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城市“三交”区域地下管网耦合特征研究-张昱.pdf

编号：162630

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城市“三交”区域地下管网耦合特征研究-张昱.pdf

1、汇报人：张昱同济大学上海防灾救灾研究所2023年11月30日汇报内容课题背景与总体思路一“三交区域”耦合分析二“三交区域”破坏机理三结论与讨论四一、课题背景与总体思路基础设施迅速发展道路年增率5.2%市政管网7%复杂网络耦合空间、时间、功能三个尺度耦合级联失效严重，社会影响大00020406080003200520072009200172019道路长度（万公里）管网长度（万公里）燃气排水供水道路2021年1723起事故81.5%与交通道路相关一、课题背景与总体思路2017/11/12017/11/16 6 溧阳路四平路路口

2、溧阳路四平路路口2019/4/8 2019/4/8 新港路近瑞虹路新港路近瑞虹路9/119/11 北京海淀区永定路北京海淀区永定路交通荷载交通荷载爆管爆管爆管爆管交通瘫痪交通瘫痪道路施工道路施工管线损坏管线损坏一、课题背景与总体思路耦合级联作用特征复杂网络模拟分析总体思路地下管网城市交通网络耦合特征：时间、空间、功能耦合网络灾害类型及特征参数灾害场景、致灾因子、时间特征级联失效模型最不利时空情景局部增强全局优化网络流分配网络韧性增强汇报内容“三交区域”耦合分析二课题背景与总体思路一“三交区域”破坏机理三结论与讨论四二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征研究内

3、容研究方法研究内容代表研究市政管网安全分析数理统计指标评价（管道属性、周边环境等指标A.Gorenstein,2020;Z.Chen,2021机理模型Taormina,R 2016检测法破坏性实验Ivanov et al,2005非破坏性Tong et al,2017 单一网络分析方法研究内容研究方法研究内容代表研究交通网络安全分析组件脆弱性度量定性评价FHWA定量评价SCOTT.V 2015网络拓扑结构随机/蓄意攻击韦佳伶 et al,2020可达性指数法网络连通性时空可达性周爱华，2016李保杰，2021 复杂系统网络发展推动了网络分析技术研究，Science和Nature曾专门讨论。系统

4、级联失效问题已成为网络分析的焦点，市政管网和交通道路研究相对缺乏。复杂网络研究代表文章：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).理论网络现实网络时序网络网络动力学过程自适应网络高阶网络研究热点：二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征研究内容研究方法研究范围研究尺度代表研究设施间物理作用以及失效机制实验法、数值模拟以及二者结合方法事前作用空间Liu,2021徐伟，2021杨康建,2019耦合网络脆弱性分析级联失效模型数字模拟事后影响空

6、间或时间+空间Zou,2019Kong,2019Hossain,2019概率模型事前作用空间Cui,2020Xiang,2021 耦合网络分析方法大多偏重于时间、空间、相互作用这三个尺度中的某一到两种尺度，缺乏三种尺度的系统性研究。对于事故高发区交叉口的研究不够深入。需要大数据支持，并且需要对不同系统的物理作用以及失效动态机制了解透彻。二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征不同属性下网络要素空间分布特征交叉口处管网和道路分布特征空间耦合分析时间耦合分析作用耦合分析管网、交通系统运行特征管网、交通事故时间分布管网、交通灾后持续时间不同管网属性的事故分布交叉口处事故分布及

7、关键因素二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征单一网络分析供水管网统计交通网络统计二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征空间耦合分析空间要素交叉口统计道路/管网里程统计参考标准：城市道路交叉口规划规范附条文说明GB 50647-2011 二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征空间耦合分析属性要素管网与道路在拓扑结构上存在耦合。上海市供水管网成环性高，在高等级交叉口会分出更多管线。2级道路（城市主干路）劣质管材、老化、小口径管道占比较大。二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征时间耦合分析

8、系统特征交通指数、管网流量时刻分布2020年7月交通指数、管网流量分布早、晚高峰期以时刻尺度，两个系统的高峰期存在耦合。以一个月为尺度，两个系统特征不同，但都受天气因素影响。二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征时间耦合分析事故特征以时刻尺度，两个系统的事故在早高峰期存在耦合。以月为尺度，两个系统均在冬季易出现事故。交通事故、管网事故时刻分布管网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、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征时间耦合分析事后影响白天7-9点，11-14点，晚上23点以及凌晨2

9、点期间发生的事故，在一天内完成修复的比例较低。管网与交通的事故严重性存在时间耦合。管网事故修复时长交通事故严重程度较严重的事故时刻来源评估指标23-24；5-6；7-8；9-10；21-22Song-bai et al.2009直接经济损失、事故数、受伤人数、死亡人数1、11、15-17最严重；10、12、14、18、21严重Yu et al.2009影响持续时间长二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征作用耦合分析 2级道路事故率最高，1级道路事故率最低。在发生过6-9次的事故管道中，超过85%的管道为铸铁管，且69.5%的事故处于交叉口范围内。不同道路等级管网及事

10、故情况道路等级管网密度事故数事故率10.131020.07120.237210.09330.5125560.08240.9835170.080=1=1n：事故数据库的时间范围；：特定某属性下管网事故数；：特定某属性下管网总长度；管网平均失效率（Lam,2016）；累计事故数管道数量占比182.9%2516.8%690.2%单个管道事故频次统计事故频发管道（事故数/KM/年）二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征作用耦合分析管网属性管径、埋深、管龄、管材属性对管道失效率影响显著。2级、3级道路的埋深3米以上的管道事故率较高，可能与周围地下空间高强度开发有关。混凝土（co

