CN113536195B - 一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法及系统，所述方法包括：获取地震未发生时的社区抗震能力；基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率；基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性。本发明中的上述方法可以体现社区在危机时刻随时间变化的应对能力。

Description

一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法及系统

技术领域

本发明涉及社区地震灾害预防领域，特别是涉及一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法及系统。

背景技术

目前，对社区抗震韧性的研究，通常会将社区作为一个工程系统，进行研究。前人的研究方法，将社区作为一个工程组件，拥有工程组件的特性，通过对这个组件的完整性Q(t)的分析，作为计算韧性的参考。

例如Cimellaro等人2010年的研究成果：可以发现整个系统将灾害，作为一个突发事件点，进行计算考虑，主要对震后的恢复，进行计算并作为韧性系统的评估；

Oyuan等人2012年的研究成果，考虑了破坏蔓延阶段，将同震破坏过程简单地做一个线性函数进行计算；

而Rus等人2018的综述研究成果中，提及了地震韧性计算需要考虑同震系统响应阶段(response)，但是没有系统论述。

Yu等人2019年结合工程学中的故障树分析方法，对城市系统韧性进行评估。

综上所述，前人的研究问题主要有以下几点：

更重视社区或城市系统作为工程系统的表现，所提及的分析方法和研究对象，以社区中的人作为对象较少；

前人的研究中，社区通常变化体现在整体发展，而同震灾害发生时，人们可能处于不同的社区，如商场，写字楼，地铁等公共交通设施，这个时候，抗震社区的概念需要提及、重视并应用到评估和分析过程中；

前人通过工程故障树方法分析，将社区考虑为一个个工程组件，相对各个组件的不同表现对整体系统进行评估，较少地考虑了社区的连通性和可变通等性质。

发明内容

本发明的目的是提供一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法及系统，体现社区在危机时刻随时间变化的应对能力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法，所述方法包括：

获取地震未发生时的社区抗震能力；

基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率；

基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性。

可选的，基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率具体采用以下公式：

其中，Ra和Q(t)表示发震时刻社区抗震能力完好率，Ra_t表示t时刻社区的抗震能力，Ra₀表示地震未发生时的社区抗震能力。

可选的，所述基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性具体采用以下公式：

其中，Racos表示同震时刻社区的抗震韧性，T₁表示地震到达时刻，T₂表示社区抗震能力完好率最低时刻，Q(t)表示发震时刻社区抗震能力完好率，Ra₀表示地震未发生时的社区抗震能力，Ra(t_i)表示t_i时刻社区的抗震能力，i为关键事件发生时次数，n表示所统计的总关键事件发生次数。

可选的，所述地震未发生时的社区抗震能力考虑的因素包括：地质作用、社区环境次生灾害、个人及社区灾害应对以及社区联通。

本发明另外提供一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算系统，所述系统包括：

社区抗震能力获取模块，用于获取地震未发生时的社区抗震能力；

抗震能力完好率确定模块，用于基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率；

抗震韧性确定模块，用于基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性。

可选的，所述抗震能力完好率确定模块具体采用以下公式：

其中，Ra和Q(t)表示发震时刻社区抗震能力完好率，Ra_t表示t时刻社区的抗震能力，Ra₀表示地震未发生时的社区抗震能力。

可选的，所述抗震能力完好率确定模块具体采用以下公式：

其中，Racos表示同震时刻社区的抗震韧性，T₁表示地震到达时刻，T₂表示社区抗震能力完好率最低时刻，Q(t)表示发震时刻社区抗震能力完好率，Ra₀表示地震未发生时的社区抗震能力，Ra(t_i)表示t_i时刻社区的抗震能力，i为关键事件发生时次数，n表示所统计的总事件发生次数，事件即可以是关键事件，如社区关键设施变化而导致的抗震能力大幅变化；也可以是为了理论研究而选取的等时间间距拟合得到的社区抗震能力变化节点。

可选的，所述地震未发生时的社区抗震能力考虑的因素包括：地质作用、社区环境次生灾害、个人及社区灾害应对以及社区联通。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明中的上述方法，对地震时刻社区的韧性进行定量评估，完善在了地震后对社区重建过程的韧性评估，以便在城市灾害规划设计中，加强对同震时刻的应对措施；推动同震地应力触发预警机制，完善余震触发与管理的应对和管理；为后续地震引发的次生灾害与大地震的进一步联系提供了很好的参考依据。

将系统机能水平曲线，在同震时刻的定义进行进一步调整，将原来学者研究中，将社区作为一个系统(一个工程系统)，或单独提及的医疗系统、交通系统、电力或者水系统作为一个整体，作为同震韧性评估的一部分；

应用本发明中的上述方法可以为社区提供动态的同震应对策略指标，从社区和居民的角度出发，提供参考依据，通过多次这种韧性评估和同震韧性的计算，可以针对每一个社区中个体，应对同震时刻的策略，避免“小震不用跑，大震跑不了”的刻板宣传和认知。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法流程图；

