Geïnspireerd door dezelfde modellering en wiskundige wetten die worden gebruikt om de verspreiding van pandemieën te voorspellen, onderzoekers van de Texas A&M University hebben een model gemaakt om het verspreidings- en recessieproces van overstromingen in stedelijke wegennetwerken nauwkeurig te voorspellen. Met deze nieuwe aanpak onderzoekers hebben een eenvoudige en krachtige wiskundige benadering van een complex probleem gecreëerd.

"We werden geïnspireerd door het feit dat de verspreiding van epidemieën en pandemieën in gemeenschappen is bestudeerd door mensen in gezondheidswetenschappen en epidemiologie en andere gebieden, en ze hebben enkele principes en regels geïdentificeerd die het verspreidingsproces in complexe sociale netwerken beheersen, " zei Dr. Ali Mostafavi, universitair hoofddocent bij de Zachry Department of Civil and Environmental Engineering. "Dus we vragen ons af, zijn deze verspreidingsprocessen hetzelfde voor de verspreiding van overstromingen in steden? Dat hebben we getest, en verrassend, we ontdekten dat het antwoord ja is."

De bevindingen van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in Natuurwetenschappelijke rapporten .

Het besmettingsmodel, Vatbaar-blootgesteld-geïnfecteerd-hersteld (SEIR), wordt gebruikt om de verspreiding van infectieziekten wiskundig te modelleren. In verband met overstromingen, Mostafavi en zijn team integreerden het SEIR-model met het netwerkspreidingsproces waarbij de overstromingskans van een wegsegment afhangt van de mate waarin de nabijgelegen wegsegmenten onderlopen.

In het kader van overstromingen, vatbaar is een weg die kan overstromen omdat hij in een overstromingsgebied ligt; blootgesteld is een weg die is overstroomd door regenwater of overstroming van een nabijgelegen geul; besmet is een weg die onder water staat en niet kan worden gebruikt; en hersteld is een weg waar het vloedwater is teruggetrokken.

Het onderzoeksteam heeft het gebruik van het model geverifieerd met historische gegevens met hoge resolutie over overstromingen van wegen in Harris County tijdens orkaan Harvey in 2017. De resultaten laten zien dat het model de evolutie van overstroomde wegen in de loop van de tijd kan volgen en voorspellen.

"De kracht van deze aanpak is dat het een eenvoudige en krachtige wiskundige benadering biedt en een groot potentieel biedt om noodmanagers te ondersteunen, ambtenaren, Bewoners, eerstehulpverleners en andere besluitvormers voor overstromingsvoorspellingen in wegennetwerken, ' zei Mostafavi.

Het voorgestelde model kan een behoorlijke precisie en herinnering bereiken voor de ruimtelijke spreiding van de overstroomde wegen.

"Als je kijkt naar het overstromingsbewakingssysteem van Harris County, het kan je laten zien of een kanaal nu overloopt, maar ze kunnen niets voorspellen over de komende vier uur of de komende acht uur. Ook, de bestaande overstromingsmonitoringsystemen geven beperkte informatie over de verspreiding van overstromingen in wegennetwerken en de effecten op stedelijke mobiliteit. Maar onze modellen, en dit specifieke model voor het wegennet, is robuust in het voorspellen van de toekomstige verspreiding van overstromingen, " zei hij. "Naast de voorspelling van overstromingen in stedelijke netwerken, de bevindingen van deze studie bieden zeer belangrijke inzichten over de universaliteit van de netwerkverspreidingsprocessen over verschillende sociale, natuurlijk, fysieke en technische systemen; dit is belangrijk voor het beter modelleren en beheren van steden, als complexe systemen."

De enige beperking van dit overstromingsvoorspellingsmodel is dat het niet kan identificeren waar de eerste overstroming zal beginnen, maar Mostafavi zei dat er andere mechanismen zijn, zoals sensoren op overstromingsmeters, die dit kunnen aanpakken.

"Zodra er in deze gebieden overstromingen worden gemeld, we kunnen ons model gebruiken, wat heel eenvoudig is in vergelijking met hydraulische en hydrologische modellen, om de verspreiding van overstromingen in de komende uren te voorspellen. De voorspelling van wegoverstromingen en mobiliteitsstoringen is van cruciaal belang om bewoners te informeren om wegen met een hoog risico te vermijden en om noodhulpmanagers en -hulpverleners in staat te stellen hulp en redding in getroffen gebieden te optimaliseren op basis van voorspelde informatie over toegang tot wegen en mobiliteit. Deze voorspelling kan het verschil zijn tussen leven en dood tijdens crisisrespons, " hij zei.

Promovendus burgerlijk ingenieur en afgestudeerd onderzoeksassistent Chao Fan leidde de analyse en modellering van de orkaan Harvey-gegevens, samen met Xiangqi (Alex) Jiang, een afgestudeerde student informatica, die werkt in het UrbanResilience.AI Lab van Mostafavi.

“Door dit onderzoek te doen, Ik realiseer me de kracht van wiskundige modellen bij het aanpakken van technische problemen en echte uitdagingen.

Dit onderzoek breidt mijn onderzoekscapaciteiten uit en zal een langetermijneffect hebben op mijn carrière, " zei Fan. "Bovendien, Ik ben ook erg enthousiast dat mijn onderzoek kan bijdragen aan het verminderen van de negatieve effecten van natuurrampen op infrastructuurdiensten."