基于级联失效的城市供水管网系统可靠性研究

摘要

供水管网是城市基础设施建设的重点领域，其稳定性和可靠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。目前，供水管网已发展为具有许多分支和交互连接边的复杂网络。供水管网因其地理空间分布的相关性而对自然灾害或人为灾害造成的扰动特别敏感。网络某处的微小扰动会改变网络流，并触发大范围的连锁反应和次级失效。这种严重事件称为级联失效。因此，利用复杂网络级联失效理论研究供水管网系统可靠性，具有积极而重要的意义。
　　本文以供水管网为研究对象，在分析国内外已有研究成果的基础上，综合应用复杂网络级联失效理论、供水管网水力计算方法、可靠性与脆弱性评价，深入研究了供水管网在面临失效后网络级联反应过程及网络结构和功能的变化。主要内容如下:
　　(1)从网络脆弱性角度出发，提出了一套合理的适用于失效条件下供水管网级联效应模拟方法。定义负载变化函数，描述重分布后的水压和初始水压在水压承载力区间范围内的相对差异，记录供水管网水力重分布信息。针对基于网络拓扑结构的分析方法没有考虑到供水管网节点不均匀性的问题，将供水管网水力计算引入每次级联失效仿真，从基于流分析的角度，提供供水管网流量性能方面的信息，得到更加准确的仿真结果。
　　(2)在供水管网节点脆弱性研究基础上，引入供水管网可靠性定义。建立了基于复杂网络级联失效的供水管网系统可靠性分析模型。模型考虑了供水管网水力分析，管网拓扑结构、用户用水量的时变性等不确定因素。针对失效情况下节点服务状态改变的问题，定义了节点水压和流量的函数，并基于EPANET2水力计算引擎，采用压力驱动分析方法更新供水管网流量。模型能够有效识别关键管段。需水因子会对可靠性峰值和时间演变周期产生较大的影响。提示我们需要根据供水管网属性和级联失效特性来评价管网可靠性，以提高抵御灾害的能力。
　　(3)针对供水管网脆弱性和系统可靠性研究中出现的级联失效水力重分布问题，建立级联演变模型研究供水管网节点/管段受到攻击后的级联演变过程。针对供水管网节点和管段这两种不同的攻击策略，回答了系统可靠性、级联演变持续时间与网络负载重分配之间的内在相关性问题。以基于管段的攻击模式为主，揭示了供水管网级联行为所经历的系统可靠性演变规律和时间演变特征，并给出了基于节点攻击的供水管网系统可靠性和时间演变特征。研究结果加深了对供水管网级联行为演变过程中规律和特征的理解和认识。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 问题提出与研究意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 供水管网可靠性研究概况

1．2．2 复杂网络级联失效研究概况

1．2．3 基于复杂网络的供水管网研究概况

1．3 供水管网数值模拟的工程背景

1．3．1 供水管网数值模拟的必要性

1．3．2 供水管网数值模拟的优势

1．3．3 供水管网模型的建立

1．3．4 供水管网模型的分析

1．4 本文主要研究思路与内容

2 基于级联失效的供水管网节点脆弱性评价

2．1 引言

2．2 供水管网的水力计算

2．2．1 供水管网模型

2．2．2 供水管网拓扑结构表达

2．2．3 供水管网的基本水力方程

2．2．4 供水管网水力方程的求解

2．3 供水管网的水力分析方法

2．3．1 需求驱动分析方法

2．3．2 压力驱动分析方法

2．4 基于级联失效的供水管网节点脆弱性评价模型

2．4．1 供水管网的节点负载

2．4．2 供水管网的节点承载力

2．4．3 失效情况下网络拓扑结构分析

2．4．4 基于节点的攻击模式

2．4．5 级联失效过程

2．4．6 节点负载变化函数

2．4．7 节点脆弱性评价

2．4．8 算法流程

2．5 数值算例分析

2．5．1 数值算例概况

2．5．2 对比试验-介数负载

2．5．3 对比试验-流量熵模型

2．5．4 对比试验-最小割集模型

2．5．5 试验结果与数据分析

2．5．6 节点级联失效过程分析

2．5．7 节点脆弱性分析与关键节点识别

2．6 本章小结

3 基于级联失效的供水管网关键管段识别

3．1 引言

3．2 EPANET简介

3．2．1 EPANET2功能简介

3．2．2 EPANET2动态链接库

3．2．3 利用Matlab对EPANET2二次开发

3．3 基于级联失效的供水管网系统可靠性分析模型

3．3．1 供水管网节点可靠性和系统可靠性评价方法

3．3．2 供水管网节点负载和承载力之间的关系

3．3．3 失效情况下负载的重分配模型

3．3．4 供水管网的需水量模式

3．3．5 模型的基本假设

3．3．6 算法流程

3．4 数值算例

3．4．1 数值算例概况

3．4．2 管段故障率和管网边介数的计算与对比分析

3．4．3 供水管网峰值和演变周期的计算结果与数据分析

3．4．4 关键管段的识别

3．4．5 24小时内供水管网最可靠时间段的分析

3．5 本章小结

4 基于节点／管段攻击的供水管网级联演变分析

4．1 引言

4．2 供水管网的级联演变模型参数

4．2．1 负载

4．2．2 承载力区间

4．2．3 实际配水量

4．2．4 可靠性评价

4．3 供水管网的级联演变模型

4．3．1 基于节点攻击的供水管网级联演变模型

4．3．2 基于管段攻击的供水管网级联演变模型

4．3．3 供水管网级联演变的模拟流程

4．4 数值算例

4．4．1 数值算例1概况

4．4．2 供水管网级联反应的系统可靠性演变特征

4．4．3 供水管网级联反应时间演变特征

4．4．4 供水管网系统可靠性和级联演变时间的关系

4．4．5 数值算例2计算结果与数据分析

4．4．6 数值算例3计算结果与数据分析

4．6 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点摘要

5．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介