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技术方案

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。本发明专利技术利用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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】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。本专利技术利用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。【专利说明】-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
本专利技术涉及一种地理信息数据处理、计算机应用领域，地理学，图论与网络分析， 生命线工程，概率综合失效模型，尤其涉及的是，电力管道单元震害预测。
技术介绍
供电系统是城市生命线工程系统的一个重要子系统。这不仅体现在维持人们日常 生产生活，在地震发生后，人们对它的要求就更为明显。历次震害表明，供电系统在历次破 坏性地震中都遭到破坏，损失惨重，直接影响震后人们的生存生活，而且因此而引发的次生 灾害也很多。通过对城市供电系统地下电力管网管道震害预测，可以得到在未来地震影响 下可能遭受到的损失及其抗震的薄弱环节，根据预测结果对需要加固的设施或更新的管道 提出建设性建议，为减轻未来的地震损失服务。因此，对整个城市供电系统进行震害预测研 究有很重要的意义。 地震界和工程界专家从上世纪70年代初开始对生命线工程系统给予越来越多的 重视。地理信息系统（GIS)以其对空间数据分析处理的强大优势被应用到与空间联系紧密 的地震研究领域。GIS技术可以很好地进行震害的多因素综合效应分析，解决生命线工程各 子系统间关联性问题。震害预测对基础资料数据的更新和维护高要求，以及结果的图像显 示也是GIS易于实现的。 电力管道的震害预测是整个供电系统预测的关键部分，震害调查资料表明，电力 管道震害特点明显：管道接头的破坏最为普遍，分支接头处由于应变集中而容易造成破坏； 影响供电管道震害的因素很多：地震、场地液化以及断层错动：管道本身的管径、管材、壁 厚等性质也直接影响震害。根据对电力管道的震害分析，选择地震、场地液化及断层错动作 为影响因素，同时考虑管道本身性质，基于概率理论建立了电力管道的综合失效概率预测 模型。 城市地下电力管网系统的震害预测涉及到的数据量很大，所以对数据的组织、管 理、存取等要求比较高。重点对数据编码规定以及数据库进行设计，同时对系统的功能进行 简单的设计，基于GIS强大的空间分析、处理、显示功能，使得震害预测易于进行。值得一提 的是，供电管网震害综合预测模型还可以在其它生命线工程系统的震害预测中应用，例如， 供气管道的震害预测，输油管道、供水管道、供热管道，甚至交通系统的道路震害预测中。 供电管道单元震害分析有两类方法。一类是理论分析法，即通过力学分析得到地 震作用下供电管线的应力或应变，并与管线的允许应力或应变比较，最终确定管线破坏与 否或破坏状态。另一类是经验法，即直接用供电管线的历史震害记录来估算待分析管线的 震害，这种方法的关键是供电管道震害率R f (破坏数/km)的获取。 管道单元划分的合理性直接影响着震害预测结果的可信度，所以是关键的一步。 下面给出比较常用的划分方式。 等长度单元划分。根据经验和预测精度的要求，人为地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。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；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。 自然管道单元划分。根据每一管道的实际长度，或者按照管径相同长度来确定单 元。碰到同一单元跨越不同的场地类型、液化场地及不同基本烈度时，按照上一种划分方式 的原则取值。 自动单元划分。利用GIS的空间分析技术，根据给定的单元划分原则，自动对预测 管道进行划分成长度不等但影响因素相同的单元。例如，可以将场地类型、基本烈度、液化 分区、管径、管材等因素作为划分标准。这样得到的单元更符合实际震害预测的需要，可以 减少上述两种方式分段的偏差。但这种方式会增加很大的计算量，不过随着计算机计算速 度的飞速发展，借助GIS的强大空间分析处理功能，这些都可以通过程序优化加以解决。 电力系统、交通系统、通信系统、城市供水、供热、供燃气系统等在现代城市社会中 与人们的生活息息相关，因而它们被形象地称为生命线工程系统。埋地管道是城市供水、供 气、供电、热力等生命线工程系统的基本组成部分，是能源运输的主要方式，形象地说，它们 是现代工业和城镇生活的大动脉。