Seismic Retrofit Optimization of Water Distribution System Based on Proxy Indicators

HOU Benwei; CHENG Xue; MIAO Huiquan; HAN Junyan; WU Shan

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20230209002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Seismic Retrofit Optimization of Water Distribution System Based on Proxy Indicators

更新时间：2024-09-07

- Seismic Retrofit Optimization of Water Distribution System Based on Proxy Indicators
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 44, Issue 4, Pages: 839-848(2024)
- 作者机构：
  
  北京工业大学城市建设学部，北京 100124
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20230209002
  CLC： P315.9;TU991.33
- Received：09 February 2023，
  
  Revised：2023-04-09，
  
  Published：30 August 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
侯本伟,程雪,缪惠全等.基于代理指标的供水管网抗震改造优化[J].防灾减灾工程学报,2024,44(04):839-848.

HOU Benwei,CHENG Xue,MIAO Huiquan,et al.Seismic Retrofit Optimization of Water Distribution System Based on Proxy Indicators[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(04):839-848.
侯本伟,程雪,缪惠全等.基于代理指标的供水管网抗震改造优化[J].防灾减灾工程学报,2024,44(04):839-848. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230209002.

HOU Benwei,CHENG Xue,MIAO Huiquan,et al.Seismic Retrofit Optimization of Water Distribution System Based on Proxy Indicators[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2024,44(04):839-848. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230209002.

摘要

基于水力模型计算的管网供水量满足率（

SSIQ

）指标，是评估供水管网震后性能的常用指标。在供水管网抗震改造优化模型中，若采用

SSIQ

表示优化目标函数，优化求解需进行大量水力模型计算，计算耗时很长。为减小管网抗震改造优化模型的计算量，对节点流量韧性指标（

）进行了改进，增加了管道破坏漏水能量损失的影响项，提出了一种管网能量指标（Energy Resilience，

）表示震后管网性能；以

指标作为

SSIQ

的代理指标，用于量化抗震改造优化模型的目标函数。仅通过管道地震失效概率、管网震前正常运行工况的水力参数计算

指标，不必进行震后管网水力模型计算，以期提升优化模型计算效率。以供水管网震后性能最大化和改造费用最小化为目标，以管道抗震改造措施为优化变量，建立了管网抗震改造多目标优化模型，并比较了

指标、

指标以及两个拓扑代理指标的替代效果。案例管网应用结果表明，

指标与

SSIQ

指标相关系数呈现强相关性，基于

指标的优化方案与基于

SSIQ

指标的优化方案的差异小于3%，

指标优化模型计算时间不足

SSIQ

指标优化模型计算时间的1%。

Abstract

The system serviceability index of quantity (

SSIQ

)

calculated base

d on hydraulic models

is a widely used indicator to evaluate the post-seismic performance of water distribution systems (WDS). However

using

SSIQ

as the objective function in seismic retrofit optimization models for WDS requires extensive hydraulic calculations

leading to time-consuming computational burden. To reduce this burden

the node flow resilience (

) indicator was improved by incorporating the impact of pipeline breakage and leakage energy loss

and a network energy indicator

energy resilience (

)

was proposed to represent the post-seismic performance of WDS.

served as a proxy for

SSIQ

to quantify the objective function of a seismic retrofit optimization model. This indicator could be calculated without the need for post-seismic hydraulic model calculations

which was achieved by using only the seismic failure probability of pipelines and the hydraulic parameters of WDS under normal operations

thereby improving the computational efficiency of the optimization model. With the objectives of maximizing the post-seismic performance and minimizing the retrofit costs of WDS

a multi-objective optimization model for pipeline seismic retrofitting was established

with pipeline seismic retrofit measures as optimization variables. The performance of

and two topological proxy indicators were compared. Network application results in the case study indicated that

showed strong correlation with

SSIQ

with the difference between the optimization schemes based on

and that based on

SSIQ

being less than 3%. The computation time for the

optimization model was less than 1% of that for

SSIQ

optimization model.

