رساله دکتری
مهندسی عمران - زلزله
تابستان 1393
چکیده
یکی از ابزارهای مناسب برای شناخت وضعیت شبکه های توزیع آب به عنوان یکی از سیستمهای شریان حیاتی، شاخص قابلیت اعتماد است. یک دسته روش دیگر که به علت وجود پارامترهای زیاد سیستمهای شریان حیاتی مناسبتر است، استفاده از مفهوم تئوری آنتروپی اطلاعات شانون و تعیین شاخص درجه افزونگی شبکه است. درکارهای انجام شده بر روی درجه افزونگی شبکههای توزیع آب معمولاً اثر همزمان پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی لحاظ نمیشود. به همین منظور در این مطالعه یک معیار اصلاح شده بر اساس مفهوم آنتروپی اطلاعات برای ارزیابی سطح خدمترسانی شبکههای توزیع آب ارائه شده است. به طوری که در این رابطه به طور همزمان اثر عدم قطعیتهای هیدرولیکی (مانند میزان جریان در لولهها) و عدم قطعیتهای مکانیکی (مانند احتمال گسیختگی خطوط جریان) لحاظ شده باشد.
برای این منظور، پس از بررسی تأثیر انواع روشهای وزندار نمودن تابع آنتروپی بر روی نوع رفتار تابع، ضریبی به صورت نسبت نیاز گره مصرف به نرخ جریان تمام لینکهای شبکه تعریف شده است. با وزندار نمودن مناسب تابع آنتروپی هیدرولیکی موجود در ادبیات فنی، تأثیر توالی و نحوه اتصال گرههای مصرف به گرههای چشمه در رابطه پیشنهادی دیده شده است. صحت رفتار تابع پیشنهادی به کمک مثالهایی با پیکرهبندیهای متفاوت، مورد ارزیابی قرار گرفته است. برای لحاظ نمودن اثر احتمال عدم خدمترسانی لینکها نیز از مفهوم آنتروپی شرطی استفاده شده است. بدین صورت که یک تابع جریمه بر اساس احتمال گسیختگی هر یک از لینکها تحت یک سناریوی خطر مشخص تعریف میشود و این تابع جریمه به صورت مناسب در تابع آنتروپی هیدرولیکی اعمال میگردد. در این حالت نیز با در نظر گرفتن حالات حدی مختلف و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج مورد انتظار، صحت رفتار تابع آنتروپی پیشنهادی بررسی شده است.
به کمک رابطه آنتروپی پیشنهادی نحوه عملکرد تعدادی شبکه توزیع آب نمونه، از شبکههای ساده درختی تا شبکههای حلقهای پیچیده، بررسی شده است تا صحت نتایج حاصل از رابطه پیشنهادی در ارزیابی عملکرد کلی شبکهها نیز مورد بررسی قرار گرفته باشد. در ادامه، نتایج حاصل از رابطه آنتروپی پیشنهادی با نتایج حاصل از روابط کلاسیک محاسبه قابلیت اعتماد شبکههای توزیع آب برای تعدادی شبکه با گرههای مصرف و چشمه یکسان ولی پیکرهبندیهای مختلف مقایسه گردیده و کارایی شاخص پیشنهادی هم جهت دستیابی به پیکرهبندی بهینه هیدرولیکی برای یک شبکه آب جدید و هم انتخاب بهترین برنامهریزی برای کاهش خسارت در یک شبکه موجود در برابر خطرات مختلف طبیعی یا ساخته دست انسان، نشان داده شده است. به عنوان یک مثال واقعی رفتار شبکه توزیع آب شهر کوبه نیز بر اساس رابطه پیشنهادی مورد ارزیابی قرار گرفته است. از مهمترین مزایای روش پیشنهادی میتوان به سادگی بسیار بیشتر این روش نسبت به سایر روشهای موجود برای تعیین قابلیت اعتماد شبکهها و تعیین بهترین پیکرهبندی اشاره نمود. این در حالی است که در این روش پیشنهادی به طور همزمان عدم قطعیتهای هیدرولیکی و مکانیکی نیز لحاظ شده است.
