一种基于爆管检测效益的供水管网压力监测点优化布局方法

摘要

本发明专利公开了一种基于爆管检测效益的供水管网压力监测点优化布局方法，包括以下步骤：首先，利用管网水力模型在EPANET中计算各管道不同等级爆管下的压降，并根据计算的压降结果构建爆管事件覆盖矩阵；然后，对给定数量水压监测点，以最大化爆管事件覆盖率为目标函数构建优化水压监测点布局并采用分布估计算法求解，进而确定给定数量下的监测点的最优布局；最后，将爆管事件覆盖率与爆管最小可检测流量作为爆管检测精度指标，探讨水压监测点数量与爆管检测精度的效益关系。本发明方法能有效确定最佳效益监测点数量及布局，进而有效解决工程实践中应布置多少水压监测点以及布局在何处的问题。

说明书

技术领域

本发明属于城市供水管网监测点布置领域，特别涉及一种基于爆管检测效益的供水管网压力监测点优化布局方法。

背景技术

爆管会导致严重水资源浪费并危害供水系统的安全运行，及时检测并修复爆管具有重要实际意义。由于爆管时管网水压会出现异常下降，利用压力监测信号检测爆管是重要手段之一。理论上，监测点数量布置越多爆管检测效果越好，但由于资金限制，管网中只能布置一定数量的监测点，因此需要对监测点布局进行优化。目前，国内外对供水管网水压监测点的优化布置方法主要有：基于聚类分析法的压力监测点优化布置、基于灵敏度分析法的压力监测点优化布置、基于智能优化算法(遗传算法、多目标遗传算法等)监测点优化布置以及新增压力监测点优化布置。虽然上述方法从不同角度优化了压力监测点布局，但都不是以爆管检测为研究对象，不能反映压力监测点数量与爆管检测效益的关系。因此，开展了基于爆管检测效益的水压监测点优化布局方法来合理确定监测点数量和位置。

发明内容

为了解决现有技术不能反映压力监测点数量与爆管检测效益关系的问题，本发明提供一种基于爆管检测效益的供水管网压力监测点优化布局方法。

本发明的技术方案为：

一种基于爆管检测效益的供水管网压力监测点优化布局方法。包括以下步骤：

(1)搜集管网的基础数据，构建能够比较准确反映管网真实运行状态的水力模型；

(2)根据步骤(1)构建的管网水力模型，采用EPANET软件进行水力模拟，记录正常工况下每个节点的压力值；

(3)在步骤(1)构建的管网水力模型上每根管段中间加入虚节点，虚节点上设置不同的扩散器系数C来模拟不同等级的管道爆管，并记录不同等级爆管情况下各节点的压力值；

(4)比较步骤(2)与步骤(3)各节点的压力值，计算出管网每个节点的压降，将压降大小与压力监测器的精度作比较，得到0-1爆管事件覆盖矩阵；

(5)基于步骤(4)所得的爆管事件覆盖矩阵，以爆管事件覆盖率最大化为目标构建数学模型；并采用分布估计算法求解，得到一系列优化解集；

(6)利用步骤(5)得到的优化结果，探讨水压监测点数量与爆管检测精度的效益关系。

所述步骤(2)中，采用最新EPANET2压力驱动模型(PDA)模拟爆管时管网低压水力状态。

所述步骤(3)中，由于扩散器系数与管网爆管的孔口直径有关，C＝0.003477d

所述步骤(4)中，将发生不同等级爆管时的节点压力

所述步骤(5)中，水压监测点布局的一个基本原则是覆盖尽量多的爆管事件，即有限数量水压监测点能检测到尽量多的爆管事件。基于该思路，水压监测点优化布局可转换为爆管事件覆盖率最大化的优化问题，其数学模型如下：

式中S为最大爆管覆盖率值；

所述步骤(6)中，将爆管事件最大覆盖率与爆管最小可检测流量作为爆管检测精度指标。定义管网爆管最小可检测流量＝各管道最小可检测爆管流量求和/管道总根数，各管道最小可检测爆管流量从爆管事件覆盖矩阵中读取。通过探讨水压监测点数量与爆管检测精度的效益关系，得到该管网达到最佳效益时监测点的数量及布局。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)通过分析爆管压降得到爆管事件覆盖矩阵，进而以爆管覆盖率最大化为目标构建优化数学模型，采用分布估计算法对模型求解，上述过程都可在MATLAB中编码实现，具有易于实现、效率高等优点。

(2)本发明方法探讨了监测点数量与爆管检测效益关系，为供水管网中布置多少个监测点能够达到最佳爆管检测效益时提供合理的数量。

附图说明

图1为压力监测点优化布置方案流程图

图2为分布估计算法求解模型流程图

具体实施方式

为了对本发明理解更加清楚，下面结合实例对发明作详细的描述。

如图1所示，本发明一种基于爆管检测效益的供水管网压力监测点优化布局方法，包括以下步骤：

第一步：利用EPANET软件构建管网水力仿真模型，构建模型时需要输入该管网的拓扑结构、管径、管长、节点高程及节点基本需水量等基本信息。

第二步：为了准确反映管网低压真实的水力状态，采用最新EPANET2软件压力驱动模型(PDA)对管网进行管网水力仿真实验，记录正常工况下每个节点的压力值。

第三步：在管网拓扑模型上每根管段中间加入虚节点，虚节点上设置不同的扩散器系数C来模拟不同等级的管道爆管。由于扩散器系数与管网爆管的孔口直径有关，C＝0.003477d

第四步：将发生不同等级爆管时的节点压力(G是不同等级爆管；n是管网节点数)与正常工况下压力相比较，分别计算出管网每个节点的压降。如果压降变化大于压力监测器精度，将值1赋予爆管节点，表示压力监测器能监测到该处爆管事件；否则将0赋予该节点，表示压力监测器不能监测到该爆管事件，基于此构建0-1爆管事件覆盖矩阵，如表1所示。

表1爆管事件覆盖矩阵B

第五步：基于爆管事件覆盖矩阵的数学模型构建并用分布估计算法求解。水压监测点布局的一个基本原则是覆盖尽量多的爆管事件，即有限数量水压监测点能检测到尽量多的爆管事件。基于该思路，水压监测点优化布局可转换为爆管事件覆盖率最大化的优化问题，其数学模型如下：

约束条件如下式(2)、(3)：

N＝X(r) (3)

式(1)中的S为最大爆管覆盖率值；为满足约束条件下i监测点能检测到j管道的爆管事件；G为管道爆管等级；m为管网管道数；j为管道的编号；为爆管事件覆盖矩阵中元素，爆管事件覆盖矩阵如表1所示。式(2)、(3)为对应的约束条件,其中式(2)用于保证爆管事件能同时被两个监测点有效检测，这有利于爆管定位并提高爆管检测鲁棒性，式(3)用于限定监测器数量，N为管网布置的压力监测点个数，X(r)为初始种群r行行相加数。

在MATLAB软件中对分布估计算法按照图2所示流程进行编码，求解压力监测点优化布局数学模型，得到一系列优化解集。

第六步：探讨水压监测点数量与爆管检测精度的效益关系。将爆管事件最大覆盖率与爆管最小可检测流量作为爆管检测精度指标。定义管网爆管最小可检测流量＝各管道最小可检测爆管流量求和/管道总根数，各管道最小可检测爆管流量从爆管事件覆盖矩阵中读取。根据第五步求出的一系列优化解集，分析水压监测点数量与爆管检测精度的效益关系，得到该管网达到最佳效益时监测点的数量及布局。