地下管线埋于地下，分布地域广阔，常常延伸数百公里， 并且被地里的土、砂等介质包围，地震是造成其破坏的重要因素，抗震问题较为复杂。大量 近现代强烈地震的震害实例分析表明：埋地管道在地震中极易遭受破坏，并且损坏后不易 迅速修复，造成相应的生命线工程系统的功能性破坏甚至整个系统的瘫痪，并极大可能由 之引发各种地震次生灾害，造成严重的人员伤亡和经济损失。 震害预测为制定防震减灾规划提供科学的基本依据。我国是一个多地震灾害的国 家，基于历史和现实国情，我国的城市普遍存在对城市减灾防灾的不利因素：城市基础设施 差，在过去一段时期的城市建设中，存在着重生产建设，轻基础建设的倾向，生命线工程系 统抗灾能力差；城市生命线管网系统，从全国范围来讲，大多数没有经过正规的抗震设计， 而不少大、中城市又有着可能遭受中强地震影响的背景，潜伏着发生次生灾害的危险。因 此，开展生命线工程的地震可靠性研究应作为城市抗震防灾工作的重中之重。
技术实现思路
为了克服现有技术中无法实现城市地下电力管网震害预测的不足，本专利技术提供一 种以城市地下电力管网实际管道单元为计算依据，借助GIS空间网络分析技术，建立综合 单元概率震害预测模型方法。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是： 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，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： Al、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、简本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Rf，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Pf(k)：Pf(k)＝1‑[1‑Pkf(E)][1‑Pkf(L)][1‑Pkf(F)]   (1)式中Pkf(E)是地震作用造成管道单元k的破坏概率，Pkf(L)是场地地震液化作用造成管道单元k的破坏概率，Pkf(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Pkf(E)=ΣIPkf(E|I).Pk(I)---(2)]]>式中，Pkf(E)是地震作用下管道单元k的破坏概率；Pk(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；Pkf(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：Pkf(E|I)＝1‑exp(‑Rkf(E|I)Lk)   (3)式中，Lk是管道单元k的长度(单位：km)；Rkf(E|I)是地震动作用下的修正震害率：Rkf(E|I)＝ηCdCgCpRfw(I)   (4)式中，η是接头元件影响调整系数；Cg为场地分类影响调整系数；Cp为管材影响调整系数；Rfw(I)为影响烈度为I时供电管道的震害率；Cd是结构种类的影响系数：Cd＝0.3aD+0.7aJ   (5)式中aD＝30/D，D(>30mm)是管道直径(mm)，aJ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Pkf(L)Pkf(L)=ΣIPkf(L|I).Pk(I)---(6)]]>Pkf(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Pkf(L|I)＝1‑exp(‑Rkf(L|I)Lk)   (7)液化场地条件下的修正震害率Rkf(L|I)Rkf(L|I)＝CLCPRfI(I)   (8)式中，CP为管材影响系数(见表1)；CL为液化影响系数，CL=ILE/12(ILE≤24)2(ILE>24)---(9)]]>ILE为液化指数；RfI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(u)=1σ02πexp[-12(u-u0σ0)2]---(10)]]>随机变量u在(a，b)上取值，其概率为P(a<u<b)∫ab1σ02πexp[-12(u-u0σ0)2]du---(11)]]>则断层错动下管道单元k产生失效的概率为Pkf(F)=ΣuPkf(F|u).P(u)---(12)]]>式中Pkf(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...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张贵军，夏华栋，张贝金，李栋炜，刘玉栋，明洁，陈铭，陈凯，周晓根，郝小虎，秦传庆，梅珊，李章维，
申请(专利权)人：浙江工业大学，杭州中威智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33