ارزيابي تاب‌آوري لرزه‌اي شبكه توزيع ‌و انتقال آب شهري با بهره‌گيري از مدل يادگيري ‌ماشين (ML)

زمينه و هدف: تاب آوري لرزه اي به‌عنوان يكي از مفاهيم نوين در عرصه مديريت ريسك و بحران مي‌باشد كه به بررسي عملكرد لرزه‌اي، بازيابي و خدمت رساني مجدد (پس از زمين‌لرزه) سازه ها و زيرساخت هاي شهري اطلاق مي‌گردد. دراين‌راستا شبكه انتقال ‌و‌ توزيع آب به عنوان يكي از شريان هاي حياتي جهت تأمين آب آشاميدني شهروندان بعد از زمين‌لرزه و همچنين تامين آب براي مقاصد اطفاء حريق، به شدت مورد توجه بوده ‌است. براين اساس ارزيابي و ارتقاي تاب‌آوري لرزه‌اي شبكه آب‌رساني شهري و ارائه مدل‌هاي محاسباتي دقيق در راستاي پيش‌بيني رفتار لرزه‌اي اين زيرساخت از اصلي‌ترين چالش‌هاي پيش‌روي محققين بوده ‌است. اين تحقيق بر ارزيابي تاب‌آوري لرزه‌اي شبكه توزيع‌وانتقال آب شهري متمركز بوده كه در قالب مطالعه موردي بر شبكه آب‌رساني شهر تهران (مناطق 1تا4) انجام شده ‌است. روش پژوهش: در اين پژوهش به هدف پيش‌بيني آسيب‌پذيري لرزه‌اي شبكه آب‌رساني شهري و ارزيابي تاب‌آوري لرزه‌اي اين زيرساخت مدلي نوين براساس يادگيري‌ماشين ارائه شده ‌است. مدل‌هاي يادگيري‌ماشين مبتني بر مجموعه داده‌هاي اوليه بوده، بنابراين ابتدا جهت تأمين پايگاه داده‌ اوليه، مدل‌سازي اجزاي ‌محدود گسترده‌اي (720 سناريوي مدل‌سازي) در بستر نرم‌افزار آباكوس جهت استخراج رفتار لرزه‌اي لوله مدفون در خاك تعريف و پياده‌سازي شده ‌است. با تأمين داده‌هاي اوليه، مدل پيش‌بيني آسيب لرزه‌اي لوله مدفون براساس الگوريتم‌هاي مختلف يادگيري‌ماشين (5 الگوريتم اصلي يادگيري‌ماشين به همراه زيرشاخه‌هاي محاسباتي) توسعه‌يافته و عملكرد مدل مورد سنجش قرار گرفته‌است. در نهايت با استخراج شرايط بهينه عملكرد مدل پيش‌بيني توسعه داده‌شده، الگوريتم عددي براي ارزيابي ميزان آسيب لرزه‌اي ‌در خط ‌لوله شبكه توزيع‌ و انتقال آب با بهره‌گيري از شرايط عدم قطعيت در مقادير پارامترهاي ورودي مدل و روش شبيه‌سازي مونت‌كارلو توسعه داده شده ‌است. در اين پژوهش مدل ارائه شده تحت 5 سناريو لرزه‌اي ‌(5 زمين‌لرزه بزرگ) و براساس داده‌هاي اوليه مناطق 1تا4 شهر تهران اجرا و نتايج (آسيب لرزه‌اي شبكه آب‌رساني(شكست/نشت)) استخراج شده ‌است.‌ در نهايت براساس ارزيابي آسيب‌پذيري لرزه‌اي ‌شبكه انتقال آب شهر تهران، تاب‌آوري لرزه‌اي ‌سيستم آب‌رساني براساس شاخص‌هاي ميزان آسيب، تامين حداقل آب مورد نياز و زمان بازيابي شبكه مورد مطالعه قرار گرفته‌است. يافته‌ها: نتايج حاصل از عملكرد مدل يادگيري‌ماشين براساس الگوريتم‌هاي مختلف نشان داد كه الگوريتم‌هاي گاوسي داراي عملكرد بهتري نسبت به ديگر