图2为本发明实施例系统社区抗震能力随时间变化的曲线示意图；

图3为本发明实施例地震灾害时刻社区系统地震韧性计算系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法及系统，体现社区在危机时刻随时间变化的应对能力。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法流程图，如图1所示，所述方法包括：

步骤101：获取地震未发生时的社区抗震能力。

我们通过计算以下步骤，完成T₀时刻之前(即地震未发生时刻的社区抗震能力估计)社区地震抗震能力评估，这一步骤通常为社区建立，改进过程中，政府部门对社区整体的抗震能力评估：

通过我们提出的社区抗震能力评价方法，评估社区在特定情况下的同震抗震能力指标。这套评价指标考虑了地质作用(B1)、社区环境次生灾害(B2)、个人及社区灾害应对(B3)、社区联通(B4)；评价指标针对地震时刻这一特定的时间节点，静态地、人本地评价了社区的抗震能力。这一步也反映了社区的基础抗震能力，用参数Ra表示。在运用此法计算参数Ra的时候，需要考虑社区同震时刻抗震能力水平的四个方面：robustness、rapidly、resourcefulness、redundancy，即为鲁棒性、快速性、灵敏性、冗余性。

其中地质灾害易发性包括了断裂带附近可能发生的次生地震、山体滑坡、砂土液化、海啸、塌陷等。社区环境的次生灾害指的是燃气管线、电力干线、油气站等。全面而细致的社区整体韧性评估，有助于完成社区和个人对地震时刻的应对、提高地震生还率。

步骤102：基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率。

进一步的，通过公式

完成T₀时刻社区同震韧性估计，计算这个指标的目的是估计社区系统同震时刻是完好。也就是说，一处地震发生后，需要重新计算社区的抗震能力得到Ra_t。然后计算社区抗震能力完好率Ra。通常这个指标应为1，对应在计算同震韧性的过程中，Ra作为系统质量曲线Q(t)(％，即为Quality指标)代替之前学者在估算震后系统恢复过程中，用系统的完好性作为Q(t)进行计算。

这个指标所代表的是，地震时刻社区系统对地震的应对，将此指标地震前后作为社区系统的水平绘制时变函数，可以得到抗震水平曲线，如图2所示，图2为系统社区抗震能力随时间变化曲线。抗震能力的评估，需要考虑随时间变化，社区整体的应对能力。做系统水平随时间变化曲线，指标第一步的预评估是发震时刻T₀到地震到达时刻T₁阶段。这段时间通常为地震预警阶段(这个时间通常从几秒到几十秒不等)，此时，社区功规模(包括设施、资源、人员进行快速划分)。这部分主要指将人员与设备物资等流动性质考虑在内的综合因素，通过成熟的自判定系统，对社区现实情况进行最终确定。同时，在地震台网、电视、手机网络等多方位通知个人知悉地震的情况下，迅速开始启用社区应急救灾措施流程。这个过程，通常也可以通过社区日常灾害演练和检查时，作为检查的一项指标。

步骤103：基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性。

具体的，对于抗震韧性的评估是地震到达社区时刻T₁与鲁棒性(robustness)评估最低点T₂(这个时刻是quality(社区抗震能力完好率)最低值，即整个系统抗震能力受地震影响的最低值)时刻之间的韧性评估，若是单个地震，我们可以按照下述公式进行计算。如果需要考虑地震余震的因素，则考虑库仑应力的触发作用以及活动断层的危险性评估。而次生灾害，则需要进一步进行综合评估。

通常，可以利用公式

进行计算，其中，

Ra₀是我们预估计的社区抗震能力，Ra(t)为社区系统抗震能力随时间变化的函数，代表每一时刻的社区抗震能力。通常这个指标Q(t)为社区抗震能力完好率，随时间变化，如图2所示。

对于单个地震，由于社区的抗震能力可能受到某个关键指标影响(如关键生命通道受地震影响而损坏，或者关键管廊(如电缆或者燃气管线)损坏)，而呈现分段下降的趋势，每一次受到影响而造成社区功能损坏，需要对社区进行一次整体抗震能力评估，因此，社区的抗震能力完好率则可以通过Q(t)公式计算得到。

因此，我们可以得到简化的(将每一段的下降假设作为系统的线性下降)，社区抗震韧性估算公式Racos的公式如下：

其中，Racos为同震时刻的社区抗震韧性(Racos＝∑(Q(t_i))，i为关键事件发生时次数，一般发生n次关键设施或评估指标受损。

另外，对于发生多次地震，则依次按照发生事件节点对同震抗震韧性进行评估。则需要进一步计算。

图3为本发明实施例一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算系统结构示意图，如图3所示，所述系统包括：

