基于熵值分析的城市供水系统风险定量化评价方法研究

城市供水系统是城市建设的重要基础设施。但是由于系统设施自身结构老化，以及自然灾害、恐怖袭击等各种突发事件都给城市供水安全带来重大威胁。因此，供水安全问题已经成为整个城市安全和防灾系统的重要组成部分，急需建立一套城市供水系统风险评价技术体系。本项目通过综合运用系统科学、计算机技术等交叉学科的方法原理，开展了城市供水系统风险定量化评价方法研究，重点解决风险评价过程中的系统性和不确定性问题。 首先，通过对国内典型城市供水系统的组成特点进行分析，基于串并联系统理论建立了城市供水系统逻辑结构数学模型，在此基础上采用系统学思想分析了子系统之间的协同关系和作用机理，根据串并联系统特征和集对分析原理，确定不同子系统在整个供水系统风险传播过程中的风险传播系数，建立了供水系统风险传播数学模型，探索了分在供水系统中的物理传播路径和传播机理，解决了供水系统风险评价的系统性问题。 其次，针对供水系统在面临突发事件时功能转变的突变性特征，分析了供水系统功能突变的机理，建立了供水子系统尖点突变模型，在此基础上，结合供水子系统脆弱性综合评价指标体系的建立，提出了基于突变级数法的供水系统脆弱性评价数学模型，并以某供水子系统为例，验证了上述方法的可行性，克服了以往脆弱性评价方法主观性的缺陷。 再次，针对供水系统面临突发事件的概率水平、严重性程度存在的不确定性问题，将能有效解决无序度和不确定性问题的熵函数引入到供水子系统中进行风险评价研究。提出了供水系统风险熵概念及计算公式，探索利用熵理论解决供水系统风险定量化问题的方法，并以某配水子系统为例进行研究，验证了上述城市供水系统风险熵定量化评价模型的准确性和有效性，解决了供水系统风险评价的不确定性问题。 最后，在上述研究的基础上，综合考虑城市供水系统的经济性和供水风险的可接受水平，根据供水系统的风险熵取决于突发事件发生概率的不确定性和严重性水平及其自身结构的脆弱性，以城市供水系统某一可控程度应对地震突发事件为例，采用正交分析、层次分析和模糊聚类等方法，从降低脆弱性和提高应急能力两方面研究了城市供水系统风险熵控制方案。并以某开发区供水管网为例分别对脆弱性降低方案和应急能力提高方案进行了考察，在考虑到经济性的情况下，通过结果分析，验证了设计方法的合理性和可行性，并针对其薄弱环节提出了建议。

本项目通过对系统科学、计算机技术等交叉学科方法原理的综合运用，开展城市供水系统风险定量化评价方法研究，重点解决风险评价过程中的系统性和不确定性问题。首先，通过对不同子系统之间的协同关系和作用机理的分析，根据串并联系统特征和集对分析原理，建立供水系统风险传播数学模型，探索风险在供水系统中的传播机理；其次，将物理学上无序度和不确定性的科学量度指标熵函数与风险有机结合，提出供水系统风险熵概念及计算公式，探索利用熵理论解决供水系统风险定量化问题的方法；再次，采用突变理论分析供水系统功能突变的机理，建立突发事件作用下供水系统的尖点突变势函数和分歧方程，提出基于突变级数法的供水系统风险定量化评价方法；最后，整合上述研究成果，综合考虑城市供水的经济性和供水风险的可接受水平，研究确定供水系统应对一定突发事件所需具备的系统结构参数临界值，提出供水系统的风险熵控制方案。

熵定律一种解释

引力的“熵减”现象说法——热环论

科学家们通过长期对熵理论的研究，提出了“热环论”（又可称“热动论”），完成了恩格斯的遗愿。

热环论指出：可压缩流体的静力学方程，即势焓(势能 焓)平衡规律指出，在引力场中，相同质量的流质其拥有的势焓值均为同一常数，这就意味着当流质势能大时其焓值小(温度低)，相反，当势能小时其焓值大(温度高)，如果星体中心的势焓值比外围低时，引力将迫使外围低温区热量向中心高温区传导转移，以趋于势焓平衡。又根据热辐射定律可知，热辐射仅由温度决定，不受引力影响。上述两类因素是热循环的动力，即热量在引力的帮助下从低温3k传导至高温亿万k(太空中或星体内部都存在着温度梯度这个客观事实)，再以辐射的方式逸散到太空中去，就这样循环往复以至无穷，这就"热环论"描述的现象。

以白矮星为例，白矮星内部无热源发光是因为星体引力能从太空云集低温热能。任何星体与太空间都存在着相反的热循环转移过程，即使是具有内部热源的星体也叠加着上述热循环过程（比如恒星的聚变热源）。

