[发明专利]城市基础设施系统灾后耦联恢复分析方法

说明书

本发明公开了一种城市基础设施系统灾后耦联恢复分析方法，包含灾害分析建模、结构损伤分析、功能损失估计、功能恢复预测四部分，灾害发生后首先应用随机场理论建立城市尺度范围内具有时空变异性和相关性的荷载模型，基于建立的荷载模型计算城市建筑群落各单体和基础设施系统子构件在随机荷载作用下的损伤状态，再利用系统论方法研究城市建筑群落以及各类基础设施之间由于功能耦合所产生的级联效应，评估建筑群落和基础设施系统的功能损失，最后预测出各基础设施系统灾后恢复时间和恢复轨迹；本发明的方法实现了城市基础设施系统灾后功能损失与恢复过程的量化分析，是韧性城市量化评估的关键步骤，可为发展提升城市韧性的决策模型提供理论基础。

技术领域

本发明涉及一种城市基础设施系统灾后恢复分析方法。

背景技术

一个城市的可持续发展与城市治理和城市安全密不可分。20世纪90年代以来，我国每年因灾害造成的直接损失高达1千亿，而这个损失大部分集中于城市。目前我国城市防灾减灾规划面临着许多问题，如致灾因子的不确定性，承灾体的复杂性以及灾害的非线性增长性等，如何提高城市应对灾害的能力是当前城市安全治理的焦点问题之一。

“城市韧性”的新理念为城市防灾减灾和安全管理提供了新的思路和方向。城市韧性是一个城市的个人、社区和系统在经历各种慢性压力和急性冲击下存续、适应和成长的能力。不同于以往城市防灾减灾的工程思想，“城市韧性”理念更强调在城市这个庞大的社会生态系统面临不确定性的情况下，社会体系的营建和维及其反应和协调能力。其特点主要体现在两个方面：第一，传统的城市防灾减灾只研究建筑单体的抗灾强度，而城市韧性更强调在城市尺度上，用系统的方法来研究基础设施网络、建筑群落、以及他们之间的功能相关性；第二，传统的城市防灾减灾研究只考虑灾害发生时的鲁棒性，而城市韧性理念还关注在灾害引起各基础设施破坏后城市的可恢复性。在这个背景下，发展“城市韧性”必不可少的一个关键科学问题应运而生：城市基础设施系统的灾后恢复机理是什么？遗憾的是，该科学问题在国外还处于初步探究阶段，而在国内与之相关的研究少之甚少。

在当前的防灾减灾研究领域，理论分析和定量评估主要集中于单体结构和各个基础设施系统本身，如自然灾害(地震、台风等)作用下单体建筑结构、交通网络、水网、电网等基础设施系统的灾害风险评估。而“城市韧性”的定量评估还要求：(1)模拟各基础设施系统的功能损失和灾后恢复过程；(2)以及各系统在恢复过程中的功能依存关系。换句话说，“城市韧性”的定量评估需要提出城市基础设施系统灾后耦联恢复分析方法。这个研究是一个新兴课题，也是一个技术难题。城市基础设施系统灾后耦联分析方法是提高城市韧性、保障城市可持续发展的关键环节之一。

发明内容

本发明要解决的问题主要是模拟城市尺度下各基础设施系统在自然灾害作用下的灾后耦联恢复过程，以服务于提高城市韧性为目标的各种防灾减灾规划与决策支持，从而提出了一种城市基础设施系统灾后耦联恢复分析方法。

本发明所提出的城市基础设施系统灾后耦联恢复分析方法，包含灾害分析建模、结构损伤分析、功能损失估计、功能恢复预测四部分，其中：

灾害分析建模部分，是应用随机场理论建立城市尺度范围内具有时空变异性和相关性的荷载模型；

结构损伤分析部分，是基于建立的荷载模型计算城市建筑群落各单体和基础设施系统子构件在随机荷载作用下的损伤状态，获得结构损伤在空间上的变异性及相关性特征；

功能损失估计部分，是在结构损伤分析基础上利用系统论方法研究城市建筑群落以及各类基础设施之间由于功能耦合所产生的级联效应，估计建筑群落和基础设施系统的功能损失；

功能恢复预测部分，是以系统功能损失为基础，预测各基础设施系统灾后恢复时间和恢复轨迹，并优化应急资源调配。

上述技术方案中，进一步的，所述的城市基础设施系统灾后耦联恢复分析可采用下式进行表述：