城市地下生命線運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及評(píng)估方法研究現(xiàn)狀及展望

肖海洋 冉奧博 劉克會(huì) 李金林

摘 要：城市地下生命線是城市賴以運(yùn)行的基礎(chǔ)。綜合前人的研究把城市地下生命線系統(tǒng)劃分為給排水、燃?xì)饧笆蛡鬏?、地下電纜和地下交通這四大類(lèi)子系統(tǒng)。詳細(xì)闡釋各個(gè)子系統(tǒng)日常運(yùn)行中風(fēng)險(xiǎn)因素的具體表現(xiàn)，總結(jié)了針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)的代表性研究成果，據(jù)此分析未來(lái)研究趨勢(shì)。強(qiáng)調(diào)了涉及多系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)因素表現(xiàn)及現(xiàn)在的研究情況。對(duì)定性類(lèi)、定量類(lèi)及智能技術(shù)類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法做了綜述。未來(lái)的研究將向應(yīng)用智能技術(shù)類(lèi)方法做綜合風(fēng)險(xiǎn)分析、多系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：城市地下生命線 風(fēng)險(xiǎn)因素 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法 文獻(xiàn)綜述

中圖分類(lèi)號(hào)：X4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0139-02

目前城市化在不斷的推進(jìn)，已有城市規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，形成許多“巨無(wú)霸”城市。日本東京、美國(guó)紐約、中國(guó)北京、上海等城市都有超過(guò)700 km2的土地，900萬(wàn)以上的人口。地下生命線流淌著整個(gè)城市賴以運(yùn)行的電力、水、燃?xì)狻⑿畔⒌取俺鞘醒骸?，承載著無(wú)比艱巨的任務(wù)。處于地面以下或埋在土地之中的維系城市與區(qū)域經(jīng)濟(jì)功能的給排水、供氣、供暖、交通、通訊、電力等系統(tǒng)統(tǒng)稱為“城市地下生命線”。

地下生命線的安全問(wèn)題關(guān)系城市正常運(yùn)行。美國(guó)紐約1977年斷電25 h、日本“3.11”大地震、北京“7.21”特大暴雨給平時(shí)被人們忽略的地下生命線造成了極大的破壞，它們的失效使得整個(gè)城市的運(yùn)行陷入停頓與混亂。其實(shí)不論城市的大小，現(xiàn)代城市對(duì)于地下生命線的穩(wěn)定運(yùn)行都具有極大的依賴性。因?yàn)槌鞘械叵律€具有不可進(jìn)入性和不可見(jiàn)性，日常檢測(cè)、維護(hù)和維修極為困難，出現(xiàn)故障后也常常因?yàn)樾迯?fù)不及時(shí)而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的二次危害。城市地下生命線是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，具有公共性高、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，風(fēng)險(xiǎn)性大的特點(diǎn)。地下生命線系統(tǒng)一般有多種系統(tǒng)或者工程結(jié)構(gòu)組成，其中每一個(gè)子系統(tǒng)又包含有不同的建筑組成以及設(shè)施構(gòu)件，它們?cè)诳臻g上縱橫交錯(cuò)，在功能上互相依存，形成一個(gè)高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因此，研究城市地下生命線并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是極有意義的。

1 城市地下生命線各子系統(tǒng)劃分及其風(fēng)險(xiǎn)因素

城市地下生命線系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的巨系統(tǒng)，為了對(duì)其作風(fēng)險(xiǎn)分析，需要進(jìn)行子系統(tǒng)劃分。李亞蘭（2003）從工程技術(shù)角度將城市地下管線劃分為城市地下管道子系統(tǒng)和城市地下電纜子系統(tǒng)兩大類(lèi)，每一個(gè)子系統(tǒng)包括若干小類(lèi)。城市地下生命線除了地下管線之外，還應(yīng)該包括地下交通子系統(tǒng)。同時(shí)，城市地下管道子系統(tǒng)涵蓋種類(lèi)眾多，為此本文將城市地下生命線子系統(tǒng)劃分為：給排水子系統(tǒng)、燃?xì)饧笆蛡鬏斪酉到y(tǒng)、地下電纜子系統(tǒng)、地下交通子系統(tǒng)，并針對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析。

