一种以用户为中心、充分考虑地震风险的方法，用于优化城市天然气分配网络中的阀门布置

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：A user-centered, earthquake risk-informed approach to valve placement optimization in urban natural gas distribution networks

　　王赫然|克雷门·杰玛|马立阳|翟长海|宋东东
哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨，150090，中国

**摘要**
城市天然气分配网络是关键的基础设施系统，提高其在地震后的功能对于增强社会的灾害韧性至关重要。本研究提出了一种基于地震风险的优化模型，用于确定城市燃气分配网络中隔离阀的放置位置。该模型明确考虑了由于受损管道段被隔离而导致的级联功能损失，从而切断相邻的未受损部件。该模型被构建为一个多目标优化问题，旨在在不同地震情景下平衡阀门数量（反映安装成本和泄漏风险）与预期的地震后功能损失。在功能损失指标中引入了一种灵活的权重方案，以表示灾后运营期间最终用户（如应急设施）的服务优先级。所提出的框架应用于中国某城市的案例研究，并针对一系列代表性的地震情景进行了测试。结果表明，优化的阀门布置可以显著减少预期的地震后功能损失，并且可以根据决策者的优先级调整服务利益在最终用户之间的分配。

**引言**
天然气管道系统——包括集输系统、长距离传输管道和城市分配网络——是向住宅、商业和工业终端用户供应天然气的关键能源基础设施[1]。因此，它们在受到干扰条件下的稳健性能对于维持能源服务的连续性、支持社会灾害韧性至关重要[2]、[3]。为此，许多研究已经考察了天然气传输管道和分配网络对破坏性事件的响应，以提供改进供应可靠性的预防和缓解策略[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。然而，大多数相关研究集中在相对常规的运营干扰上。例如，杨等人[9]通过考虑一般的短缺情景和需求侧经济损失来评估天然气供应的可靠性。苏等人[10]开发了一个集成动态模型，用于评估在一般需求波动和供应减少情况下的天然气管道网络的供应安全性和韧性。江等人[11]提出了一种针对随机泄漏的天然气网络系统的韧性评估方法，该方法结合了蒙特卡洛模拟和非稳态流体分析。德尔伊索拉等人[12]模拟了在减压站（调节器）停用情况下的24小时天然气分配网络运营性能。

相比之下，对于由极端事件（如地震地面震动）引起的空间相关的大规模组件故障，关注较少[13]。在天然气系统中，城市天然气分配网络特别容易受到地震灾害的影响[14]、[15]、[16]、[17]。地震造成的损害会大幅降低这些网络的功能，阻碍应急响应和灾后恢复，并增加生命安全风险[18]。在这种地震后条件下，快速的网络分段是一个基本的操作措施：隔离受损的管道段可以限制泄漏，减少火灾和爆炸的风险[19]、[20]、[21]，同时在可行的情况下恢复服务。然而，分段的有效性在很大程度上受到隔离阀放置位置的限制。在阀门布局稀疏或次优的情况下，隔离受损段可能需要关闭上游阀门，从而无意中切断网络的其他完好部分，从而导致次级（级联）服务损失。

关于有限的研究考虑了城市天然气分配网络在地震后的性能， Hydraulic（水力）、运行状态一致性和隔离阀放置的综合考虑方面仍存在关键差距。宗等人[22]通过使用基于连接性的功能指数来量化服务中断，该指数考虑了人口密度和用户重要性，并提出了涵盖灾前、灾后和恢复阶段的韧性导向优化策略；然而，他们的框架并未明确模拟网络的水力行为。西梅拉罗等人[23]结合了水力模拟并推荐了应急关闭阀。然而，这项工作依赖于一个商业模拟器（SynerGEE），该模拟器难以准确表示与设计条件显著偏离的地震后运行状态。当出现这种偏离时，必须更新边界条件以获得物理上一致且可解决的水力解决方案。为了解决这一挑战，甘特等人[24]开发了一种用于事故条件下的天然气分配网络的模拟工具，该工具能够在网络与其设计参数显著偏离时保持控制水力方程的可解性。许多现有研究隐含地假设，可以通过简单地从服务中移除故障管道来隔离它[11]、[22]、[24]、[25]；这种假设只有在每个管道段的两端都安装了阀门的情况下才成立，而在实践中这种情况很少见（例如，由于预算限制）。因此，城市天然气分配网络中的阀门放置通常是由传统的经验法则指导的，而不是基于系统特性的性能指南[26]、[27]。

