考虑依赖性的生命线网络性态评估方法

发布时间：2020-11-04 08:12

　　 交通、通信、供水、输油、输气和输电等生命线系统当代文明社会得以维持和发展的根本。满足生命线系统功能飞速发展的需求和安全保障的重大需要,各生命线系统之间的空间和功能依赖性日益显著,生命线系统呈现出复杂网络体系的特点,各系统间功能上互助支持、制约和空间共存等耦联效应尤为突出。在人为的或自然的破坏因素作用下,初始、单一的生命线节点破坏事件由于生命线网络内部及之间存在的不同层次的依赖性特征,极易产生更大区域网络或整个生命线系统的级联失效现象,如2001年“911”恐怖袭击、2005年“卡特里娜飓风”、2008年“汶川地震”和2011年日本“311”地震等人为的或自然的破坏因素都印证了上述观点。充分考虑生命线网络间的依赖性问题,才能更准确地评估生命线网络在灾害因素下的性能和易损性,因此,基于依赖性视角,开展生命线网络在灾害作用下的相关安全问题研究具有重要意义。生命线网络规模巨大、结构复杂、节点形式与材质多样和灾害风险程度差异性大等特点,分析生命线系统在灾害作用下的整体反应规律,直接进行大范围的试验不现实,数值仿真技术是当今研究灾害作用下生命线系统相互依赖条件下的性态评估方法中的最重要手段之一,但有很多问题没有较好解决,如生命线系统相互依赖条件下的灾变模式、生命线网络间不同层次依赖性的建立、初始破坏的蔓延机制和生命线网络可靠性的快速计算等。本文对以上问题展开研究,主要研究内容如下:(1)本文以大庆油田基地的输油系统和输电系统为研究对象。基于复杂网络模型将输油系统抽象为包括集油站、联合站和油库等功能设施的节点集合,以及设施间的埋地输油管线的有向边集合所构成的输油网络;同理将将输电系统抽象为由发电厂、一次变电站和二次变电站等设施的节点集合以及节点间的架空输电线路的有向边集合所构成的输电网络;不同网络内部的有向边直接表示所连接节点的依赖关系;根据实际调查资料,构建输电网络二次变电站与输油网络中各类节点构建功能依赖节点对,将网络间的依赖性程度表示为输电网络的二次变电站节点失效条件下输油网络对应节点失效的条件概率,并作为虚拟边添加至输油网络和输电网络中,进而构建涵盖不同层次依赖性关系的生命线网络系统。(2)基于小范围蓄意破坏作用下生命线网络的破坏特点,提出了一种模拟小范围破坏作用的人为设定破坏衰减模型,从拓扑和资源流两方面设计了反映生命线网络性能变化的相对指标,并模拟了在网络间不同功能依赖水平下目标生命线网络的性能和易损性;基于设定破坏衰减模型,提出了识别生命线网络关键节点的方法,扩展了之前研究中通过移除单一生命线网络要素(节点或边)进行评价的思路,并以2005年林甸地震中失效的喇十四二次变电站进行了关键性验证,在网络间功能依赖性水平大等于0.75水平下,目标节点的关键性数值模拟结果与实际结果基本吻合,不仅验证了所设计的关键性指标,而且验证了本文方法的可行性。(3)以实际震害为例,研究了大范围破坏作用对生命线网络的影响规律,提出了一种模拟震害作用下生命线网络在不同功能依赖水平下目标生命线网络的性能和易损性的分析方法;并通过对2005年林甸地震的仿真模拟可知,模拟的震害损失结果与该地震造成的生命线网络实际损失基本吻合,验证了所提出方法的可行性和科学性,说明所提出的方法具有较为可靠的生命线网络震害损失预测能力;(4)提出并实现了一种基于等价网络的生命线网络可靠性计算方法,以几类经典的生命线网络为例进行了计算,并与其它经典的可靠性计算方法进行对比,对于3×100型的格网形式网络的两端可靠性问题,计算耗时仅为28.04 s,而其它方法则不能计算,说明本方法的可行性和高效性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P315.9;TM75;TE88
【部分图文】：

图 1-1 生命线网络的恢复力图解Fig.1-1 Illustration of the lifeline resilience下，由依赖性所导致的破坏在生命线网络中的传播和美国国土安全部为代表的权威机构制定了与之相关的划，2013 年的关键基础设施保护计划中把提升生命

生命线网络的恢复力的评价Fig.1-2Evaluationofthelifelineresilience

- 19-图 2-2 采油六厂生命线网络放大图Fig.2-2 Local enlarged drawing of lifeline networks in the Sixth oil production plant
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本文编号：2869861