1.1 給排水管網(wǎng)子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素

城市給排水系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，我國(guó)首個(gè)供水工程出現(xiàn)在1879年，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家則更早；排水系統(tǒng)的出現(xiàn)要早于供水系統(tǒng)。

給水管網(wǎng)所受到的風(fēng)險(xiǎn)因素主要是腐蝕、管內(nèi)壓力不均、地面沉降、地震及施工誤操作。給水管網(wǎng)的內(nèi)外壁均會(huì)形成腐蝕，不僅縮短管道壽命而且會(huì)影響水質(zhì)，腐蝕的種類(lèi)也多種多樣。Srikanth等（2005）深入調(diào)查了給水管道頻繁失效的原因，發(fā)現(xiàn)在管道周?chē)临|(zhì)呈中性的情況下，瀝青涂層低碳鋼管道與突然之間存在明顯的電勢(shì)差，形成雜散電流，造成嚴(yán)重的電腐蝕。管道的塑性形變難以滿足地面或者地基沉降的位移時(shí)，管道就會(huì)拉裂斷開(kāi)。相較而言，地震是突然之間發(fā)生巨大的位移，破壞更大。

給水系統(tǒng)與排水系統(tǒng)是城市水循環(huán)的入口與出口，兩者在研究方法及風(fēng)險(xiǎn)因素上相似之處很多。給排水管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)及排水管網(wǎng)的洪澇風(fēng)險(xiǎn)依舊會(huì)是將來(lái)的研究重點(diǎn)。

1.2 燃?xì)饧笆蛡鬏敼芫W(wǎng)子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素

燃?xì)夤芫W(wǎng)與石油管網(wǎng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到民生、國(guó)防的諸多方面。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)天然氣和石油的需求量越來(lái)越大，針對(duì)相關(guān)管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的研究極為必要。

導(dǎo)致燃?xì)夤艿佬孤都捌屏咽鹿实娘L(fēng)險(xiǎn)因素主要有內(nèi)外腐蝕、機(jī)械故障及施工缺陷、地球運(yùn)動(dòng)及自然災(zāi)害、人為破壞，其中腐蝕及第三方人為破壞是造成事故最多的原因。石油管網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)誘因和燃?xì)夤芫W(wǎng)大致相同，腐蝕及人為破壞同樣是主要風(fēng)險(xiǎn)誘因，但是與燃?xì)庀啾?，石油更加容易被盜竊。作為最為重要的能源供應(yīng)管網(wǎng)系統(tǒng)，燃?xì)夂褪凸芫W(wǎng)在現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究中熱度持續(xù)上升，各方面的研究充足，方法應(yīng)用研究也很深入，今后進(jìn)一步的定量化以及和其他管網(wǎng)系統(tǒng)一起做關(guān)聯(lián)研究將是一種趨勢(shì)。

1.3 地下電纜子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素

城市由于內(nèi)部空間有限，電纜主要分布于地下。城市地下電纜擔(dān)負(fù)著兩個(gè)主要的功能：能源傳輸及信息傳送，分別被稱為電力電纜和電信電纜。

電力電纜容易出現(xiàn)的故障有三種：開(kāi)路故障，低阻故障和高阻故障，導(dǎo)致這些故障的風(fēng)險(xiǎn)因素主要有：過(guò)載，絕緣受潮或老化，機(jī)械損傷和設(shè)計(jì)缺陷。Vít和Tomá（2010）通過(guò)控制材料、輻射強(qiáng)度及溫度進(jìn)行了加速老化對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)模擬使用10年的電纜老化情況，機(jī)械性能測(cè)試證實(shí)溫和老化條件組與現(xiàn)實(shí)密切符合。羅俊華等（2003）統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)126家電纜運(yùn)行維護(hù)單位近5年的數(shù)據(jù)，外力破壞占電纜故障總數(shù)的的58%。