11、ncrete）和铸铁(GCIP)的失效率显著高于其他材料。事故率符合“浴盆曲线”:0-10年和大于40年管道呈现出随着道路等级变小，事故率变小的规律。二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征作用耦合分析交叉口复合式交叉口管线事故率最高。管道与道路斜交时事故率最高，平行时最低。需要通过实验、实地监测、力学软件分析等方法进行机理分析。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）的管线事故率管-路交叉角度计算方法管-路交叉角度事故率分

12、布二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征作用耦合分析管线交叠点高风险交叠点较多位于交叉口，且发生事故较多。燃气交叠点的影响更大。管线交叠现场不满足规范的燃气交叠点个数13 其中在交叉口内的100%其中在交叉口内且有事故的69.2%燃气交叠点统计管线风险交叠点分布二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征作用耦合分析交叉口管线位置交叉口内不同位置的管线事故率不同，与不同位置车辆荷载作用频次和方向有关。管线距交叉口中心位置事故率分布交叉口内事故频率与车流分布4-6m处事故率最大二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征

13、作用耦合分析变材、变径点杨浦区共有65.6%的变材、变径点位于城市道路交叉口内。含有变材、变径点的交叉口，超过60%发生过事故，64.4%所发生的事故是连续性事故。交叉口内的变材、变径点事故情况变径点-异径管图（GB/T 12459-2017）二、“三交区域”耦合分析2.1城市交通网络与市政管网的耦合特征成果小结综合考量以上属性，即可锁定耦合网络中高风险网络要素，得出静态网络的不利时空场景。耦合类型主要发现空间耦合管网与道路在空间位置、拓扑结构上存在耦合。时间耦合两类网络在系统运行、事故频率、灾后影响上都存在时间耦合。两类网络的最不利时间段体现在早高峰时期、冬季。作用耦合管材、管径、管龄

14、、埋深、道路等级等属性可以描述管道的失效概率。管径、道路等级属性可以描述失效后的影响大小。是否位于交叉口、管-路交角、管线交叠、管线位置、变材点、变径点都是导致管网事故的关键因素。二、“三交区域”耦合分析2.2城市交通网络与市政管网级联失效仿真模型（1）双层网络人工构造网络而非现实中的基础设施网络“硬耦合理论”耦合机理简化，不符合现实情况（2）多层网络Havlin课题组：Buldyrev et al.2010H.Zhang et al.2019Min Zhang et al.2020“渗流理论”网络类型二、“三交区域”耦合分析2.2城市交通网络与市政管网级联失效仿真模型（4）空间相依网络（3

15、）时序网络张宇威 et al.2020Danziger et al.2016 Li et al.2015考虑网络动态变化，针对道路-市政管网的研究较少耦合作用简化，关注连通性二、“三交区域”耦合分析2.2城市交通网络与市政管网级联失效仿真模型研究方法方法内涵代表学者基于网络拓扑结构的方法基于网络连通性、网络鲁棒性等，分析网络拓扑结构的特性，预测和控制网络级联失效Albert-Lszl Barabsi(2007)基于节点状态的方法基于节点失效概率、节点负载状态变化等，预测和控制网络级联失效Xiaofan Wang(2014)基于机器学习的方法基于神经网络、决策树等方法，通过机器学习技术，对网络

16、级联失效进行预测和控制Yang-Yu Liu(2011)基于控制理论的方法基于反馈控制、最优控制、自适应控制等，设计控制策略来实现网络级联失效的控制Seyedmehdi Hosseini(2019)研究方法主要聚焦网络本身，较少关注网络流模型普适性、准确性、实证验证二、“三交区域”耦合分析2.2城市交通网络与市政管网级联失效仿真模型“硬耦合理论”耦合机理简化，不符合现实情况。基于“渗流理论”的模型指标较多关注网络拓扑结构，较少关注网络流。网络流分配理论简化。静态模型居多，宏观分析居多。级联失效网络流中微观动态模型物理耦合机制二、“三交区域”耦合分析2.2城市交通网络与市政管网级联失效仿真模

17、型静态模型基于随机/特定目标攻击，找出网络脆弱节点和连边。确定攻击对象统计网络特征变化构建网络循环攻击二、“三交区域”耦合分析2.2城市交通网络与市政管网级联失效仿真模型动态模型方法流程：构建耦合网络数据库建立耦合模型设定动态攻击策略，进行攻击受攻击网络网络流重分配统计网络变化特征关键节点、连边不利时间段二、“三交区域”耦合分析2.2城市交通网络与市政管网级联失效仿真模型动态模型交通流具有时变性，主要表现在：1.出行者出发时间和到达时间的时变性2.OD间最短路径的时变性3.高峰期交通流分布的非均匀性4.拥堵发生在不同的时间和地点7 7：00-700-7：15157 7：20-720-

18、7：35357 7：40-740-7：5555静态模型无法刻画二、“三交区域”耦合分析2.2城市交通网络与市政管网级联失效仿真模型动态模型攻击前后网络动态变化：网络流密度网络流通行时间网络流速度基于随机/特定目标攻击，找出网络脆弱节点和连边以及不利时间段。汇报内容“三交区域”破坏机理三课题背景与总体思路一“三交区域”耦合分析二结论与讨论四三、“三交区域”破坏机理管道应力计算管道破坏致灾因子多种交变荷载作用的管道耦合破坏模拟汇报内容结论与讨论四课题背景与总体思路一“三交区域”耦合分析二“三交区域”破坏机理三四、结论与讨论“三交”区域（交叉位置、交叠管线、交变荷载作用）是管网损坏的重灾区。“三交”区域内，供水、排水、燃气管网与城市道路等基础设施之间存在空间耦合、时间耦合、以及作用耦合，影响因素复杂。未来需要利用检测、监测手段，结合数据-物理模型，加强管网损坏预测能力，提高市政基础设施韧性。

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