攻博研究
隧道机电设施运营安全韧性等级分析
一、课题主要研究内容
以某省市隧道定期检查项目为例，将韧性理论引入隧道机电设施运营系统，通过文献研究法，结合历年来我国各地因为机电设施故障发生事故的成因，分析影响隧道机电设施运营系统韧性的主要因素，建立了隧道机电设施韧性评估指标体系,该体系包括监控与通信设施、照明设施、通风设施、消防设施、供配电设施4个一级指标及相应的70个二级指标,基于序关系分析法和熵权法相结合的组合赋权法确定韧性指标权重（或利用shapley值法确定指标体系中各级指标的权重）。通过可拓学评价方法,对评价对象进行物元化,建立了可拓模型的隧道机电设施故障韧性评估模型,根据评估结果确定隧道机电设施评价等级，以某省份隧道为例进行隧道机电设施韧性评估对比实际，看是否可行。
二、课题调研
王晗等针对电气互联系统受到地震灾害时系统的韧性评估进行研究。该方法有效评估了电气互联系统韧性，同时针对电气互联系统韧性评估结果，提出提升韧性的方法。
韩林等对电力网络的毁伤韧性进行评估，该方法可以精准评估电力网络毁伤韧性，但是存在评估效率低的缺陷，容易受电力网络海量数据影响。
对于NGPNS，已有较多研究建立了相关评价指标，包括将机械可靠性、水力可靠性、供气可靠性相结合作为管网功能可靠性的评价指标；将单元可靠性、网络可靠性相结合作为管网综合可靠性的评价指标；基于可靠度定义的评价指标，也可对管网系统的部分组件进行可靠性评价。
欧盟能源联合研究中心以乌克兰供气中断为例，通过冬季供气损失来评价欧盟及其成员国天然气供应链的脆弱性；欧洲天然气管网的脆弱性分析将水力要素与经济要素相结合，采用情景分析法进行供气脆弱性的指标构建。二是从单元相互作用出发，针对管网系统内的局部脆弱性，结合系统工程与统计物理学理论，提出局部脆弱性评价指标，涉及的方法包括多智能体建模仿真、系统条件熵计算及逾渗理论等。
Ip等基于复杂网络理论提出轨道系统可靠通道的韧性评价指标，根据该指标的加权平均值评估节点韧性，再以节点韧性加权总和量化路网韧性。
Dunn等选择最大连通图、平均最短路径等拓扑指标评估航空网络的系统韧性。
徐锦强等选择拓扑指标和交通指标对城市道路路网韧性进行综合评价，发现结合交通特性指标的路网韧性评价能更客观地反映路网实际性能。
Bocchini等将总出行时间和出行距离作为系统性能指标，以实现道路网络韧性最大化为目标进行路网修复策略研究。
Pratelli等以速度为道路交通性能指标，将韧性指数定义为随时间变化，实际速度面积和限速面积的比值。
Omer等考虑出行时长、环境影响和出行成本3个因素对网络出行总时间的影响，以出行时间作为系统性能指标分析路网层面交通网络韧性。
Hsieh等对遭受自然灾害事件扰动的台湾高速公路网韧性进行评估。
Begum等从气候变化的视角提出区域公路网韧性提升的 建议和评估标准。
Xiao等探究地震灾害对交通基础设施破坏的程度。
Chu 等就如何提升易受地震影响的公路桥梁系统韧性进行了探讨。
Zhu等针对飓风艾琳和桑迪的侵袭探讨纽约市交通基础设施 系统的韧性。
Kasmalkar等量化洪水对城市交通系统造成的破坏程度，以此提升城市交通系统的韧性。
Bruyelle等在对城市轨道交通系统韧性的研究中考虑恐怖袭击事件的影响。
Zhong等评估了遭受交通事故影响的广州机场高速公路的交通系统韧性。
Tang从交通系统韧性的视角研究道路交通拥堵的治理策略。
Almotahari等对构建的150个不同拓扑网络进行不同拥堵水平的测试，以筛选出最能表征网络韧性的指标，并在发生交通 拥堵的城市路网进行实例验证。
Khaghani等采用多维指标表征道路网络的韧性，利用加利福尼亚州洛杉矶主要高速公路数据分析路网在高峰时段对常 发性交通拥堵的抵御能力。
Testa等构建美国纽约高速公路网拓扑模型，选择平均节点度、聚类系数、中介中心性等拓扑指标为评价指标，分析随机移除节点或连线后路网的韧性。
