城市地下生命线运行风险及评估方法研究现状及展望

肖海洋 冉奥博 刘克会 李金林

摘 要：城市地下生命线是城市赖以运行的基础。综合前人的研究把城市地下生命线系统划分为给排水、燃气及石油传输、地下电缆和地下交通这四大类子系统。详细阐释各个子系统日常运行中风险因素的具体表现，总结了针对各个子系统风险因素相关的代表性研究成果，据此分析未来研究趋势。强调了涉及多系统的关联风险因素表现及现在的研究情况。对定性类、定量类及智能技术类风险评估方法做了综述。未来的研究将向应用智能技术类方法做综合风险分析、多系统关联分析方向发展。

关键词：城市地下生命线 风险因素 风险评估方法 文献综述

中图分类号：X4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（a）-0139-02

目前城市化在不断的推进，已有城市规模也在不断扩大，形成许多“巨无霸”城市。日本东京、美國纽约、中国北京、上海等城市都有超过700 km2的土地，900万以上的人口。地下生命线流淌着整个城市赖以运行的电力、水、燃气、信息等“城市血液”，承载着无比艰巨的任务。处于地面以下或埋在土地之中的维系城市与区域经济功能的给排水、供气、供暖、交通、通讯、电力等系统统称为“城市地下生命线”。

地下生命线的安全问题关系城市正常运行。美国纽约1977年断电25 h、日本“3.11”大地震、北京“7.21”特大暴雨给平时被人们忽略的地下生命线造成了极大的破坏，它们的失效使得整个城市的运行陷入停顿与混乱。其实不论城市的大小，现代城市对于地下生命线的稳定运行都具有极大的依赖性。因为城市地下生命线具有不可进入性和不可见性，日常检测、维护和维修极为困难，出现故障后也常常因为修复不及时而导致更加严重的二次危害。城市地下生命线是一个复杂的巨系统，具有公共性高、关联性强，风险性大的特点。地下生命线系统一般有多种系统或者工程结构组成，其中每一个子系统又包含有不同的建筑组成以及设施构件，它们在空间上纵横交错，在功能上互相依存，形成一个高度复杂的网络系统。因此，研究城市地下生命线并进行风险评估是极有意义的。

1 城市地下生命线各子系统划分及其风险因素

城市地下生命线系统是一个庞大复杂的巨系统，为了对其作风险分析，需要进行子系统划分。李亚兰（2003）从工程技术角度将城市地下管线划分为城市地下管道子系统和城市地下电缆子系统两大类，每一个子系统包括若干小类。城市地下生命线除了地下管线之外，还应该包括地下交通子系统。同时，城市地下管道子系统涵盖种类众多，为此本文将城市地下生命线子系统划分为：给排水子系统、燃气及石油传输子系统、地下电缆子系统、地下交通子系统，并针对每个子系统对相应的风险因素进行了分析。

1.1 给排水管网子系统风险因素

城市给排水系统是现代化城市最重要的基础设施之一，我国首个供水工程出现在1879年，国外发达国家则更早；排水系统的出现要早于供水系统。

给水管网所受到的风险因素主要是腐蚀、管内压力不均、地面沉降、地震及施工误操作。给水管网的内外壁均会形成腐蚀，不仅缩短管道寿命而且会影响水质，腐蚀的种类也多种多样。Srikanth等（2005）深入调查了给水管道频繁失效的原因，发现在管道周围土质呈中性的情况下，沥青涂层低碳钢管道与突然之间存在明显的电势差，形成杂散电流，造成严重的电腐蚀。管道的塑性形变难以满足地面或者地基沉降的位移时，管道就会拉裂断开。相较而言，地震是突然之间发生巨大的位移，破坏更大。

给水系统与排水系统是城市水循环的入口与出口，两者在研究方法及风险因素上相似之处很多。给排水管道的腐蚀风险及排水管网的洪涝风险依旧会是将来的研究重点。

1.2 燃气及石油传输管网子系统风险因素

燃气管网与石油管网的安全与稳定运行关系到民生、国防的诸多方面。随着国民经济的发展，我国对天然气和石油的需求量越来越大，针对相关管网风险的研究极为必要。

导致燃气管道泄露及破裂事故的风险因素主要有内外腐蚀、机械故障及施工缺陷、地球运动及自然灾害、人为破坏，其中腐蚀及第三方人为破坏是造成事故最多的原因。石油管网的风险诱因和燃气管网大致相同，腐蚀及人为破坏同样是主要风险诱因，但是与燃气相比，石油更加容易被盗窃。作为最为重要的能源供应管网系统，燃气和石油管网在现在国内外学术研究中热度持续上升，各方面的研究充足，方法应用研究也很深入，今后进一步的定量化以及和其他管网系统一起做关联研究将是一种趋势。

