پژوهشگاه بین المللی مهندسی زلزله و زلزله شناسی

 

 

رساله دکتری

مهندسی عمران – زلزله

ارزیابی شبکه های توزیع آب با بهره گیری از روش آنتروپی اطلاعات بر پایه عدم قطعیت های مکانیکی و هیدرولیکی

استاد راهنما

دکتر محمود حسینی

 

 تابستان 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
چکیده
یکی از ابزارهای مناسب برای شناخت وضعیت شبکه­های توزیع آب به عنوان یکی از سیستم­های شریان حیاتی، شاخص قابلیت اعتماد می باشد. یک دسته روش‌ دیگر که به علت وجود پارامترهای زیاد سیستم‌های شریان حیاتی مناسب­تر می باشد، بهره گیری از مفهوم تئوری آنتروپی اطلاعات شانون و تعیین شاخص درجه افزونگی شبکه می باشد. درکارهای انجام شده بر روی درجه افزونگی شبکه­های توزیع آب معمولاً اثر همزمان پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی لحاظ نمی­گردد. به همین مقصود در این مطالعه یک معیار اصلاح شده بر اساس مفهوم آنتروپی اطلاعات برای ارزیابی سطح خدمت­رسانی شبکه­های توزیع آب ارائه شده می باشد. به طوری که در این ارتباط به گونه همزمان اثر عدم قطعیت­های هیدرولیکی (مانند اندازه جریان در لوله­ها) و عدم قطعیت­های مکانیکی (مانند احتمال گسیختگی خطوط جریان) لحاظ شده باشد.
برای این مقصود، پس از مطالعه تأثیر انواع روش­های وزن‌دار کردن تابع آنتروپی بر روی نوع رفتار تابع، ضریبی به صورت نسبت نیاز گره مصرف به نرخ جریان تمام لینک­های شبکه تعریف شده می باشد. با وزن‌دار کردن مناسب تابع آنتروپی هیدرولیکی موجود در ادبیات فنی، تأثیر توالی و چگونگی اتصال گره­های مصرف به گره‌های چشمه در ارتباط پیشنهادی دیده شده می باشد. صحت رفتار تابع پیشنهادی به کمک مثال‌هایی با پیکره‌بندی‌های متفاوت، مورد ارزیابی قرار گرفته می باشد. برای لحاظ کردن اثر احتمال عدم خدمت‌رسانی لینک­ها نیز از مفهوم آنتروپی شرطی بهره گیری شده می باشد. به این شکل که یک تابع جریمه بر اساس احتمال گسیختگی هر یک از لینک­ها تحت یک سناریوی خطر مشخص تعریف می گردد و این تابع جریمه به صورت مناسب در تابع آنتروپی هیدرولیکی اعمال می گردد. در این حالت نیز با در نظر گرفتن حالات حدی مختلف و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج مورد انتظار، صحت رفتار تابع آنتروپی پیشنهادی مطالعه شده می باشد.
به کمک ارتباط آنتروپی پیشنهادی چگونگی عملکرد تعدادی شبکه توزیع آب نمونه، از شبکه­های ساده درختی تا شبکه‌های حلقه­ای پیچیده، مطالعه شده می باشد تا صحت نتایج حاصل از ارتباط پیشنهادی در ارزیابی عملکرد کلی شبکه‌ها نیز مورد مطالعه قرار گرفته باشد. در ادامه، نتایج حاصل از ارتباط آنتروپی پیشنهادی با نتایج حاصل از روابط کلاسیک محاسبه قابلیت اعتماد شبکه­های توزیع آب برای تعدادی شبکه با گره‌های مصرف و چشمه یکسان اما پیکره‌بندی‌های مختلف مقایسه گردیده و کارایی شاخص پیشنهادی هم جهت دستیابی به پیکره­بندی بهینه هیدرولیکی برای یک شبکه آب جدید و هم انتخاب بهترین برنامه­ریزی برای کاهش خسارت در یک شبکه موجود در برابر خطرات مختلف طبیعی یا ساخته دست بشر، نشان داده شده می باشد. به عنوان یک مثال واقعی رفتار شبکه توزیع آب شهر کوبه نیز بر اساس ارتباط پیشنهادی مورد ارزیابی قرار گرفته می باشد. از مهمترین مزایای روش پیشنهادی می­توان به سادگی بسیار بیشتر این روش نسبت به سایر روش­های موجود برای تعیین قابلیت اعتماد شبکه‌ها و تعیین بهترین پیکره‌بندی تصریح نمود. این در حالی می باشد که در این روش پیشنهادی به گونه همزمان عدم قطعیت­های هیدرولیکی و مکانیکی نیز لحاظ شده می باشد.