在几个关于水分配系统[28]、[29]、[30]、[31]的研究中已经探讨了阀门放置优化。现有方法通常侧重于在正常运行条件下管理压力，以减少泄漏和水分损失[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]，并提高整体供应可靠性[40]。然而，将这些方法直接应用于地震后的城市天然气分配网络并不简单。首先，现有方法很少考虑地震灾害，因此对地震期间广泛存在的空间相关组件损坏导致的严重网络碎片化提供的洞察有限。其次，它们没有明确捕捉天然气网络的水力特性；由于城市天然气系统主要在压力驱动下运行，这些方法通常无法再现天然气网络的行为，包括在事故或干扰条件下的部分服务。第三，现有方法往往只是从系统平均意义上提高可靠性；它们通常不提供优先考虑关键设施（如医院、消防站和应急响应中心）的方法，而这在灾后应急响应阶段可能对相关决策者来说是可取的[41]。

这些差距激发了开发一个以地震为中心、水力一致且以决策者为导向的城市天然气分配网络阀门放置框架的需求。据我们所知，目前还没有研究明确探索基于地震情景的城市天然气分配网络阀门放置优化。为了填补这一空白，本研究做出了以下贡献：（1）提出了一种新的多目标阀门放置优化框架，该框架考虑了空间相关的地震损害、阀门驱动的分段以及地震情景下的网络碎片化；（2）将阀门驱动的隔离和级联断开与水力模型相结合，使用边界条件更新来确保优化过程中的物理上一致的后地震运行状态；（3）引入了一个以用户为中心、基于类别加权的功能指标，以优先考虑不同终端用户群体的天然气供应，从而实现灾后响应和恢复的偏好敏感规划。

**本文结构**
第2节提供了关于城市天然气分配网络的背景信息。第3节介绍了这些网络中阀门放置的优化框架。第4节提供了一个详细的案例研究，展示了所提出框架在真实世界城市天然气分配网络中的应用。第5节展示了该网络优化的结果。第6节讨论了关键发现、意义和局限性。最后，第7节总结了本研究。

**网络图表示**
城市天然气分配网络（为简洁起见，以下简称“燃气分配网络”）可以使用基于图的表示方法进行抽象，在这种表示方法中，组件被建模为点设施和管道段。网络被构建为一个图G=(V,E)，其中V={v1,v2,…,vn|V|表示代表点设施（例如，气源节点、气体用户节点、交汇节点和阀门）的节点集，E={e1,e2,…,en|E|表示对应于管道段的边集。

**提出的框架**
我们提出了一个阀门放置优化框架，旨在最大化破坏性地震事件发生后燃气分配网络的功能。如图1所示，该框架包括四个关键步骤（或模块）：（1）地震灾害建模，（2）损害状态估计和代表性情景选择，（3）功能评估，以及（4）阀门放置优化。

**地震灾害建模模块**首先生成一年的合成地震数据。

**案例研究描述**
我们使用中国南部一个小城镇的中压燃气分配网络作为案例研究，以展示所提出的框架（见图5(b)）。（注意，出于数据敏感性原因，该城镇的位置保持匿名。该城镇的城区面积约为32平方公里，人口接近24万。感兴趣的燃气分配网络覆盖了中心城区，总管道长度为76.74公里。它由焊接钢管组成。）

**阀门放置优化结果**
图10显示了使用表5中的基线Rf值在不同权重策略下获得的四个帕累托前沿。在所有情况下，解决方案都表现出明显的收益递减模式：在阀门数量较少的情况下（F1(z)），增加阀门可以显著减少F2(z)，表明早期投资于阀门安装对于减轻地震后的性能下降非常有效。随着F1(z)的增加，前沿逐渐变平，这意味着……

**关键发现**
结果表明，基于性能的阀门放置优化可以显著提高地震后的服务连续性，即使阀门数量相当。在案例研究中，优化后的布局使用95-102个阀门（基线：105个阀门）将残余功能提高了大约50%-140%，并将隔离效率从15.62%提高到23.83%-40.49%。这些发现表明，尽管阀门数量相当，规定性的放置规则仍然可以显著提高地震后的服务连续性。

**结论**
本文开发了一个基于风险的、以用户为中心的框架，用于在地震引起的损害下优化城市天然气分配网络中的阀门放置。通过将代表性的地震损害情景与阀门关闭驱动的分段模型以及边界条件更新后的稳态水力模型相结合，该框架明确捕捉了由于受损和相邻部分隔离而导致的级联服务损失。

**作者贡献声明**
王赫然：写作——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
克雷门·杰玛：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、概念化。
马立阳：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取。
翟长海：监督、资源管理、项目管理、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2024YFC3808600、2024YFC3808603）、国家自然科学基金（编号52478509和52494964）以及中国留学基金委（编号202306120356）的支持。作者还要感谢陈博和王家毅在地震灾害分析方面的有益讨论以及提供的相关代码。