ОТЧЁТ О ВЫПОЛНЕННОМ ЭТАПЕ

Оценка вероятностей отказа компонентов водопроводной сети при сейсмическом воздействии

Программный макет на условном графе. Этап до метода Монте-Карло.

1. Назначение и граница работы

Разработан программный макет оценки вероятностей прямого физического отказа компонентов условной водопроводной сети при заданном сценарии землетрясения. Завершён этап до моделирования случайных отказов методом Монте-Карло. Веб-версия позволяет менять сценарий, сравнивать воздействие и вероятности, скачивать расчёт в JSON и CSV.

Статус модели. Это исследовательский пример на условном графе. Точное воспроизведение всей статьи и прогноз для реального города не заявляются. Монте-Карло, связность повреждённой сети, расходы воды и давления пока не рассчитываются.

Цепочка расчёта: сценарий → расстояния до очага → медианные PGA/PGV → вероятность полного повреждения сооружений и вероятность повреждения труб → общий вектор вероятностей.

2. Граф и принятые сооружения

Граф содержит 10 узлов и 10 физических труб. Двусторонняя труба представлена двумя дугами, но учитывается как одно событие физического отказа. Координаты приближённые; трубы изображены прямыми отрезками.

Узлы и рольМодельный смыслA₅₀β
1–2 · sourceВодонапорные резервуары1,5 g0,6
3–7 · transitНасосные станции1,5 g0,8
8–10 · sinkНеповреждаемые распределительные точкиСобственный p = 0

Роль в графе сама по себе не определяет конструкцию сооружения. Такое соответствие принято для макета. В Adachi & Ellingwood (2009), §4.1, распределительные узлы действительно считаются неповреждаемыми точками разветвления. Физический смысл приёмников 8–10 исходной схемы ещё требуется подтвердить. Нулевое собственное повреждение точки не гарантирует сохранение пути к источникам.

3. Сценарий и сейсмическое воздействие

Входы: моментная магнитуда Mw, эпицентр (xe, ye), масштаб s в км на единицу схемы и глубина точечного очага h в км. Для точки (x, y):

d=(x−xe)2+(y−ye)2,r=sd,R=r2+h2

r — горизонтальное расстояние до эпицентра; R — гипоцентральное расстояние до очага на глубине. При r = 0 имеем R = h. При положительной глубине сингулярности нет; искусственное отсечение max(r, 10) не используется.

Пусть m = Mw − 6. Медианные движения грунта на скальном основании:

log₁₀(PGAсм/с²) = 3,79 + 0,298m − 0,0536m² − log₁₀R − 0,00135R
PGAg = PGAсм/с² / 981
log₁₀(PGVсм/с) = 2,04 + 0,422m − 0,0373m² − log₁₀R

PGA — пиковое ускорение грунта, PGV — пиковая скорость движения грунта. Коэффициенты соответствуют таблице 1 Atkinson & Boore (1995), также приведены в Adachi (2009), (5)–(6). Сейчас поле фиксируется на медианах, без случайного разброса интенсивности и усиления грунтом.

Отличие постановки: в водопроводной статье R назван эпицентральным. После проверки первоисточника AB95 используется расстояние до очага на глубине. Это явно изменённая геометрия сценария; точное численное воспроизведение полей Adachi не заявляется.

4. Хрупкость сооружений

Используется вероятность полного повреждения DS V при заданном PGA:

pi=P(Fi∣PGA=a)=Φ(ln(a/A50)β)

Φ — функция распределения стандартной нормальной величины. A₅₀ — PGA с вероятностью полного отказа 50%; β — стандартное отклонение логарифма порога повреждения. Эквивалентно, ln C ∼ N(ln A₅₀, β²), а полный отказ наступает при C ≤ a. При PGA = 0 задаётся p = 0. Параметры резервуаров и насосных приведены в §4.1 статьи Adachi (2009), с. 243; формула — §3.2, (11), с. 240.

Сильное воздействие повышает вероятность, но совпадение с эпицентром не назначает отказ принудительно. Например, при PGA = 1,5 g и A₅₀ = 1,5 g вероятность равна 50%. Отсутствие полного отказа не исключает меньших повреждений. Увеличение β расширяет переход около A₅₀, но не повышает вероятность при всех PGA.

5. Повреждение труб

Для трубы между точками A и B длина Lкм = s ‖B − A‖. Труба делится на m равных расчётных участков; в центре каждого вычисляются Rj и PGVj. Здесь m — число участков, а не обозначение магнитуды из предыдущего раздела.

qj = A + ((j + ½) / m)(B − A),   j = 0, …, m − 1

Перевод PGV в дюймы/с и плотность повреждений по Adachi (2009), (12):

vj = PGVj, см/с / 2,54
RRj = K · 0,00187 · vj
Δℓ = Lкм / (0,3048 · m)

RR — ожидаемое количество повреждений на 1000 футов, Δℓ — длина участка в единицах 1000 футов. K обобщённо учитывает свойства труб и условий; пока K = 0,5. По умолчанию m = 20.

