天然气管道网络的地震韧性评估：一种基于智能体的随机模拟方法

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：Seismic resilience assessment of natural gas pipeline networks: an agent-based stochastic simulation approach

地震韧性评估中，提出基于代理建模与流体动力学耦合的天然气管道网络动态分析方法，整合ETAS模型量化余震序列累积效应，通过多阶段模拟实现从破坏到恢复的全周期韧性评价。

　　

施慧贤|谭欣欣|何杰|蒋敏|陈超

中国成都，西南石油大学石油工程学院

摘要

地震灾害会不可预测地威胁到关键基础设施。鉴于天然气在全球能源向碳中和转型中的重要作用，提高天然气供应系统的抗震韧性至关重要。以往用于评估韧性的模型未能捕捉到管道网络性能的复杂动态演变，也未考虑余震序列的累积效应。为了克服这些局限性，本研究提出了一种新的定量模型，该模型利用管道网络动态流和基于代理的仿真方法。该模型将管道网络动态视为在地震激励下代理相互作用产生的新兴行为。将管道代理行为与网络流体动力学仿真相结合，可以及时提供各阶段的传输性能数据。此外，还采用了ETAS（流行型余震序列）模型来考虑余震序列对网络性能的影响。通过蒙特卡洛仿真动态量化网络传输性能，以应对地震发生和强度的不确定性。一个案例研究展示了该模型的实际应用。结果表明，所提出的模型能够有效捕捉从中断到恢复的动态系统响应。此外，累积的地震效应会显著延长恢复时间并加剧性能下降。因此，在建模天然气管道的抗震韧性时，不能忽视余震序列的影响。

引言

全球能源行业正在向“碳中和”目标转型。这一发展趋势的核心在于促进清洁能源和低碳发展，以应对日益严重的气候变化挑战。天然气产业的发展作为桥梁和纽带，推动能源消费结构从以高碳化石燃料为主向以低碳和可再生能源为主转变，是实现全球能源转型第三阶段的关键因素[1]。作为能源供应网络中的关键生命线，天然气管道极易受到重大地质灾害（尤其是构造活动）的破坏[2]、[3]、[4]。高强度地震对天然气管道系统的完整性构成严重威胁，可能引发连锁故障，中断城市地区的常规天然气供应服务[5]、[6]。由地震等自然灾害引发的工业设施损坏被称为Natech事件[7]。全球地震监测数据显示，每年发生的地震次数超过五百万次，相当于每天有数万次地震。同时，地震具有突发性、破坏性和难以防御的特点[8]。技术文献中的地震后事件记录了历史地震情景下天然气终端用户的破坏事件频率和连续性指标。这些信息值得进一步研究和分析[9]、[10]、[11]、[12]、[14]。在过去的地震中，管道系统往往是重要基础设施的脆弱点，容易受到严重损坏。例如，加利福尼亚发生的一系列灾难性地震严重破坏了管道系统。1906年旧金山地震就是一个突出的例子，它造成了广泛的城市破坏，包括水管破裂、天然气管道爆炸和污水系统损坏，引发了灾难性的火灾和混乱[15]。1971年圣费尔南多[16]和1994年北岭[17]地震的地震后法医分析中都出现了结构损坏的重复模式。这些地震损坏了管道系统，扰乱了供水、天然气分配和污水处理基础设施的正常运行，给灾区的恢复和重建工作带来了巨大挑战。另一个著名例子是1995年发生在日本神户的地震，该地震也对城市的基础设施造成了严重破坏，包括管道系统的损坏。神户地震震中附近的供水和天然气供应管道受损，导致供水和天然气供应中断，给受灾地区带来了额外的困难[18]。此外，在最近的地震事件中，也持续记录到了管道网络损坏和运营中断的情况。2011年日本东部大地震、2016年新西兰凯库拉地震以及2023年土耳其-叙利亚地震双震后，天然气基础设施都受到了显著影响，凸显了这种风险的持续性和演变性[19]、[20]、[21]。