از آنجا که پارامترهای مشخصه شبکه مانند اندازه نیاز گره­های مصرف یا اندازه احتمال عدم خدمت­رسانی لینک­ها و غیره، خود نیز دارای عدم قطعیت می­باشند، در بخش پایانی پایان‌نامه به کمک ریاضیات فازی و مفهوم  فازی- آنتروپی به مطالعه اندازه حساسیت نتایج حاصل به این‌گونه عدم قطعیت­ها پرداخته شده می باشد. در این بخش نشان داده شده می باشد که وجود عدم قطعیت در بعضی پارامترها، همچون اندازه نیاز بعضی گره­های مصرف، می­تواند تأثیر قابل توجهی بر روی اندازه اطمینان به نتایج حاصل داشته باشد در حالی که وجود عدم قطعیت در بعضی پارامترهای دیگر تأثیر زیادی روی تغییرات نتایج ندارد. در نتیجه به کمک این روش می­توان پارامترهای حساس بر روی عملکرد شبکه را نیز شناسایی نمود.
فهرست مطالب
فهرست مطالب ‌ب
فهرست اشکال ‌د
فهرست جداول ‌ط
1- مقدمه 1
1-1- زمینه پژوهش 3
1-2- اظهار مسئله 4
1-3- لزوم انجام پژوهش 6
1-3-1- چالشهای پیش رو 7
1-3-2- راهکارها و اهداف 8
1-3-3- مراحل پژوهش حاضر 9
2- مبانی نظری تحلیل قابلیت اعتماد شبکه‌ها 10
2-1- مقدمه 11
2-2- تئوری قابلیت اعتماد 11
2-3- تحلیل قابلیت اعتماد سیستم‌ها 16
2-4- مروری بر کارهای انجام گرفته بر روی تحلیل قابلیت اعتماد سیستم‌ها 21
2-5- مروری بر کارهای انجام شده بر روی قابلیت اعتماد امکانی 22
2-6- مروری بر کارهای انجام شده درمورد قابلیت اعتماد شریان‌های حیاتی 26
2-7- مطالعات انجام شده در زمینه قابلیت اطمینان شبکه توزیع آب 29
3- مفهوم آنتروپی و درجه افزونگی 39
3-1- مقدمه 40
3-2- آنتروپی اطلاعات برای شبکه‌های توزیع آب 40
3-3- شاخص نامعینی مکانیکی برای سیستم‌های شریان حیاتی 44
3-4- آنتروپی هیدرولیکی برای سیستم‌های شریان حیاتی 58
3-5- بحث پیرامون تابع آنتروپی پیشنهادی توسطT&T 65
4- تابع آنتروپی پیشنهادی با در نظر گرفتن عدم قطعیت‌های هیدرولیکی و مکانیکی 70
4-1- مقدمه 71
4-2- وارد کردن تأثیر پیکره‌بندی و ترتیب ارتباطات گره‌های نیاز در ارزیابی خدمت‌پذیری شبکه 71
4-3- در نظر گرفتن احتمال عدم خدمت‌رسانی لینک‌ها در ارزیابی خدمت‌پذیری شبکه 74
4-4- مطالعه رفتار تابع آنتروپی پیشنهادی در شبکه‌های موازی و شبکه‌های سری 76
4-5- کاربرد تابع آنتروپی پیشنهادی برای شبکه حلقوی 85
4-6- تحلیل حساسیت نتایج آنتروپی شبکه 94
4-7- مطالعه عملکرد یک شبکه با دو حلقه بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی 98
4-8- مطالعه تأثیر شکل حلقه‌ها در عملکرد یک شبکه دو حلقه‌ای بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی 110
4-9- مطالعه ارتباط بین تابع آنتروپی پیشنهادی و قابلیت اعتماد شبکه توزیع آب 119
4-10- ارزیابی خدمت‌رسانی شبکه توزیع آب شهر کوبه به کمک ارتباط آنتروپی پیشنهادی 124
5- محاسبه آنتروپی شبکه بر اساس متغیرهای فازی 130
5-1- مقدمه 131
5-2- مجموعه‌های فازی جهت مدلسازی عدم قطعیت‌های امکانی 132
5-3- مطالعه تأثیر تغییرات قطر لوله بر روی خواص هیدرولیکی شبکه توزیع آب 137
5-4- مدل‌سازی تغییرات قطر لوله به صورت فازی و محاسبه آنتروپی شبکه 142
5-5- مدل‌سازی تغییرات نیاز گره‌های مصرف به صورت فازی و محاسبه آنتروپی شبکه 144
5-6- مدل‌سازی احتمال عدم خدمت‌رسانی لوله‌ها به صورت فازی و محاسبه آنتروپی شبکه 146
6- نتایج و پیشنهادات 149
6-1- نتایج 150
6-2- پیشنهادات 153
مراجع 155
 
