基于边缘中心性与多准则分析的供水管网关键管道识别及脆弱性评估

为解决传统节点中心性评估忽视管道本身关键性的问题，研究人员提出了一种集成边缘中心性指标(ECMs)与多准则分析的管道中心化脆弱性评估框架。通过融合管道长度、状态指数(CI)和失效概率(POF)构建16种ECMs，结合熵权法(EWM)和TOPSIS算法生成综合脆弱性指数(VI)。案例研究表明，仅5%的管道被列为高脆弱性，但移除前0.4%的高VI管道会导致网络连通性骤降70%以上。该研究为城市供水管网维护策略优化提供了数据驱动的决策工具。

　　

随着全球城市化进程加速，供水管网(WDNs)作为城市生命线正面临严峻挑战。美国每年发生24万次主干管破裂，英国年均2万次管道爆裂，而香港供水系统的年漏损率高达15%。这些触目惊心的数据背后，是传统脆弱性评估方法的局限性——过度依赖节点中心性分析，却忽视了管道作为网络核心要素的关键作用。更棘手的是，现有方法往往将管网拓扑结构与物理劣化风险割裂评估，导致维护决策缺乏整体视角。

针对这一现状，香港理工大学的研究团队在《Water Research X》发表创新性研究，首次提出"管道中心化"的脆弱性评估范式。该研究通过整合复杂网络理论与多准则决策方法，开发出能同时捕捉管网连接重要性和物理劣化风险的评估框架，为城市基础设施韧性管理提供了新思路。

研究采用三大关键技术：1) 基于线图理论(line graph)将管道转化为节点进行边缘中心性(ECMs)计算；2) 融合管道长度、状态指数(CI)和失效概率(POF)等14维特征构建16种增强型ECMs；3) 应用熵权法-理想解排序(EWM-TOPSIS)算法生成0-1标准化的综合脆弱性指数(VI)。研究数据来自香港水务署提供的淡水(FW)和咸水(SW)管网系统，涵盖101.4万条淡水管段和15.8万条咸水管段。

【网络表征与指标构建】
通过算法1将传统节点图G(V,E)转换为边缘图G′(E′,C′)，在此基础上开发四类基础ECMs：边缘度(ED)、边缘邻域度(END)、边缘介数(EBC)和边缘紧密度(ECC)。公式1-3显示，EBC量化管道位于最短路径的频率，ECC评估管网全局连接效率，二者较ED/END更能识别结构性脆弱点。

【多维度指标增强】
引入空间约束因子（管道长度）后，进一步整合CI和POF形成加权ECMs。公式4-9揭示，CI通过模糊层次分析法整合管材、龄期等14个劣化因子，POF则基于逻辑回归模型预测失效风险。这种"拓扑+状态+风险"的三维增强使ECMs的判别力提升42%。

【脆弱性图谱特征】
表1显示，仅4.22%的FW管道和4.67%的SW管道属高脆弱性(VI>0.66)，但空间分布差异显著。FW的A区老旧管网高脆弱管道占比达14.34%，而新建的E区仅0.12%。图3的空间分布印证了高VI管道多集中在老城区密集区域。

【有效性验证】
图4的破坏性测试表明，移除前0.4%的高VI管道会使网络效率(η)下降73.12%（FW）和84.08%（SW），远超传统指标效果。特别是EBC(POF)加权管道移除导致最大连通分量(LCR)锐减至7.9%，证实了多维度整合的必要性。

【驱动因素解析】
图5-6的归因分析揭示：小管径(<150mm)管道贡献34%的高脆弱性；使用25年以上的管道在FW-A区占比61.59%；铸铁-石棉(CI-AC)管材在高VI管道中占比26.7%，这些发现与管网腐蚀机理高度吻合。

该研究通过建立首套管道中心化的脆弱性评估体系，实现了三大突破：1) 创新性地将线图理论应用于管网分析，使管道重要性得以直接量化；2) 开发的VI指数无需水力模拟即可识别0.4%的关键管道，为数据稀缺地区提供实用工具；3) 揭示香港管网"关键少数"规律，证明针对性维护可产生杠杆效应。研究结果已被香港水务署纳入2025-2030年管网更新规划，预计可使年度爆管事故减少15%。未来研究可探索VI指数与实时水力模型的耦合，以及在多网络耦合系统中的应用拓展。