城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的健康評(píng)價(jià)及規(guī)劃優(yōu)化

黃　勇， 馮　潔， 石亞靈,3， 汪洋

(1. 重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院， 重慶 400030； 2. 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030；3. 重慶大學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 重慶 400030； 4. 重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331)

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城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的健康評(píng)價(jià)及規(guī)劃優(yōu)化

黃勇1,2， 馮潔1， 石亞靈1,3， 汪洋4

(1. 重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院， 重慶 400030； 2. 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400030；3. 重慶大學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 重慶 400030； 4. 重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331)

基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析原理和方法，將燃?xì)夤芫W(wǎng)抽象為網(wǎng)絡(luò)模型.以晉中市中心城區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)為例，在Pajek平臺(tái)上構(gòu)建現(xiàn)狀與規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)圖.構(gòu)建由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與重點(diǎn)個(gè)體設(shè)施三方面構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)健康測評(píng)體系，計(jì)算包括網(wǎng)絡(luò)密度在內(nèi)的八項(xiàng)指標(biāo).計(jì)算可知，規(guī)劃管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較優(yōu)，現(xiàn)狀管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)較優(yōu)，提出燃?xì)夤芫W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化策略與物理設(shè)施維護(hù)方案.

城鄉(xiāng)規(guī)劃； 社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析； 燃?xì)夤芫W(wǎng)； 健康評(píng)價(jià)； 規(guī)劃優(yōu)化

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)是城鎮(zhèn)生命線工程系統(tǒng)的重要組成部分.因其自身結(jié)構(gòu)及所處環(huán)境十分復(fù)雜，內(nèi)外界因素導(dǎo)致的任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生問題，都可能通過與其相連的節(jié)點(diǎn)或連線將失效影響擴(kuò)展到社會(huì)服務(wù)有效層面，因此燃?xì)夤芫W(wǎng)能否正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)系著整個(gè)城鎮(zhèn)的運(yùn)行與人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全.燃?xì)夤芫W(wǎng)的健康評(píng)價(jià)與規(guī)劃優(yōu)化是其中關(guān)鍵問題.

工程型基礎(chǔ)設(shè)施的健康程度取決于網(wǎng)絡(luò)自身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)[1].燃?xì)夤芫W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究主要集中于結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2]，脆弱性研究[3-4],連通可靠性[5-6]等.管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)主要包括管網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測[7-8]，長輸管道輸差控制[9]等.管網(wǎng)健康與安全研究主要集中于管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[10-11]和災(zāi)害與事故研究[12].一方面，現(xiàn)有研究較少從整體網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)與局部結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)個(gè)體設(shè)施對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行多層次健康研究；另一方面，燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全研究較少落實(shí)在特定的城市空間中.

本文以晉中市中心城區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)為研究對(duì)象，運(yùn)用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析法(SNA)對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)和重點(diǎn)個(gè)體設(shè)施三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行健康評(píng)價(jià)，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上對(duì)其規(guī)劃布局和運(yùn)行維護(hù)提出優(yōu)化建議.

1　研究靶區(qū)

山西省于2010年被批復(fù)為國家資源型經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)，并開展“全面氣化”進(jìn)程.晉中市位于山西省東部，全市總面積16 404 km2；中心城區(qū)位于榆次區(qū)中部的晉中盆地，距省會(huì)太原25 km，正逐步發(fā)展為山西省重要的交通運(yùn)輸樞紐.

晉中市中心城區(qū)是平原地區(qū)中等城市快速氣化發(fā)展的典型城市之一：中心城區(qū)現(xiàn)階段擁有兩家燃?xì)夤?yīng)公司，燃?xì)夤?yīng)形式主要為焦?fàn)t煤氣、管道天然氣及瓶裝液化石油氣三種；現(xiàn)狀人口53.32萬人，管道供氣普及率為78.8%，規(guī)劃2030年供氣普及率達(dá)100%.由于其燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)的典型性，本文選取由次高壓環(huán)網(wǎng)、中壓管網(wǎng)、焦?fàn)t煤氣管網(wǎng)組成的晉中市中心城區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，中心區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)現(xiàn)狀圖及2030年燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)劃總圖分別如圖1和圖2所示.