فهرست اشکال
شکل (‏2‑1) : تابع چگالی احتمال بار و مقاومت و محدوده ایمن 12
شکل (‏2‑2) : تابع چگالی بار و مقاومت 12
شکل (‏2‑3) : دامنه ایمن و دامنه گسیختگی در یک فضای حالت دو بعدی 14
شکل (‏2‑4) : اظهار سه بعدی از تابع چگالی احتمال توام fRQ 14
شکل (‏2‑5) : تعریف شاخص قابلیت اعتماد به صورت کوتاهترین فاصله در فضای متغیرهای کاهش یافته 15
شکل (‏2‑6) : مفهوم شاخص قابلیت اعتماد 15
شکل (‏2‑7) : علائم مورد بهره گیری برای اعضای شکل‌پذیر و ترد 16
شکل (‏2‑8) : (a) سیستم سازه‌ای سری، (b) سیستم سازه‌ای موازی 16
شکل (‏2‑9) : خرپای معین استاتیکی به عنوان یک سازه سری 16
شکل (‏2‑10) : نمایش یک سیستم سری 17
شکل (‏2‑11) : نمایش یک سیستم موازی 17
شکل (‏2‑12) : یک سازه قابی و مدل تحلیلی مربوط به آن 18
شکل (‏2‑13) : نمایش یک سیستم سری از سیستم‌های موازی 18
شکل (‏2‑14) : یک شبکه توزیع آب 19
شکل (‏2‑15) : اظهار گسیختگی به وسیله برش‌ها 20
شکل (‏2‑16) : نمایش مجموعه گره حداقل 20
شکل (‏2‑17) : توزیع امکانی π(x) و تابع عضویت عدد فازی μQ(x) 24
شکل (‏2‑18) : سطح قابلیت اعتماد برای یک شبکه 35
شکل (‏3‑1) : تابع آنتروپی برای یک متغیر دو مقداره 42
شکل (‏3‑2) : دیاگرام ون برای فضای نمونه خرابی در یک سیستم مهندسی با m عضو 45
شکل (‏3‑3) : شبکه توزیع آب نمونه 49
شکل (‏3‑4) : مقایسه شاخص‌های درجه افزونگی RE و RZ پیش روی احتمال جدایش گره‌های مصرف 53
شکل (‏3‑5) : شبکه توزیع آب نمونه 54
شکل (‏3‑6) : نتایج درجه افزونگی شبکه نشان داده شده در شکل 3-5 برای شبکه موجود و شبکه بهسازی شده 55
شکل (‏3‑7) : شبکه توزیع آب ناحیه پایین شهر، شهر کوبه 55
شکل (‏3‑8) : ناحیه A شبکه توزیع آب شهر کوبه 56
شکل (‏3‑9) : مدل شبکه ناحیه A شبکه توزیع آب شهر کوبه الف) شبکه موجود ب) شبکه جدید با خط لوله اضافه شده در شبکه 56
شکل (‏3‑10) : نتایج شبیه‌سازی ناحیه A شبکه توزیع آب شهر کوبه 58
شکل (‏3‑11) : چگونگی محاسبه آنتروپی برای یک شبکه نمونه 59
شکل (‏3‑12) : یک شبکه توزیع آب ساده با جریانهای مربوط به آنتروپی حداکثر 61
شکل (‏3‑13) : حالت‌های ممکن باقیمانده برای شبکه نشان داده شده در شکل قبل و مقدار آنتروپی حداکثر آنها 61
شکل (‏3‑14) : دیاگرام PEM و محاسبات آنتروپی شبکه 63
شکل (‏3‑15) : دیاگرام PEM برای یک شبکه با دو گره چشمه و دو گره تقاضا 63
شکل (‏3‑16) : شبکه توزیع آب نمونه کاملاً متصل 65
شکل (‏3‑17) : زیرمجموعه‌های درختی شبکه نمونه 66
شکل (‏3‑18) : دیاگرام مسیر زیرمجموعه‌های درختی 67
شکل (‏3‑19) : حالت‌های مختلف اتصال گره‌های نیاز چشمه برای شبکه‌های درختی نشان داده گردید در شکل 3-16 67
شکل (‏4‑1) : (الف) شبکه نمونه با یک گره چشمه و یک گره نیاز با دو لینک موازی (ب) دیاگرام ون احتمال انتخاب هر یک از مسیرها توسط ملکول آب 76
شکل (‏4‑2) : تغییرات تابع آنتروپی پیشنهادی برای شبکه نمونه شکل 4-2 و احتمال عدم خدمت‌رسانی یکسان هر دو لینک 77
شکل (‏4‑3) : تغییرات تابع آنتروپی شبکه نمونه شکل 4-1 و احتمال عدم خدمت‌رسانی متفاوت دو لینک رابط بین گره چشمه و گره نیاز 78
شکل (‏4‑4) : (الف)- شبکه آب با یک گره چشمه و یک گره نیاز با سه لینک موازی، (ب) دیاگرام ون احتمال انتخاب هر یک از مسیرها توسط ملکول آب 80
شکل (‏4‑5) : تغییرات تابع آنتروپی پیشنهادی برای شبکه نمونه شکل 4-4 تحت حالات عدم خدمت‌رسانی مختلف الف) هر سه لینک سالم باشند. ب) لینک دوم کاملاً از عملکرد خارج گردد، ج) لینک سوم کاملاً از عملکرد خارج گردد، د) لینک‌های دوم و سوم کاملاً از عملکرد خارج شوند 81
شکل (‏4‑6) : شبکه توزیع آب با دو گره نیاز و یک گره چشمه با پیکره‌بندی کاملاً سری 82
شکل (‏4‑7) : تغییرات آنتروپی شبکه نمونه نشان داده شده در شکل 4-6 با نسبت نیاز  ( ) 83
شکل (‏4‑8) : تغییرات آنتروپی شبکه نمونه نشان داده شده در شکل 4-6 با نسبت نیاز  ( ) 84
شکل (‏4‑9) : تغییرات آنتروپی شبکه نمونه نشان داده شده در شکل 4-6 با نسبت نیاز  ( ) 84
شکل (‏4‑10) : شبکه حلقوی نمونه با یک گره چشمه و سه گره نیاز 86
شکل (‏4‑11) : پیکره‌بندی‌های ممکن برای شبکه حلقوی نشان داده شده در شکل 4-10 86
شکل (‏4‑12) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 بر حسب تغییرات نرخ جریان در لینک اول بر اساس ارتباط پیشنهادی T&T 87
شکل (‏4‑13) : نمودار کلی آنتروپی مسیر برای شبکه حلقوی نشان داده شده در شکل 4-10 88
شکل (‏4‑14) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 بر حسب تغییرات نرخ جریان در لینک اول بر اساس ارتباط پیشنهادی برای سه سناریو مختلف با احتمال عدم خدمت‌رسانی یکسان تمام لینک‌های شبکه 89
شکل (‏4‑15) : مقدار آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی، بر حسب اندازه نرخ جریان در لوله اول و با فرض از عملکرد خارج شدن یکی از لینک‌ها (Ɛ=0.01) 92
شکل (‏4‑16) : مقدار آنتروپی برای شبکه نمونه نشان داده شده در شکل 4-10 بر اساس ارتباط پیشنهادی زمانی که تنها یکی از لینک‌های شبکه دارای احتمال عدم خدمت‌رسانی 0.5 باشد؛ (الف) تنها لینک اول خدمت‌رسانی ناقص دارد؛ (ب) تنها لینک دوم خدمت‌رسانی ناقص دارد، (ج) تنها لینک سوم خدمت‌رسانی ناقص دارد، (د) تنها لینک چهارم خدمت‌رسانی ناقص دارد. 93
