一种用于评价给水管网系统易损性和稳定性的新方法

一种评价水管网系统易损性和稳定性的新方法摘要人口的安全性一般也依赖于水管网系统的安全性。高质量的供水系统是必需的。这些系统的故障可能会产生巨大的社会影响。所以，水管网系统脆弱性的理论有益于追踪系统容易受损的部分，并且对提高管网稳定性有一定的指导性。本文简单的介绍了这种新方法，并以三种水管网系统为例来说明。关键词：易损性，故障，稳定性，水管，系统1简介给水系统是公共设施的一个结构性部分，而且它对总体幸福指数，公共卫生，安全的饮用水使用，经济活动和环境保护等都是至关重要的[1]。因为水市场具有天然的垄断性，管理活动必须同时包含公共建筑的经济性和以基础政策为依据的服务质量的评估，所以必须确保公平性，不可缺少性，可行性，承受力和花费的有效性[2]。降低这些比较重要的公共系统产生故障的危险性就是一个把它们的易损性作为目标的任务。针对管网系统流出物的易损性已经产生了全球性的科学研究团体。公害，人类安全，恢复力，风险和易损性在其他涉及到灾难风险性的概念中已经在不同领域用不同术语进行了表示，而且需要一种国际化标准以方便不同学科之间的协调[3]。在给水系统中前后之间的可靠性，恢复力和易损性已经在[4]被定义了并且被广泛接受，被认为是一个系统产生故障的可能性程度，从故障中恢复的迅速程度，故障之后的严重性。因此，这种可靠性通常指的是在消费者认为是非正常的工作条件下时该系统能够提供充分水量的能力[5]。同时，给水稳定性已经被定义为同时满足系统中所有节点在压力作用下的最小压力水头，而且被认为是和给水系统风险性相反的[6]。在[7]中提出了一个可以完善各种实际问题的数学模型，考虑到了配水系统的花费，漏水量和社会补偿水平的实际量与标准量。两个城市配水系统，一个在美国，一个在塞浦路斯，它们以人工情报技术(人工的中枢网络和模糊逻辑)为基础，这种技术对于对多因素故障风险性的分析工作主要针对于它们的性能评估，这已经在[8]中进行了研究。其他作者[9]已经提出了一系列耐门-苏格兰随机程序(NSRP)来表示住宅给水量，这个结合了最高日用水周期的参数化过程。这些作者已经在意大利的一个城市利用实例研究对他们的研究模型进行了确认和论证。目前的研究[10,11]中已经出现了易损性概念的应用，对于一个管道系统(WPN)而言，被初步定义为结构概念[12-14]。本文的主要目的就是简明的陈述水管网系统易损性理论(TVWPN)。用三种复杂性不断增加的WPN来支持这一描述，同时也可以说明这些复杂性是如何影响TVWPM的应用的。获得的结果强调了在水力学稳定性中冗余度的相关性。在管道系统的分析中前人的很多工作已经实施了优化问题这一方法。这就使得在非环状网中会产生一个最大流速，但是这个系统是不稳定的。这个理论与不规则的故障现象在根本上是不同的，前者主要侧重于恶化事件。TVWPN除了能够追踪到WPN的易损部分还有一个特点就是能够从一个易产生故障的方案中测试故障结果，这种方法可以用于量化该方案风险性的几率[11]。自从将引入到目前所使用的结构背景的概念中以后，当与上面的定义相比较时，TVWPN就术语而言存在着一些不。同对于易损性有了特殊的概念，它被定义为与初始损失有关的故障结果的不规则性。TVWPN中所用到的每个概念在[10]中都有详细的定义。本文的框架如下。一，TVWPN理论概念的确定。二，提出并描述了三个WPN实例，这些例子是至关重要的，因为它们进行了补充解释，并且强调了和易损性相关的重要方面。三，描述TVWPN的应用过程并且举例说明。最后，给出中心结论。2TVWPN理论概念的确定在这个研究背景下，易损性被定义为与初始损失有关的故障结果的不规则性。这个定义对于TVWPN的理解是十分重要的。根据这一观点，当一个比较小的需水量导致了一个过大的WPN故障时WPN就比较容易受到损伤。本文中提出的方法中一个重要概念就是要把一个系统看成是一系列相互作用的实体。这些实体按阶层分类，用特殊的方式连接并相互作用着。