关键词

Keywords

references

Eidinger J ， Davis C A . Recent earthquakes： implications for US water utilities ［R］. Denver， CO ： Water Research Foundation ， 2012 .

徐良，刘威，李杰 . 基于微粒群算法的供水管网抗震优化设计［J］. 防灾减灾工程学报， 2010 ， 30 （ 3 ）： 269 - 273 .

Xu L ， Liu W ， Li J . Seismic optimization design of water distribution network based on particle swarm algorithm ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2010 ， 30 （ 3 ）： 269 - 273 . （in Chinese）

柳春光，何双华 . 基于正交枚举法的给水管网抗震加固优化研究［J］. 地震工程与工程振动， 2010 ， 30 （ 1 ）： 167 - 175 .

Liu C G ， He S H . Optimum seismic strength research for water supply network based on orthogonal enumeration method ［J］. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2010 ， 30 （ 1 ）： 167 - 175 . （in Chinese）

Yoo D G ， Jung D ， Kang D ， et al . Seismic reliability-based multiobjective design of water distribution system： sensitivity analysis ［J］. Journal of Water Resources Planning and Management ， 2017 ， 143 （ 2 ）： 06016005 .

Lee C W ， Kwon H J ， Yoo D G . Seismic reliability assessment of water supply systems considering critical paths ［J］. Applied Sciences ， 2020 ， 10 （ 22 ）： 8056 .

Hou B ， Ma X ， Diao K ， et al . Seismic performance assessment of water distribution systems based on multi-indexed nodal importance ［J］. Water ， 2021 ， 13 （ 17 ）： 2362 .

Yoo D G ， Jung D ， Kang D ， et al . Seismic-reliability-based optimal layout of a water distribution network ［J］. Water ， 2016 ， 8 （ 2 ）： 50 .

Yoon S ， Lee Y J ， Jung H J . Flow-based optimal system design of urban water transmission network under seismic conditions ［J］. Water Resources Management ， 2020 ， 34 ： 1971 - 1990 .

Yazdani A ， Jeffrey P . Robustness and vulnerability analysis of water distribution networks using graph theoretic and complex network principles ［C］∥ Water Distribution Systems Analysis 2010 . Tucson， Arizona， United States ： American Society of Civil Engineers ， 2011 ： 933 - 945 .

Meng F ， Fu G ， Farmani R ， et al . Topological attributes of network resilience： a study in water distribution systems ［J］. Water Research ， 2018 ， 143 ： 376 - 386 .

Pudasaini B ， Shahandashti M . Topological surrogates for computationally efficient seismic robustness optimization of water pipe networks ［J］. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering ， 2020 ， 35 （ 10 ）： 1101 - 1114 .

Todini E . Looped water distribution networks design using a resilience index based heuristic approach ［J］. Urban Water ， 2000 ， 2 （ 2 ）： 115 - 122 .

Farahmandfar Z ， Piratla K R ， Andrus R D . Flow-based modeling for enhancing seismic resilience of water supply networks ［C］∥ Pipelines 2015 . Baltimore， Maryland ： American Society of Civil Engineers ， 2015 ： 756 - 765 .

Metropolis N ， Ulam S . The monte carlo method ［J］. Journal of the American Statistical Association ， 1949 ， 44 （ 247 ）： 335 - 341 .

李立云，任灿，侯本伟 . 城市供水管网系统抗震能力分析模型对比研究［J］. 地震工程与工程振动， 2020 ， 40 （ 6 ）： 81 - 93 .

Li L Y ， Ren C ， Hou B W . Comparative study on seismic performance analysis models of water distribution system ［J］. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2020 ， 40 （ 6 ）： 81 - 93 . （in Chinese）

Japan Water Works Association （JWWA） . Seismic damage prediction of water supply pipelines ［R］. Tokyo ： Japan Water Works Association ， 1998 .

