一種市政管網(wǎng)水力模型構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及市政工程信息技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及管網(wǎng)水力模型構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市建設(shè)的發(fā)展，供水和供熱管網(wǎng)每年都會(huì)由于擴(kuò)建而變化，各個(gè)管段阻力 情況也會(huì)隨之變化，這會(huì)造成歷史數(shù)據(jù)辨識(shí)的模型與現(xiàn)實(shí)管網(wǎng)有一定差異，導(dǎo)致模型的精 度難以滿(mǎn)足工業(yè)要求。因此，建立反映管網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的水力模型十分必要。
[0003] 國(guó)外學(xué)者早在上世紀(jì)80年代應(yīng)用最小二乘法等對(duì)管網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)和校核，進(jìn)而 建立管網(wǎng)水力模型。在這些研究基礎(chǔ)上，Savic應(yīng)用兩種流態(tài)模型研究管網(wǎng)模擬問(wèn)題，結(jié)果 表明只依據(jù)一個(gè)水力工況的運(yùn)行參數(shù)得到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度不如應(yīng)用非恒定流模型并 在一段實(shí)際內(nèi)觀測(cè)管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)條件下得到的結(jié)果準(zhǔn)確程度高。Lansey提出多水力工況條 件下基于梯度法來(lái)解決非線(xiàn)性規(guī)劃技術(shù)來(lái)估計(jì)管網(wǎng)未知參數(shù)的方法，以及一種分步的管網(wǎng) 參數(shù)估計(jì)方法，該方法可以用來(lái)估計(jì)管網(wǎng)參數(shù)測(cè)量中包含不確定的變量條件下的管網(wǎng)參數(shù) 估計(jì)。Datta和Sridharan提出利用加權(quán)最小二乘方法解決部分節(jié)點(diǎn)壓力和管段流量可觀測(cè) 條件下的管網(wǎng)參數(shù)估計(jì)問(wèn)題。進(jìn)而，Reddy提出了基于高斯一一牛頓法的加權(quán)最小二乘方法 來(lái)最小化觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)值與計(jì)算值之間的偏差，該方法應(yīng)用于小型管網(wǎng)的效果較好。Bush提 出了根據(jù)目標(biāo)函數(shù)中各部分的影響大小來(lái)確定加權(quán)權(quán)值的方法對(duì)管網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行校核。以上 方法均是利用最小二乘原理處理管網(wǎng)參數(shù)校核問(wèn)題，得到管網(wǎng)阻力特性。但這些方法在處 理觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目較少及規(guī)模較大的管網(wǎng)阻力數(shù)辨識(shí)問(wèn)題時(shí)往往存在計(jì)算效率不高、易出現(xiàn)不 收斂等情況。
[0004] 隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，以及優(yōu)化算法在工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，許多學(xué)者將遺 傳算法應(yīng)用于管網(wǎng)阻力數(shù)辨識(shí)和水力模型建模，并取得了相當(dāng)?shù)难芯砍晒?。在這些研究基 礎(chǔ)上，Vitkovsky總結(jié)前人學(xué)者的研究成果，指出準(zhǔn)確估計(jì)管道內(nèi)部阻力的重要性，并且對(duì) 其中應(yīng)用的遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)，以此對(duì)管網(wǎng)阻力數(shù)和水力模型分別進(jìn)行估計(jì)。Ainola提出 了一種供水管網(wǎng)模型校核方法，該方法在引入一個(gè)包含管段長(zhǎng)度、平均壓力和其他系數(shù)經(jīng) 驗(yàn)方程的基礎(chǔ)上，建立了觀測(cè)壓力與計(jì)算壓力差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并通 過(guò)線(xiàn)性?xún)?yōu)化的方法在計(jì)算中改變管段阻力數(shù)使計(jì)算壓力和實(shí)測(cè)壓力之間的偏差最小，該方 法在計(jì)算之前首先將管段阻力數(shù)進(jìn)行分類(lèi)處理。Lingireddy提出了一種考慮需求調(diào)整因素 的管網(wǎng)模型優(yōu)化校核方法。該模型以最小化非線(xiàn)性方程轉(zhuǎn)化成的函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，包括線(xiàn) 性與非線(xiàn)性的約束條件，通過(guò)遺傳算法實(shí)現(xiàn)給水管網(wǎng)的模型校核。