μ=∑j=0m−1RRjΔℓ,N∼Poisson(μ)
pтрубы = P(N ≥ 1) = 1 − P(N = 0) = 1 − exp(−μ)

μ — ожидаемое число повреждений всей трубы. Одно повреждение считается полным отказом связи; утечки и частичная пропускная способность не моделируются. Модель и интегрирование вдоль трубы — Adachi (2009), (12)–(16); оценка в центрах 20 участков — численная схема Yu & Baroud (2019), §4.3, (8). Расчётные участки не становятся отдельными компонентами графа.

6. Результаты и значение вероятностей

p = (p₁узел, …, p₁₀узел, p₁труба, …, p₁₀труба)

Всего 20 вероятностей. Для каждой сохраняется идентификатор компонента. Эти маргинальные вероятности сами по себе не задают независимость событий; их сумма или среднее не является вероятностью отказа водопровода.

Веб-приложение показывает исходную сеть и вероятности. Цвета узлов обозначают роли, а не реализовавшееся состояние «исправен/разрушен». Вероятность отказа компонента не равна вероятности потери водоснабжения потребителя.

Исходный пример: Mw = 7,7; эпицентр (−5; 8); s = 2 км/ед.; h = 10 км; K = 0,5; m = 20. Это экстраполяция AB95 по магнитуде. Таблицы ниже предназначены для проверки воспроизводимости макета.

Узлы

УзелR оч., кмPGA, gPGV, см/сP полного отказа
126.810.48516.642.99%
237.250.33811.980.65%
327.330.47516.337.52%
434.560.36712.913.92%
527.120.47916.467.67%
617.790.75125.0919.38%
734.490.36812.943.95%
821.190.62421.060.00%
938.250.32811.670.00%
1044.520.27610.020.00%

Трубы

ТрубаL, кмE[N]P отказа
1 → 618.660.480538.15%
2 → 49.420.142213.26%
3 ↔ 47.810.136712.78%
3 ↔ 56.650.132312.39%
4 → 1010.420.142813.31%
4 ↔ 77.050.110410.45%
5 → 914.710.246721.87%
5 ↔ 77.800.137212.82%
5 ↔ 611.380.279424.37%
6 → 88.410.236321.05%

7. Ограничения и вопросы для согласования

Область AB95: в первоисточнике заявлены Mw = 4–7,25 и R = 10–500 км. Исходная Mw = 7,7 превышает этот диапазон и явно помечается как экстраполяция. Положительная глубина не расширяет область применимости уравнений.
  • Условные масштаб, геометрия и типы сооружений требуют уточнения для реального водопровода.
  • Используется точечная модель очага для скального основания востока Северной Америки; перенос на другой регион, грунты и ближнюю зону большого разлома не подтверждён.
  • Не воспроизводятся случайное пространственное поле интенсивности, грунтовое усиление, разжижение и постоянные деформации грунта.
  • Не рассчитываются Монте-Карло, совместные отказы, связность повреждённой сети, расходы и напоры. Вероятности условны заданному сценарию и не являются годовыми рисками.

С научным руководителем предлагается согласовать: смысл приёмников 8–10; достаточность фиксированного медианного поля для текущего этапа; допустимость условной схемы; выбор уравнения воздействия и сценария, особенно при Mw = 7,7.

8. Проверка реализации и работа интерфейса

Python-версия прошла 48 автоматических тестов и проверки окон TkAgg. Браузерное ядро прошло 20 проверок, включая сопоставление всех результатов с Python на 16 сценариях. Численные значения сравниваются с допуском 3·10⁻¹² · max(1, |эталон|); функция нормального распределения отдельно проверяется в центральной области и редких хвостах.

Перенос формул в браузер не является эмпирической валидацией применимости к реальному объекту. Сохранены модели и единицы Python-версии; дополнительно проверены два независимых исполнения расчёта.

Эпицентр меняется сразу. Остальные поля применяются общей кнопкой после проверки всех значений. При ошибке сохраняется последний корректный результат. Расчёт выполняется локально в браузере, преимущественно в отдельном Web Worker; регистрация и установка Python посетителю не нужны. JSON содержит применённые настройки, воздействие, вероятности и идентификаторы; CSV — таблицу компонентов.

9. Источники

  1. Adachi T., Ellingwood B. R. Serviceability Assessment of a Municipal Water System Under Spatially Correlated Seismic Intensities. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering. 2009; 24:237–248. DOI: 10.1111/j.1467-8667.2008.00583.x.
  2. Atkinson G. M., Boore D. M. Ground-Motion Relations for Eastern North America. BSSA. 1995; 85(1):17–30. Первоисточник уравнений, таблица 1.
  3. Yu J.-Z., Baroud H. Modeling the Resilience of Interdependent Infrastructure Systems under Uncertainty. ICASP13. 2019.

Основа Python-версии: коммит 8c1e0dc. Веб-перенос: калькулятор до Монте-Карло.