شکل (‏4‑17) : اندازه حساسیت تابع آنتروپی پیشنهادی برای شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 به اندازه احتمال عدم خدمت‌رسانی هر یک از لینک‌های شبکه، (الف) اندازه حساسیت به عملکرد صحیح لینک اول، (ب) اندازه حساسیت به عملکرد صحیح لینک دوم، (ج) اندازه حساسیت به عملکرد صحیح لینک سوم، (د) اندازه حساسیت به عملکرد صحیح لینک چهارم 97
شکل (‏4‑18) : اندازه حساسیت تابع آنتروپی پیشنهادی برای شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 به اندازه احتمال عدم خدمت‌رسانی هر یک از لینک‌های شبکه بدون در نظر گرفتن اثر ضریب وزن‌دهی ، (الف) اثر لینک اول، (ب) اثر لینک دوم، (ج) اثر لینک سوم، (د) اثر لینک چهارم 98
شکل (‏4‑19) : شبکه توزیع آب نمونه با دو حلقه و یک گره چشمه و سه گره مصرف 99
شکل (‏4‑20) : الگوهای جریان ممکن برای شبکه آب نشان داده شده در شکل 4-19 100
شکل (‏4‑21) : نمودارهای آنتروپی مسیر ماکزیمم الگوهای مختلف جریان شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر اساس ارتباط آنتروپی T&T 101
شکل (‏4‑22) : زیر مجموعه‌های درختی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 102
شکل (‏4‑23) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر حسب اندازه نرخ جریان در لینک‌های اول و پنجم بر اساس ارتباط پیشنهادی T&T 103
شکل (‏4‑24) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر حسب اندازه نرخ جریان در لینک‌های اول و پنجم بر اساس ارتباط پیشنهادی با فرض سالم ماندن تمام لینک‌ها 104
شکل (‏4‑25) : آنتروپی بیشینه برای هر یک از الگوهای جریان متفاوت شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر اساس ارتباط پیشنهادی با فرض سالم ماندن تمام لینک‌ها 104
شکل (‏4‑26) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر حسب اندازه نرخ جریان در لینک‌های اول و پنجم بر اساس ارتباط پیشنهادی با فرض سالم ماندن تمام لینک‌ها بدون در نظر گرفتن اثر ترتیب اتصال گره‌ها 105
شکل (‏4‑27) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر حسب اندازه نرخ جریان در لینک‌های اول و پنجم بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی با فرض احتمال عدم خدمت‌رسانی 0.5 برای تمام گره‌ها 105
شکل (‏4‑28) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی با فرض عدم خدمت‌رسانی لینک پنجم و خدمت‌رسانی کامل سایر لینک‌ها 106
شکل (‏4‑29) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی با فرض احتمال خدمت‌رسانی 50 درصدی لینک پنجم و خدمت‌رسانی کامل سایر لینک‌ها 107
شکل (‏4‑30) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی با فرض عدم خدمت‌رسانی یکی از لینک‌های شبکه و خدمت‌رسانی سایر لینک‌ها؛ (الف) عدم خدمت‌رسانی لینک اول، (ب) عدم خدمت‌رسانی لینک دوم، (ج) عدم خدمت‌رسانی لینک سوم، (د) عدم خدمت‌رسانی لینک چهارم 108
شکل (‏4‑31) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-19 بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی با فرض عدم خدمت‌رسانی دو تا از لینک‌های شبکه و خدمت‌رسانی کامل سایر لینک‌ها 109
شکل (‏4‑32) : شبکه توزیع آب متشکل از دو حلقه با یک گره چشمه و سه گره مصرف 110
شکل (‏4‑33) : الگوهای جریان ممکن برای شبکه نشان داده شده در شکل 4-32 111
شکل (‏4‑34) : نمودارهای آنتروپی مسیر ماکزیمم برای هر یک از الگوهای جریان ممکن برای شبکه نشان داده شده در شکل 4-32 بر اساس ارتباط آنتروپی T&T 112
شکل (‏4‑35) : آنتروپی شبکه توزیع آب نشان داده شده در شکل 4-32 بر حسب اندازه نرخ جریان در لینک‌های اول و پنجم بر اساس ارتباط پیشنهادی T&T 113
شکل (‏4‑36) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-32 بر حسب اندازه نرخ جریان در لینک‌های اول و پنجم بر اساس ارتباط پیشنهادی با فرض سالم ماندن تمام لینک‌ها 114
شکل (‏4‑37) : آنتروپی بیشینه برای هر یک از الگوهای جریان متفاوت شبکه نشان داده شده در شکل 4-32 بر اساس ارتباط پیشنهادی و با فرض سالم ماندن تمام لینک‌ها 114
شکل (‏4‑38) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-32 بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی با فرض عدم خدمت‌رسانی لینک پنجم و خدمت‌رسانی سایر لینک‌ها 115
شکل (‏4‑39) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-32 با فرض احتمال خدمت‌رسانی 50 درصدی لینک پنجم و خدمت‌رسانی کامل سایر لینک‌ها؛ (الف) نتایج حاصل از ارتباط آنتروپی پیشنهادی، (ب) نتایج حاصل از ارتباط آنتروپی پیشنهادی اما بدون در نظر گرفتن اثر ترتیب اتصال گره های مصرف به گره چشمه 117
شکل (‏4‑40) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-32 بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی با فرض عدم خدمت‌رسانی یکی از لینک‌های شبکه و خدمت‌رسانی کامل سایر لینک‌ها؛ (الف) عدم خدمت‌رسانی لینک اول، (ب) عدم خدمت‌رسانی لینک دوم، (ج) عدم خدمت‌رسانی لینک سوم، (د) عدم خدمت‌رسانی لینک چهارم 118
