供水管网零膨胀爆管预测模型研究及数据系统开发

摘要

供水管网系统是城市最重要的基础设施之一，被称为城市的血脉。随着城镇化进程的不断加深，城市供水管网系统规模不断扩大，各地爆管事故出现发生频率增加，危害程度增大的趋势。但是，对于管网爆管事故的应对措施主要还是事故后处理，而且缺乏快速处理事故的能力和有效预防爆管发生的理论支持。本课题应用数据挖掘的思想对管网爆管进行研究，建立“供水管网结构灾害系统”收集、整理管网基础信息和维修记录，为最终开发一个综合管网数据收集、处理和预测、规划为一体的系统打下基础。
　　论文建立和完善了“供水管网结构灾害系统”，该系统是结合现有管网GIS数据和Google Map建立的，允许社会公众和供水企业等多方参与的数据收集系统WEB平台，为爆管预测分析和更新规划提供了基础数据。详细介绍了系统特点及关键技术，通过介绍系统各项功能，展示了系统收集、整理研究区域内供水管网基本数据和爆管维修记录的过程，并对收集到的数据进行描述性统计分析。
　　根据数据特点，定义了爆管和爆管率，确定了研究对象;结合影响爆管发生的静态因素、动态因素和动静态因素，建立了零膨胀爆管预测模型;提出O统计量及Score检验方法对模型数据进行离散性和零膨胀检验;通过对零膨胀模型的模拟研究证明零膨胀模型对存在零膨胀现象的数据集有较好的拟合效果，尤其是大样本数据。定义对管道进行维修和更新总费用现值最小时对应的时间为最优更换时间，建立管道更新经济决策函数，在此基础上结合零膨胀爆管预测模型得到未来爆管期望，对管网进行短期更新规划。
　　选取DN100～DN300灰铸管数据为研究对象，通过对数据进行O统计量计算和Score检验证明，爆管数据存在离散性和零膨胀现象;利用SAS9.2的PROCNlmixed过程对研究区域内2006年～2013年的相关数据进行参数拟合，拟合的参数表明，爆管与管径，温度影响指数和年降雨量呈负相关，与管龄、管长及爆管历史呈正相关，其中管径、管龄、管长和爆管历史对爆管影响显著;通过拟合结果与实际爆管情况对比显示，零膨胀模型具有良好的拟合精度，对拟合数据爆管管道总数的识别精度达到92.62％;利用2014年的数据作为检验样本和模型预测结果进行对比检验，对该年零爆管管道总数的识别精度达到79.41％，说明该模型具有较高的预测精度;通过和现有广义线性爆管预测模型对比发现，零膨胀模型识别年爆管管道总数能力更优。进而利用研究区域内未来爆管期望及爆管相关经济损失，进行5年更新规划，结果显示，共33条管道需更新。
　　根据零膨胀爆管预测模型得到的未来管道爆管率，将灰口铸铁管分为一级管道和二级管道，在管网地图中直观显示;根据研究区域灰口铸铁管5年更新规划结果，将需更新管道在管网地图中显示。这有利于相关部门对危险区域加强管理、维护。
　　结果证明，上述研究提高了爆管分析水平和预防爆管事故能力，对管网的管理、维护及更新决策具有重大参考意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 引言

1．1．2 爆管事故的危害

1．1．3 爆管事故研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 供水管网信息系统研究

1．2．2 爆管预测模型研究

1．2．3 管网更新研究

1．3 国内外研究存在不足

1．4 课题研究内容和技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

2 “供水管网结构灾害系统”的建立和数据整理

2．1 系统特点

2．2 系统设计及主要技术

2．2．1 系统架构设计

2．2．2 数据库设计

2．2．3 关键技术及实现

2．3 系统的功能实现

2．3．1 普通用户

2．3．2 相关供水部门

2．3．3 系统管理员

2．4 研究区域管网数据的统计分析

2．5 本章小结

3 爆管预测统计学模型的理论研究

3．1 研究的相关定义

3．1．1 爆管及爆管率

3．1．2 管道最优更新时间

3．2 爆管影响因素的论述

3．3 现有爆管预测统计学模型对比分析

3．3．1 线性或指数回归模型

3．3．2 广义线性模型

3．3．3 风险比例模型

3．4 零膨胀爆管预测模型的建立

3．4．1 非齐次泊松分布

3．4．2 爆管预测零膨胀现象

3．4．3 零膨胀爆管预测模型的数据检验

3．4．4 零膨胀模型的模拟研究

3．5 管道更新经济决策分析

3．5．1 管道更新经济函数的建立

3．5．2 管道更新经济最优时间分析

3．6 本章小结

4 研究区域爆管预测分析与系统展示

4．1 研究区域零膨胀爆管预测模型的建立

4．1．1 模型变量选择和预处理

4．1．2 零膨胀爆管预测模型求解

4．1．3 零膨胀模型与广义线性模型对比

4．2 研究区域管道更新研究

4．3 研究结果的系统展示

4．3．1 系统架构完善

4．3．2 研究成果展示

4．4 本章小结

5 主要成果与展望

5．1 主要成果

5．1．1 建立“供水管网结构灾害系统”和整理研究区域数据

5．1．2 爆管预测统计学模型理论研究

5．1．3 研究区域爆管预测分析与系统展示

5．2 论文创新点

5．3 展望

参考文献

作者简历