از آنجا که پارامترهای مشخصه شبکه مانند میزان نیاز گرههای مصرف یا میزان احتمال عدم خدمترسانی لینکها و غیره، خود نیز دارای عدم قطعیت میباشند، در بخش پایانی پایاننامه به کمک ریاضیات فازی و مفهوم فازی- آنتروپی به بررسی میزان حساسیت نتایج حاصل به اینگونه عدم قطعیتها پرداخته شده است. در این بخش نشان داده شده است که وجود عدم قطعیت در برخی پارامترها، همچون میزان نیاز برخی گرههای مصرف، میتواند تأثیر قابل توجهی بر روی میزان اطمینان به نتایج حاصل داشته باشد در حالی که وجود عدم قطعیت در برخی پارامترهای دیگر تأثیر زیادی روی تغییرات نتایج ندارد. در نتیجه به کمک این روش میتوان پارامترهای حساس بر روی عملکرد شبکه را نیز شناسایی نمود.
فصل اول
مقدمه
1-1- زمینه تحقیق
به سیستمهایی مانند شبکههای توزیع آب که در هنگام حوادث طبیعی مانند زلزله دارای حساسیت و اهمیت زیادی میباشند و در واقع نجات جان انسانها و کاهش خسارات مالی و برگشت به زندگی عادی و خدمترسانی جامعه به آنها وابستگی شدیدی دارد، شریان حیاتی گفته میشود. بازگرداندن هر چه سریعتر شریانهای حیاتی به حالت عادی نیازمند برنامهریزی دقیق است. برنامهریزی دقیق در شرایط بحرانی مستلزم شناخت کافی از وضعیت سیستم، تحلیل سیستم، تعیین پارامترهای اجزاء سالم و یا آسیب دیده سیستم است. تعمیرات و بازسازی بر مبنای نتایج حاصل از تحلیل جامع سیستم و با رعایت اولویتها میتواند انجام گیرد که در بازگشت سریع جامعه به حالت عادی بسیار حائز اهمیت میباشد. از این رو تعیین وضعیت کنونی شریانهای حیاتی و بیان آن به صورت قابل لمس برای تصمیمگیرندگان کلان کشور از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است تا آنها بتوانند تصمیمی صحیح، سریع و اقتصادی بگیرند. شاخص قابلیت اعتماد یکی از بهترین ابزارها برای این منظور میباشد. اما محاسبه قابلیت اعتماد سیستمهای بزرگ مقیاس مانند شریانهای حیاتی کاری بسیار دشوار است بطوری که بسیاری از پژوهشگران به دنبال یافتن راهی برای ساده کردن این مسئله میباشند و یکی از این روشها برای ارزیابی میزان ایمنی سیستمهای شریان حیاتی شاخص نامعینی است. در ادبیات فنی برای بیان شاخص نامعینی از مفهومی ریاضی به نام آنتروپی اطلاعات استفاده میشود.
برای شبکه های توزیع آب معمولاً قابلیت اعتماد به دو شکل محاسبه میشود: قابلیت اعتماد مکانیکی و قابلیت اعتماد هیدرولیکی. در قابلیت اعتماد مکانیکی، احتمال متصل ماندن گرههای تقاضا به گره چشمه بررسی میشود. در قابلیت اعتماد هیدرولیکی، این احتمال برآورد میشود که هر یک از گرههای تقاضای موجود در شبکه، آب را با فشاری از قبل تعیین شده دریافت کند، حتی اگر تعدادی از خطوط لوله نیز از عملکرد خارج شده باشند. در ادبیات فنی کمتر قابلیت اعتماد هیدرولیکی و مکانیکی به طور همزمان مطالعه شده است. در این پروژه هدف تعیین میزان قابلیت اعتماد شبکه توزیع آب به کمک مفهوم تئوری آنتروپی اطلاعات میباشد که بطور همزمان پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی لحاظ گردد.