شکل (‏4‑41) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-32 بر اساس تابع آنتروپی پیشنهادی با فرض احتمال خدمت‌رسانی 50 درصدی یک لینک و خدمت‌رسانی کامل سایر لینک‌ها، (الف) عدم خدمت‌رسانی لینک اول، (ب) عدم خدمت‌رسانی لینک دوم، (ج) عدم خدمت‌رسانی لینک سوم، (د) عدم خدمت‌رسانی لینک چهارم 119
شکل (‏4‑42) : شبکه توزیع آب نمونه با گره‌های چشمه و مصرف مختلف و لینک‌های بالقوه میان آن‌ها (مقدار نیاز گره‌ها بر حسب لیتر بر ثانیه می‌باشد) 120
شکل (‏4‑43) : پیکره‌بندی‌های مختلف مورد مطالعه برای شبکه نشان داده شده در شکل 4-42 121
شکل (‏4‑44) : شبکه خطوط جریان اصلی شبکه توزیع آب ناحیه Higashi-Nada شهر کوبه 124
شکل (‏4‑45) : شبکه خطوط جریان اصلی شبکه توزیع آب ناحیه Higashi-Nada شهر کوبه 126
شکل (‏4‑46) : مدل شبکه توزیع آب شهر کوبه پس از اضافه شدن خط لوله جدید 126
شکل (‏5‑1) : عدد فازی مثلثی نمونه 133
شکل (‏5‑2) : پاسخ‌های هندسی دستگاه معادلات خطی با ضرایب فازی ارتباط 5-14 137
شکل (‏5‑3) : اندازه نرخ جریان در لوله‌های مختلف شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 با تغییرات قطر (الف) لوله اول (ب) لوله دوم (ج) لوله سوم (د) لوله چهارم 138
شکل (‏5‑4) : توان هدر رفته کل شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 با تغیرات قطر الف) لوله اول، ب) لوله دوم، ج) لوله سوم و د) لوله چهارم 140
شکل (‏5‑5) : آنتروپی شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 بر اساس ارتباط T&T با تغییرات قطر الف) لوله اول ب) لوله دوم ج) لوله سوم د) لوله چهارم 141
شکل (‏5‑6) : عدد فازی اندازه قطر لوله‌های شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 143
شکل (‏5‑7) : مقدار آنتروپی فازی شبکه با فرض فازی بودن قطر تمام لوله به صورت شکل 5-6 143
شکل (‏5‑8) : مقدار آنتروپی فازی شبکه با فرض فازی بودن قطر تنها یکی از لوله‌ها الف) لوله اول ب) لوله دوم ج) لوله سوم د) لوله چهارم 144
شکل (‏5‑9) : اندازه نیاز گره‌های مصرف به صورت کمیت فازی 145
شکل (‏5‑10) : مقدار آنتروپی فازی شبکه با فرض فازی بودن مقدار نیاز گره‌های مصرف به صورت شکل 5-9 145
شکل (‏5‑11) : مقدار آنتروپی فازی شبکه با فرض فازی بودن اندازه نیاز تنها یکی از گره‌های مصرف الف) گره نیاز دوم ب) گره نیاز سوم ج) گره نیاز چهارم 146
شکل (‏5‑12) : اندازه احتمال خدمت‌رسانی صحیح تمام لینک‌های شبکه به صورت کمیت فازی 146
شکل (‏5‑13) : مقدار آنتروپی فازی شبکه با فرض احتمال عدم خدمت‌رسانی فازی تمام لینک‌های شبکه تا 20 درصد 147
شکل (‏5‑14) : مقدار آنتروپی فازی شبکه با فرض احتمال عدم خدمت‌رسانی فازی یکی از لینک‌های شبکه الف) لینک اول ب) لینک دوم ج)لینک سوم د) لینک چهارم 147
فهرست جداول
جدول (‏2‑1): تعاریف مختلف اعتماد برای شبکه‌های توزیع آب 30
جدول (‏2‑2): تعاریف مختلف اعتماد برای شبکه‌های توزیع آب 31
جدول (‏2‑3): روش‌های مختلف ارزیابی قابلیت شبکه‌های توزیع آب 33
جدول (‏3‑1): مشخصات لینک‌های شبکه نشان داده شده در شکل 3-3 49
جدول (‏3‑2): اطلاعات ضرایب لوله p و k برای شبکه نشان داده شده در شکل 3-3 51
جدول (‏3‑3): اطلاعات ضریب زمین G برای شبکه نشان داده شده در شکل 3-3 51
جدول (‏3‑4): نتایج شبیه‌سازی مونت کارلو شبکه نشان داده شده در شکل 3-3 (با تعداد شبیه‌سازی  ) 52
جدول (‏3‑5): مشخصات لینک‌های شبکه آب نشان داده شده در شکل 3-5 54
جدول (‏3‑6): مشخصات لینک‌ها و گره‌های مصرف ناحیه A شبکه توزیع آب شهر کوبه 57
جدول (‏4‑1): مقادیر آنتروپی برای شبکه‌های درختی نشان داده شده در شکل 3-17 با در نظر گرفتن تابع وزن‌دهی جدید برای گره‌ها (ارتباط 4-1) 72
جدول (‏4‑2): مقادیر آنتروپی شبکه نمونه نشان داده شده در شکل 4-6 با نسبت نیاز  ( ) 82
جدول (‏4‑3): مقادیر آنتروپی شبکه نمونه نشان داده شده در شکل 4-6 با نسبت نیاز گره‌های  ( ) 83
جدول (‏4‑4): مقادیر آنتروپی شبکه نمونه نشان داده شده در شکل (4-6) با نسبت نیاز گره‌های  ( ) 84
جدول (‏4‑5): نرخ‌های جریان ممکن برای لوله‌های شبکه نمونه نشان داده شده در شکل 4-10 86
جدول (‏4‑6): مقادیر آنتروپی حاصل از ارتباط آنتروپی پیشنهادی زیر مجموعه‌های درختی شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 با اندازه احتمال عدم خدمت‌رسانی یکسان لینک‌ها 90
جدول (‏4‑7): مقادیر آنتروپی حداکثر حاصل از ارتباط آنتروپی پیشنهادی برای پیکره‌بندی‌های مختلف ممکن شبکه نشان داده شده در شکل 4-10 با اندازه احتمال عدم خدمت‌رسانی یکسان لینک‌ها 90
جدول (‏4‑8): نرخ‌های جریان ممکن برای لینک‌های شبکه نمونه نشان داده شده در شکل 4-19 99
جدول (‏4‑9): اندازه قطر لوله‌ها برای پیکره‌بندی‌های مختلف نشان داده شده در شکل 4-43 122
جدول (‏4‑10): مقدار قابلیت اعتماد و آنتروپی پیکره‌بندی‌های نشان داده شده در شکل 4-42 123
جدول (‏4‑11): مشخصات لینک‌ها و گره‌های شبکه موجود شهر کوبه(Javanbarg & Takada,2007) 125
جدول (‏4‑12): مشخصات لینک‌های شبکه شهر کوبه پس از اضافه شدن خط لوله جدید 127
 