الگوريتم‌هاي محاسباتي يادگيري‌ماشين بوده ‌است. براين‌اساس الگوريتم گاوسي درجه دوم منطقي داراي ميزان خطاي كمينه بوده، به‌گونه‌اي كه داراي خطاي كمترين مربعات (MSE) معادل با 3.0564 و ميزان همبستگي (R) معادل با 0.94 بوده ‌است. به‌جهت ارزيابي تاب‌آوري لرزه‌اي ‌شبكه انتقال‌ و ‌توزيع آب براي مناطق 1 تا 4 شهر تهران، ميزان آسيب شبكه آب‌رساني (تعداد و موقعيت شكست/نشت لوله در شبكه) تحت 5 سناريو بارگذاري لرزه‌اي با بهره‌گيري از مدل پيش‌بيني آسيب‌پذيري محاسبه و استخراج شده ‌است.‌ همچنين با بررسي شاخص Bridge ميزان نسبي آسيب در شبكه خط ‌لوله مورد بررسي قرار گرفت. در راستاي ارزيابي شاخص افزونگي (ميزان حداقل آب مورد نياز) با توجه به جمعيت هر منطقه و ميزان آب مورد نياز محاسبه و مورد ارزيابي قرار گرفته‌است.‌ شاخص زمان بازيابي/سرعت بازيابي شبكه توزيع‌وانتقال آب بعد از وقوع زمين‌لرزه براساس ميزان آسيب خط‌لوله در هر منطقه و استراتژي‌هاي ترميم و تعمير شبكه مورد مطالعه قرار گرفت.‌ براساس نتايج حاصل مشخص مي‌گردد كه بيشترين زمان بازيابي سيستم براي منطقه 4 شهر تهران تحت بارگذاري S1 (زمين‌لرزه با بزرگاي 7.4 ريشتر) و معادل با 493.5 ساعت و كمترين زمان بازيابي سيستم براي منطقه 3 شهر تهران تحت بارگذاري S2 (زمين‌لرزه با بزرگاي 6.2 ريشتر) و معادل با 316.5 ساعت بوده ‌است. با توجه به نتايج حاصل مشخص مي‌گردد كه شبكه آب‌رساني تحت سناريوهايي با بزرگاي زمين‌لرزه بيشتر داراي زمان بازيابي بيشتري نسبت به سناريوهاي لرزه‌اي ‌با بزرگاي كوچكتر بوده ‌است.‌ نتايج: نتايج نشان داد كه مدل يادگيري‌ماشين پيش‌بيني آسيب لرزه‌اي ‌شبكه انتقال آب داراي دقت قابل‌قبول در ارزيابي خسارت در شرايط وقوع حادثه بوده ‌است. اصلي‌ترين نكات و راه‌كارهاي ارائه شده در اين پژوهش در راستاي ارتقاي تاب‌آوري لرزه‌اي شبكه آب‌رساني عبارت‌است‌از: پيش‌بيني دقيق ميزان آسيب لرزه‌اي شبكه انتقال آب با بهره‌گيري از مدل ارائه شده (در راستاي دقت و بهبود شاخص آسيب‌پذيري)، اتخاذ تصميمات مديريتي دقيق در راستاي تامين منابع جايگزين آب مورد نياز در مناطق با ريسك لرزه‌اي بالا (در راستاي بهبود شاخص افزونگي) و اتخاذ استراتژي‌هاي ترميم و تعمير خط‌لوله آسيب‌داده با تجهيز مناطق به تيم‌هاي پشتيباني ماهر (در راستاي بهبود شاخص زمان بازيابي). براساس نتايج حاصل مي‌توان مدل ارائه شده در اين پژوهش را به عنوان يك مدل جامع براي مناطق مختلف و تحت شرايط مختلف بارگذاري لرزه‌اي ‌به كارگرفت و علاوه بر تخمين آسيب‌پذيري لرزه‌اي شبكه آب‌رساني، ارزيابي دقيقي بر تاب‌آوري لرزه‌اي و ارتقاي انعطاف‌پذيري لرزه‌اي ‌اين زيرساخت حياتي انجام داد.