Kapelan等提出將與水力 工況分析軟件Epanet 2相結(jié)合的全局優(yōu)化方法應(yīng)用于管網(wǎng)最小二乘模型校核問(wèn)題，該方法 最突出的優(yōu)點(diǎn)是在一步優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中可以解決具有一定不確定性的管網(wǎng)模型校核問(wèn)題。 P. K. Sati ja和A. Kumar結(jié)合使用了統(tǒng)計(jì)技術(shù)和壓力測(cè)試點(diǎn)分析評(píng)估方法，同時(shí)利用了人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)管網(wǎng)實(shí)際模型，該方法有效的縮短了故障定位和修復(fù)時(shí)間。但該方法 需要大量觀測(cè)數(shù)據(jù)樣本用以訓(xùn)練。
[0005] 國(guó)內(nèi)學(xué)者在這方面也有一定的研究成果，較具代表性的研究如下。信昆侖通過(guò)對(duì) 管網(wǎng)中管段阻力數(shù)進(jìn)行合理分組，構(gòu)建了參數(shù)校核的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用實(shí)數(shù)型編碼的 遺傳算法求解該問(wèn)題并建立管網(wǎng)水力模型，該方法通過(guò)對(duì)遺傳算法的部分改進(jìn)措施提高了 辨識(shí)計(jì)算的效率。段煥豐提出了應(yīng)用改進(jìn)遺傳算法校核管網(wǎng)模型，并通過(guò)一個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了 該方法的效率和精度。張海菲提出一種管網(wǎng)仿真系統(tǒng)及水力計(jì)算方法，采用牛頓迭代算法 計(jì)算管網(wǎng)未知參數(shù)。該方法計(jì)算效率相對(duì)較高，但計(jì)算效率和精度會(huì)受到算法初始值的影 響。
[0006] 上述方法的核心是最小化觀測(cè)值與模擬值偏差，一定程度上可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力模型 的校核。但由于這類(lèi)方法，如最小二乘方法、優(yōu)化算法及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等計(jì)算耗時(shí)很 長(zhǎng)，并不能滿(mǎn)足建立管網(wǎng)實(shí)時(shí)水力模型的要求。
[0007] 以往方法多依據(jù)靈敏度等信息布置觀測(cè)點(diǎn)，并沒(méi)有考慮阻力數(shù)能觀測(cè)性這一重要 因素。尚需開(kāi)展最小觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目方面的分析方法研究以及滿(mǎn)足能觀測(cè)性條件下的計(jì)算和建 模方法。
[0008] 管網(wǎng)監(jiān)測(cè)需要管網(wǎng)參數(shù)(壓力和流量)觀測(cè)數(shù)據(jù)，但儀表觀測(cè)值一般會(huì)存在誤差， 這會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確度和水力模型的可信度。需要明確觀測(cè)誤差影響模型準(zhǔn)確程度的途 徑，才能有可能準(zhǔn)確估計(jì)誤差的影響，并對(duì)管網(wǎng)水力模型進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，減小誤差影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的管網(wǎng)水力模型構(gòu)建方法存在的計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)、結(jié)果誤差難于 估計(jì)的問(wèn)題。
[0010] 一種市政管網(wǎng)水力模型構(gòu)建方法，包括以下步驟：
[0011]步驟1、通過(guò)獲取管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工圖紙等設(shè)計(jì)資料獲取管網(wǎng)系統(tǒng)的管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)、節(jié)點(diǎn)管段標(biāo)高、水栗性能曲線(xiàn)及閥門(mén)開(kāi)度信息，建立管網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0012] 所述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括節(jié)點(diǎn)和管段信息;涉及節(jié)點(diǎn)、管段和阻力數(shù):節(jié)點(diǎn)是指管網(wǎng)分 支處的連節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)所連接管段流量不相同；管段一般是指一條管道，對(duì)于兩條管道連接處 實(shí)際存在分支但分支處沒(méi)有出流量，也就是說(shuō)兩條相連接且流量始終相同的管道也視為同 一管段;管段阻力數(shù)是綜合考慮各管道管徑、管長(zhǎng)、相對(duì)粗糙度的特性參數(shù)，反映管段阻力 情況，該參數(shù)不隨管網(wǎng)水力工況的變化而變化；