 

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد: آنالیز تولید شتابنگاشتها ی مصنوعی زلزله با استفاده از تبدیل ویولت، فوریه کسری و شبکه عصبی مصنوعی

1-

فصل اول

مقدمه

مقدمه

 
 

1-1- زمینه پژوهش

به سیستم‌هایی مانند شبکه­های توزیع آب که در هنگام حوادث طبیعی مانند زلزله‌ دارای حساسیت و اهمیت زیادی می‌باشند و در واقع نجات جان بشر‌ها و کاهش خسارات مالی و برگشت به زندگی عادی و خدمت‌رسانی جامعه به آنها وابستگی شدیدی دارد، شریان حیاتی گفته می گردد. بازگرداندن هر چه سریع‌تر شریانهای حیاتی به حالت عادی نیازمند برنامه‌ریزی دقیق می باشد. برنامه‌ریزی دقیق در شرایط بحرانی مستلزم شناخت کافی از وضعیت سیستم، تحلیل سیستم، تعیین پارامترهای اجزاء سالم و یا آسیب دیده سیستم می باشد. تعمیرات و بازسازی بر مبنای نتایج حاصل از تحلیل جامع سیستم و با رعایت اولویت‌ها می‌تواند انجام گیرد که در بازگشت سریع جامعه به حالت عادی بسیار مهم می‌باشد. از این رو تعیین وضعیت کنونی شریان‌های حیاتی و اظهار آن به صورت قابل لمس برای تصمیم‌گیرندگان کلان کشور از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد تا آنها بتوانند تصمیمی صحیح، سریع و اقتصادی بگیرند. شاخص قابلیت اعتماد یکی از بهترین ابزارها برای این مقصود می‌باشد. اما محاسبه قابلیت اعتماد سیستم‌های بزرگ مقیاس مانند شریان‌های حیاتی کاری بسیار دشوار می باشد بطوری که بسیاری از پژوهشگران به دنبال یافتن راهی برای ساده کردن این مسئله می‌باشند و یکی از این روش‌ها برای ارزیابی اندازه ایمنی سیستم‌های شریان حیاتی شاخص نامعینی می باشد. در ادبیات فنی برای اظهار شاخص نامعینی از مفهومی ریاضی به نام آنتروپی اطلاعات بهره گیری می­گردد.
برای شبکه‌های توزیع آب معمولاً قابلیت اعتماد به دو شکل محاسبه می گردد: قابلیت اعتماد مکانیکی و قابلیت اعتماد هیدرولیکی. در قابلیت اعتماد مکانیکی، احتمال متصل ماندن گره­های تقاضا  به گره چشمه مطالعه می گردد. در قابلیت اعتماد هیدرولیکی، این احتمال برآورد می‌‌گردد که هر یک از گره‌های تقاضای موجود در شبکه، آب را با فشاری از قبل تعیین شده دریافت کند، حتی اگر تعدادی از خطوط لوله نیز از عملکرد خارج شده باشند. در ادبیات فنی کمتر قابلیت اعتماد هیدرولیکی و مکانیکی به گونه همزمان مطالعه شده می باشد. در این پروژه هدف تعیین اندازه قابلیت اعتماد شبکه توزیع آب به کمک مفهوم تئوری آنتروپی اطلاعات می­باشد که بطور همزمان پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی لحاظ گردد.
یکی از مهم‌ترین شاخه‌های پژوهش بر روی شبکه‌های توزیع آب در دهه‌های اخیر، کمّی کردن اندازه قابلیت اعتماد این شبکه‌ها در شرایط مختلف بوده می باشد. یکی از روش‌های پذیرفته شده برای مطالعه اندازه اطمینان به این شبکه‌ها، بهره گیری از تئوری آنتروپی اطلاعات و تعیین درجه افزونگی این شبکه­ها می‌باشد. کارهای انجام شده در ادبیات فنی بر روی قابلیت اعتماد شبکه­های توزیع آب معمولاً یا تنها به مطالعه قابلیت اعتماد هیدرولیکی شبکه می­پردازد و یا به مطالعه قابلیت اعتماد مکانیکی سیستم می­پردازد و به­گونه همزمان پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی لحاظ نمی­شوند. مطالعه همزمان پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی برای تعیین اندازه ریسک شبکه بعد از وقوع حادثه­ای مانند زلزله مهم می­باشد. مطالعه قابلیت اعتماد هیدرولیکی یک شبکه بدون در نظر گرفتن این نکته که بعضی از خطوط بعد از حادثه از سرویس­دهی خارج می­شوند و همچنین مقداری از آب آن‌ها هدر می­رود، نمی­تواند تصویری جامع از وضعیت شبکه به ما بدهد. از سوی دیگر مطالعه قابلیت اعتماد شبکه به صورت مکانیکی بدون در نظر گرفتن اندازه تقاضای هیدرولیکی گره­ها که مشخصاً قبل، هنگام و بعد از حادثه متفاوت می­باشد، نمی­تواند دید مناسبی به تصمیم­گیرندگان برای مدیریت وضعیت بحرانی بدهد. تعیین قابلیت اعتماد شبکه با رویکرد مکانیکی- هیدرولیکی به ما این اجازه را می­دهد که قسمت‌های با ریسک بالا را در شبکه شناسایی و آنها را تقویت کنیم و در صورت نیاز حتی با اضافه کردن درجه افزونگی این نواحی از اندازه ریسک شبکه برای حوادثی مانند زلزله بکاهیم.
از دستاوردهای مورد انتظار این پروژه می­توان به توسعه روشی جهت محاسبه قابلیت اعتماد شبکه توزیع آب با در نظر گرفتن اثرات پارامترهای هیدرولیکی و مکانیکی برای ارزیابی شبکه شهری تحت پوشش یک مخزن در وضعیت موجود و در وضعیت بعد از حادثه و همچنین بهره گیری از این روش جهت توسعه شبکه­های جدید تصریح نمود.

