基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法

本发明涉及隧道及地下工程运营维护领域，特别是涉及一种基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法。

背景技术：

1、城市隧道进入长期运营阶段后，受服役年限增长、交通荷载持续作用、环境条件变化以及设施设备老化等因素影响，系统性能会逐渐衰退，并产生多种日常运营风险。该类风险通常具有发生频率较高、单次影响相对较低、长期累积效应明显等特点，主要表现为渗漏水、裂缝、钢筋锈蚀、混凝土碳化、路面裂损、积水等土建结构病害，以及供配电系统、通风系统、照明系统、监控与通信系统、消防与给排水系统等机电系统故障。

2、在城市隧道运营管理中，土建结构病害和机电系统故障往往并非孤立发生。供配电系统失效可能影响通风、照明、监控与通信、消防与给排水等机电各子系统的正常运行；通风系统失效会改变隧道内部环境条件，进而影响混凝土碳化等结构劣化过程；消防与给排水系统失效会影响积水排除，并进一步影响隧道结构服役状态。由此可见，城市隧道日常运营风险具有较明显的跨系统耦合特征，风险因素之间存在相互影响和级联传递关系。若仅从单一土建结构病害或单一机电设备故障角度进行评估，难以完整揭示风险在隧道系统内部的传递路径和演化过程。

3、现有城市隧道运营状态评估方法多针对局部构件、单一设备或某类风险因素开展分析，能够在一定程度上反映隧道局部运行状态，但对土建结构与机电系统之间的耦合关系考虑不足。隧道长期运营过程中，交通流量、新能源汽车比例、温度、相对湿度、二氧化碳体积分数、供电可靠率等外部因素也会随时间发生变化，并进一步影响结构病害发展和机电系统失效过程。传统静态评估方法难以反映上述因素随时间变化对隧道系统日常韧性的影响，也难以对全服役周期内日常耦合韧性的演化规律进行动态模拟。

4、为解决上述问题，城市隧道运营维护领域需要一种能够综合考虑土建结构病害、机电系统故障及外部驱动因素的日常耦合韧性动态评估方法。

技术实现思路

1、鉴于背景技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法。该方法从物理失效机制角度描述结构韧性与机电韧性之间的相互作用关系，模拟城市隧道系统在长期运营过程中的韧性变化规律，并识别不同运营阶段的主导失效因素和关键失效路径，从而为城市隧道系统风险预警、巡检养护和运维管理提供依据。

2、本发明是采取如下技术方案来完成的：一种基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，步骤如下：

3、s1.基于城市隧道系统日常运营特征，建立日常耦合韧性指标体系，

4、s2.基于s1建立的日常耦合韧性指标体系，构建综合影响关系矩阵，并引入影响路径识别阈值，筛选确定关键耦合路径；

5、s3.基于作用对象和物理含义，将s2确定的关键耦合路径映射为物理失效机制；

6、s4.将s3中物理失效机制转化为因果反馈回路，并采用系统流图形式建立状态变量、流率变量、辅助变量和时间变量之间的变量关系，构建系统动力学模型；

7、s5.将土建结构病害参数、机电系统失效参数、交通参数、环境参数和权重参数输入基于s4的系统动力学模型进行日常耦合韧性动态仿真计算，获得动态仿真结果；

8、s6.基于s5中获得的动态仿真结果，分析并获得韧性变化规律，并根据动态仿真结果识别不同运营阶段的主动失效因素和关键失效路径识别，所述韧性变化规律包括城市隧道系统日常耦合韧性变化规律、结构韧性变化规律、和机电韧性变化规律。