在最低水平时，用点和线组成的图表模型来表示这个系统。在WPN系统中，点就是接头，线就是管道。TVWPN的基本理论概念是：WPN基本群系(相邻节点间的管道)，WPN分枝群系(两个或更多的管道及各自节点所组成的群体)，WPN参考群系(例如贮水箱或其他给水源)，它是这样一个群，水管网与它分开，以防止整个管网故障的产生,WPN环路(例如.用来表示WPN的一种抽象方式),完整性(WPN模型质量的测量)，节点连接(η)，WPN恶化事件(例如，这种恶化事件可能是一种损失，这一损失是由在给某地输送高质量的用水时导致水量的损失的任何一种可能产生的，它可能是一个崩溃的管道，一个障碍物甚至是恶化的水质)，WPN需水量(E)(在这种情况下，它可能是会导致WPN恶化事件发生的极限值，这和管道的承载能力是成正比的)，相关用水量(Er)，分离系数(γr),WPN脆弱性指数(φ).这些概念在TVWPN中已经被定义和实施了，这是通过利用相互补充的概念得到的可以用于建筑易损性理论中的直接外推法而得到的[12-14]。这种外推法在[10]应经做出了详细的解释。3WPN实例的介绍图1中举了三种WPN(WPN1/WPN2/WPN3)的例子。将WPN贯穿全文是为了有助于理解这个方法。为了便于理解这些例子都比较简单。但是在三个例子中，其复杂程度是是根据水里点的变化而增加的。WPN1是枝状的(例如按顺序排列)，有四根管道，五个节点和一个贮水池组成，然而WPN3是环状的(例如平行排列)，由七根管道，六个节点和两个贮水箱组成。同时WPN2是混合型的(既有枝状的又有平行排列的)，它有六根管道，六个节点和一个贮水箱组成。所有的WPN管道采用的都是聚氯乙烯材料(PVC)，假定其粗糙系数为0.01mm，标准服务水头为0.6MP。在表1中给出了每个WPN管道相关的几何结构(管道的长度和直径)和水力参数(流量和水头损失)。流量和水头损失在每个WPN的前期工作中已经进行了水力计算。在图1中的数据是和表1中每个管道的代表流量相互联系的。节点用一个数字表示，管道用一个带圈的数字表示，贮水箱用带矩形框的数字表示。4TVWPN的应用程序TVWPN的应用程序包括两个主要的阶段：聚集过程和分散过程。聚集过程会产生一种WPN层级模型，目的是用于下一个阶段。分离过程的结果是帮助我们识别失败方法。在[10]对这些过程是如何完成的进行了详细的介绍。4.1聚集过程聚集过程由逐渐形成的WPN树状群组成，这里的树状群有更好的连接形式，并且与每一节点紧密地连接而不是只和WPN后续部分连接在一起。在最低水平时，它们利用原始集群开始并且完成；在最高水平时则要利用整个的WPN管道其中包括贮水箱。这是一个选择性过程，它需要5个类聚准则来决定后面的在每一级定义下形成的WPN枝状网。因此将这五个类聚准则呈列于下：最小总水头损失(ΔHmin)；最大需水量(Emax)；最大的节点连通性(ηmax)；从贮水箱开始的距离(DISmax)；基点(Fc)。它还是一个按步骤建立起来的循序渐进的过程。在第一个阶段，这些备选项目只包括叶集群(或初始集群)，在其他阶段，它们就包含了叶集群和分枝集群。对于总水头损失(ΔH)；需水量(E)；节点连接性(η)和从贮水箱开始的距离(DiS)的易损性的每一个备选参数都进行了量化。在每一步中，一个新的树状网的形成应用的是依赖于上述方法的类聚准则。在图2-4中以图解的形式对三种WPN管网例子分别进行了说明。我们可能会注意到在每个图中这些备选条件在每个阶段中都会形成新的树状网。在这些图中树状群全都以管道的形式进行确定(例如一个带圈的数字)，并且考虑了管道和贮水箱的数量。例如，在WPN1中有四个管线和一个贮水箱，然而在图2a中第一种形式的树状集群的数量为6。在类聚过程中，通常含有多余一种的管道，以便形成一个初始类聚群或者或者增加一个平行的管群来建立一个新的WPN树状网。这种选择性是从第一个类聚准则开始的。在这些备选的新WPN树状网中，这些过程会选择具有最小总水头损失的备选情况，例如应用ΔHmin标准。