ارزيابي تابآوري لرزهاي شبکه توزيع و انتقال آب شهري با بهرهگيري از مدل يادگيري ماشين (ML)
نویسندگان
1 دانشيار، گروه مهندسي عمران، دانشگاه خوارزمي، تهران، ايران.
2 دانشجوي دکتري گروه مهندسي عمران، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ايران.
3 استاديار گروه مهندسي عمران، واحد قزوين، دانشگاه آزاد اسلامي، قزوين، ايران.
4 استاديار گروه مهندسي عمران، واحد علوم و تحقيقات، دانشگاه آزاد اسلامي، تهران، ايران.
doi
چکیده
زمينه و هدف: تابآوري لرزهاي بهعنوان يکي از مفاهيم نوين در عرصه مديريت ريسک و بحران ميباشد که به بررسي عملکرد لرزهاي، بازيابي و خدمترساني مجدد (پس از زمينلرزه) سازهها و زيرساختهاي شهري اطلاق ميگردد. دراينراستا شبکه انتقال و توزيع آب به عنوان يکي از شريانهاي حياتي جهت تأمين آب آشاميدني شهروندان بعد از زمينلرزه و همچنين تامين آب براي مقاصد اطفاء حريق، به شدت مورد توجه بوده است. براين اساس ارزيابي و ارتقاي تابآوري لرزهاي شبکه آبرساني شهري و ارائه مدلهاي محاسباتي دقيق در راستاي پيشبيني رفتار لرزهاي اين زيرساخت از اصليترين چالشهاي پيشروي محققين بوده است. اين تحقيق بر ارزيابي تابآوري لرزهاي شبکه توزيعوانتقال آب شهري متمرکز بوده که در قالب مطالعه موردي بر شبکه آبرساني شهر تهران (مناطق 1تا4) انجام شده است. روش پژوهش : در اين پژوهش به هدف پيشبيني آسيبپذيري لرزهاي شبکه آبرساني شهري و ارزيابي تابآوري لرزهاي اين زيرساخت مدلي نوين براساس يادگيريماشين ارائه شده است. مدلهاي يادگيريماشين مبتني بر مجموعه دادههاي اوليه بوده، بنابراين ابتدا جهت تأمين پايگاه داده اوليه، مدلسازي اجزاي محدود گستردهاي (720 سناريوي مدلسازي) در بستر نرمافزار آباکوس جهت استخراج رفتار لرزهاي لوله مدفون در خاک تعريف و پيادهسازي شده است. با تأمين دادههاي اوليه، مدل پيشبيني آسيب لرزهاي لوله مدفون براساس الگوريتمهاي مختلف يادگيريماشين (5 الگوريتم اصلي يادگيريماشين به همراه زيرشاخههاي محاسباتي) توسعهيافته و عملکرد مدل مورد سنجش قرار گرفتهاست. در نهايت با استخراج شرايط بهينه عملکرد مدل پيشبيني توسعه دادهشده، الگوريتم عددي براي ارزيابي ميزان آسيب لرزهاي در خط لوله شبکه توزيع و انتقال آب با بهرهگيري از شرايط عدم قطعيت در مقادير پارامترهاي ورودي مدل و روش شبيهسازي مونتکارلو توسعه داده شده است. در اين پژوهش مدل ارائه شده تحت 5 سناريو لرزهاي (5 زمينلرزه بزرگ) و براساس دادههاي اوليه مناطق 1تا4 شهر تهران اجرا و نتايج (آسيب لرزهاي شبکه آبرساني(شکست/نشت)) استخراج شده است. در نهايت براساس ارزيابي آسيبپذيري لرزهاي شبکه انتقال آب شهر تهران، تابآوري لرزهاي سيستم آبرساني براساس شاخصهاي ميزان آسيب، تامين حداقل آب مورد نياز و زمان بازيابي شبکه مورد