城市基础设施群弹性分析方法、电子设备及存储介质技术

城市基础设施群弹性分析方法、电子设备及存储介质，属于评估分析技术领域。为解决目前城市基础设施分析方法过于简单，脱离实际情况分析等技术问题，本发明专利技术构建城市基础设施群网络的级联失效模型包括统计城市基础设施的运行数据，然后将城市基础设施的运行数据转化为城市基础设施的运行功能值；基于城市基础设施的运行功能值建立城市基础设施群为分析基础单元，进行城市基础设施群初次划分；对初次划分城市基础设施群采用DBSCAN算法进行再次划分，得到最终城市基础设施群；建立城市基础设施群的级联失效模型；进行城市基础设施群内的基础设施、城市基础设施群的弹性分析。本发明专利技术弹性分析更加全面，对于实际系统的弹性能力度量更加合理。量更加合理。量更加合理。

【技术实现步骤摘要】
城市基础设施群弹性分析方法、电子设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及城市基础设施群分析方法，具体涉及一种城市基础设施群弹性分析方法、电子设备及存储介质。

技术介绍

[0002]近年来，随着全球气候变暖及其引发的一系列自然灾害面前，城市基础设施面临着巨大的挑战，如何设计并建造能够抵御此等冲击的城市基础设施，对于保障城市正常运行和经济的平稳发展，意义重大。同样的，由于城市经济的快速发展以及城市化进程和水平的不断提高，各国均陆续建立起各种规模的城市群。在这些城市系统当中，一些承担城市运行和经济发展的重要基础设施和复杂系统，如城市交通网络、城市供电线路网络、都市大型飞机场等等，均对城市正常运行起着至关重要的作用。同时，由于这些系统往往具有较大的规模、重要的支撑功能和复杂的系统交互，因此也被称作为城市关键基础设施。而越来越多的研究表明，针对这些城市关键基础设施的蓄意“攻击”，将会对城市造成巨大的损失，包括经济损失甚至人员伤亡。由于这些关键基础设施对于其他系统设施的巨大影响作用，因此往往它们的失效和故障意味着大规模系统瘫痪的发生。城市本身面临的各种挑战是未知的、是不可控且不可预测的，因此城市管理者需要从这些城市关键基础设施入手，利用有效的理论知识、通过丰富的实践方法，构建保障城市正常运行的“防护罩”。而在所有问题当中，如何使得城市快速的从这些不可避免的“攻击”当中恢复过来，是一个重要且必要的研究课题。
[0003]此外，随着全球气候变暖、极端天气的出现以及各种人为的原因，都是导致影响基础设施正常运行的干扰因素。而这些对实际运行造成影响的外界扰动，会直接影响基础设施的正常运行，以及一系列可能发生的“多米诺骨牌效应”的影响，这种影响一般被称之为“级联失效”，它一般是指在系统和网络中，一个或少数几个节点或连线的失效会通过节点之间的耦合关系引发其他节点也发生失效，进而产生级联效应，最终导致相当一部分节点甚至整个网络的崩溃。级联失效实际上已经成为影响城市基础设施正常运行的最大原因。因此，如何立足于极端天气和特定场景下的基础设施运行状况，分析基础设施之间的相关关系，非孤立性的去分析基础设施的运行状况，并实施有效的可靠性运行措施，是目前亟需解决的问题之一。
[0004]实际城市基础设施的重要性已被城市管理者所了解，并相对应的布设了很多的运行监测设备和设施，但是由于无法掌握城市级别的系统运行规律，因此各个数据获取源之间无法做到有效的综合利用，同时如何将这些数据提取出有效的数据，分析系统运行的实际状态，缺乏相应的知识和理论。同时，实际外界对基础设施的扰动都发生在局部，分析实际这些扰动开始对于局部的影响，然后随着系统结构和功能的关联性，而逐步扩展到部分，并最终蔓延到整个系统。如何把握整个故障的传播过程以及针对其建立起一整套的有效分析手段，都是目前需要解决的问题。
[0005]“基于复杂网络理论的级联失效下城镇基础设施韧性评价研究”文章中将城市基