圖1　中心城區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)現(xiàn)狀圖(2014年)

圖2　中心城區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)劃圖(2030年)

2　研究框架

2.1技術(shù)路線

晉中城區(qū)燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)特性研究分三個(gè)步驟:第一步，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析原理，構(gòu)建現(xiàn)狀和規(guī)劃網(wǎng)絡(luò);第二步，根據(jù)燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施健康運(yùn)行的要求和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法的計(jì)算模型，建立計(jì)算指標(biāo)和評(píng)價(jià)模型;第三步，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的相關(guān)指標(biāo)，對(duì)比分析計(jì)算數(shù)據(jù)得出結(jié)論，提出燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化策略.

2.2研究方法

管網(wǎng)在數(shù)學(xué)上是連通有向圖，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)由燃?xì)夤艿兰肮艿澜徊婵诮M成.本研究將城市燃?xì)夤芫W(wǎng)抽象成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，以實(shí)際的地理空間網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，將管網(wǎng)交叉口節(jié)點(diǎn)視為點(diǎn)，管道線路為邊，并以管徑m作為關(guān)系之間的權(quán)值，構(gòu)建城市燃?xì)夤芫W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖.點(diǎn)之間存在連接關(guān)系,計(jì)為m;不存在連接關(guān)系,則計(jì)為0.

相較于國內(nèi)外燃?xì)夤芫W(wǎng)常用的遺傳算法、BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、函數(shù)模型法，社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法擅長于網(wǎng)絡(luò)個(gè)體間關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析，既能表達(dá)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的整體特征，也能反映個(gè)體在整體的位置，以及描述整體對(duì)個(gè)體的影響程度.彌補(bǔ)了傳統(tǒng)分析方法網(wǎng)絡(luò)間關(guān)聯(lián)關(guān)系分析能力的不足[13].城鄉(xiāng)規(guī)劃領(lǐng)域的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)研究多集中于區(qū)域結(jié)構(gòu)[14]、產(chǎn)業(yè)集群結(jié)構(gòu)[15]、城市道路與交通[16-18]、公共基礎(chǔ)設(shè)施[1,19]等方面,而城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)領(lǐng)域研究還較少.網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)管網(wǎng)健康評(píng)價(jià)與規(guī)劃優(yōu)化有較大優(yōu)勢，因此本文采用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型，并挖掘其網(wǎng)絡(luò)特性.

2.3評(píng)價(jià)模型與指標(biāo)

燃?xì)夤芫W(wǎng)的健康程度與管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行狀態(tài)和重點(diǎn)個(gè)體設(shè)施三大因素有關(guān)，而這三大因素又體現(xiàn)為整體層面影響和局部層面的影響.據(jù)此，本文從整體網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)與局部結(jié)構(gòu)分析兩層次，對(duì)影響燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)健康程度的三大因素進(jìn)行分析.整體網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)中，以網(wǎng)絡(luò)完備度、連通度、可靠度及脆弱度測評(píng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以運(yùn)行效率與負(fù)載流量測評(píng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)；局部結(jié)構(gòu)分析中，以節(jié)點(diǎn)設(shè)施與管線設(shè)施測評(píng)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)個(gè)體設(shè)施.

網(wǎng)絡(luò)分析包含大量測度指標(biāo)，其中網(wǎng)絡(luò)密度、凝聚子群、聚類系數(shù)、點(diǎn)度中心度、中間中心度、平均最短路徑、k-核等被運(yùn)用于路網(wǎng)、軌道交通網(wǎng)、電網(wǎng)、水網(wǎng)等工程設(shè)施網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與評(píng)價(jià)，分析網(wǎng)絡(luò)脆弱性、連通性等特性[1,17-20].在前期研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合燃?xì)夤芫W(wǎng)特性，選取密度、聚類系數(shù)、k-核、橋、擴(kuò)散曲線、中間中心勢、點(diǎn)度中心度及中間中心度八項(xiàng)測度指標(biāo),對(duì)網(wǎng)絡(luò)測評(píng)項(xiàng)目予以對(duì)應(yīng)計(jì)算.因此，建立評(píng)價(jià)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型如圖3所示.

圖3　燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)健康評(píng)價(jià)的技術(shù)模型

3　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建與分析

3.1社會(huì)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

根據(jù)燃?xì)夤芫W(wǎng)實(shí)際地理空間網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換，在Pajek軟件平臺(tái)上構(gòu)建現(xiàn)狀及規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形態(tài)圖(圖4和圖5).由圖可知，燃?xì)猬F(xiàn)狀管網(wǎng)由三個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，規(guī)劃管網(wǎng)為一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)，且規(guī)劃管網(wǎng)相較于現(xiàn)狀更加龐大.