1-2- اظهار مسئله

گزارشات ناشی از وقوع حوادث غیرمترقبه نشان می‌دهند که شریان‌های حیاتی در معرض مخاطرات ناشی از پدیده‌های تحت‌الارضی و فوق‌الارضی قرار دارند. به علت گسترده بودن شریان‌های حیاتی و تأثیرگذاری آنها به مجموعه شهری دو معیار اساسی ایمن بودن و قابل اعتماد بودن آنها در برابر حوادث غیرمترقبه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد.
سیستم‌های شریان حیاتی نه تنها بایستی در برابر هر عاملی مقاوم باشند، بلکه در شرایط اضطراری مانند زمان بعد از زلزله که وظیفه دسترسی و کمک‌رسانی به آسیب‌دیدگان را نیز به عهده دارند بایستی قابل بهره‌برداری باقی بمانند. به علت وابستگی بین شریانهای حیاتی، در صورت آسیب‌دیدگی یکی از آنها، دیگر شریان‌های حیاتی وابسته و مرتبط نیز از کار افتاده و متعاقباً ممکن می باشد باعث تشدید عوامل دیگر از قبیل قطع ارتباطات، اختلال در حمل و نقل، توسعه آتش‌سوزی‌ها و انفجارات و غیره گردد و در نتیجه فعالیت سیستم شهری مختل و فلج گردد. برای مثال در اثر خرابی سیستم حمل‌ و نقل، دسترسی به آسیب‌دیدگان و کمک‌رسانی با مشکل جدی مواجه می گردد و یا در اثر آسیب‌دیدگی سیستم مخابرات، عدم اطلاع‌رسانی و ارتباطات به موقع و یا در اثر خرابی سیستم‌های انتقال گاز، گسترش غیر قابل کنترل آتش‌سوزی را در پی خواهد داشت.
کشورهای مختلف و به ویژه کشورهای پیشرفته توجه زیادی به شریان‌های حیاتی و برگشت سریع جامعه به حالت عادی و کاهش خسارات جانی و مالی دارند. بعضی تیم‌های پژوهشی در فکر تهیه نرم‌افزاری هستند که پس از وقوع زلزله، برگشت به حالت عادی از چه شریانی و با چه الویتی شروع گردد تا عملیات بهینه باشد. البته در سال‌های اخیر با در نظر داشتن اهمیت شریان‌های حیاتی مسئولین کشور ما نیز به مفهومی مانند پدافند غیرعامل اهمیت زیادی می‌دهند و در حقیقت آن را جزء اولیت‌های کاری خود قرار داده‌اند.
در مهندسی کلان لازم می باشد با شناخت کافی از وضعیت تمام شریان‌های حیاتی هر شهر و اندازه اهمیت هر کدام از آنها و وابستگی و ارتباطات و اثرات متقابل و اندرکنشی آنها در مدیریت شهری و به ویژه در سطح مدیریت کلان استانی و کشوری، برنامه‌ریزی دقیقی صورت گیرد و قبل از وقوع حوادث تلخ و فاجعه‌بار آنها را مورد مطالعه قرار داد. البته این موضوع بایستی بیشتر مورد توجه مسئولین کلیدی کشور قرار گیرد.
در دنیای امروز با گسترش نظام اجتماعی شهری و گسترش شهرها، مناطق مدرن شهری بسیار بیشتر از سابق بر شریان‌های حیاتی تکیه کرده‌اند وگسترش شریان‌های حیاتی تنها راه بالا بردن کارایی فعالیت افراد جامعه در فضا و زمان می‌باشد. کوشش‌های زیاد برای بالا بردن ایمنی ساختمان‌ها در برابر زلزله، مناطق شهری را نسبت به گذشته ایمن‌تر کرده می باشد. حال اگر شریان‌های حیاتی یک شهر از هم گسیخته شوند، خسارات قابل توجهی ایجاد می‌کنند و فعالیت شهری با سازه‌های ایمن را فلج می‌نمایند. خرابی شریان‌های حیاتی در هنگام زلزله بحران‌های زیادی مانند عدم دسترسی به آسیب‌دیدگان و کمک‌رسانی به آنها (خرابی سیستم حمل ‌و نقل)، عدم اطلاع‌رسانی و ارتباطات به موقع و درست (خرابی مخابرات)، همه‌گیر شدن بیماری‌های واگیردار (خرابی سیستم‌های جمع‌آوری فاضلاب)، گسترش غیر قابل کنترل آتش‌سوزی (خرابی سیستم‌های آب) و عدم تأمین انرژی لازم برای خدمات مختلف (خرابی سیستم‌های تأمین انرژی) را باعث می گردد. خرابی بعضی از شریان‌های حیاتی مانند خطوط انتقال گاز و نفت علاوه بر قطع خدمات‌رسانی در موقع نیاز، باعث ایجاد آتش‌سوزی‌های وسیع می گردد، به طوری که گاهی خسارات ناشی از این آتش‌سوزی‌ها چندین برابر خسارت ابتدایی زلزله می گردد.