مطالعه قرار گرفتهاست. يافتهها: نتايج حاصل از عملکرد مدل يادگيريماشين براساس الگوريتمهاي مختلف نشان داد که الگوريتمهاي گاوسي داراي عملکرد بهتري نسبت به ديگر الگوريتمهاي محاسباتي يادگيريماشين بوده است. برايناساس الگوريتم گاوسي درجه دوم منطقي داراي ميزان خطاي کمينه بوده، بهگونهاي که داراي خطاي کمترين مربعات ( MSE ) معادل با 3.0564 و ميزان همبستگي ( R ) معادل با 0.94 بوده است. بهجهت ارزيابي تابآوري لرزهاي شبکه انتقال و توزيع آب براي مناطق 1 تا 4 شهر تهران، ميزان آسيب شبکه آبرساني (تعداد و موقعيت شکست/نشت لوله در شبکه) تحت 5 سناريو بارگذاري لرزهاي با بهرهگيري از مدل پيشبيني آسيبپذيري محاسبه و استخراج شده است. همچنين با بررسي شاخص Bridge ميزان نسبي آسيب در شبکه خط لوله مورد بررسي قرار گرفت. در راستاي ارزيابي شاخص افزونگي (ميزان حداقل آب مورد نياز) با توجه به جمعيت هر منطقه و ميزان آب مورد نياز محاسبه و مورد ارزيابي قرار گرفتهاست. شاخص زمان بازيابي/سرعت بازيابي شبکه توزيعوانتقال آب بعد از وقوع زمينلرزه براساس ميزان آسيب خطلوله در هر منطقه و استراتژيهاي ترميم و تعمير شبکه مورد مطالعه قرار گرفت. براساس نتايج حاصل مشخص ميگردد که بيشترين زمان بازيابي سيستم براي منطقه 4 شهر تهران تحت بارگذاري S1 (زمينلرزه با بزرگاي 7.4 ريشتر) و معادل با 493.5 ساعت و کمترين زمان بازيابي سيستم براي منطقه 3 شهر تهران تحت بارگذاري S2 (زمينلرزه با بزرگاي 6.2 ريشتر) و معادل با 316.5 ساعت بوده است. با توجه به نتايج حاصل مشخص ميگردد که شبکه آبرساني تحت سناريوهايي با بزرگاي زمينلرزه بيشتر داراي زمان بازيابي بيشتري نسبت به سناريوهاي لرزهاي با بزرگاي کوچکتر بوده است. نتايج: نتايج نشان داد که مدل يادگيريماشين پيشبيني آسيب لرزهاي شبکه انتقال آب داراي دقت قابلقبول در ارزيابي خسارت در شرايط وقوع حادثه بوده است. اصليترين نکات و راهکارهاي ارائه شده در اين پژوهش در راستاي ارتقاي تابآوري لرزهاي شبکه آبرساني عبارتاستاز: پيشبيني دقيق ميزان آسيب لرزهاي شبکه انتقال آب با بهرهگيري از مدل ارائه شده (در راستاي دقت و بهبود شاخص آسيبپذيري)، اتخاذ تصميمات مديريتي دقيق در راستاي تامين منابع جايگزين آب مورد نياز در مناطق با ريسک لرزهاي بالا (در راستاي بهبود شاخص افزونگي) و اتخاذ استراتژيهاي ترميم و تعمير خطلوله آسيبداده با تجهيز مناطق به تيمهاي پشتيباني ماهر (در راستاي بهبود شاخص زمان بازيابي). براساس نتايج حاصل ميتوان مدل ارائه شده در اين پژوهش را به عنوان يک مدل جامع براي مناطق مختلف و تحت شرايط مختلف بارگذاري لرزهاي به کارگرفت و علاوه بر تخمين آسيبپذيري لرزهاي شبکه آبرساني، ارزيابي دقيقي بر تابآوري لرزهاي و ارتقاي انعطافپذيري لرزهاي اين زيرساخت حياتي انجام داد.
