研究概述

华盛顿州立大学的研究人员开发出一套新模型，用于预测极端风事件中输电塔的失效和倒塌情况。相关成果发表在期刊《工程结构》（Engineering Structures）上。该模型未来有望帮助电力公司在大范围电网中识别最脆弱的输电塔，并判断哪些塔需要优先加固，从而降低大面积停电的风险。

公用事业为何需要更精确的预测

“这对公用事业公司非常有帮助，因为他们希望评估一个区域的停电风险，但电网往往跨越多个县域。”华盛顿州立大学土木与环境工程系副教授、通讯作者李智允（Jiyun Lee）表示。

他指出，电力公司需要同时管理大量电网组件和输电塔，希望能找出在极端风灾中最容易受损的塔位，并据此决定哪些塔需要采取减灾措施或结构加固，以降低整体停电概率。

在美国乃至全球，可靠的电力供应依赖于众多相互连接的发电、输电和配电设施。其中，支撑高压输电线路、负责长距离输电的输电塔，对飓风、龙卷风等极端风灾尤为敏感。这些塔通常为细长钢格架结构，多建在风力较大的区域，一旦遭遇强风，可能发生倒塌或严重损伤，引发大范围停电。

与单根电线杆或局部电力线受损不同，输电塔一旦失效，往往会波及更大范围的社区和电网。例如，在 2021 年的一次飓风中，时速高达 150 英里的强风摧毁了路易斯安那州数百英里的输电线路，导致近 100 万用户停电。

现有风险评估方法的不足

“输电塔并不是孤立存在的单体结构。”论文第一作者、土木与环境工程系博士生 Abdel-Aziz Sanad 解释说，“它们构成了一个相互连接的网络，因此识别这个网络中潜在的失效点或薄弱环节非常关键。”

传统研究通常依赖某一地区的历史灾害数据，或逐塔评估单个输电塔的脆弱性。但在实际工程中，这种方法难以在大范围内同时分析多种塔型和不同设计方案。

“这是最直接、最简单的做法，但高度针对单个输电塔。”Sanad 指出，“这种方法很难推广到未来情景，对未来极端事件的预测能力有限，而我们正是希望利用已有知识，提升对未来事件的预测水平。”

新模型与仿真框架的原理

为解决上述问题，研究团队构建了一个基于物理机理的仿真框架，并引入代理近似方法，用于快速估计整个输电网络中不同塔型的失效概率。

该代理模型能够覆盖不同高度、不同尺寸的输电塔，其技术路线与其他工程领域（如地震作用下桥梁或建筑物行为预测）中使用的近似建模方法类似。

“通过近似方法，我们显著减少了进行复杂仿真所需的计算时间。”Sanad 介绍说，“虽然是近似模型，但我们仍保持了物理上的一致性和较高的精度。一旦这些代理模型建立完成，在实际应用中就可以非常快速地完成大规模评估。”

在此框架中，研究人员综合考虑了极端风事件中可能同时作用于输电塔的多种因素，包括风速、风向以及降雨强度等。模型在验证中显示，平均可用约 96% 的准确率预测输电塔在极端风条件下的结构响应和失效行为。

研究团队表示，这一方法为电力公司提供了一种在区域尺度上系统评估输电塔脆弱性的新工具，有助于在资源有限的情况下，优先加固关键塔位，提升电网在极端天气下的整体韧性。