社区抗震能力获取模块201，用于获取地震未发生时的社区抗震能力；

抗震能力完好率确定模块202，用于基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率；

抗震韧性确定模块203，用于基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性。

本发明中的上述方法及系统具有以下有益效果：

本发明提出一种新方法，对地震时刻社区的韧性进行定量评估，可以完成以下几项工作：

完善在地震后对社区重建过程的韧性评估，以便在城市灾害规划设计中，加强对同震时刻的应对措施；推动同震地应力触发预警机制，完善余震触发与管理的应对和管理；为后续地震引发的次生灾害与大地震的进一步联系提供了很好的参考依据

将系统机能水平曲线，在同震时刻的定义进行进一步调整，将原来学者研究中，将社区作为一个系统(一个工程系统)，或单独提及的医疗系统、交通系统、电力或者水系统作为一个整体，作为同震韧性评估的一部分；

应用本方法可以为社区提供动态的同震应对策略指标，从社区和居民的角度出发，提供参考依据。通过多次这种韧性评估和同震韧性的计算，可以针对每一个社区中个体，应对同震时刻的策略，避免“小震不用跑，大震跑不了”的刻板宣传和认知。

通过定量评估，可以对社区系统的韧性进行定量，系统的评估，本发明有以下创新点：

(1)首次定量地对集中在地震时刻对单个社区的韧性进行计算与系统分析

(2)以居民个人为基础，通过对社区韧性了解，提升应对地震灾害的能力

(3)首次将计算韧性的系统机能曲线，分段详细讨论。规避了以往以系统本身对韧性讨论中，将地震灾害作为一次性事件的评价。

意义：通过对单一灾害(地震)特点的分析，深入对地震韧性的认知。

首创的研究方法框架，在人本的研究思路基础上，结合了科学的分析方法，对社区的韧性定量化评估提供了新方向。

首次根据地震特点，对地震可能影响的系统机能水平曲线的影响进行调整，针对地震时刻的影响分析，修正了同震系统韧性的计算。将科学研究与社区、个人抗震抗灾更加紧密结合。

随着城市、和地下空间高速发展。对城市韧性评估的要求日益提高，因此，针对单个灾害发生过程中的社区系统和个人的应对，就变得越来越重要。通过我们的方法，对单一种灾害的系统机能水平可能产生的复杂变化进行评估，为灾害韧性的定量评估，以及其他灾害的韧性评估和城市规划提供关键参考。

以人为本的评价方法，最终意义不仅仅是为政府部门和规划提供建议，更重要的是通过这种韧性方法，将科学问题、工程构筑、政府规划与社区居民宣传等结合起来，为切实提高城镇抗震抗灾水平提供系统依据。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法，其特征在于，所述方法包括：

获取地震未发生时的社区抗震能力；

基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率；社区抗震能力完好率表示地震时刻社区系统对地震的应对；

基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率具体采用以下公式：

其中，Ra和Q(t)表示发震时刻社区抗震能力完好率，Ra_t表示t时刻社区的抗震能力，Ra₀表示地震未发生时的社区抗震能力；

基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性；

所述基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性具体采用以下公式：

其中，Racos表示同震时刻社区的抗震韧性，T₁表示地震到达时刻，T₂表示社区抗震能力完好率最低时刻，Q(t)表示发震时刻社区抗震能力完好率，Ra₀表示地震未发生时的社区抗震能力，Ra(t_i)表示t_i时刻社区的抗震能力，i为关键事件发生时次数，n表示所统计的总事件发生次数。

2.根据权利要求1所述的地震灾害时刻社区系统地震韧性计算方法，其特征在于，所述地震未发生时的社区抗震能力考虑的因素包括：地质作用、社区环境次生灾害、个人及社区灾害应对以及社区联通。

3.一种地震灾害时刻社区系统地震韧性计算系统，其特征在于，所述系统包括：

社区抗震能力获取模块，用于获取地震未发生时的社区抗震能力；

抗震能力完好率确定模块，用于基于所述地震未发生时的社区抗震能力确定发震时刻社区抗震能力完好率；社区抗震能力完好率表示地震时刻社区系统对地震的应对；

所述抗震能力完好率确定模块具体采用以下公式：

其中，Ra和Q(t)表示发震时刻社区抗震能力完好率，Ra_t表示t时刻社区的抗震能力，Ra₀表示地震未发生时的社区抗震能力；

抗震韧性确定模块，用于基于发震时刻社区抗震能力完好率计算同震时刻社区的抗震韧性；

所述抗震能力完好率确定模块具体采用以下公式：

其中，Racos表示同震时刻社区的抗震韧性，T₁表示地震到达时刻，T₂表示社区抗震能力完好率最低时刻，Q(t)表示发震时刻社区抗震能力完好率，Ra₀表示地震未发生时的社区抗震能力，Ra(t_i)表示t_i时刻社区的抗震能力，i为关键事件发生时次数，n表示所统计的总事件发生次数。

4.根据权利要求3所述的地震灾害时刻社区系统地震韧性计算系统，其特征在于，所述地震未发生时的社区抗震能力考虑的因素包括：地质作用、社区环境次生灾害、个人及社区灾害应对以及社区联通。

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