可以假设有一个更小的总水头损失来帮助我们得到一个高质量的WPN系统。当我们找到多余一个的WPN树状群再将它们紧密衔接以使它们达到相同水平的总水头损失，然后再进行第二个类聚准则Emax的分析，它被用来做出判断和决定。假设有一个更大的需水量来间接暗示我们WPN管道是一个高质量的体系且更加不易损坏。因此选择具有更高水平的需水量。如果后面还有更多的WPN管群，那么在这个阶段，即第三个类聚准则ηmax必须保证遵循那些保留下来的可能的新WPN树状网的选择性。一个好的衔接性就是一个高质量体系的指示物且是具有更小易损性的WPN管网。基于上述观点，将那些保留下来的备选条件组织在一起，而这些备选条件都是因为具有最高质量的节点衔接性才被选择的。当第三个备选条件不能做出选择时，将会产生第四个备选条件DISmax。在这个条件下，WPN树状网的设计距离是从注水箱到最不利用水点的距离。可以假设远离给水源的WPN树状网不易被损坏，那是因为就给水而言，它的变化将会产生更小的影响。在这里将从贮水箱的距离定义为保证水量满足整个WPN树状网的最小设计距离。从水箱开始测量整个管线的长度。如果上述的四种类聚条件还是不能做出选择的话，就说明所有的WPN管线都是高质量体系，同时最后一个判断条件Fc就被提出来了。类聚过程允许定义一个WPN系统的层级模型，这是一个对WPN进行选择性描述的模型，认为该模型对实际的易损性方法具有决定性。这个层级模型从最低水平开始然后逐步上升。在类聚过程中形成的WPN树状网在前面的集群中已经进行了明确的定义。同时，WPN环状图形代表了WPN树状网，并且还展示出了用于备选条件的类聚准则。WPN系统出现层级模型底部的那部分比出现在模型图较高位置的那部分有更好的体系。这些模型对于TVWPN另一个阶段(分散过程)的应用来说是一个基础。图5分别展示了WPN1、WPN2、WPN3的分级模型结果。这些分级模型同时也补充了上述的解释。4.2分散过程分散过程利用以一个WPN的分散模型为根据来研究WPN的易损性方案。针对整个现存的WPN树状网，分类模型被从高到低依次分解。因为产生了恶化事件而使而使整个树状群系被依次分开，直到树状群或者整个WPN系统完全不起作用为止。在整个恶化事件之后，WPN树状群便会发生变化，它对重新组建和确定一个符合已被破坏的WPN树状网的新分类模型很重要。这说明分解过程一个重复性过程，同时也是一个相互作用的过程，因为它还需要与类聚过程相互作用[11]。根据失误方案的引导性研究，分解过程的应用主要如下：一个群系不是参考组(贮水箱)，NR;它与参考系CD直接连接；它是一个叶状群而不是一个WPN树状网LC；它有更高的水头损失SΔH；它有最小的需水量SE；它被最后一个聚合起来CL；自由选择性FC。简单地说，在这个研究阶段，参考系(贮水箱)的水量损失不包含在内。如果一个管道直接与贮水箱连接，那么它的水头损失很可能会产生一种不规则的结果。这被认为是发生在叶状群系中的恶化事件而不是树状群系。这种用一个分级模型来代表一个系统的方法已被开始接受，并被用于生物学分级模型中。这个过程要求大幅度降低可能失败的方案的数量以便于分析那些可能出现在WPN系统中的故障。图5还暗示了每个WPN的分离过程应用的情况。例如在WPN1中，树状群9是第一个被分开的，它的分支群有5和8，就像两个孩子一样。分支5是参考组不能被破坏，而分支8是可选择的(NR)。分支8又有像孩子一样的两个分支1和7，分支1直接与参考系(CD)相连，在图1a中可以发现，分支1还是一个起始分支，它能够承受这些故障，因而是第一个发生恶化事件的(T1)。WPN1没有管道1的话是完全不起作用的(例如，它将无法向任何一个节点提供高质量的用水)，因而树状群9的分解也就结束了。但是这一过程还是在进行着，在分级模型中该过程主要针对目前还存在的树状网的剩余部分，同时还执行着相似的过程(例如，寻找一套研究方法并且找到恶化事件)。图6-8以图解形式分别总结了WPN1、WPN2、和WPN3