熵定律另一种解释

引力还是“熵增”现象——热寂说

这就是著名的“热寂说”...可以看出来，引力同样可以解释为“熵增”现象：质量的引力把原来的物质从低温加热到高温，这个加热的能量来自物质本身也就是质量的消耗（有可能来自原子核的质量减少，也可能来自电子能级的消耗等因素，下面有分析）。但宇宙的质量一开始怎么来的？至今还在假设当中，这也就是宇宙的诞生之谜。不过能推断出的就是：宇宙这些“天生”的质量其实就是“负熵”，宇宙一直都是在“负熵”变“正熵”的过程，即质量消耗而变为热能的过程，所以宇宙如果还有质量，就不会是我们所说的“死亡终结”，有质量就可以创造热能，从而获得非热能形式的能量。所以质量的引力把原来的物质从低温加热到高温，并不是违反热力学第二定律的：“自发性把热从低温物体转移到高温物体”，而是消耗了自身获得热能，由熵增而变高温的（这也就是我们所使用的所有能量的本源）。而把热能还原为质量，而不引起其他影响的，才是“绝对熵减”。

原子与原子之间的分隔是因为有电磁力（电磁力是虚光子传递产生的），远离原子核的电子能级高。以地球为例，地球内部物质被高度挤压，所以经过压缩，电子“被迫”降低能级，这就会释放出能量（电子向低能级跃迁，虚光子转变为光子释放出来），释放的能量又被周围的物质吸收，导致周围物质的电子能级升高，运动更剧烈，但运动空间被引力限制，所以形成一个“恶性循环”，也可以看成是一个平衡（用来抵御压缩，减缓体积缩小速度）：释放能量，然后吸收，再释放...逐渐向外围的低温区域传递，代价就是体积会不断缩小紧密，最终达到一个“度”，产生新的质变。不过如果不是恒星这样因为引力巨大，已经快速的经过了一次量变与质变的转化的（由巨大引力实现的内部更高温，造成聚变，也就是触发了更深层的能量释放...），其他温和的小天体，比如地球，经历的这个过程是非常漫长的，这也就导致了来自外界的变数干扰会成为必然，所以仅仅只能理论上成立。2100433B

本书主要阐述了风险评估与风险管理在城市供水系统中应用的研究成果，以期引导我国开展城市供水系统风险评估与管理工作。

全书由9章构成，第1—2章介绍城市供水系统风险评估和风险管理的理论和现状；第3一8章介绍城市供水系统内部风险评估的内容；第9章研究将供水系统的风险由内部风险延展到社会风险的方法。该书取材新颖、内容丰富、前沿性和系统性强，并具有重点突出和详略得当等特点。本书内容学术性较强，既可作为高等院校及科研机构工作人员的参考资料，也可为行业和企业管理者提供有益启发。

在信息论中，熵被用来衡量一个随机变量出现的期望值。它代表了在被接收之前，信号传输过程中损失的信息量，又被称为信息熵。信息熵也称信源熵、平均自信息量。在1948年，克劳德·艾尔伍德·香农将热力学的熵，引入到信息论，因此它又被称为香农熵。

熵在生态学中是表示生物多样性的指标。

熵定律最高定律

熵定律是自然界的最高定律。在等势面上，熵增原理反映了非热能与热能之间的转换具有方向性，即非热能转变为热能效率可以为100%，而热能转变成非热能时效率则小于100%(转换效率与温差成正比)，这种规律制约着自然界能源的演变方向，对人类生产、生活影响巨大；在重力场中，热流方向由体系的势焓(势能 焓)差决定，即热量自动地从高势焓区传导至低势焓区，当出现高势焓区低温和低势焓区高温时，热量自动地从低温区传导至高温区，且不需付出其他代价,即绝对熵减过程。

熵定律熵概念

熵概念源于卡诺热机循环效率的研究，是以热温商的形式而问世的，当计算某体系发生状态变化所引起的熵变总离不开两点，一是可逆过程；二是热量的得失，故总熵概念摆脱不了热温商这个原始外衣。当用状态数来认识熵的本质时，我们通过研究发现，理想气体体系的总微观状态数受宏观的体积、温度参数的控制，进而得到体系的总熵等于体积熵与温度熵之和(见有关文章)，用分熵概念考察体系的熵变化，不必设计什么可逆路径，概念直观、计算方便(已被部分专家认可)，因而有利于教和学。

熵定律熵流

熵流是普里戈津在研究热力学开放系统时首次提出的概念(普里戈津是比利时科学家，因对热力学理论有所发展，获得1977年诺贝尔化学奖)，普氏的熵流概念是指系统与外界交换的物质流及能量流 。我们认为这个定义不太精辟，这应从熵的本质来认识它，不错物质流一定是熵的载体，而能量流则不一定，能量可分热能和非热能[如电能、机械能、光能(不是热辐射)]，当某绝热系统与外界交换非热能(发生可逆变化)时，如通电导线(超导材料)经过绝热系统内，对体系内熵没有影响，准确地说能量流中只有热能流(含热辐射)能引入熵流(对非绝热系统)。对于实际情形，非热能作用于系统发生的多是不可逆过程，会有热效应产生，这时系统出现熵增加，这只能叫(有原因的)熵产生，而不能叫熵流的流入，因能量流不等于熵流，所以不论什么形式的非热能流都不能叫熵流，更不能笼统地把能量流称为熵流。