بازگرداندن هر چه سریع‌تر شریان‌های حیاتی به حالت عادی نیازمند برنامه‌ریزی دقیق می باشد. برنامه‌ریزی دقیق در شرایط بحرانی مستلزم شناخت کافی از وضعیت سیستم، تحلیل سیستم، پارامترهای سالم و آسیب دیده اجزا سیستم می باشد. از گام‌های اساسی در سیستم‌ها، تعیین اولویت‌هاست  و این کار فقط زمانی محقق می گردد که امتیاز فوریت کلیه سیستم‌ها مشخص شده و به ترتیب امتیاز بالاتر آنها اولویت‌بندی شوند. تحلیل سیستم در وضعیت بحرانی نیز مهم‌ترین مرحله عملیات می باشد. تحلیل سیستم با مشخص کردن اولویت‌ها، بطور چشم‌گیری از هدر رفتن زمان، بی‌نظمی و هزینه‌های اضافی در انجام عملیات بازسازی جلوگیری می کند. تعمیرات و بازسازی بر مبنای نتایج حاصل از تحلیل جامع سیستم و با رعایت اولویت‌ها می‌تواند انجام گیرد که در بازگشت سریع جامعه به حالت عادی بسیار مهم می‌باشد.
از این رو تعیین وضعیت کنونی شریان‌های حیاتی و اظهار آن به صورت قابل لمس برای تصمیم‌گیرندگان کلان کشور از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد تا آنها بتوانند تصمیمی صحیح، سریع و اقتصادی بگیرند. بدون شک شاخص قابلیت اعتماد یکی از بهترین ابزارها برای این مقصود می‌باشد. اما همان‌گونه که می‌دانیم، با در نظر داشتن زیاد بودن تعداد متغیرها و پیچیدگی ساختار کلی شبکه­ها، محاسبه قابلیت اعتماد سیستم‌های بزرگ مقیاس مانند شریان‌های حیاتی حتی با در دست داشتن اطلاعات کافی و فرض خطی بودن تابع عملکرد کاری بسیار دشوار می باشد بطوری که بسیاری از پژوهشگران به دنبال یافتن راهی برای ساده کردن این مسئله می‌باشند. گزارشات ناشی از وقوع حوادث غیر مترقبه نشان می‌دهند که شریان‌های حیاتی در معرض مخاطرات ناشی از  پدیده‌های تحت‌الارضی و فوق‌الارضی قرار دارند. به علت گسترده بودن شریان‌های حیاتی و تأثیرگذاری آنها به مجموعه شهری دو معیار اساسی ایمن بودن و قابل اعتماد بودن آنها در برابر حوادث غیر مترقبه از اهمیت بسیار بالایی برخوردار می باشد.
سال‌ها از آمار و تئوری احتمالات به عنوان تنها راه برخورد با متغیرهای عدم قطعی و انجام تحلیل قابلیت اعتماد سازه‌ها یاد می‌گردید. به کمک آمار می‌توان با بهره گیری از اطلاعات و اندازه‌گیری‌های موجود برای متغیرهایی که طبیعت تصادفی دارند، پارامترهایی را تعیین نمود که خصوصیات چگونگی رخ دادن آن متغیرها را نشان دهد. احتمالات این اطلاعات را تبدیل به توابع رخداد (توابع چگالی احتمال Pdfs و توابع چگالی تجمعی CDFs می کند و چارچوب کلی تحلیل اعتمادپذیری را تعریف می کند. هدف اصلی در تحلیل اعتمادپذیری بدست آوردن احتمال‌های گسیختگی سیستم سازه‌ای می باشد که با مقادیر حدی مقایسه می شوند تا قابلیت اعتماد سازه بدست آید. هر چه اهمیت سازه بیشتر باشد، نیاز به اطمینان بیشتری برای کوچک بودن احتمال گسیختگی می باشد.
با این تفاصیل، تنها زمانی می‌توان از احتمالات بهره گیری نمود که متغیرهای ورودی، طبیعتی رندوم داشته باشند و اطلاعات دقیقی از چگونگی تغییرات آنها برای تعریف توابع  چگالی احتمال آنها وجود داشته باشد. از آنجا که ممکن می باشد اطلاعات آماری برای بارها و مقاومت‌ها کم یا حتی وجود نداشته باشد، معمولاً این مطلب در مورد طراحی سیستم‌ها صادق نمی‌باشد. به علاوه، بایستی به عوامل دیگری مانند اندرکنش سیستم با محیط اطراف (مثل اندرکنش سازه با خاک یا اندرکنش شریان‌های حیاتی مختلف بر روی عملکرد یکدیگر) و تأثیر اساسی خطاهای انسانی تصریح نمود. این جنبه‌های عدم قطعیت اغلب دارای اهمیت زیادی می‌باشند اما نمی‌توان آنها را در قالب احتمالات اظهار نمود. پس بهره گیری از الگوریتم‌های سنگین محاسباتی برای تحلیل قابلیت اعتماد احتمالاتی که برای مشخص کردن تأثیر متغیرهای رندوم بر روی پاسخ سازه در تحلیل‌های  پارامتری بسیار مفید می‌باشند، در موردها واقعی کارا نمی‌باشند. به خاطر این علت های، در سال‌های اخیر خانواده‌های جدیدی از روش‌های غیر احتمالاتی گسترش یافته‌اند.
پس در ادامه پس از اظهار انواع روش‌های محاسبه قابلیت اعتماد، به مطالعه دقیق آنتروپی اطلاعات به عنوان معیار جایگزین قابلیت اعتماد شبکه‌های آب و چالش‌های موجود در محاسبه آن می‌پردازیم .
تعداد صفحه : 211
قیمت : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران