城市“三交”區域地下管網耦合特征研究-張昱.pdf

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1、匯報人：張昱同濟大學上海防災救災研究所2023年11月30日 匯報內容課題背景與總體思路一“三交區域”耦合分析二“三交區域”破壞機理三結論與討論四 一、課題背景與總體思路基礎設施迅速發展道路年增率5.2%市政管網7%復雜網絡耦合空間、時間、功能三個尺度耦合級聯失效嚴重，社會影響大01020304050600204060801001202001200320052007200920112013201520172019道路長度（萬公里）管網長度（萬公里）燃氣排水供水道路2021年1723起事故81.5%與交通道路相關 一、課題背景與總體思路2017/11/12017/11/16 6 溧陽路四平路路口

2、溧陽路四平路路口2019/4/8 2019/4/8 新港路近瑞虹路新港路近瑞虹路9/119/11 北京海淀區永定路北京海淀區永定路交通荷載交通荷載 爆管爆管爆管爆管 交通癱瘓交通癱瘓道路施工道路施工 管線損壞管線損壞 一、課題背景與總體思路耦合級聯作用特征復雜網絡模擬分析總體思路地下管網城市交通網絡耦合特征：時間、空間、功能耦合網絡災害類型及特征參數災害場景、致災因子、時間特征級聯失效模型最不利時空情景局部增強全局優化網絡流分配網絡韌性增強 匯報內容“三交區域”耦合分析二課題背景與總體思路一“三交區域”破壞機理三結論與討論四 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征研究內

3、容研究方法研究內容代表研究市政管網安全分析數理統計指標評價（管道屬性、周邊環境等指標A.Gorenstein,2020;Z.Chen,2021機理模型Taormina,R 2016檢測法破壞性實驗Ivanov et al,2005非破壞性Tong et al,2017 單一網絡分析方法研究內容研究方法研究內容代表研究交通網絡安全分析組件脆弱性度量定性評價FHWA定量評價SCOTT.V 2015網絡拓撲結構隨機/蓄意攻擊韋佳伶 et al,2020可達性指數法網絡連通性時空可達性周愛華，2016李保杰，2021 復雜系統網絡發展推動了網絡分析技術研究，Science和Nature曾專門討論。系統

4、級聯失效問題已成為網絡分析的焦點，市政管網和交通道路研究相對缺乏。復雜網絡研究代表文章：Gao,J.,Barzel,B.&Barabsi,AL.Erratum:Universal resilience patterns in complex networks.Nature536,238(2016).Albert,R.,Jeong,H.&Barabsi,AL.Error and attack tolerance of complex networks.Nature406,378382(2000).Austin R.Benson et al.Higher-order organization of

5、 complex networks.Science 353,163-166(2016).Justin Ruths Derek Ruths,Control Profiles of Complex Networks.Science 343,1373-1376(2014).理論網絡現實網絡時序網絡網絡動力學過程自適應網絡高階網絡研究熱點：二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征研究內容研究方法研究范圍研究尺度代表研究設施間物理作用以及失效機制實驗法、數值模擬以及二者結合方法事前作用空間Liu,2021徐偉，2021楊康建,2019耦合網絡脆弱性分析級聯失效模型數字模擬事后影響空

6、間或時間+空間Zou,2019Kong,2019Hossain,2019概率模型事前作用空間Cui,2020Xiang,2021 耦合網絡分析方法 大多偏重于時間、空間、相互作用這三個尺度中的某一到兩種尺度，缺乏三種尺度的系統性研究。對于事故高發區交叉口的研究不夠深入。需要大數據支持，并且需要對不同系統的物理作用以及失效動態機制了解透徹。二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征不同屬性下網絡要素空間分布特征交叉口處管網和道路分布特征空間耦合分析時間耦合分析作用耦合分析管網、交通系統運行特征管網、交通事故時間分布管網、交通災后持續時間不同管網屬性的事故分布交叉口處事故分布及

7、關鍵因素 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 單一網絡分析供水管網統計交通網絡統計 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 空間耦合分析空間要素交叉口統計道路/管網里程統計參考標準：城市道路交叉口規劃規范附條文說明GB 50647-2011 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 空間耦合分析屬性要素 管網與道路在拓撲結構上存在耦合。上海市供水管網成環性高，在高等級交叉口會分出更多管線。2級道路（城市主干路）劣質管材、老化、小口徑管道占比較大。二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 時間耦合分析

8、系統特征交通指數、管網流量時刻分布2020年7月交通指數、管網流量分布早、晚高峰期 以時刻尺度，兩個系統的高峰期存在耦合。以一個月為尺度，兩個系統特征不同，但都受天氣因素影響。二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 時間耦合分析事故特征 以時刻尺度，兩個系統的事故在早高峰期存在耦合。以月為尺度，兩個系統均在冬季易出現事故。交通事故、管網事故時刻分布管網事故月份分布交通事故月份分布（Xiong,2021）早高峰期事故多凌晨事故少冬季事故多 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 時間耦合分析事后影響 白天7-9點，11-14點，晚上23點以及凌晨2

9、點期間發生的事故，在一天內完成修復的比例較低。管網與交通的事故嚴重性存在時間耦合。管網事故修復時長交通事故嚴重程度較嚴重的事故時刻來源評估指標23-24；5-6；7-8；9-10；21-22Song-bai et al.2009直接經濟損失、事故數、受傷人數、死亡人數1、11、15-17最嚴重；10、12、14、18、21嚴重Yu et al.2009影響持續時間長 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 作用耦合分析 2級道路事故率最高，1級道路事故率最低。在發生過6-9次的事故管道中，超過85%的管道為鑄鐵管，且69.5%的事故處于交叉口范圍內。不同道路等級管網及事

10、故情況道路等級管網密度事故數事故率10.131020.07120.237210.09330.5125560.08240.9835170.080=1=1n：事故數據庫的時間范圍；：特定某屬性下管網事故數；：特定某屬性下管網總長度；管網平均失效率（Lam,2016）；累計事故數管道數量占比182.9%2516.8%690.2%單個管道事故頻次統計事故頻發管道（事故數/KM/年）二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 作用耦合分析管網屬性管徑、埋深、管齡、管材屬性對管道失效率影響顯著。2級、3級道路的埋深3米以上的管道事故率較高，可能與周圍地下空間高強度開發有關?；炷粒╟o

11、ncrete）和鑄鐵(GCIP)的失效率顯著高于其他材料。事故率符合“浴盆曲線”:0-10年和大于40年管道呈現出隨著道路等級變小，事故率變小的規律。二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 作用耦合分析交叉口 復合式交叉口管線事故率最高。管道與道路斜交時事故率最高，平行時最低。需要通過實驗、實地監測、力學軟件分析等方法進行機理分析。0.5680.4030.3590.3930.938000.20.40.60.81.0Cross“X”“T”“Y”5+LegsRoundabout不同交叉口形式（Serbu,C.2015）的管線事故率管-路交叉角度計算方法管-路交叉角度事故率分

12、布 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 作用耦合分析管線交疊點 高風險交疊點較多位于交叉口，且發生事故較多。燃氣交疊點的影響更大。管線交疊現場不滿足規范的燃氣交疊點個數13 其中在交叉口內的100%其中在交叉口內且有事故的69.2%燃氣交疊點統計管線風險交疊點分布 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 作用耦合分析交叉口管線位置 交叉口內不同位置的管線事故率不同，與不同位置車輛荷載作用頻次和方向有關。管線距交叉口中心位置事故率分布交叉口內事故頻率與車流分布4-6m處事故率最大 二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征

13、作用耦合分析變材、變徑點 楊浦區共有65.6%的變材、變徑點位于城市道路交叉口內。含有變材、變徑點的交叉口，超過60%發生過事故，64.4%所發生的事故是連續性事故。交叉口內的變材、變徑點事故情況變徑點-異徑管圖（GB/T 12459-2017）二、“三交區域”耦合分析2.1城市交通網絡與市政管網的耦合特征 成果小結 綜合考量以上屬性，即可鎖定耦合網絡中高風險網絡要素，得出靜態網絡的不利時空場景。耦合類型主要發現空間耦合管網與道路在空間位置、拓撲結構上存在耦合。時間耦合兩類網絡在系統運行、事故頻率、災后影響上都存在時間耦合。兩類網絡的最不利時間段體現在早高峰時期、冬季。作用耦合管材、管徑、管齡

14、、埋深、道路等級等屬性可以描述管道的失效概率。管徑、道路等級屬性可以描述失效后的影響大小。是否位于交叉口、管-路交角、管線交疊、管線位置、變材點、變徑點都是導致管網事故的關鍵因素。二、“三交區域”耦合分析2.2城市交通網絡與市政管網級聯失效仿真模型（1）雙層網絡人工構造網絡而非現實中的基礎設施網絡“硬耦合理論”耦合機理簡化，不符合現實情況（2）多層網絡Havlin課題組：Buldyrev et al.2010H.Zhang et al.2019Min Zhang et al.2020“滲流理論”網絡類型 二、“三交區域”耦合分析2.2城市交通網絡與市政管網級聯失效仿真模型（4）空間相依網絡（3

15、）時序網絡張宇威 et al.2020Danziger et al.2016 Li et al.2015考慮網絡動態變化，針對道路-市政管網的研究較少耦合作用簡化，關注連通性 二、“三交區域”耦合分析2.2城市交通網絡與市政管網級聯失效仿真模型研究方法方法內涵代表學者基于網絡拓撲結構的方法基于網絡連通性、網絡魯棒性等，分析網絡拓撲結構的特性，預測和控制網絡級聯失效Albert-Lszl Barabsi(2007)基于節點狀態的方法基于節點失效概率、節點負載狀態變化等，預測和控制網絡級聯失效Xiaofan Wang(2014)基于機器學習的方法基于神經網絡、決策樹等方法，通過機器學習技術，對網絡

16、級聯失效進行預測和控制Yang-Yu Liu(2011)基于控制理論的方法基于反饋控制、最優控制、自適應控制等，設計控制策略來實現網絡級聯失效的控制Seyedmehdi Hosseini(2019)研究方法主要聚焦網絡本身，較少關注網絡流模型普適性、準確性、實證驗證 二、“三交區域”耦合分析2.2城市交通網絡與市政管網級聯失效仿真模型“硬耦合理論”耦合機理簡化，不符合現實情況?；凇皾B流理論”的模型指標較多關注網絡拓撲結構，較少關注網絡流。網絡流分配理論簡化。靜態模型居多，宏觀分析居多。級聯失效網絡流中微觀動態模型物理耦合機制 二、“三交區域”耦合分析2.2城市交通網絡與市政管網級聯失效仿真模

17、型 靜態模型基于隨機/特定目標攻擊，找出網絡脆弱節點和連邊。確定攻擊對象統計網絡特征變化構建網絡循環攻擊 二、“三交區域”耦合分析2.2城市交通網絡與市政管網級聯失效仿真模型 動態模型方法流程：構建耦合網絡數據庫建立耦合模型設定動態攻擊策略，進行攻擊受攻擊網絡網絡流重分配統計網絡變化特征關鍵節點、連邊不利時間段 二、“三交區域”耦合分析2.2城市交通網絡與市政管網級聯失效仿真模型 動態模型交通流具有時變性，主要表現在：1.出行者出發時間和到達時間的時變性2.OD間最短路徑的時變性3.高峰期交通流分布的非均勻性4.擁堵發生在不同的時間和地點7 7：00-700-7：15157 7：20-720-

18、7：35357 7：40-740-7：5555靜態模型無法刻畫 二、“三交區域”耦合分析2.2城市交通網絡與市政管網級聯失效仿真模型 動態模型攻擊前后網絡動態變化：網絡流密度網絡流通行時間網絡流速度基于隨機/特定目標攻擊，找出網絡脆弱節點和連邊以及不利時間段。匯報內容“三交區域”破壞機理三課題背景與總體思路一“三交區域”耦合分析二結論與討論四 三、“三交區域”破壞機理管道應力計算管道破壞致災因子多種交變荷載作用的管道耦合破壞模擬 匯報內容結論與討論四課題背景與總體思路一“三交區域”耦合分析二“三交區域”破壞機理三 四、結論與討論“三交”區域（交叉位置、交疊管線、交變荷載作用）是管網損壞的重災區?！叭弧眳^域內，供水、排水、燃氣管網與城市道路等基礎設施之間存在空間耦合、時間耦合、以及作用耦合，影響因素復雜。未來需要利用檢測、監測手段，結合數據-物理模型，加強管網損壞預測能力，提高市政基礎設施韌性。