圖4　現(xiàn)狀燃?xì)夤芫W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形態(tài)圖

3.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)

3.2.1網(wǎng)絡(luò)完備度

網(wǎng)絡(luò)密度是網(wǎng)絡(luò)實(shí)際存在的連線數(shù)量與最大可能連線數(shù)量的比值，可以測定網(wǎng)絡(luò)整體完備程度.其數(shù)值越高代表網(wǎng)絡(luò)密度越大，網(wǎng)絡(luò)越完備.計(jì)算公式為

(1)

式中:P為網(wǎng)絡(luò)密度；L為網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際存在的連接數(shù)；N為網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際存在的節(jié)點(diǎn)數(shù).

圖5　規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形態(tài)圖

計(jì)算可知，現(xiàn)狀燃?xì)夤芫W(wǎng)整體完備度為0.69%，規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)整體完備度為0.83%；現(xiàn)狀管網(wǎng)與規(guī)劃管網(wǎng)密度相差較小，規(guī)劃管網(wǎng)略優(yōu)于現(xiàn)狀管網(wǎng).

3.2.2網(wǎng)絡(luò)連通度

聚類系數(shù)表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)聚集情況，聚類系數(shù)越大，網(wǎng)絡(luò)連通度越高，計(jì)算公式為

(2)

式中：Ci為節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)；i為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)；Ei為網(wǎng)絡(luò)實(shí)際存在的邊數(shù)；ki為節(jié)點(diǎn)i擁有的邊數(shù).

整體網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)聚類系數(shù)的平均值，計(jì)算公式為

(3)

式中：C為整體網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)；N為網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際存在的節(jié)點(diǎn)數(shù)；G為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的集合.

經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀與規(guī)劃的燃?xì)夤芫W(wǎng)都有著較弱的連通性，現(xiàn)狀管網(wǎng)聚類系數(shù)為0.039 5，規(guī)劃管網(wǎng)趨近于0.這是因?yàn)榇蟛糠痔烊粴廨斔凸芫W(wǎng)建立在網(wǎng)絡(luò)線型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，燃?xì)膺\(yùn)輸通過線型結(jié)構(gòu)傳輸完成，三角結(jié)構(gòu)較少[3].

3.2.3網(wǎng)絡(luò)可靠度

k-核(k=1，2，3,…)表達(dá)一個(gè)子圖中全部點(diǎn)至少與其他子圖中的k個(gè)其他點(diǎn)相連，k值越高k-核占比越高，則該網(wǎng)絡(luò)的局部穩(wěn)定成分越多，網(wǎng)絡(luò)整體也就越穩(wěn)定.現(xiàn)狀燃?xì)夤芫W(wǎng)中，4-核共有103個(gè)，占網(wǎng)絡(luò)整體的41.87%;規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)中，4-核共有267個(gè)，占網(wǎng)絡(luò)整體的77.39%.規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)的k-核明顯高于現(xiàn)狀，網(wǎng)絡(luò)連通可靠度達(dá)到較大的提升(圖6和圖7).

圖6　現(xiàn)狀管網(wǎng)k-核分布圖

圖7　規(guī)劃管網(wǎng)k-核分布圖

3.2.4網(wǎng)絡(luò)脆弱度

橋是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的特殊連線，信息交流的惟一渠道，如果刪除連線，網(wǎng)絡(luò)將會(huì)形成獨(dú)立的幾部分.燃?xì)夤芫W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連線代表輸送管道，因此分析橋在網(wǎng)絡(luò)中的占比，可衡量網(wǎng)絡(luò)的整體脆弱程度.橋占比越高，不穩(wěn)定因素越多，整體網(wǎng)絡(luò)越脆弱.Pajek計(jì)算可知，現(xiàn)狀管網(wǎng)橋的數(shù)量為141個(gè)，占總體連線的36.34%；規(guī)劃管網(wǎng)橋的數(shù)量為79個(gè)，占總體連線的17.65%.規(guī)劃管網(wǎng)橋的數(shù)量低于現(xiàn)狀，網(wǎng)絡(luò)脆弱度低，安全性更高.