یکی از مهمترین شاخههای تحقیق بر روی شبکههای توزیع آب در دهههای اخیر، کمّی نمودن میزان قابلیت اعتماد این شبکهها در شرایط مختلف بوده است. یکی از روشهای پذیرفته شده برای مطالعه میزان اطمینان به این شبکهها، استفاده از تئوری آنتروپی اطلاعات و تعیین درجه افزونگی این شبکهها میباشد. کارهای انجام شده در ادبیات فنی بر روی قابلیت اعتماد شبکههای توزیع آب معمولاً یا تنها به بررسی قابلیت اعتماد هیدرولیکی شبکه میپردازد و یا به بررسی قابلیت اعتماد مکانیکی سیستم میپردازد و بهطور همزمان پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی لحاظ نمیشوند. بررسی همزمان پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی برای تعیین میزان ریسک شبکه بعد از وقوع حادثهای مانند زلزله حائز اهمیت میباشد. بررسی قابلیت اعتماد هیدرولیکی یک شبکه بدون در نظر گرفتن این نکته که بعضی از خطوط بعد از حادثه از سرویسدهی خارج میشوند و همچنین مقداری از آب آنها هدر میرود، نمیتواند تصویری جامع از وضعیت شبکه به ما بدهد. از سوی دیگر بررسی قابلیت اعتماد شبکه به صورت مکانیکی بدون در نظر گرفتن میزان تقاضای هیدرولیکی گرهها که مشخصاً قبل، هنگام و بعد از حادثه متفاوت میباشد، نمیتواند دید مناسبی به تصمیمگیرندگان برای مدیریت وضعیت بحرانی بدهد. تعیین قابلیت اعتماد شبکه با رویکرد مکانیکی- هیدرولیکی به ما این اجازه را میدهد که قسمتهای با ریسک بالا را در شبکه شناسایی و آنها را تقویت کنیم و در صورت نیاز حتی با اضافه کردن درجه افزونگی این نواحی از میزان ریسک شبکه برای حوادثی مانند زلزله بکاهیم.
از دستاوردهای مورد انتظار این پروژه میتوان به توسعه روشی جهت محاسبه قابلیت اعتماد شبکه توزیع آب با در نظر گرفتن اثرات پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی برای ارزیابی شبکه شهری تحت پوشش یک مخزن در وضعیت موجود و در وضعیت بعد از حادثه و همچنین استفاده از این روش جهت توسعه شبکههای جدید اشاره نمود.
1-2- بیان مسئله
گزارشات ناشی از وقوع حوادث غیرمترقبه نشان میدهند که شریانهای حیاتی در معرض مخاطرات ناشی از پدیدههای تحتالارضی و فوقالارضی قرار دارند. به علت گسترده بودن شریانهای حیاتی و تأثیرگذاری آنها به مجموعه شهری دو معیار اساسی ایمن بودن و قابل اعتماد بودن آنها در برابر حوادث غیرمترقبه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است.
سیستمهای شریان حیاتی نه تنها باید در برابر هر عاملی مقاوم باشند، بلکه در شرایط اضطراری مانند زمان بعد از زلزله که وظیفه دسترسی و کمکرسانی به آسیبدیدگان را نیز به عهده دارند باید قابل بهرهبرداری باقی بمانند. به علت وابستگی بین شریانهای حیاتی، در صورت آسیبدیدگی یکی از آنها، دیگر شریانهای حیاتی وابسته و مرتبط نیز از کار افتاده و متعاقباً ممکن است باعث تشدید عوامل دیگر از قبیل قطع ارتباطات، اختلال در حمل و نقل، توسعه آتشسوزیها و انفجارات و غیره گردد و در نتیجه فعالیت سیستم شهری مختل و فلج گردد. برای مثال در اثر خرابی سیستم حمل و نقل، دسترسی به آسیبدیدگان و کمکرسانی با مشکل جدی مواجه میشود و یا در اثر آسیبدیدگی سیستم مخابرات، عدم اطلاعرسانی و ارتباطات به موقع و یا در اثر خرابی سیستمهای انتقال گاز، گسترش غیر قابل کنترل آتشسوزی را در پی خواهد داشت.