随着人们对地震对天然气管道网络造成严重事故的潜在风险的关注日益增加，学术界对定量风险分析（QRA）产生了兴趣，特别是涉及自然灾害引发的技术（Natech）风险[22]。例如，Lanzano等人[23]通过分析地震后侦察调查中记录的大量地震破坏数据，推导出了埋设天然气管道的脆弱性模型、概率损伤函数和失效阈值。Renni等人[24]引入了一个通用的分析框架，用于在定量风险分析（QRA）范式中评估工业设施的系统风险概况，以应对自然发生的化学危害。Giovanni Lanzano等人[22]创建了一个大规模的管道地震损伤数据库，旨在定义多灾害分析中常见的特定脆弱性函数（脆弱性曲线），并在Natech框架下进行管道地震损伤评估。目前关于工业设备韧性的研究仍处于起步阶段，尽管Yang等人[25]建立了一个综合评估框架，用于评估天然气管道网络系统（NGPNS）的供应韧性——综合考虑了拓扑配置和运行状态——同时系统地检查确定性和随机扰动情景。这些发现为制定地震韧性协议提供了操作指导，包括网络拓扑重构、冗余供应分配、传输路线优化和预防性维护制度，从而加快中断影响分析的进度，并提高NGPNS韧性量化的准确性。

尽管以往的研究通过网络连通性的拓扑分析[5]、[6]、稳态水力模型与脆弱性函数[9]、[10]、[23]以及概率风险评估框架[22]、[23]、[24]奠定了基础，但在捕捉地震韧性的全部复杂性方面仍存在关键差距。现有方法通常提供静态或准静态的快照，无法模拟从即时中断到最终恢复的复杂动态演变过程。此外，尽管余震序列的累积效应在延长系统停机时间方面具有重要意义[27]、[28]、[29]，但人们经常忽视了其对受损管道的进一步破坏和对恢复工作的严重影响。此外，高保真度的物理仿真与系统级功能评估之间也存在脱节，忽略了地震损伤、水力流动重新分配和运营对策之间的动态相互依赖性。为了克服这些局限性，本研究提出了一种新的综合框架，该框架结合了基于代理的仿真、动态流体流动模型和流行型余震序列（ETAS）模型。主要贡献包括：（1）基于代理的方法，将性能演变视为断层、管道和环境相互作用产生的新兴行为，从而捕捉从中断到恢复的非线性轨迹；（2）明确整合ETAS模型，以量化主震-余震序列对管道失效和系统恢复的累积效应，超越了传统的仅考虑主震的分析方法；（3）将基于代理的模型与瞬态流体动力学仿真紧密结合，确保网络功能评估基于地震后演变条件下的物理现实气体流动，从而更准确、更及时地评估所有韧性阶段的传输性能。

部分摘录

天然气管道网络的抗震韧性

天然气管道网络的抗震韧性包括其在地震后有效抵抗损伤、减轻次生灾害、维持基本运营功能以及迅速恢复正常服务水平的能力[30]。具体来说，天然气管道网络的抗震韧性可以从以下四个方面进行描述：（1）抗震阻力能力：定义为NGPNS基础设施吸收和承受

建模

所提出的抗震韧性模型如图2的计算框架所示，将网络性能的动态演变概念化为在地震激励下通过基本代理系统传播的级联效应产生的新兴系统行为。该框架整合了以下几个核心计算模块：管道网络性能模型，包括气体属性组件的建模等

算法实现

地震断层表现出两种主要状态：蠕动和突然滑动。这两种状态在地震期间会动态转换。当蠕动转变为突然滑动时，通常会引发强烈的地震振动。地震后，断层会恢复到蠕动状态。在短时间内，一个断层可能会经历多次状态转换，同时多个活跃断层也可能同时发生变化。因此，可能会发生多次震动

案例研究

本节展示了将抗震韧性评估模型应用于穿越多个地震断层的运行中的天然气管道网络。该案例研究网络包括43条管道，靠近30个活跃断层（AF1-AF30），用于验证该方法的有效性。图4显示了该案例研究的拓扑图。利用管道结构参数、设备规格和网络拓扑数据，构建了一个水力仿真模型

震中距离对管道网络韧性的影响

震中距离是确定天然气管道网络鲁棒性的关键参数。PGV（管道地质振动）随着震中距离的增加而逐渐减小，表明管道的安全性能相应提高。图9显示了天然气管道网络的震中距离，揭示了网络中各个管道到震中的距离存在空间差异。图10说明了

结论

本研究利用基于代理的随机仿真、流体动力学仿真和ETAS模型开发了天然气管道网络的抗震韧性模型，描述了网络性能和主震-余震序列的动态演变。本研究的主要结论如下：

• (1)
  在地震作用下，天然气管道网络的传输性能在不同阶段和情景中会发生动态变化。本研究整合了流动动力学

CRediT作者贡献声明

何杰：撰写 – 审稿与编辑，方法论。蒋敏：撰写 – 审稿与编辑。陈超：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念化。施慧贤：撰写 – 初稿，方法论，数据整理。谭欣欣：撰写 – 审稿与编辑，可视化，资源准备

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了四川省科学技术支持计划（项目编号：25GJHZ0214 和 2023YFS0412）的资助。