Zhang等利用北京和深圳GPS数据分析不同城市交通拥堵影响下道路网络韧··性的特征和区别，为交通管理部门提供理论依据。
Akbarzadeh等以伊朗伊斯法罕市的道路网为例，探讨交通流、节点中心性、节点重要度之间的关 联性，为城市路网规划和交通管理提供重要依据。
三、项目技术路线
首先，确定隧道机电设施为评估对象，包括隧道机电设备的类型、规模、功能等信息；其次，收集相关数据，包括网络拓扑结构、节点属性、边权重等信息；然后，进行网络建模，采用适当的数学模型对网络进行描述和分析;接着，进行韧性评估，通过模拟网络攻击、故障等情况，评估网络的韧性和可靠性；最后，根据评估结果，提出相应的改进措施提高网络的韧性和可靠性。以某省份隧道为例进行隧道机电设施韧性评估对比实际，看是否可行。
隧道机电设施韧性评价应包括下列内容:
（1）集成评价对象的有效机电设施信息，应包括机电设备的性能指标、设计参数等；
（2）建立评价对象的结构模型，融合复杂网络(CN)与功能共振分析方法(FRAM)的CN-FRAM运营安全韧性度量模型,并将系统韧性定义为扰动下系统性能损失与性能基线之比.首先,根据设备设施系统构成和节点功能,建立CN;其次,将FRAM模型嵌入到CN中,以扩展节点和连接,构建CN-FRAM模型;然后,基于CN-FRAM韧性度量模型分析系统组件之间功能变化的聚合,并在量化系统韧性时综合考虑网络整体效益和组件之间的耦合程度。对于既有隧道，根据历年定期检查数据、专家评价、智能监测设备物联传感器、巡检机器人等、深度学习预测模型等测试数据进行模型修正；
（3）应由模型分析结果中提取设备故障因素参数；
（4）应根据故障因素参数，结合设备易故障数据库，确定评价隧道机电设施整体损伤状态；
（5）应根据评价对象隧道机电设施的损伤状态，计算修复费用、修复时间和修复程度；
（6）应根据评价对象修复费用、修复时间和修复程度指标，综合评价其机电设施运营安全韧性等级。
一、课题主要研究内容
以某省市隧道定期检查项目为例，将韧性理论引入隧道机电设施运营系统，通过文献研究法，结合历年来我国各地因为机电设施故障发生事故的成因，分析影响隧道机电设施运营系统韧性的主要因素，建立了隧道机电设施韧性评估指标体系,该体系包括监控与通信设施、照明设施、通风设施、消防设施、供配电设施4个一级指标及相应的70个二级指标,基于序关系分析法和熵权法相结合的组合赋权法确定韧性指标权重（或利用shapley值法确定指标体系中各级指标的权重）。通过可拓学评价方法,对评价对象进行物元化,建立了可拓模型的隧道机电设施故障韧性评估模型,根据评估结果确定隧道机电设施评价等级，以某省份隧道为例进行隧道机电设施韧性评估对比实际，看是否可行。
二、课题调研
王晗等针对电气互联系统受到地震灾害时系统的韧性评估进行研究。该方法有效评估了电气互联系统韧性，同时针对电气互联系统韧性评估结果，提出提升韧性的方法。
韩林等对电力网络的毁伤韧性进行评估，该方法可以精准评估电力网络毁伤韧性，但是存在评估效率低的缺陷，容易受电力网络海量数据影响。
对于NGPNS，已有较多研究建立了相关评价指标，包括将机械可靠性、水力可靠性、供气可靠性相结合作为管网功能可靠性的评价指标；将单元可靠性、网络可靠性相结合作为管网综合可靠性的评价指标；基于可靠度定义的评价指标，也可对管网系统的部分组件进行可靠性评价。
欧盟能源联合研究中心以乌克兰供气中断为例，通过冬季供气损失来评价欧盟及其成员国天然气供应链的脆弱性；欧洲天然气管网的脆弱性分析将水力要素与经济要素相结合，采用情景分析法进行供气脆弱性的指标构建。二是从单元相互作用出发，针对管网系统内的局部脆弱性，结合系统工程与统计物理学理论，提出局部脆弱性评价指标，涉及的方法包括多智能体建模仿真、系统条件熵计算及逾渗理论等。
Ip等基于复杂网络理论提出轨道系统可靠通道的韧性评价指标，根据该指标的加权平均值评估节点韧性，再以节点韧性加权总和量化路网韧性。