1.3 地下电缆子系统风险因素

城市由于内部空间有限，电缆主要分布于地下。城市地下电缆担负着两个主要的功能：能源传输及信息传送，分别被称为电力电缆和电信电缆。

电力电缆容易出现的故障有三种：开路故障，低阻故障和高阻故障，导致这些故障的风险因素主要有：过载，绝缘受潮或老化，机械损伤和设计缺陷。Vít和Tomá（2010）通过控制材料、辐射强度及温度进行了加速老化对比试验，来模拟使用10年的电缆老化情况，机械性能测试证实温和老化条件组与现实密切符合。罗俊华等（2003）统计了国内126家电缆运行维护单位近5年的数据，外力破坏占电缆故障总数的的58%。

21世纪是信息世纪，电信电缆是信息有线传输的生命线，每年都有两位数的增长。电信电缆也是依赖电信号来传递信息，不过电压相比于电力电缆要低得多。它们主要的风险因素是第三方破坏及腐蚀老化，但是专门针对这些来做研究的极少。徐勋建（2007）认为外力破坏、腐蚀老化、设计缺陷等会导致通信电缆特性变化、断线、接地和短路等故障，电桥法和TDR可以较准确的探测低阻及短路故障，采用TEDR探测高阻和闪络性故障较好，SSTDR在线监测则是未来故障探测技术发展趋势。光缆也是一类重要的地下通信生命线，但是光缆采用的是光信号传递信息，并不属于地下电缆范畴。光缆故障主要包括因人为破坏或者天气原因造成的中断性故障，因材料杂质和弯曲角度过大造成的损耗性故障；对于海底光缆，渔业活动及海底腐蚀是主要的风险因素。

电力是现代工业发展的基石，对于高压乃至超高压电力稳定传输的研究仍然会是以后的热点。地下供电管线周围会产生复杂的电磁场，造成关联影响。同时，新技术也在电力传输领域飞速发展，高温超导电缆正在一步步攻克进入实际应用的关键问题。无线输电技术则可能彻底摆脱现在的风险因素，使未来世界的面貌发生巨大的变化。

1.4 地下交通子系统风险因素

地下交通系统方面研究比较多的是大型城市地铁网。地铁系统的风险因素较为复杂，既包括地震、火灾等自然灾害，也包括建筑结构问题、运营控制系统问题，人为恐怖袭击也会导致系统瘫痪。但这些是截然不同领域的研究问题。

Youssef等（2001）认为从历史上来看，地铁等地下设施被破坏率远远低于地面设施，但是一旦出现地震就会产生巨大灾难，地震时，地铁隧道结构必须要经受静态负荷以及地震负荷；他们开发了包括峰值加速度与速度、目标反应谱、地面运动情况在内的参数体系，对地铁隧道结构的抗震负载能力进行计算与评估。姚宣德和王梦恕（2005）对地铁系统工程进行综合考虑，区分归纳了从立项决策、设计施工到运营的七大类风险。他们分析了各类风险之间的相互影响，建立了包括风险评估系统、专家咨询系统、决策支持系统在内的地铁工程风险评估总体框架。

现在的研究主要集中于灾害等突发事件对地铁隧道及地铁运营的影响、地铁设计建设中的风险。随着地下设施结构方面研究的逐渐成熟，对于地铁内部环境风险因素管理以及运营调度风险因素的关注将会逐渐成为主流。

1.5 涉及多系统的关联风险因素

地下错综复杂的各类生命线之间会相互影响造成关联破坏。这不是单一的风险因素，而是由于系统整体性的特点，内外环境相互影响而造成的风险因素。由于城市地下生命线之间关联度极高，因此，关联破坏是极有可能发生的。Obanijesu（2009）在分析西非天然气管道建设时，就将火灾风险、污染、气候变化等考虑在管道故障之内。

本文认为关联破坏包含初、中、高三个层次。初级层次，单个子系统（供水、燃气、石油等）内部相互联系而产生的破坏。第二层次，整个管网各子系统之间，也就是供水、供电、燃气等管道之间联系，产生的一方破坏而引发另一方破坏；如将石油管道和输气管道联系联系分析，石油管道与供水管道结合分析。最高层次，以管网为整体，与整个城市运行体系之间联系而产生的破坏；如将供水管网和自然环境、工业污染联系起来，将供水系统置于整个大都市现状背景下来看。现行研究中，初级层次研究最多，多使用数学模型对子系统内部进行风险评估。不仅城市生命线是一个系统，整个城市运行体系更是一个大系统，管网附近的建筑物或公共事业工程之间的相互关系都是关联破坏的研究范畴。