9、本发明中的有益效果：

10、（1）本发明将土建结构病害、机电系统故障及外部驱动因素纳入同一日常耦合韧性评估框架，能够反映城市隧道系统日常运营风险的跨系统耦合特征。

11、（2）本发明基于物理失效机制构建系统动力学模型，能够模拟城市隧道系统长期运营过程中结构韧性、机电韧性和日常耦合韧性的动态变化过程。

12、（3）本发明能够识别不同运营阶段的主导失效因素和关键失效路径，有助于掌握城市隧道系统日常运营风险的传递过程和演化规律。

13、（4）本发明可为城市隧道系统风险预警、巡检养护和运维管理提供依据，有助于提升城市隧道系统长期运营过程中的安全性和稳定性。

1.一种基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：所述日常耦合韧性指标体系包括目标层、第一准则层、第二准则层和指标层，所述目标层为城市隧道系统日常耦合韧性，第一准则层为日常耦合韧性失效，第二准则层包括结构韧性失效和机电韧性失效，指标层包括土建结构病害指标和机电系统故障指标，并确定外部驱动参数，所述外部驱动参数包括机电系统失效参数、交通参数、环境参数。

3.根据权利要求1所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：所述s2中确定关键耦合路径的步骤：

4.根据权利要求1所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：所述物理失效机制包括结构韧性内部失效机制、机电韧性内部失效机制和机电-结构跨系统耦合失效机制，将结构韧性内部失效机制确定为土建结构病害之间的相互影响过程，将机电韧性内部失效机制确定为机电系统故障在各机电子系统之间的传递过程，将机电-结构跨系统耦合失效机制确定为机电系统故障对土建结构病害发展过程的影响。

5.根据权利要求4所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：所述结构韧性内部失效机制包括混凝土碳化-钢筋锈蚀-裂缝、裂缝-渗漏水、渗漏水-不均匀沉降、渗漏水-积水链条；所述机电韧性内部失效机制包括市电中断-供配电系统失效-机电各子系统失效链条；所述机电-结构跨系统耦合失效机制包括通风系统失效-二氧化碳体积分数变化-混凝土碳化链条，以及消防与给排水系统失效-积水链条。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：s4构建系统动力学模型的步骤如下：

7.根据权利要求2所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：所述土建结构病害指标作为结构韧性失效的指标，所述土建结构病害指标为渗漏水、不均匀沉降、裂缝、收敛变形、钢筋锈蚀、混凝土碳化、密封止水条老化、剥落掉块、路面裂损和积水；所述机电系统故障指标作为机电韧性失效的指标，所述机电系统故障指标为供配电系统失效、通风系统失效、照明系统失效、监控与通信系统失效、消防与给排水系统失效和市电中断；所述外部驱动参数为交通流量、新能源汽车比例、温度、相对湿度、二氧化碳体积分数和供电可靠率。

8.根据权利要求1或2或3或4或5或7所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：所述动态仿真结果包括城市隧道系统在不同运营时间下的结构韧性失效概率、机电韧性失效概率、日常耦合韧性失效概率和日常耦合韧性值，所述结构韧性失效概率由各结构韧性失效指标的失效概率按权重加权得到，所述机电韧性失效概率由各机电韧性失效指标的失效概率按权重加权得到，所述日常耦合韧性失效概率由结构韧性失效概率和机电韧性失效概率按权重加权得到，所述日常耦合韧性值由日常耦合韧性失效概率取补值得到。

9.根据权利要求8所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：所述土建结构病害参数根据结构病害演化规律和病害间物理影响关系确定，所述机电系统失效参数根据机电设施设备可靠性及系统连接关系确定，所述交通参数和环境参数根据城市隧道运营期交通流量、车辆组成和环境变化数据确定，所述权重参数包括结构韧性失效指标权重、机电韧性失效指标权重以及结构韧性失效和机电韧性失效对日常耦合韧性失效的权重，且同一层级下各权重之和为 1。

10.根据权利要求6所述的基于物理失效机制的城市隧道日常耦合韧性动态评估方法，其特征是：s4中的系统动力学动态仿真模型包含土建结构及机电系统中的 17 类关键物理关系，共计58个变量，所述58个变量包括1个cdor-日常耦合韧性水平变量、1个时间变量、38个流率变量和 18个辅助变量。