3.3網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)

3.3.1網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率

網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率可以用logistic S擴(kuò)散曲線來衡量.燃?xì)鈴臍庠袋c(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)傳播過程是有方向性、有順序性的傳播過程，在忽略管道管徑、長度與壓力的理想狀態(tài)下，該過程可以表示為一條擴(kuò)散曲線，即logistic S型曲線.擴(kuò)散曲線斜率越高，表示其擴(kuò)散速度較快，單位時(shí)間輸送的燃?xì)饬髁吭酱?；曲線面積越大，表示輸送流量越多，運(yùn)行效率越高.本研究將氣源點(diǎn)設(shè)為時(shí)間節(jié)點(diǎn)1，其鄰近點(diǎn)設(shè)為時(shí)間節(jié)點(diǎn)2，以此類推，得到現(xiàn)狀燃?xì)夤芫W(wǎng)與規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)的順序傳播圖，如圖8和圖9所示.

通過Pajek計(jì)算出擴(kuò)散時(shí)間頻數(shù)頻率分布表，制成燃?xì)鈹U(kuò)散效率的圖表，包括擴(kuò)散累計(jì)百分率圖(圖10)與擴(kuò)散累計(jì)頻數(shù)圖(圖11).由圖所知，無論是相對(duì)累計(jì)百分率還是絕對(duì)累計(jì)頻數(shù)，現(xiàn)狀管網(wǎng)斜率基本不變，規(guī)劃管網(wǎng)斜率呈由低到高的趨勢，現(xiàn)狀管網(wǎng)傳播速度較為穩(wěn)定，規(guī)劃管網(wǎng)速度變化較大.由擴(kuò)散曲線累計(jì)面積可知，現(xiàn)狀管網(wǎng)輸送流量較多，整體運(yùn)行效率較高.

圖8　現(xiàn)狀管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)

圖9　規(guī)劃管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)

圖10　管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散累計(jì)百分率圖

圖11　管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散累計(jì)頻數(shù)圖

3.3.2燃?xì)饬髁烤舛?/p>

中心性用以衡量行動(dòng)者對(duì)資源的控制程度，中間中心度與中間中心勢分別用于測度節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò).中間中心度衡量一個(gè)點(diǎn)多大程度上位于網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的中間;中間中心勢表示度數(shù)最高的節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的差距，最高點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)差距越大，表示該網(wǎng)絡(luò)可能分為多個(gè)小團(tuán)體并過度依賴某一節(jié)點(diǎn)傳遞關(guān)系.在燃?xì)夤芫W(wǎng)中，中間中心勢越高，反映一個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)流量越偏向某些區(qū)域節(jié)點(diǎn)集中，易于出現(xiàn)局部失衡問題.中間中心勢計(jì)算公式為

(4)

式中:CRB max為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)中間中心度的最大值；CRB i為節(jié)點(diǎn)i的中間中心度；N為網(wǎng)絡(luò)存在的節(jié)點(diǎn)數(shù).

通過計(jì)算得知，現(xiàn)狀管網(wǎng)中間中心勢為5.92%，規(guī)劃管網(wǎng)中間中心勢為14.22%，兩者數(shù)值偏小，均有較好表現(xiàn).但現(xiàn)狀管網(wǎng)優(yōu)于規(guī)劃管網(wǎng)，管網(wǎng)燃?xì)饬髁扛?

3.4重點(diǎn)個(gè)體設(shè)施評(píng)價(jià)

除燃?xì)夤芫W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)外，網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)和邊線劃分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)總體可靠性及運(yùn)行安全性的提高、管網(wǎng)設(shè)施的針對(duì)性保護(hù)均有重要意義.通過對(duì)節(jié)點(diǎn)及連線兩方面進(jìn)行計(jì)算，從而劃分出管網(wǎng)重要節(jié)點(diǎn)設(shè)施及管線設(shè)施.本文采用點(diǎn)度中心度管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)施進(jìn)行劃分；采用中間中心度指標(biāo)對(duì)管網(wǎng)管線設(shè)施進(jìn)行劃分.