Dunn等选择最大连通图、平均最短路径等拓扑指标评估航空网络的系统韧性。
徐锦强等选择拓扑指标和交通指标对城市道路路网韧性进行综合评价，发现结合交通特性指标的路网韧性评价能更客观地反映路网实际性能。
Bocchini等将总出行时间和出行距离作为系统性能指标，以实现道路网络韧性最大化为目标进行路网修复策略研究。
Pratelli等以速度为道路交通性能指标，将韧性指数定义为随时间变化，实际速度面积和限速面积的比值。
Omer等考虑出行时长、环境影响和出行成本3个因素对网络出行总时间的影响，以出行时间作为系统性能指标分析路网层面交通网络韧性。
Hsieh等对遭受自然灾害事件扰动的台湾高速公路网韧性进行评估。
Begum等从气候变化的视角提出区域公路网韧性提升的 建议和评估标准。
Xiao等探究地震灾害对交通基础设施破坏的程度。
Chu 等就如何提升易受地震影响的公路桥梁系统韧性进行了探讨。
Zhu等针对飓风艾琳和桑迪的侵袭探讨纽约市交通基础设施 系统的韧性。
Kasmalkar等量化洪水对城市交通系统造成的破坏程度，以此提升城市交通系统的韧性。
Bruyelle等在对城市轨道交通系统韧性的研究中考虑恐怖袭击事件的影响。
Zhong等评估了遭受交通事故影响的广州机场高速公路的交通系统韧性。
Tang从交通系统韧性的视角研究道路交通拥堵的治理策略。
Almotahari等对构建的150个不同拓扑网络进行不同拥堵水平的测试，以筛选出最能表征网络韧性的指标，并在发生交通 拥堵的城市路网进行实例验证。
Khaghani等采用多维指标表征道路网络的韧性，利用加利福尼亚州洛杉矶主要高速公路数据分析路网在高峰时段对常 发性交通拥堵的抵御能力。
Testa等构建美国纽约高速公路网拓扑模型，选择平均节点度、聚类系数、中介中心性等拓扑指标为评价指标，分析随机移除节点或连线后路网的韧性。
Zhang等利用北京和深圳GPS数据分析不同城市交通拥堵影响下道路网络韧··性的特征和区别，为交通管理部门提供理论依据。
Akbarzadeh等以伊朗伊斯法罕市的道路网为例，探讨交通流、节点中心性、节点重要度之间的关 联性，为城市路网规划和交通管理提供重要依据。
三、项目技术路线
首先，确定隧道机电设施为评估对象，包括隧道机电设备的类型、规模、功能等信息；其次，收集相关数据，包括网络拓扑结构、节点属性、边权重等信息；然后，进行网络建模，采用适当的数学模型对网络进行描述和分析;接着，进行韧性评估，通过模拟网络攻击、故障等情况，评估网络的韧性和可靠性；最后，根据评估结果，提出相应的改进措施提高网络的韧性和可靠性。以某省份隧道为例进行隧道机电设施韧性评估对比实际，看是否可行。
隧道机电设施韧性评价应包括下列内容:
（1）集成评价对象的有效机电设施信息，应包括机电设备的性能指标、设计参数等；
（2）建立评价对象的结构模型，融合复杂网络(CN)与功能共振分析方法(FRAM)的CN-FRAM运营安全韧性度量模型,并将系统韧性定义为扰动下系统性能损失与性能基线之比.首先,根据设备设施系统构成和节点功能,建立CN;其次,将FRAM模型嵌入到CN中,以扩展节点和连接,构建CN-FRAM模型;然后,基于CN-FRAM韧性度量模型分析系统组件之间功能变化的聚合,并在量化系统韧性时综合考虑网络整体效益和组件之间的耦合程度。对于既有隧道，根据历年定期检查数据、专家评价、智能监测设备物联传感器、巡检机器人等、深度学习预测模型等测试数据进行模型修正；
（3）应由模型分析结果中提取设备故障因素参数；
（4）应根据故障因素参数，结合设备易故障数据库，确定评价隧道机电设施整体损伤状态；
（5）应根据评价对象隧道机电设施的损伤状态，计算修复费用、修复时间和修复程度；
（6）应根据评价对象修复费用、修复时间和修复程度指标，综合评价其机电设施运营安全韧性等级。
