时变效应下城市供水管网级联脆弱性分析及控制策略研究

Urban water distribution network (UWDN) is one of the critical infrastructure systems to maintain the city service and the regional economy. Cascading failures is a conductive failure process. The research aims to reveal the vulnerability evaluation process of UWDN under cascading failures with time-varying effect. The vulnerability information is used to support control strategies. Firstly, with the fusion of cascading failure theory and the operation of UWDN, a model which combines topology structure and service function is built to evaluate UWDN vulnerability. Secondly, the time parameter is introduced in the vulnerability analysis. The vulnerability evaluation process is described by a time-varying and cascade failure model which conducted by the variation in resource efficiency. The critical component of large-scale failure is provided. Finally, the short-term emergency disposals (i.e., the choice of emergency solutions and the development of emergency strategies) and long-term optimization designs (i.e. spatial distribution optimization, redundancy design, back-up system, and post-disaster reconstruction) are simulated to measure the improve effect and spatial resources reallocation efficiency. The findings from this research can be used to guarantee the stability of infrastructure systems and enhance the resist ability towards disaster, which is significant in science and valuable in practice.

城市供水管网是维系现代城市与区域经济、社会功能的基础性工程系统。失效状态下，城市供水管网存在一种传导性的失效过程——级联失效。本项目旨在揭示时变效应下城市供水管网级联脆弱性的性能演化规律，研究脆弱性的控制策略。首先，融合复杂网络级联失效理论和城市供水管网实际运行规律，建立涵盖拓扑结构和服务功能的城市供水管网级联脆弱性模型。其次，引入时间参数，利用资源传输效率的变化，建立时变效应与级联响应关系模型，揭示时变效应下城市供水管网级联脆弱性的性能演化规律，给出大范围级联失效的关键因素。最后，分别针对短期时变效应和长期时变效应，进行级联作用下城市供水管网短期应急处置（应急预案选择与应急策略制订）和长期优化设计（空间分布优化、冗余设计、后备支持系统及灾后重建）的效果模拟和空间资源配置效率测算。项目的成果对保障城市基础设施的稳定运行，提高城市供水管网对突发灾害的抵御能力，具有重要的科学意义和实用价值。

城市供水管网作为城市关键基础设施系统之一，其稳定性是保证人民生活质量和城市机能正常运转的不可或缺因素。然而，城市供水管网是一个拓扑结构复杂、规模庞大、用水变化随机性强的网络系统，对突发灾害具有高度的敏感性和脆弱性。开展失效状态下城市供水管网脆弱性及其控制策略研究，对保障人民生产和生活质量、实现社会和经济可持续发展是至关重要的。.本项目建立了城市供水管网级联失效作用模型，弥补了从一般假设出发不适合实际供水运行方式的缺陷。揭示了城市供水管网级联性能演化规律，丰富了城市供水管网可靠性和脆弱性研究理论。在此基础上，提出了城市供水管网级联失效控制策略，发展了城市供水管网级联失效控制的应用范围。.研究期间发表SCI期刊论文2篇、EI期刊论文1篇、CSCD期刊论文1篇、CSTPCD期刊论文2篇；出版专著1本；申请发明专利2项；获2017年国家留学基金委资助、获2018年北京市社会科学基金项目资助；撰写康巴什新区智慧水务平台实施方案设计1个；收集供水管网模型48个，建立了城市供水管网案例数据库。.项目以城市供水管网的脆弱性控制为目标，结合级联作用、城市供水管网的实际运行规律和时间因素的动态传播，研究考虑时变效应的城市供水管网级联脆弱性及其控制策略，对更为现实的模拟城市供水管网级联演化过程，加强时变效应下城市供水管网级联脆弱性性能演化规律的认识，弥补现行级联脆弱性控制存在的缺陷，提高城市供水管网的安全有效运行，具有重要的科学意义、实用价值和社会经济效益。本项目从城市供水管网级联失效的基本理论和实际需求出发，研究结果有助于提升城市供水管网抵抗级联失效的能力，能够提供有效的服务运营和管理手段。.研究成果可应用于城市智能供水管网建设，开展城市供水管网系统性能的实时监测，有助于降低失效对城市供水管网的不利影响，促进城市供水管网抵抗、吸收、适应失效环境，降低系统脆弱性，提高系统韧性。