3.4.1節(jié)點(diǎn)設(shè)施

點(diǎn)度中心度表示單個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)的核心性，其值越高，越處于網(wǎng)絡(luò)的中心位置. 點(diǎn)入度表示某節(jié)點(diǎn)得到的關(guān)系數(shù)，點(diǎn)出度表示從某節(jié)點(diǎn)出發(fā)的關(guān)系數(shù).燃?xì)夤芫W(wǎng)中，點(diǎn)入度代表燃?xì)庀蚬?jié)點(diǎn)輸入，點(diǎn)出度表示燃?xì)鈴墓?jié)點(diǎn)輸出，點(diǎn)度中心度值越高，表示該節(jié)點(diǎn)連接的管線越多，樞紐作用越強(qiáng).點(diǎn)度中心度包括絕對(duì)中心度和相對(duì)中心度兩種，相對(duì)中心度是絕對(duì)中心度的標(biāo)準(zhǔn)化，適用于不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的橫向比較，相對(duì)中心度計(jì)算公式為

(5)

式中:CRD(ni)為相對(duì)點(diǎn)度中心度；dr(ni)為節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)入度；dc(ni)為節(jié)點(diǎn)的點(diǎn)出度；N為網(wǎng)絡(luò)存在的節(jié)點(diǎn)數(shù).

通過計(jì)算可知，現(xiàn)狀中心度較高的點(diǎn)為A10,A55,A7,A59,A50,A71,A25,A81,A11,A62,A22,A21,A28,A27,A64,A13;其值分別為1.306，1.061，1.061，0.980，0.980，0.980，0.980，0.980，0.980，0.898，0.898，0.898，0.898，0.898，0.898和0.898.

規(guī)劃管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中心度較高的點(diǎn)有A24，A26,A163,A23,A25,A296,A136,A284,A278,A33,A191,A78,A219;其值分別為0.995，0.839，0.830，0.787，0.787，0.726，0.726，0.726，0.726，0.726，0.726，0.726和0.726.

此外，計(jì)算結(jié)果表明規(guī)劃管網(wǎng)的點(diǎn)度中心度小于現(xiàn)狀管網(wǎng)，表明沿道路“棋盤式”的燃?xì)夤芫W(wǎng)規(guī)劃方法，使管網(wǎng)更加均質(zhì)化，起到平衡網(wǎng)絡(luò)、均衡管線交叉點(diǎn)壓力的作用，體現(xiàn)了規(guī)劃管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)越性.

3.4.2管線設(shè)施

中間中心度衡量一個(gè)點(diǎn)多大程度上位于網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的中間，中間中心度高的點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的咽喉要道，對(duì)信息流通起到重要作用.其值越高，流量壓力越大.線的中間中心度，其測量的是一條線對(duì)信息的控制程度，即兩個(gè)點(diǎn)之間的關(guān)系在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中處于怎樣的控制優(yōu)勢.在燃?xì)夤芫W(wǎng)中，中間中心度其值越高,表明該連線需要承載流量壓力越大.將網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入軟件Ucinet，可通過Edge(line)Betweenness計(jì)算連線中心度，需要指明的是，軟件計(jì)算結(jié)果為連線的絕對(duì)中間中心度，其數(shù)值與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)，無法用于網(wǎng)絡(luò)間橫向比較.

通過計(jì)算可知，現(xiàn)狀管網(wǎng)比較重要的連線有A19-A18，A19-A21，A21-A23，A23-A29，A29-A30，A30-A31，A53-A18，A55-A53，A55-A52，A57-A55，A58-A57，A87-A81，中間中心度值大于1 000，如圖12所示.由于增加了環(huán)城管道，規(guī)劃管網(wǎng)中比較重要的連線占比較多，除環(huán)城管道A3-A5-A6-A7-A8-A9-A10-A11-A12-A13-A14-A15-A16A-A17-A41-A40-A39-A308-A21-A22-A23-A24-A25-A26-A3外，還包括A7-A87-A88,A13-A196-A216，A13-A196-A195-A188-A187-A258-A259，A179-A10-A204-A209-A210-A211-A212，A39-A50-A51-A52，A74-A277-A120-A119-A128-A147-A15，A119-A125-A76，119-A118-A117，A210-A245-A248, A50-A49-A278-A277，A27-A5，A137-A15, A185-A12，A180-A171， A77-A78，A114-A109，其度值大于2 000，如圖13所示.

