城市地下生命線運行風險及評估方法研究現狀及展望

肖海洋 冉奧博 劉克會 李金林

摘 要：城市地下生命線是城市賴以運行的基礎。綜合前人的研究把城市地下生命線系統劃分為給排水、燃氣及石油傳輸、地下電纜和地下交通這四大類子系統。詳細闡釋各個子系統日常運行中風險因素的具體表現，總結了針對各個子系統風險因素相關的代表性研究成果，據此分析未來研究趨勢。強調了涉及多系統的關聯風險因素表現及現在的研究情況。對定性類、定量類及智能技術類風險評估方法做了綜述。未來的研究將向應用智能技術類方法做綜合風險分析、多系統關聯分析方向發展。

關鍵詞：城市地下生命線 風險因素 風險評估方法 文獻綜述

中圖分類號：X4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0139-02

目前城市化在不斷的推進，已有城市規模也在不斷擴大，形成許多“巨無霸”城市。日本東京、美國紐約、中國北京、上海等城市都有超過700 km2的土地，900萬以上的人口。地下生命線流淌著整個城市賴以運行的電力、水、燃氣、信息等“城市血液”，承載著無比艱巨的任務。處于地面以下或埋在土地之中的維系城市與區域經濟功能的給排水、供氣、供暖、交通、通訊、電力等系統統稱為“城市地下生命線”。

地下生命線的安全問題關系城市正常運行。美國紐約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城市的運行陷入停頓與混亂。其實不論城市的大小，現代城市對于地下生命線的穩定運行都具有極大的依賴性。因為城市地下生命線具有不可進入性和不可見性，日常檢測、維護和維修極為困難，出現故障后也常常因為修復不及時而導致更加嚴重的二次危害。城市地下生命線是一個復雜的巨系統，具有公共性高、關聯性強，風險性大的特點。地下生命線系統一般有多種系統或者工程結構組成，其中每一個子系統又包含有不同的建筑組成以及設施構件，它們在空間上縱橫交錯，在功能上互相依存，形成一個高度復雜的網絡系統。因此，研究城市地下生命線并進行風險評估是極有意義的。

1 城市地下生命線各子系統劃分及其風險因素

城市地下生命線系統是一個龐大復雜的巨系統，為了對其作風險分析，需要進行子系統劃分。李亞蘭（2003）從工程技術角度將城市地下管線劃分為城市地下管道子系統和城市地下電纜子系統兩大類，每一個子系統包括若干小類。城市地下生命線除了地下管線之外，還應該包括地下交通子系統。同時，城市地下管道子系統涵蓋種類眾多，為此本文將城市地下生命線子系統劃分為：給排水子系統、燃氣及石油傳輸子系統、地下電纜子系統、地下交通子系統，并針對每個子系統對相應的風險因素進行了分析。

1.1 給排水管網子系統風險因素

城市給排水系統是現代化城市最重要的基礎設施之一，我國首個供水工程出現在1879年，國外發達國家則更早；排水系統的出現要早于供水系統。

給水管網所受到的風險因素主要是腐蝕、管內壓力不均、地面沉降、地震及施工誤操作。給水管網的內外壁均會形成腐蝕，不僅縮短管道壽命而且會影響水質，腐蝕的種類也多種多樣。Srikanth等（2005）深入調查了給水管道頻繁失效的原因，發現在管道周圍土質呈中性的情況下，瀝青涂層低碳鋼管道與突然之間存在明顯的電勢差，形成雜散電流，造成嚴重的電腐蝕。管道的塑性形變難以滿足地面或者地基沉降的位移時，管道就會拉裂斷開。相較而言，地震是突然之間發生巨大的位移，破壞更大。

給水系統與排水系統是城市水循環的入口與出口，兩者在研究方法及風險因素上相似之處很多。給排水管道的腐蝕風險及排水管網的洪澇風險依舊會是將來的研究重點。

1.2 燃氣及石油傳輸管網子系統風險因素

燃氣管網與石油管網的安全與穩定運行關系到民生、國防的諸多方面。隨著國民經濟的發展，我國對天然氣和石油的需求量越來越大，針對相關管網風險的研究極為必要。

導致燃氣管道泄露及破裂事故的風險因素主要有內外腐蝕、機械故障及施工缺陷、地球運動及自然災害、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。石油管網的風險誘因和燃氣管網大致相同，腐蝕及人為破壞同樣是主要風險誘因，但是與燃氣相比，石油更加容易被盜竊。作為最為重要的能源供應管網系統，燃氣和石油管網在現在國內外學術研究中熱度持續上升，各方面的研究充足，方法應用研究也很深入，今后進一步的定量化以及和其他管網系統一起做關聯研究將是一種趨勢。