Isoyama R ， Ishida E ， Yune K ， et al . Seismic damage estimation procedure for water supply pipelines ［J］. Water Supply ， 2000 ， 18 （ 3 ）： 63 - 68 .

American Lifelines Alliance （ALA） . Seismic guidelines for water pipelines ［R］. USA ：［ s.n. ］， 2005 .

Federal Emergency Management Agency （FEMA） . Multi-hazard loss estimation methodology， earthquake model， hazus–MH 2.1 technical manual ［R］. Washington， D.C. ： Federal Emergency Management Agency ， 2012 .

Shi P ， O'Rourke T D . Seismic response modeling of water supply systems ［R］. Buffalo ： The Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research ， 2008 .

韩朝 . 基于EPANET的供水管网震后功能仿真与韧性评估平台开发研究［D］. 北京：北京工业大学， 2020 .

Han Z . Study on post-earthquake performance simulation and resilience evaluation platform development of urban water supply network based on EPANET ［D］. Beijing ： Beijing University of Technology ， 2020 . （in Chinese）

Yoo D G ， Kang D ， Kim J H . Optimal design of water supply networks for enhancing seismic reliability ［J］. Reliability Engineering & System Safety ， 2016 ， 146 ： 79 - 88 .

Han Z ， Ma D ， Hou B ， et al . Seismic resilience enhancement of urban water distribution system using restoration priority of pipeline damages ［J］. Sustainability ， 2020 ， 12 （ 3 ）： 914 .

李天华 . 供水管网脆弱性评价及承灾能力优化研究［D］. 大连：大连理工大学， 2020 .

Li T H . Research on vulnerability assessment and disaster-bearing capacity optimization of water supply networks ［D］. Dalian ： Dalian University of Technology ， 2020 . （in Chinese）

庄宝玉，杨宇飞，赵新华 . 基于改进混合蛙跳算法的供水管网优化［J］. 中国给水排水， 2011 ， 27 （ 9 ）： 45 - 49 .

Zhuang B Y ， Yang Y F ， Zhao X H . Optimization of water distribution system based on improved shuffled frog leaping algorithm ［J］. China Water & Wastewater ， 2011 ， 27 （ 9 ）： 45 - 49 . （in Chinese）

Deb K ， Pratap A ， Agarwal S ， et al . A fast and elitist multiobjective genetic algorithm： NSGA-II ［J］. IEEE Transactions on Evolutionary Computation ， 2002 ， 6 （ 2 ）： 182 - 197 .

马锡涛 . 城市供水管网功能抗震易损性与韧性概率特征分析［D］. 北京：北京工业大学， 2022 .

Ma X T . Seismic fragility analysis and probabilistic characteristics of resilience of water distribution systems ［D］. Beijing ： Beijing University of Technology ， 2022 . （in Chinese）

Bragalli C ， D'Ambrosio C ， Lee J ， et al . On the optimal design of water distribution networks： a practical MINLP approach ［J］. Optimization and Engineering ， 2012 ， 13 ： 219 - 246 .

中国地震烈度表： GB/T 17742—2020 ［S］. 北京：中国标准出版社， 2020 .

上海市政工程设计研究总院 . 给水排水设计手册（第三版第10册）［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 2012 .

魏静 . 基于改进NSGA2算法的给水管网多目标优化设计［D］. 北京：北京工业大学， 2016 .

Wei J . Multi-objective optimal design of water supply systems via improved NSGA2 algorithm ［D］. Beijing ： Beijing University of Technology ， 2016 . （in Chinese）

陈锐 . 基于多目标进化算法的供水管网优化研究［D］. 西安：西安电子科技大学， 2021 .

Chen R . Research on optimization of water supply network based on multi-objective optimization algorithm ［D］. Xian ： Xidian University ， 2021 . （in Chinese）

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

No data

Related Institution

No data

⁰