[发明专利]一种基于GIS的城市地下电力管网系统单元模型震害预测方法

摘要

一种基于GIS的城市地下电力管网系统单元模型震害预测方法，以地下电力管网实际管道单元为计算依据，获得地下电力管网矢量数据，在单元失效概率综合分析的基础上，综合分析管段和网络系统的失效概率；采用等长度单元划分，根据经验和预测精度的要求，将预测的管网分割成等长的若干管道单元；借助GIS空间网络分析技术，建立单元概率震害预测模型方法，选择地震波强度和场地地震液化以及断层错动作为修正震害率，采用综合经验概率预测方法，建立电力管道震害分析综合失效概率模型。本发明利用GIS的空间数据分析处理功能对电力管道进行预测单元自动划分，实现管道单元震害的预测。

主权项

一种基于GIS的城市地下电力管网系统单元模型震害预测方法，其特征在于：所述电力管道单元的概率综合预测模型方法，包括以下步骤：A1、获取矢量地图，包括坐标文件、索引文件和属性文件，坐标文件用于记录空间坐标信息，坐标文件由头文件和实体信息两部分构成，索引文件包含文件的索引信息，文件中每个记录包含对应的坐标文件记录距离坐标文件的文件头的偏移量，属性文件包含一个记录的feature的特征；原始地图中至少包含管道ID号OBJECTID*，管道地理属性Shape*，管道具体名字NAME，管道段长度UnderGroundCable_Length；A2、划分管道单元，按照等长度单元划分原则对地下电力管道进行划分：①根据经验和预测精度的要求，确定一个合理的长度作为标准，将预测的管网分割成等长的若干管道单元；②对于同一个单元跨越不同的场地时，均按较软硬级别的场地取值；③穿过液化场地时，该单元是否全在液化区均按液化场地处理；不同的基本烈度区内的同一单元，按高烈度处理；A3、简化地下电力管网系统，将电力管网系统构筑物和供电管道简化为由节点和链路组成的网络，节点和链路常以一定的概率失效，根据节点和链路的逻辑关系分析得出整个电力管网系统的失效概率；A4、建立城市地下电力管道震害预测技术流程模型，通过管道单元的震害预测和不同环境分析，搭建城市地下电力管网的震害预测技术流程；A5、建立城市地下电力管道震害分析综合失效概率模型，具体模型如下：采用统计经验法，根据历史震害资料和地震动参数的统计总结出管线破坏率与各种参数的关系，利用统计得到的管道震害率R_f，单位为破坏数/km，建立震害估算公式，假设地震时沿管段L其震害发生是随机独立的，地下管线的破坏概率假定为服从泊松分布，然后由经验公式估测现有管线在未来可能遭遇地震作用的震害情况；管道单元k的震害失效概率P_f(k)：P_f(k)＝1‑[1‑P_kf(E)][1‑P_kf(L)][1‑P_kf(F)]   (1)式中P_kf(E)是地震作用造成管道单元k的破坏概率，P_kf(L)是场地地震液化作用造成管道单元k的破坏概率，P_kf(F)是断层错动造成管道单元k的破坏概率；①震动作用下管道单元的破坏概率$P_{\mathrm{kf}}\left(E\right)=\underset{I}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{kf}}\left(E\right|I).P_k\left(I\right)---\left(2\right)$式中，P_kf(E)是地震作用下管道单元k的破坏概率；P_k(I)是管道单元k在预测时间尺度内地震烈度为I的概率，可由场地地震危险性小区划得到，或由设定地震确定性地得到；P_kf(E|I)是在烈度I时地震动作用影响下管道单元k的失效概率，由下式求得：P_kf(E|I)＝1‑exp(‑R_kf(E|I)L_k)   (3)式中，L_k是管道单元k的长度(单位：km)；R_kf(E|I)是地震动作用下的修正震害率：R_kf(E|I)＝ηC_dC_gC_pR_fw(I)   (4)式中，η是接头元件影响调整系数；C_g为场地分类影响调整系数；C_p为管材影响调整系数；R_fw(I)为影响烈度为I时供电管道的震害率；C_d是结构种类的影响系数：C_d＝0.3a_D+0.7a_J   (5)式中a_D＝30/D，D(>30mm)是管道直径(mm)，a_J是接口构造范数；②场地液化作用下管道单元k的破坏概率P_kf(L)$P_{\mathrm{kf}}\left(L\right)=\underset{I}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{kf}}\left(L\right|I).P_k\left(I\right)---\left(6\right)$P_kf(L|I)是在烈度I时液化作用影响下管道单元k的破坏概率，由下式求得P_kf(L|I)＝1‑exp(‑R_kf(L|I)L_k)   (7)液化场地条件下的修正震害率R_kf(L|I)R_kf(L|I)＝C_LC_PR_fI(I)   (8)式中，C_P为管材影响系数(见表1)；C_L为液化影响系数，$C_L=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{LE}}/12& (I_{\mathrm{LE}}\≤24)\\ 2& (I_{\mathrm{LE}}>24)\end{array}\right.---\left(9\right)$I_LE为液化指数；R_fI为液化区中地下管道单元k的震害率；③断层错动作用下管道单元k的破坏概率当穿越管道单元k的断层运动超过管道单元k的允许变形时，管道单元k可能出现接口脱或管体破裂，设在给定的时间内，断层错动的累计位移均值为u₀，标准差为σ₀，则累计位移概率密度函数为$f\left(u\right)=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_0\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{u-u_0}{{\mathrm{\σ}}_0}\right)}^2]---\left(10\right)$随机变量u在(a，b)上取值，其概率为$P(a\<u\<b){\∫}_a^b\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_0\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{u-u_0}{{\mathrm{\σ}}_0}\right)}^2]\mathrm{du}---\left(11\right)$则断层错动下管道单元k产生失效的概率为$P_{\mathrm{kf}}\left(F\right)=\underset{u}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{kf}}\left(F\right|u).P\left(u\right)---\left(12\right)$式中P_kf(F|u)由管道单元k破坏位移和实际震害资料确定；A6、数据搜集和准备，根据上述震害概率综合预测模型，依据桐乡市某城区A区地下电力管道及其接头、工井等单元的原始数据，绘制数据汇总表格；A7、计算出各条管线可能遭受不同震害级别，步骤如下：①利用式(5)计算出管道结构种类的影响系数C_d[a_D,a_J]，其中a_D由管道直径确定；②将计算得到的C_d代入式(4)中，得出地震波作用下的修正震害率R_kf(E|I)；③利用式(3)，针对桐乡市某城区具体管道路段，分别选择不同地震烈度I，管道单元k和相应管道长度L_k，计算烈度I时地震动作用影响下管道单元k的失效概率P_kf(E|I)，代入式(2)，得到地震作用下管道单元k的破坏概率P_kf(E)；④利用(8)式计算液化场地条件下的修正震害率，选择不同地震烈度下的液化区修正震害率，其中液化影响系数C_L由液化指数确定；(C_L＝I_LE/12(I_LE≤24),C_L＝2(I_LE＞24))，代入公式(7)(6)最后得到场地液化作用下管道单元k的破坏概率P_kf(L)；⑤根据管道单元K的破坏位移和实际震害资料，利用式(10)，(11)，(12)计算确定断层错动作用下管道单元k的破坏概率P_kf(F)；⑥综合考虑地震作用、场地地震液化及断层错动对管道单元的破坏影响，将上述步骤计算所得到的P_kf(E),P_kf(L),P_kf(F)代入公式(1)得管道单元k的震害失效概率P_f(k)。