1.3 地下電纜子系統風險因素

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

電力電纜容易出現的故障有三種：開路故障，低阻故障和高阻故障，導致這些故障的風險因素主要有：過載，絕緣受潮或老化，機械損傷和設計缺陷。Vít和Tomá（2010）通過控制材料、輻射強度及溫度進行了加速老化對比試驗，來模擬使用10年的電纜老化情況，機械性能測試證實溫和老化條件組與現實密切符合。羅俊華等（2003）統計了國內126家電纜運行維護單位近5年的數據，外力破壞占電纜故障總數的的58%。

21世紀是信息世紀，電信電纜是信息有線傳輸的生命線，每年都有兩位數的增長。電信電纜也是依賴電信號來傳遞信息，不過電壓相比于電力電纜要低得多。它們主要的風險因素是第三方破壞及腐蝕老化，但是專門針對這些來做研究的極少。徐勛建（2007）認為外力破壞、腐蝕老化、設計缺陷等會導致通信電纜特性變化、斷線、接地和短路等故障，電橋法和TDR可以較準確的探測低阻及短路故障，采用TEDR探測高阻和閃絡性故障較好，SSTDR在線監測則是未來故障探測技術發展趨勢。光纜也是一類重要的地下通信生命線，但是光纜采用的是光信號傳遞信息，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，因材料雜質和彎曲角度過大造成的損耗性故障；對于海底光纜，漁業活動及海底腐蝕是主要的風險因素。

電力是現代工業發展的基石，對于高壓乃至超高壓電力穩定傳輸的研究仍然會是以后的熱點。地下供電管線周圍會產生復雜的電磁場，造成關聯影響。同時，新技術也在電力傳輸領域飛速發展，高溫超導電纜正在一步步攻克進入實際應用的關鍵問題。無線輸電技術則可能徹底擺脫現在的風險因素，使未來世界的面貌發生巨大的變化。

1.4 地下交通子系統風險因素

地下交通系統方面研究比較多的是大型城市地鐵網。地鐵系統的風險因素較為復雜，既包括地震、火災等自然災害，也包括建筑結構問題、運營控制系統問題，人為恐怖襲擊也會導致系統癱瘓。但這些是截然不同領域的研究問題。

Youssef等（2001）認為從歷史上來看，地鐵等地下設施被破壞率遠遠低于地面設施，但是一旦出現地震就會產生巨大災難，地震時，地鐵隧道結構必須要經受靜態負荷以及地震負荷；他們開發了包括峰值加速度與速度、目標反應譜、地面運動情況在內的參數體系，對地鐵隧道結構的抗震負載能力進行計算與評估。姚宣德和王夢恕（2005）對地鐵系統工程進行綜合考慮，區分歸納了從立項決策、設計施工到運營的七大類風險。他們分析了各類風險之間的相互影響，建立了包括風險評估系統、專家咨詢系統、決策支持系統在內的地鐵工程風險評估總體框架。

現在的研究主要集中于災害等突發事件對地鐵隧道及地鐵運營的影響、地鐵設計建設中的風險。隨著地下設施結構方面研究的逐漸成熟，對于地鐵內部環境風險因素管理以及運營調度風險因素的關注將會逐漸成為主流。

1.5 涉及多系統的關聯風險因素

地下錯綜復雜的各類生命線之間會相互影響造成關聯破壞。這不是單一的風險因素，而是由于系統整體性的特點，內外環境相互影響而造成的風險因素。由于城市地下生命線之間關聯度極高，因此，關聯破壞是極有可能發生的。Obanijesu（2009）在分析西非天然氣管道建設時，就將火災風險、污染、氣候變化等考慮在管道故障之內。

本文認為關聯破壞包含初、中、高三個層次。初級層次，單個子系統（供水、燃氣、石油等）內部相互聯系而產生的破壞。第二層次，整個管網各子系統之間，也就是供水、供電、燃氣等管道之間聯系，產生的一方破壞而引發另一方破壞；如將石油管道和輸氣管道聯系聯系分析，石油管道與供水管道結合分析。最高層次，以管網為整體，與整個城市運行體系之間聯系而產生的破壞；如將供水管網和自然環境、工業污染聯系起來，將供水系統置于整個大都市現狀背景下來看。現行研究中，初級層次研究最多，多使用數學模型對子系統內部進行風險評估。不僅城市生命線是一個系統，整個城市運行體系更是一個大系統，管網附近的建筑物或公共事業工程之間的相互關系都是關聯破壞的研究范疇。