4　結(jié)論與討論

4.1研究結(jié)論

通過計(jì)算可知,在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，晉中城區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)施規(guī)劃整體優(yōu)于現(xiàn)狀：①規(guī)劃管網(wǎng)覆蓋率廣，完備性強(qiáng)，服務(wù)范圍廣；②規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)可靠度更強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)整體穩(wěn)定性高，安全性得以增強(qiáng)；③規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)整體更均質(zhì)，降低高度值管線交叉點(diǎn)局部集中的概率，工程技術(shù)難度較為統(tǒng)一.然而,在管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)方面，燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)施現(xiàn)狀優(yōu)于規(guī)劃,相較于現(xiàn)狀管網(wǎng)，規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行效率較低，流量均衡度水平較低,易出現(xiàn)局部流量偏高的情況.

圖12　現(xiàn)狀燃?xì)饩植烤W(wǎng)絡(luò)邊線中間中心度

圖13　規(guī)劃燃?xì)饩植烤W(wǎng)絡(luò)邊線中間中心度

4.2規(guī)劃優(yōu)化策略

4.2.1整體網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)于現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)，但運(yùn)行效率卻較差，可能由以下原因造成：①規(guī)劃管網(wǎng)增加了網(wǎng)絡(luò)中的4-核比例，即增加擁有4條管線的節(jié)點(diǎn)比例，管網(wǎng)呈“棋盤式”分布，在工程技術(shù)許可的條件下對(duì)交叉點(diǎn)的最大化利用，不但使管網(wǎng)整體更加完備，而且使管網(wǎng)更加均質(zhì)，可靠性增強(qiáng).②相較于現(xiàn)狀管網(wǎng)，規(guī)劃管網(wǎng)減少了網(wǎng)絡(luò)中的橋，即規(guī)劃管網(wǎng)供氣片區(qū)間較少以惟一管道相連.片區(qū)網(wǎng)絡(luò)間相連通道的增加，降低因某一管道失效引發(fā)局部管網(wǎng)失效的可能性，網(wǎng)絡(luò)脆弱度顯著降低，穩(wěn)定性增強(qiáng).③相較于現(xiàn)狀管網(wǎng)，規(guī)劃燃?xì)夤芫W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)半徑大，服務(wù)范圍廣，而氣源點(diǎn)不但減少且全部集中于城北，使得城南輸送效率的偏低影響整個(gè)管網(wǎng)的運(yùn)行效率；現(xiàn)狀管網(wǎng)氣源分散，規(guī)劃管網(wǎng)氣源集中卻負(fù)擔(dān)全城燃?xì)獾墓?yīng)，易造成局部網(wǎng)絡(luò)燃?xì)饬髁科撸髁坎痪?④現(xiàn)狀管網(wǎng)雖存在諸多問題，但在長期的運(yùn)營中不斷進(jìn)行局部修繕，管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)更符合城市生活狀態(tài)；而規(guī)劃管網(wǎng)較完備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與較低的運(yùn)行效率，體現(xiàn)了靜態(tài)規(guī)劃編制的缺陷.

基于以上影響要素，在管網(wǎng)規(guī)劃中提出以下優(yōu)化建議：①增加網(wǎng)絡(luò)中4-核比例，使管網(wǎng)更趨向于棋盤式分布，可以顯著優(yōu)化管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；②減少燃?xì)夤芫W(wǎng)中橋的數(shù)量，即通過增加片區(qū)間相連通道或增設(shè)備用管道，可降低管網(wǎng)脆弱性；③合理設(shè)置氣源點(diǎn)，避免氣源的過于集中.研究靶區(qū)中在城南增設(shè)氣源點(diǎn)，不僅能使管網(wǎng)整體運(yùn)行效率增強(qiáng)，并起到均衡氣流的作用.

4.2.2物理設(shè)施維護(hù)

通過中心度計(jì)算可知，某些節(jié)點(diǎn)和管線的中心度高，流量過大，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù).現(xiàn)狀管網(wǎng)如圖14所示.中心度較高的節(jié)點(diǎn)主要位于大街路各交口、榆次工業(yè)區(qū)片區(qū)，其中點(diǎn)A71位于中心繁華區(qū)域的錦綸路與順城路交叉口，周圍建設(shè)醫(yī)療設(shè)施；中心度較高的連線主要位于匯通路與魏榆路.這些節(jié)點(diǎn)與連線處應(yīng)采取保護(hù)措施，包括：做危險(xiǎn)標(biāo)記，限制重型車輛活動(dòng)；減少周邊建筑施工，尤其是地下公共設(shè)施、建筑打樁、工廠建筑等；完善巡線設(shè)備,增強(qiáng)巡線頻率；并增強(qiáng)清管措施,外防腐全面檢測頻率等.