21世紀(jì)是信息世紀(jì)，電信電纜是信息有線傳輸?shù)纳€，每年都有兩位數(shù)的增長(zhǎng)。電信電纜也是依賴電信號(hào)來(lái)傳遞信息，不過(guò)電壓相比于電力電纜要低得多。它們主要的風(fēng)險(xiǎn)因素是第三方破壞及腐蝕老化，但是專(zhuān)門(mén)針對(duì)這些來(lái)做研究的極少。徐勛建（2007）認(rèn)為外力破壞、腐蝕老化、設(shè)計(jì)缺陷等會(huì)導(dǎo)致通信電纜特性變化、斷線、接地和短路等故障，電橋法和TDR可以較準(zhǔn)確的探測(cè)低阻及短路故障，采用TEDR探測(cè)高阻和閃絡(luò)性故障較好，SSTDR在線監(jiān)測(cè)則是未來(lái)故障探測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。光纜也是一類(lèi)重要的地下通信生命線，但是光纜采用的是光信號(hào)傳遞信息，并不屬于地下電纜范疇。光纜故障主要包括因人為破壞或者天氣原因造成的中斷性故障，因材料雜質(zhì)和彎曲角度過(guò)大造成的損耗性故障；對(duì)于海底光纜，漁業(yè)活動(dòng)及海底腐蝕是主要的風(fēng)險(xiǎn)因素。

電力是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基石，對(duì)于高壓乃至超高壓電力穩(wěn)定傳輸?shù)难芯咳匀粫?huì)是以后的熱點(diǎn)。地下供電管線周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生復(fù)雜的電磁場(chǎng)，造成關(guān)聯(lián)影響。同時(shí)，新技術(shù)也在電力傳輸領(lǐng)域飛速發(fā)展，高溫超導(dǎo)電纜正在一步步攻克進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。無(wú)線輸電技術(shù)則可能徹底擺脫現(xiàn)在的風(fēng)險(xiǎn)因素，使未來(lái)世界的面貌發(fā)生巨大的變化。

1.4 地下交通子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素

地下交通系統(tǒng)方面研究比較多的是大型城市地鐵網(wǎng)。地鐵系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素較為復(fù)雜，既包括地震、火災(zāi)等自然災(zāi)害，也包括建筑結(jié)構(gòu)問(wèn)題、運(yùn)營(yíng)控制系統(tǒng)問(wèn)題，人為恐怖襲擊也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。但這些是截然不同領(lǐng)域的研究問(wèn)題。

Youssef等（2001）認(rèn)為從歷史上來(lái)看，地鐵等地下設(shè)施被破壞率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地面設(shè)施，但是一旦出現(xiàn)地震就會(huì)產(chǎn)生巨大災(zāi)難，地震時(shí)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)必須要經(jīng)受靜態(tài)負(fù)荷以及地震負(fù)荷；他們開(kāi)發(fā)了包括峰值加速度與速度、目標(biāo)反應(yīng)譜、地面運(yùn)動(dòng)情況在內(nèi)的參數(shù)體系，對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的抗震負(fù)載能力進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估。姚宣德和王夢(mèng)?。?005）對(duì)地鐵系統(tǒng)工程進(jìn)行綜合考慮，區(qū)分歸納了從立項(xiàng)決策、設(shè)計(jì)施工到運(yùn)營(yíng)的七大類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)。他們分析了各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)之間的相互影響，建立了包括風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)、專(zhuān)家咨詢系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)在內(nèi)的地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估總體框架。

現(xiàn)在的研究主要集中于災(zāi)害等突發(fā)事件對(duì)地鐵隧道及地鐵運(yùn)營(yíng)的影響、地鐵設(shè)計(jì)建設(shè)中的風(fēng)險(xiǎn)。隨著地下設(shè)施結(jié)構(gòu)方面研究的逐漸成熟，對(duì)于地鐵內(nèi)部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素管理以及運(yùn)營(yíng)調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)注將會(huì)逐漸成為主流。

