在大多數(shù)動(dòng)物中，如果從心臟切開大動(dòng)脈，動(dòng)物將難以生存。對于我們的許多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)，例如電力，水和通信，也可以這樣說。它們是具有脆弱連接的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

這個(gè)漏洞是在顯示在2017年9月，當(dāng)颶風(fēng)瑪麗亞失事波多黎各的電功率 電網(wǎng)，使幾乎所有島上的330萬人無電。隨后長達(dá)數(shù)月的停電是美國歷史上最嚴(yán)重的一次。

克萊爾·特雷維森(Claire Trevisan)當(dāng)時(shí)是弗吉尼亞大學(xué)工程系統(tǒng)與環(huán)境系土木與環(huán)境工程專業(yè)的本科生，他注意到了波多黎各的困境。她問UVA環(huán)境復(fù)原力研究所安德烈斯·克拉倫斯(Andres Clarens)的四年級(jí)頂點(diǎn)顧問，教授和副主任，他們是否可以使用她的項(xiàng)目來研究問題。

特雷維森(Trevisan)的口號(hào)成為了對工程師用來規(guī)劃基礎(chǔ)架構(gòu)的能源系統(tǒng)優(yōu)化模型進(jìn)行重大改進(jìn)的推動(dòng)力：將未來颶風(fēng)的影響整合到有關(guān)電網(wǎng)設(shè)計(jì)的決策中。由UVA博士領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)。學(xué)生Jeffrey Bennett以及來自北卡羅萊納州立大學(xué)和馬亞圭斯的波多黎各大學(xué)的合作者剛剛在“自然能源”雜志上發(fā)表了這項(xiàng)研究。

他們的研究表明，通過使用分布在整個(gè)景觀中的更多可再生能源對電網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，其成本將低于修復(fù)颶風(fēng)對集中式電網(wǎng)造成的損害。

優(yōu)化模型分析數(shù)據(jù)以找到在一組約束條件下提供功率的最便宜方法。既定的模型已經(jīng)考慮了與建設(shè)，燃料，排放和復(fù)原力相關(guān)的成本-意味著系統(tǒng)能夠在某些情況下中斷運(yùn)行而恢復(fù)能力-但是颶風(fēng)，山火和洪水等事件造成的可預(yù)測損失的成本并未納入現(xiàn)有模型中。

克拉倫斯說：“過去，人們不知道颶風(fēng)會(huì)襲擊多久，會(huì)對颶風(fēng)造成什么樣的破壞。” “現(xiàn)在我們確實(shí)知道這些事情，并且我們具有實(shí)際運(yùn)行模擬的計(jì)算能力，說，'好吧，如果以這種方式構(gòu)建，那么將給您的電力客戶帶來多少費(fèi)用?”

團(tuán)隊(duì)的研究必不可少的是如何配置網(wǎng)格或其拓?fù)洹．?dāng)一個(gè)世紀(jì)前的美國電氣化時(shí)，向客戶提供電力的最有效方法是通過大型網(wǎng)絡(luò)為中央電廠供電。即使在主發(fā)電站或傳輸動(dòng)脈中斷的情況下也可能出現(xiàn)大范圍停電的情況，這也是事實(shí)。

研究人員想研究隨著電網(wǎng)逐漸重新設(shè)計(jì)以支持更多的可再生能源而發(fā)生的情況，該國的大部分地區(qū)已經(jīng)在利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電。當(dāng)您預(yù)計(jì)颶風(fēng)維修的成本時(shí)，該模型可以確定最經(jīng)濟(jì)的發(fā)電源組合。

克拉倫斯說：“這樣做的能力很重要，因?yàn)橛捎跉夂蜃兓L(fēng)暴的頻率和嚴(yán)重性正在增加。”

波多黎各是應(yīng)用該模型的一個(gè)很好的案例研究。在過去的25年中，該島一直遭受13次風(fēng)暴襲擊。現(xiàn)有的網(wǎng)格架構(gòu)在今天仍然過時(shí)，該系統(tǒng)依賴于進(jìn)口的化石燃料，從而使電力昂貴。另一方面，波多黎各擁有豐富的太陽能和風(fēng)能資源。

貝內(nèi)特說，規(guī)劃中的一個(gè)問題是排放控制和市場條件等政府政策(包括降低風(fēng)能和太陽能生產(chǎn)和存儲(chǔ)的成本)會(huì)產(chǎn)生“固定資產(chǎn)”，即昂貴的，經(jīng)久耐用的電廠提早退休，因?yàn)樗鼈儾辉俳?jīng)濟(jì)運(yùn)行。

鑒于將來可能發(fā)生大量與政策和天氣相關(guān)的組合，因此該團(tuán)隊(duì)需要在UVA的超級(jí)計(jì)算機(jī)Rivanna上運(yùn)行該模型。

貝內(nèi)特說：“在我們的研究中，我們模擬了每五年時(shí)間步長中風(fēng)暴襲擊電網(wǎng)的可能性和強(qiáng)度。颶風(fēng)強(qiáng)度用于預(yù)測風(fēng)速和對電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的破壞。”

“然后，系統(tǒng)建立了新的基礎(chǔ)設(shè)施來滿足電力需求。通過考慮颶風(fēng)強(qiáng)度和概率的組合，我們能夠預(yù)測平均電力成本并檢查基礎(chǔ)設(shè)施投資的變化。我們的結(jié)果表明，颶風(fēng)使電力成本增加了32 %，基于歷史趨勢颶風(fēng)，更如果你認(rèn)為風(fēng)暴的頻率和嚴(yán)重程度，氣候變化造成的。過渡到增加可再生能源和不分天然氣降低成本和排放颶風(fēng)的頻率。”

雖然研究地址風(fēng)的破壞電力颶風(fēng)帶來的電網(wǎng)，球隊(duì)的方法可以應(yīng)用于其他天氣和氣候有關(guān)的災(zāi)害，克拉倫斯說。

他說：“通過這種網(wǎng)格決策方法，您還可以查看諸如美國西部的野火和中西部的洪水之類的案例。” “氣候變化正在影響我們的工程系統(tǒng)。我們正在嘗試開發(fā)新的工具和新見解，以幫助我們說：'看，過去不再是未來的良好典范。我們需要新的模仿未來的方式，以便我們可以做出最佳決策。””

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