2 风险评估方法

2.1 定性类方法

风险评价技术起源于20世纪30年代的美国，50年代末期安全系统工程的兴起推动了风险评价技术的发展。70年代末，安全系统工程被引入中国，进入探索阶段。相对于定量分析，定性分析更注重因果关系分析，重点明确。Jia等（2011）综合灰度关联理论以及层次分析法，提出了多层次灰度关联分析法，用来评价天然气管道网络，经过实例研究，具有较好的适用性。韩朱旸（2010）使用肯特法建立了燃气管网风险评估指标体系，先将指標体系按照脆弱性、事故诱因、事故后果分为了三大类，再层层细分为小类，并对该方法的优劣进行了评判。

相较于古典统计学，灰色理论在解决多元复杂系统不确定性问题时表现出了极强的适应性。由于生命线系统的复杂性，很多问题难以定量分析；而定性分析适用范围广泛，但不能给出精确的结果，在生命线风险研究中很少完全依赖定性方法。

2.2 定量类方法

由于城市地下生命线的高度复合性，现阶段定量分析往往在子系统的特定分析中采用，比如使用统计学方法中成熟的模型对海底输油管道泄露风险进行评估。故障树分析法是演绎的系统安全分析法，是从事故开始层层分析其发生原因；并且是在复杂不确定系统定量分析中，最为常用的一种方法。Dong和Yu（2005）对事故树分析法做出了改进，他们不是把基本事件的概率看成精确值，而是结合专家打分法和模糊理论，对基本事件的概率进行了重新界定；在石油和燃气管道最基本的两个失效因素—— 泄露和破裂的基础上，他们建立了一个具有55个最小割集的事故树，进一步做了定量分析。冯永青（2006）等采用可信性理论方法，在同时考虑随机性与模糊性的情况下，对电力系统做了风险评估，归纳了电力系统的八种具体的风险诱因，在此基础上对风险指标定量描述。

大部分定量分析是在定性分析的基础上，对系统的风险性给予量化描述；定量类方法以数据为基础，使用较为复杂。有效的风险评估方法必须能够识别风险，判断系统承受能力，确定概率，推断后果，评价危害。定量类会越来越倾向于采用计算机模块化处理，逐步与智能技术相结合。

2.3 智能技术类方法

智能技术在处理复杂运算方面有着无可比拟的优势，随着技术的完善，很多简单方法无法解决的难题可以在计算机中进行模拟。智能技术在实际应用方面现在已经较为成熟，现在应用的比较多的有GIS技术、3D技术、蒙特卡洛模拟、人工神经网络、证据理论等。Ho等（2010）则把人工神经网络和GIS技术进行了集成，通过该方法可以判断在不同的管径、管材、震级下管道可靠性。Ouk和Dong（2006）先用一阶可靠性方法和二阶可靠性方法来评估管道可靠性与失效率，再使用蒙特卡洛模拟来评估这两种方法的有效性，指出影响管道失效概率的因素。

人工智能方法多以巨大的数据量为支撑，借助计算机高速运算能力和可视化输出，获得通过常规方法难以得到的结果。智能技术能把定性与定量方法结合起来，在涉及到复杂和高度非线性问题时也能找到解决方案。这种方法在今后对地下生命线研究中将会被越来越广泛的使用。

3 结论与展望

城市地下生命线系统是一个复杂的巨系统，不仅涵盖子系统范围广，而且会受到各种自身及周围环境风险因素影响，造成破坏或者失效。除此之外，子系统之间也会发生关联影响，造成更大范围、更加长久乃至更加严重的伤害。现在对于城市地下生命线各个分支的研究数量很多，但是一般都是研究的较为简单的情形，而现实中的情形往往要比这些复杂得多。

城市地下生命线风险识别与评估需要融合多学科知识体系，不仅包括市政工程、建筑、电力技术、统计等知识，也需要把工程技术、城市管理、社会经济等知识结合到一起。在研究的过程中，也会有很多新知识、新方法的产生，促进相关学科的发展。总体来看，现在这一领域中国学者的研究与国际水平基本同步，但是大部分都是沿用国外的方法与思路，创新性研究及原始方法研究不多。不过，相信随着国内该领域研究的逐渐深入，会有越来越多的创新性方法与思路逐步出现。

参考文献

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