[0013] 對(duì)節(jié)點(diǎn)和管段依次進(jìn)行編號(hào)，并錄入計(jì)算機(jī);利用無(wú)向圖表達(dá)管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)和管段 的連接關(guān)系及節(jié)點(diǎn)信息，完成管網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)錄入;管網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)只需一次輸入，不會(huì)隨 水力工況變化而變化；
[0014] 步驟2、根據(jù)管網(wǎng)流量方程和管網(wǎng)能量方程，確定最少觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目；
[0015]設(shè)管段數(shù)目為b，獨(dú)立節(jié)點(diǎn)數(shù)目為η;水力工況數(shù)目為m，流量觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目為X，壓力 觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目為y;
[0016]根據(jù)式（1)和(3)所組成的方程組，使方程數(shù)目大于或等于未知量數(shù)目jpXmin2b-n ; ymin 2 n-(m-l ) · b/m，Xmin和ymin均取整數(shù)，最小取1 ;總體數(shù)目為Xmin+ymin，在一定條件下流 量觀測(cè)點(diǎn)可由相同數(shù)目的壓力觀測(cè)點(diǎn)替代，但總數(shù)目不能減少；比如:流量觀測(cè)數(shù)量Xmin = 4,壓力觀測(cè)數(shù)量y_ = 2,滿(mǎn)足上述條件即可，此時(shí)總數(shù)為6;但是如果流量觀測(cè)數(shù)量為3,壓 力觀測(cè)數(shù)量為3,總數(shù)也為6,在一定條件下也可以滿(mǎn)足條件;據(jù)此，可以為新建管網(wǎng)提出觀 測(cè)點(diǎn)布置要求，也可以對(duì)既有管網(wǎng)提出觀測(cè)點(diǎn)增設(shè)的要求；
[0017]管網(wǎng)流量方程如公式⑴所示：
[0018]管網(wǎng)流量方程可以表達(dá)各管段流量關(guān)系，不可觀測(cè)管段流量可以按照式（1)由可 觀測(cè)管段流量表達(dá)；
[0020] 式中，Aug為與不可觀測(cè)流量管段相對(duì)應(yīng)的基本關(guān)聯(lián)矩陣子矩陣;Akg為與可觀測(cè)流 量管段相對(duì)應(yīng)的基本關(guān)聯(lián)矩陣子矩陣;G u為與不可觀測(cè)流量值列向量;Gk為與可觀測(cè)流量值 列向量;Q為管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)出流量列向量;參數(shù)上標(biāo)(k)為水力工況序號(hào)，k取不同數(shù)值時(shí)，表示不 同水力工況；Gf、Gf1、β~分別表示水力工況序號(hào)為k時(shí)對(duì)應(yīng)的Gu、Gk、Q;
[0021] 聯(lián)立不同水力工況對(duì)應(yīng)的管網(wǎng)流量方程，構(gòu)成流量方程組；
[0022] 不可觀測(cè)管段流量可以由可觀測(cè)管段流量表達(dá)，那么，各工況條件下的所有管段 流量均可以利用可觀測(cè)管段流量表達(dá);如果式(1)中矩陣A ug為列滿(mǎn)秩矩陣，不可觀測(cè)流量值 可以由可觀測(cè)流量值唯一確定;否則，說(shuō)明流量觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目不足，在不能進(jìn)一步提供流量觀 測(cè)數(shù)據(jù)的情況下，只能利用方程組廣義逆解近似表達(dá)流量結(jié)果，其準(zhǔn)確程度取決于觀測(cè)點(diǎn) 數(shù)目以及位置；
[0023] 根據(jù)下一步矩陣運(yùn)算的需要，將流量列向量轉(zhuǎn)化為對(duì)角矩陣形式，具體見(jiàn)式(2);
[0025]式中，為管網(wǎng)各管段流量值對(duì)角矩陣;其中，每個(gè)元素與流量列向量中的每個(gè) 元素一一對(duì)應(yīng);diag( ·)為將列向量轉(zhuǎn)化為對(duì)角矩陣的矩陣函數(shù)；
[0026]利用管網(wǎng)能量方程表達(dá)管網(wǎng)阻力數(shù)、節(jié)點(diǎn)壓力和管段流量間的關(guān)系;針對(duì)m個(gè)水力 工況，以各管段阻力數(shù)和不可觀測(cè)節(jié)點(diǎn)壓力為未知量的方程組，構(gòu)成管網(wǎng)能量方程組;管網(wǎng) 能量方程組如公式(3)所示：
[0027]
[0028] 式中，A為管網(wǎng)基本關(guān)聯(lián)矩陣，Aup為不可觀測(cè)壓力節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的基本關(guān)聯(lián)矩陣子矩 陣，Akp為可觀測(cè)壓力節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的基本關(guān)聯(lián)矩陣子矩陣;S為管網(wǎng)各個(gè)管段阻力數(shù)列向量