础设施网络分为六类，但是却独立进行的分析，分析后无法得出统一的指标和结论。因此，对于现实当中的指导意义不强。该文章利用了渗流理论进行分析，但是实际过程只应用了简单的节点去除，没有考虑实际各个节点之间的差异性以及负载情况，同时对于扰动在系统当中的传播过程没有进行刻画，使得所有分析脱离实际情况，无法对系统的弹性进行有效度量。因此最后得出的结论说服力不足。该文章进行的案例分析所引用的网络，规模小，根据单一节点和连边的单层网络对于现实情况的割裂性分析，无法达到分析效果。“中国城市韧性度综合评价”文章中的不足为城市运行数据的运用过少，难以说明实际应用的有效性，该文章使用层次分析法分析城市弹性，但无法对多功能之间的耦合特效进行有效度量；该文章分析过程中，使用权重分配的方法，主观性太高，后续的分析同样存在这个问题。最终得出的结论没有有效的理论和数据支持，其次，分析过程较为简单，没有进行有效对照分析以及去除偶然性因素处理。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对现在技术中存在的目前城市基础设施分析方法关联性不强，脱离实际情况分析等技术问题，本专利技术考虑城市多种设施运行的强相关性，考虑将整个城市的设施系统按照不同设施之间的相关性进行分组并提出城市基础设施群的概念，然后以设施群为单位进行分析，提供一种城市基础设施群弹性分析方法、电子设备及存储介质。
[0007]一种城市基础设施群弹性分析方法，包括如下步骤：S1、构建城市基础设施群网络的级联失效模型；步骤S1构建城市基础设施群网络的级联失效模型具体实现方法包括如下步骤：S1.1、统计城市基础设施的运行数据，然后将城市基础设施的运行数据转化为城市基础设施的运行功能值；S1.2、基于城市基础设施的运行功能值建立城市基础设施群为分析基础单元，进行城市基础设施群初次划分；步骤S1.2具体实现方法包括如下步骤：S1.2.1、基于城市基础设施的运行功能值，提取城市基础设施属性对应设施作为核心基础设施，根据城市规模设置最大半径D
max
，在D
max
范围内计算城市基础设施群中的基础设施之间的空间相关性C(r)为：i为核心基础设施，j为基础设施，FV
i
为核心基础设施i的运行功能值，FV
j
为基础设施j的运行功能值，为基础设施的运行功能值的平均值，H为D
max
范围内所有基础设施的集合，表示方差，r
ij
为i和j之间的欧氏距离，r为距离；函数用来筛选距离为r的节点对，当i和j之间的欧氏距离为r时，函数值为1，否则为0，根据C(r)分布选择最大值所在区间作为核心基础设施i的实际影响范围D
i
；S1.2.2、计算D
max
范围内城市基础设施群中的基础设施运行功能值序列与i之间的
皮尔逊相关性系数：PPMCC
i，j
为j基础设施运行功能值序列与i之间的皮尔逊相关性系数，cov(i，j)为i和j的运行功能值序列的协方差，为i的标准差，为j的标准差；S1.2.3、通过皮尔逊相关性系数，得到，进行城市基础设施群初次划分；，进行城市基础设施群初次划分；表示对于核心基础设施i而言，j是否在其为中心的基础设施群内，值为1表示在其内，为0则在其外；S1.3、对初次划分城市基础设施群采用DBSCAN算法进行再次划分，得到最终城市基础设施群；S1.4、建立城市基础设施群的级联失效模型；S2、城市基础设施群内的基础设施的弹性分析；S3、城市基础设施群的弹性分析。
[0008]进一步的，步骤S1.3具体实现方法包括如下步骤：S1.3.1、采集城市基础设施的运行功能值数据，将初次划分的城市基础设施群且存在不重合和空白情况的区域合并作为一个点，将运行功能值进行相加，得到核心基础设施团g的点数P(g)：L0为核心基础设施团内的基础设施集合；S1.3.2、设置 r'为参照邻域半径，MinPts为所述核心基础设施团中预设基础设施的数量；S1.3.3、应用DBSCAN算法，根据r'和MinPts判断点的属性，进行最终城市基础设施群的划分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市基础设施群弹性分析方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、构建城市基础设施群网络的级联失效模型；步骤S1构建城市基础设施群网络的级联失效模型具体实现方法包括如下步骤：S1.1、统计城市基础设施的运行数据，然后将城市基础设施的运行数据转化为城市基础设施的运行功能值；S1.2、基于城市基础设施的运行功能值建立城市基础设施群为分析基础单元，进行城市基础设施群初次划分；步骤S1.2具体实现方法包括如下步骤：S1.2.1、基于城市基础设施的运行功能值，提取城市基础设施属性对应设施作为核心基础设施，根据城市规模设置最大半径D