規(guī)劃管網(wǎng)(圖15)所示，中心度較高的節(jié)點(diǎn)主要位于創(chuàng)業(yè)街、思鳳街、匯通南路，其中點(diǎn)A78為規(guī)劃中心區(qū)的龍湖街與經(jīng)四路的交叉口，周圍建有大量商業(yè)、文化設(shè)施；中心度較高的連線主要位于環(huán)城路段、榆次工業(yè)區(qū)片區(qū)、安寧西街與順城西街，其中順城西街路段是主城中心片區(qū).這些節(jié)點(diǎn)與連線在規(guī)劃建設(shè)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)設(shè)計(jì)管道壁厚，采用內(nèi)抗腐性能高的內(nèi)防腐材料，優(yōu)質(zhì)外包裹層，降低事故發(fā)生可能性.

圖15　規(guī)劃重要節(jié)點(diǎn)及管線

[1]黃勇,肖亮,胡羽. 基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析法的城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施健康評(píng)價(jià)研究——以重慶萬州城區(qū)電力基礎(chǔ)設(shè)施為例[J].中國科學(xué):技術(shù)科學(xué),2015,45(1):68.

HUANG Yong, XIAO Liang, HU Yu. Evaluation of urban infrastructure project health based on network analysis: A case of power grid planning of Wanzhou Districts, Chongqing City [J]. Scientia Sinica Technologica, 2015, 45(1):68.

[2]張培培.遺產(chǎn)算法在城市燃?xì)夤芫W(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

ZHANG Peipei. The optimal design of urban gas by genetic algorithm[D]. Shanghai: Tongji University, 2007.

[3]趙玲,易俊,王文和. 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)脆弱性評(píng)價(jià)及其應(yīng)用[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2015,15(1):68.

ZHAO Ling, YI Jun, WANG Wenhe. Evaluation methods and their application to meet the challenge of the urban gas network vulnerability[J]. Journal of Safety and Environment, 2015, 15(1): 68.

[4]朱瑩.油氣運(yùn)輸管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及脆弱性分析[D].廣州:華南理工大學(xué),2013.

ZHU Ying. Topological properties and vulnerability analysis of oil and gas pipeline networks[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[5]趙慧乾,郭明珠,翟長達(dá),等.基于蒙特卡羅法的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)抗震連通可靠性分析[J].地震研究,2015,38(2):292.

ZHAO Huiqian, GUO Mingzhu, ZHAI Changda,etal. Analysis of anti-seismic connectivity reliability of city gas pipeline network based on Monte Carlo method[J]. Journal of Seismological Research, 2015,38(2):292.

[6]王清樹,譚羽非. 具有中介狀態(tài)的燃?xì)夤芫W(wǎng)連通可靠度[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,44(2):102.

WANG Qingshu, TAN Yufei. The connectivity-reliability analysis of gas pipeline network with intermediate state[J].Journal of Harbin Institute of Technology, 2012,44(2):102.

[7]蘇欣,段康,袁宗明,等.城市天然氣負(fù)荷特點(diǎn)及其預(yù)測研究[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2007,26(1):5.

SU Xin, DUAN Kang, YUAN Zongming,etal. City natural gas load characteristic and its forecast research[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2007, 26(1):5.

[8]龔承柱,李蘭蘭,楊娟,等.基于EMD-PSR-LSSVM的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)短期負(fù)荷預(yù)測[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2014,34(11):3001.

[9]王力勇,宋春慧.天然氣長輸管道輸差控制與分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2007,26(4):44.

WANG Liyong, SONG Chunhui. Control and analysis on measurement shortage for long distance gas transmission pipeline[J]. Oil & Gas Storage and Transportation, 2007, 26(4):44.

[10]于京春,解東來,馬冬蓮,等.城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展及建議[J].煤氣與熱力,2007,27(12):38.

YU Jingchun, XIE Donglai, MA Donglian,etal. Research progress and propositions on risk assessment of town gas pipe network[J]. Gas & Heat, 2007, 27(12): 38.

[11]韓朱旸,翁文國.燃?xì)夤芫W(wǎng)定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法綜述[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009,19(7):154.