1.5 涉及多系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)因素

地下錯(cuò)綜復(fù)雜的各類(lèi)生命線之間會(huì)相互影響造成關(guān)聯(lián)破壞。這不是單一的風(fēng)險(xiǎn)因素，而是由于系統(tǒng)整體性的特點(diǎn)，內(nèi)外環(huán)境相互影響而造成的風(fēng)險(xiǎn)因素。由于城市地下生命線之間關(guān)聯(lián)度極高，因此，關(guān)聯(lián)破壞是極有可能發(fā)生的。Obanijesu（2009）在分析西非天然氣管道建設(shè)時(shí)，就將火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、污染、氣候變化等考慮在管道故障之內(nèi)。

本文認(rèn)為關(guān)聯(lián)破壞包含初、中、高三個(gè)層次。初級(jí)層次，單個(gè)子系統(tǒng)（供水、燃?xì)?、石油等）?nèi)部相互聯(lián)系而產(chǎn)生的破壞。第二層次，整個(gè)管網(wǎng)各子系統(tǒng)之間，也就是供水、供電、燃?xì)獾裙艿乐g聯(lián)系，產(chǎn)生的一方破壞而引發(fā)另一方破壞；如將石油管道和輸氣管道聯(lián)系聯(lián)系分析，石油管道與供水管道結(jié)合分析。最高層次，以管網(wǎng)為整體，與整個(gè)城市運(yùn)行體系之間聯(lián)系而產(chǎn)生的破壞；如將供水管網(wǎng)和自然環(huán)境、工業(yè)污染聯(lián)系起來(lái)，將供水系統(tǒng)置于整個(gè)大都市現(xiàn)狀背景下來(lái)看?，F(xiàn)行研究中，初級(jí)層次研究最多，多使用數(shù)學(xué)模型對(duì)子系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。不僅城市生命線是一個(gè)系統(tǒng)，整個(gè)城市運(yùn)行體系更是一個(gè)大系統(tǒng)，管網(wǎng)附近的建筑物或公共事業(yè)工程之間的相互關(guān)系都是關(guān)聯(lián)破壞的研究范疇。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

2.1 定性類(lèi)方法

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代的美國(guó)，50年代末期安全系統(tǒng)工程的興起推動(dòng)了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。70年代末，安全系統(tǒng)工程被引入中國(guó)，進(jìn)入探索階段。相對(duì)于定量分析，定性分析更注重因果關(guān)系分析，重點(diǎn)明確。Jia等（2011）綜合灰度關(guān)聯(lián)理論以及層次分析法，提出了多層次灰度關(guān)聯(lián)分析法，用來(lái)評(píng)價(jià)天然氣管道網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)實(shí)例研究，具有較好的適用性。韓朱旸（2010）使用肯特法建立了燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，先將指標(biāo)體系按照脆弱性、事故誘因、事故后果分為了三大類(lèi)，再層層細(xì)分為小類(lèi)，并對(duì)該方法的優(yōu)劣進(jìn)行了評(píng)判。

相較于古典統(tǒng)計(jì)學(xué)，灰色理論在解決多元復(fù)雜系統(tǒng)不確定性問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出了極強(qiáng)的適應(yīng)性。由于生命線系統(tǒng)的復(fù)雜性，很多問(wèn)題難以定量分析；而定性分析適用范圍廣泛，但不能給出精確的結(jié)果，在生命線風(fēng)險(xiǎn)研究中很少完全依賴定性方法。