کشورهای مختلف و به ویژه کشورهای پیشرفته توجه زیادی به شریانهای حیاتی و برگشت سریع جامعه به حالت عادی و کاهش خسارات جانی و مالی دارند. بعضی تیمهای پژوهشی در فکر تهیه نرمافزاری هستند که پس از وقوع زلزله، برگشت به حالت عادی از چه شریانی و با چه الویتی شروع شود تا عملیات بهینه باشد. البته در سالهای اخیر با توجه به اهمیت شریانهای حیاتی مسئولین کشور ما نیز به مفهومی مانند پدافند غیرعامل اهمیت زیادی میدهند و در حقیقت آن را جزء اولیتهای کاری خود قرار دادهاند.
در مهندسی کلان لازم است با شناخت کافی از وضعیت تمام شریانهای حیاتی هر شهر و میزان اهمیت هر کدام از آنها و وابستگی و ارتباطات و اثرات متقابل و اندرکنشی آنها در مدیریت شهری و به ویژه در سطح مدیریت کلان استانی و کشوری، برنامهریزی دقیقی صورت گیرد و قبل از وقوع حوادث تلخ و فاجعهبار آنها را مورد بررسی قرار داد. البته این موضوع باید بیشتر مورد توجه مسئولین کلیدی کشور قرار گیرد.
در دنیای امروز با گسترش نظام اجتماعی شهری و گسترش شهرها، مناطق مدرن شهری بسیار بیشتر از سابق بر شریانهای حیاتی تکیه کردهاند وگسترش شریانهای حیاتی تنها راه بالا بردن کارایی فعالیت افراد جامعه در فضا و زمان میباشد. تلاشهای زیاد برای بالا بردن ایمنی ساختمانها در برابر زلزله، مناطق شهری را نسبت به گذشته ایمنتر کرده است. حال اگر شریانهای حیاتی یک شهر از هم گسیخته شوند، خسارات قابل توجهی ایجاد میکنند و فعالیت شهری با سازههای ایمن را فلج مینمایند. خرابی شریانهای حیاتی در هنگام زلزله بحرانهای زیادی از جمله عدم دسترسی به آسیبدیدگان و کمکرسانی به آنها (خرابی سیستم حمل و نقل)، عدم اطلاعرسانی و ارتباطات به موقع و درست (خرابی مخابرات)، همهگیر شدن بیماریهای واگیردار (خرابی سیستمهای جمعآوری فاضلاب)، گسترش غیر قابل کنترل آتشسوزی (خرابی سیستمهای آب) و عدم تأمین انرژی لازم برای خدمات مختلف (خرابی سیستمهای تأمین انرژی) را باعث میشود. خرابی بعضی از شریانهای حیاتی مانند خطوط انتقال گاز و نفت علاوه بر قطع خدماترسانی در موقع نیاز، باعث ایجاد آتشسوزیهای وسیع میشود، به طوری که گاهی خسارات ناشی از این آتشسوزیها چندین برابر خسارت ابتدایی زلزله میگردد.
بازگرداندن هر چه سریعتر شریانهای حیاتی به حالت عادی نیازمند برنامهریزی دقیق است. برنامهریزی دقیق در شرایط بحرانی مستلزم شناخت کافی از وضعیت سیستم، تحلیل سیستم، پارامترهای سالم و آسیب دیده اجزا سیستم است. از گامهای اساسی در سیستمها، تعیین اولویتهاست و این کار فقط زمانی محقق میشود که امتیاز فوریت کلیه سیستمها مشخص شده و به ترتیب امتیاز بالاتر آنها اولویتبندی شوند. تحلیل سیستم در وضعیت بحرانی نیز مهمترین مرحله عملیات است. تحلیل سیستم با مشخص کردن اولویتها، بطور چشمگیری از هدر رفتن زمان، بینظمی و هزینههای اضافی در انجام عملیات بازسازی جلوگیری میکند. تعمیرات و بازسازی بر مبنای نتایج حاصل از تحلیل جامع سیستم و با رعایت اولویتها میتواند انجام گیرد که در بازگشت سریع جامعه به حالت عادی بسیار حائز اهمیت میباشد.