仅仅包括地下管线的地震反映试验和理论的多重分析[Miao et al., 2016; Liu, Song & Miao, 2018]、管土相互作用分析[Liu et al., 2018],还包括以城市供水管网物理机制为基础的管网抗震功能分析[缪惠全 李杰, 2018]和抗震可靠性分析[Miao, Liu & Li, 2018],从而为城市供水管网的抗震分析奠定了坚实的基础。




图4. 地震灾害作用下的水网、电网、建筑群落功能损失估计(Zhang et al., 2018)



系统耦合

 

本课题组提出了一种基于概率的城市各基础设施系统(建筑群落、水网、电网、和交通网络)协同分析框架[Zhang et al., 2018]。这个框架获得城市区域内不同拓扑结构和灾害反应特征的物理系统的功能分析;提供了一套基于物理的功能损失量化和恢复预测模型。它的优势具体体现在(1)分析过程中考虑了灾害强度和结构响应的随机性和空间相关性;(2)采用“系统的系统”的方法研究城市建筑群落和各类基础设施之间由于功能耦合所产生的级联效应;(3)通过对各系统模型之间的实时信息传递实现同步整体恢复的量化预测和获得最优恢复策略;(4)采用以大数据和机器学习为基础的高效解耦算法,例如复杂相关系统的崩溃扩散过程采用网络流分析和混合整数线性规划模型相结合的方法。


图5. 灾害作用下城市基础设施系统耦合分析(Zhang et al., 2018)



参考文献

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缪惠全李杰(2018). 基于物理机制的供水管网抗震功能实时动态分析地震工程与工程振动, 38(3), pp. 1–10.