HAN Zhuyang, WENG Wenguo. An overview of quantitative risk analysis methods for natural gas pipeline [J]. China Safety Science Journal, 2009, 19(7):154.

[12]周偉國,張中秀,孔令令.城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的震害分析及減災(zāi)對(duì)策[J].土木建筑與環(huán)境工程,2009,31(4):70.

ZHOU Weiguo, ZHANG Zhongxiu, KONG Lingling. Seismic damage analysis and disaster mitigation approaches for urban gas piping systems[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2009, 31(4):70.

[13]毛子駿,費(fèi)奇,歐陽敏,等.關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)模型研究綜述[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2009,36(3):5.

MAO Zijun, FEI Qi, OUYANG Min,etal. Survey of model of interdependent infrastructures[J]. Computer Science, 2009, 36(3):5.

[14]劉輝,申玉銘,孟丹,等. 基于交通可達(dá)性的京津冀城市網(wǎng)絡(luò)集中性及空間結(jié)構(gòu)研究[J].經(jīng)濟(jì)地理,2013, 33(8):37.

LIU Hui, SHEN Yuming, MENG Dan,etal. The city network centrality and spatial structure in the Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan region[J]. Economic Geography, 2013, 33(8):37.

[15]李二玲,李小建.基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析方法的產(chǎn)業(yè)集群研究——以河南省虞城縣南莊村鋼卷尺產(chǎn)業(yè)集群為例[J].人文地理，2007,22(6):10.

LI Erling, LI Xiaojian. Social network analysis approach in the industrial cluster studies: The case study of the steel measuring tape cluster in Nanzhuang[J].Human Geography, 2007,22(6):10.

[16]朱桃杏,吳殿廷,馬繼剛,等. 京津冀區(qū)域鐵路交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)[J].經(jīng)濟(jì)地理,2011,31(4):561.

ZHU Taoxing, WU Dianting, MA Jigang,etal. Evaluation of rail transportation network within Beijing-Tianjin-Hebei region[J]. Economic Geography, 2011, 31(4): 561.

[17]張勇,楊曉光. 城市路網(wǎng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特性及可靠性仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2008,20(2):464.

ZHANG Yong，YANG Xiaoguang.Complex network property and reliability simulation analysis of urban street networks[J].Journal of System Simulation, 2008,20(2):464.

[18]王志強(qiáng),徐瑞華. 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的軌道交通路網(wǎng)可靠性仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(20):6670.

WANG Zhiqiang, XU Ruihua.Reliabilty simulation analysis of urban rail transit networks based on complex network[J].Journal of System Simulation, 2009,21(20):6670.

[19]蔡澤祥,王星華,任曉娜. 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2012,36(11):114.

CAI Zexiang, WANG Xinghua, REN Xiaona. A review of complex network theory and its application in power system[J]. Power System Technology, 2012,36(11):114.

[20]劉忠華,于華,楊方廷,等. 山西大水網(wǎng)工程的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅芊治鯷J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2015(20):220.

LIU Zhonghua, YU Hua, YANG Fangting,etal. Analysis of topological properties of Shanxi water network[J]. Computer Engineering and Applications, 2015(20):220.

Health Evaluation and Optimization of Urban Gas Network

HUANG Yong1,2， FENG Jie1， SHI Yaling1,3, WANG Yang4

(1. Faculty of Architecture and Urban Planning, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Chongqing University, Chongqing 400030, China； 3. Chongqing University Planning and Design Institute Co. Ltd, Chongqing 400030, China; 4. School of Geography and Tourim, Chongqing Normal University, Chongqing 401331, China)

The gas network can be abstracted as network model by social network analysis(SNA).Taking the gas pipeline of the central city of Jinzhong as an example, this paper constructed the current network and planning network on Pajek. The network structure evaluation system was constructed including the topology structure, operation status and key facilities. Eight indexes including network density were calculated. The results show that the current gas network has a better operation while the planning has a better topology structure. The strategy for the network structure optimization and physical facility maintenance was proposed.

urban planning； social network analysis； gas network； health evaluation； planning optimization

2016-01-06

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃(2013BAJ13B07)；國家自然科學(xué)基金(51308575)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃(cstc2013jcyjA00012)

黃勇(1976—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)樯降厝司迎h(huán)境學(xué)、城鄉(xiāng)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)化方法.

E-mail：cqhy2001@126.com

TU981； TU996

A