2.2 定量類(lèi)方法

由于城市地下生命線的高度復(fù)合性，現(xiàn)階段定量分析往往在子系統(tǒng)的特定分析中采用，比如使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中成熟的模型對(duì)海底輸油管道泄露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。故障樹(shù)分析法是演繹的系統(tǒng)安全分析法，是從事故開(kāi)始層層分析其發(fā)生原因；并且是在復(fù)雜不確定系統(tǒng)定量分析中，最為常用的一種方法。Dong和Yu（2005）對(duì)事故樹(shù)分析法做出了改進(jìn)，他們不是把基本事件的概率看成精確值，而是結(jié)合專(zhuān)家打分法和模糊理論，對(duì)基本事件的概率進(jìn)行了重新界定；在石油和燃?xì)夤艿雷罨镜膬蓚€(gè)失效因素—— 泄露和破裂的基礎(chǔ)上，他們建立了一個(gè)具有55個(gè)最小割集的事故樹(shù)，進(jìn)一步做了定量分析。馮永青（2006）等采用可信性理論方法，在同時(shí)考慮隨機(jī)性與模糊性的情況下，對(duì)電力系統(tǒng)做了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，歸納了電力系統(tǒng)的八種具體的風(fēng)險(xiǎn)誘因，在此基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)定量描述。

大部分定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)性給予量化描述；定量類(lèi)方法以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用較為復(fù)雜。有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法必須能夠識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，判斷系統(tǒng)承受能力，確定概率，推斷后果，評(píng)價(jià)危害。定量類(lèi)會(huì)越來(lái)越傾向于采用計(jì)算機(jī)模塊化處理，逐步與智能技術(shù)相結(jié)合。

2.3 智能技術(shù)類(lèi)方法

智能技術(shù)在處理復(fù)雜運(yùn)算方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)的完善，很多簡(jiǎn)單方法無(wú)法解決的難題可以在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行模擬。智能技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用方面現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟，現(xiàn)在應(yīng)用的比較多的有GIS技術(shù)、3D技術(shù)、蒙特卡洛模擬、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)理論等。Ho等（2010）則把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GIS技術(shù)進(jìn)行了集成，通過(guò)該方法可以判斷在不同的管徑、管材、震級(jí)下管道可靠性。Ouk和Dong（2006）先用一階可靠性方法和二階可靠性方法來(lái)評(píng)估管道可靠性與失效率，再使用蒙特卡洛模擬來(lái)評(píng)估這兩種方法的有效性，指出影響管道失效概率的因素。

人工智能方法多以巨大的數(shù)據(jù)量為支撐，借助計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算能力和可視化輸出，獲得通過(guò)常規(guī)方法難以得到的結(jié)果。智能技術(shù)能把定性與定量方法結(jié)合起來(lái)，在涉及到復(fù)雜和高度非線性問(wèn)題時(shí)也能找到解決方案。這種方法在今后對(duì)地下生命線研究中將會(huì)被越來(lái)越廣泛的使用。

3 結(jié)論與展望

城市地下生命線系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，不僅涵蓋子系統(tǒng)范圍廣，而且會(huì)受到各種自身及周?chē)h(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素影響，造成破壞或者失效。除此之外，子系統(tǒng)之間也會(huì)發(fā)生關(guān)聯(lián)影響，造成更大范圍、更加長(zhǎng)久乃至更加嚴(yán)重的傷害?，F(xiàn)在對(duì)于城市地下生命線各個(gè)分支的研究數(shù)量很多，但是一般都是研究的較為簡(jiǎn)單的情形，而現(xiàn)實(shí)中的情形往往要比這些復(fù)雜得多。

城市地下生命線風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估需要融合多學(xué)科知識(shí)體系，不僅包括市政工程、建筑、電力技術(shù)、統(tǒng)計(jì)等知識(shí)，也需要把工程技術(shù)、城市管理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等知識(shí)結(jié)合到一起。在研究的過(guò)程中，也會(huì)有很多新知識(shí)、新方法的產(chǎn)生，促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展?？傮w來(lái)看，現(xiàn)在這一領(lǐng)域中國(guó)學(xué)者的研究與國(guó)際水平基本同步，但是大部分都是沿用國(guó)外的方法與思路，創(chuàng)新性研究及原始方法研究不多。不過(guò)，相信隨著國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域研究的逐漸深入，會(huì)有越來(lái)越多的創(chuàng)新性方法與思路逐步出現(xiàn)。

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