2 風險評估方法

2.1 定性類方法

風險評價技術起源于20世紀30年代的美國，50年代末期安全系統工程的興起推動了風險評價技術的發展。70年代末，安全系統工程被引入中國，進入探索階段。相對于定量分析，定性分析更注重因果關系分析，重點明確。Jia等（2011）綜合灰度關聯理論以及層次分析法，提出了多層次灰度關聯分析法，用來評價天然氣管道網絡，經過實例研究，具有較好的適用性。韓朱旸（2010）使用肯特法建立了燃氣管網風險評估指標體系，先將指標體系按照脆弱性、事故誘因、事故后果分為了三大類，再層層細分為小類，并對該方法的優劣進行了評判。

相較于古典統計學，灰色理論在解決多元復雜系統不確定性問題時表現出了極強的適應性。由于生命線系統的復雜性，很多問題難以定量分析；而定性分析適用范圍廣泛，但不能給出精確的結果，在生命線風險研究中很少完全依賴定性方法。

2.2 定量類方法

由于城市地下生命線的高度復合性，現階段定量分析往往在子系統的特定分析中采用，比如使用統計學方法中成熟的模型對海底輸油管道泄露風險進行評估。故障樹分析法是演繹的系統安全分析法，是從事故開始層層分析其發生原因；并且是在復雜不確定系統定量分析中，最為常用的一種方法。Dong和Yu（2005）對事故樹分析法做出了改進，他們不是把基本事件的概率看成精確值，而是結合專家打分法和模糊理論，對基本事件的概率進行了重新界定；在石油和燃氣管道最基本的兩個失效因素—— 泄露和破裂的基礎上，他們建立了一個具有55個最小割集的事故樹，進一步做了定量分析。馮永青（2006）等采用可信性理論方法，在同時考慮隨機性與模糊性的情況下，對電力系統做了風險評估，歸納了電力系統的八種具體的風險誘因，在此基礎上對風險指標定量描述。

大部分定量分析是在定性分析的基礎上，對系統的風險性給予量化描述；定量類方法以數據為基礎，使用較為復雜。有效的風險評估方法必須能夠識別風險，判斷系統承受能力，確定概率，推斷后果，評價危害。定量類會越來越傾向于采用計算機模塊化處理，逐步與智能技術相結合。

2.3 智能技術類方法

智能技術在處理復雜運算方面有著無可比擬的優勢，隨著技術的完善，很多簡單方法無法解決的難題可以在計算機中進行模擬。智能技術在實際應用方面現在已經較為成熟，現在應用的比較多的有GIS技術、3D技術、蒙特卡洛模擬、人工神經網絡、證據理論等。Ho等（2010）則把人工神經網絡和GIS技術進行了集成，通過該方法可以判斷在不同的管徑、管材、震級下管道可靠性。Ouk和Dong（2006）先用一階可靠性方法和二階可靠性方法來評估管道可靠性與失效率，再使用蒙特卡洛模擬來評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據量為支撐，借助計算機高速運算能力和可視化輸出，獲得通過常規方法難以得到的結果。智能技術能把定性與定量方法結合起來，在涉及到復雜和高度非線性問題時也能找到解決方案。這種方法在今后對地下生命線研究中將會被越來越廣泛的使用。

3 結論與展望

城市地下生命線系統是一個復雜的巨系統，不僅涵蓋子系統范圍廣，而且會受到各種自身及周圍環境風險因素影響，造成破壞或者失效。除此之外，子系統之間也會發生關聯影響，造成更大范圍、更加長久乃至更加嚴重的傷害。現在對于城市地下生命線各個分支的研究數量很多，但是一般都是研究的較為簡單的情形，而現實中的情形往往要比這些復雜得多。

城市地下生命線風險識別與評估需要融合多學科知識體系，不僅包括市政工程、建筑、電力技術、統計等知識，也需要把工程技術、城市管理、社會經濟等知識結合到一起。在研究的過程中，也會有很多新知識、新方法的產生，促進相關學科的發展。總體來看，現在這一領域中國學者的研究與國際水平基本同步，但是大部分都是沿用國外的方法與思路，創新性研究及原始方法研究不多。不過，相信隨著國內該領域研究的逐漸深入，會有越來越多的創新性方法與思路逐步出現。

參考文獻

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