max
，在D
max
范围内计算城市基础设施群中的基础设施之间的空间相关性C(r)为：i为核心基础设施，j为基础设施，FV
i
为核心基础设施i的运行功能值，FV
j
为基础设施j的运行功能值，为基础设施的运行功能值的平均值，H为D
max
范围内所有基础设施的集合，表示方差，r
ij
为i和j之间的欧氏距离，r为距离；函数用来筛选距离为r的节点对，当i和j之间的欧氏距离为r时，函数值为1，否则为0，根据C(r)分布选择最大值所在区间作为核心基础设施i的实际影响范围D
i
；S1.2.2、计算D
max
范围内城市基础设施群中的基础设施运行功能值序列与i之间的皮尔逊相关性系数：PPMCC
i，j
为j基础设施运行功能值序列与i之间的皮尔逊相关性系数，cov(i，j)为i和j的运行功能值序列的协方差，为i的标准差，为j的标准差；S1.2.3、通过皮尔逊相关性系数，得到，进行城市基础设施群初次划分；，进行城市基础设施群初次划分；表示对于核心基础设施i而言，j是否在其为中心的基础设施群内，值为1表示在其内，为0则在其外；S1.3、对初次划分城市基础设施群采用DBSCAN算法进行再次划分，得到最终城市基础设施群；S1.4、建立城市基础设施群的级联失效模型；S2、城市基础设施群内的基础设施的弹性分析；S3、城市基础设施群的弹性分析。2.根据权利要求1所述的一种城市基础设施群弹性分析方法，其特征在于：步骤S1.3具体实现方法包括如下步骤：
S1.3.1、采集城市基础设施的运行功能值数据，将初次划分的城市基础设施群且存在不重合和空白情况的区域合并作为一个点，将运行功能值进行相加，得到核心基础设施团g的点数P(g)：L0为核心基础设施团内的基础设施集合；S1.3.2、设置 r'为参照邻域半径，MinPts为所述核心基础设施团中预设基础设施的数量；S1.3.3、应用DBSCAN算法，根据r'和MinPts判断点的属性，进行最终城市基础设施群的划分。3.根据权利要求2所述的一种城市基础设施群弹性分析方法，其特征在于：步骤S1.4具体实现方法包括如下步骤：S1.4.1、基于级联失效模型的定义，定义初始扰动为增加基础设施的负载值，对于城市基础设施j有：基础设施j有：为基础设施j的最大容量，TP
j
为基础设施j的容忍参数，为基础设施j的初始负载：S1.4.2、当级联失效发生后，删除过载的基础设施j，基础设施j的负载将会根据连接强度分配给一阶邻居k，分配比例为：度分配给一阶邻居k，分配比例为：为j和k之间的归一化的连接强度，为j和k之间的连接强度，为j和m之间的连接强度，m为Q中的任意一个，Q为与基础设施j相连接的一阶邻居集合；S1.4.3、k分配到的负载与k归一化之后的强度成正比，有如下公式：S1.4.3、k分配到的负载与k归一化之后的强度成正比，有如下公式：为k分配到的负载的运行功能值，FV
j
为基础设施j的运行功能值；则k上的更新负载为：S1.4.4、比较k的更新负载和k的最大容量的关系，确定是否需要进一步移除k：S1.4.4、比较k的更新负载和k的最大容量的关系，确定是否需要进一步移除k：为k的状态值，MC
k
为k的最大容量，0表示移除，1表示保留；S1.4.5、重复步骤S1.4.1
‑
S1.4.4，移除影响的基础设施的连接和连接强度重新做归一化处理，直到城市基础设施群重新回到平衡状态。4.根据权利要求3所述的一种城市基础设施群弹性分析方法，其特征在于：步骤S2城市
基...

【专利技术属性】
技术研发人员：周子益，童青峰，刘星，
申请(专利权)人：深圳市交通科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：