基于节点重要度的城市供水网络抗毁性研究

摘要

随着我国城镇化的快速推进，城镇规模呈现爆发式增长，供水系统布设更加无序，可靠的城市供水系统是城市发展的重要基础。然而，在城市人口增多，城市建设规模逐渐增大，外因破坏频发等条件下，城市供水系统面对的破坏形式更加多样，破坏力度更加强大，这将严重影响供水系统鲁棒性。同时，自身构件作为城市供水网络的重要组成，其自身特征对供水系统抗毁性有重要影响。因此，基于节点重要性程度，研究城市供水网络抗毁性，提高供水系统对灾害的抵抗能力，对改善城市供水系统可靠性具有重要意义。 本文从供水网络的节点出发，综合运用图论、复杂网络、信息熵等理论，提出城市供水网络抗毁性测度及优化模型。首先，定义城市供水网络要素，对城市供水系统进行抽象表达，分析节点对城市供水网络抗毁性影响机理，从节点功能重要性和节点结构重要性两个方面耦合表达节点重要程度，并提出求解流程。其次，运用信息熵原理，用节点重要程度定义概率空间，构建抗毁熵模型，度量节点重要性均衡程度，挖掘供水网络抗毁熵存在的极值条件，提出供水网络抗毁性计算方法。然后，以成本最小和抗毁性最高两个目标，以管道位置、管道路径、管道直径为约束条件，建立城市供水网络双目标优化模型；基于最小树形图方法确定供水网络拓扑骨架，通过逐次增边方法，确定供水网络最优拓扑结构，通过管径调整，确定成本最优的管道直径，达到优化抗毁性的目的；最后，结合具体工程案例，计算节点重要程度，评估供水网络抗毁性，优化管网拓扑结构以提高系统抗毁性。 本文提出的抗毁性度量方法及优化方法，可快速识别城市供水网络薄弱环节，可为城市供水安全管理提供理论支撑，也可为城市供水系统规划提供指导。

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