CN102567606B - 给水管网等水压面实时绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种给水管网等水压面的实时绘制方法，属于市政工程信息技术领域。其在给水管网水力模型已建立好的基础之上，依据采集的测压点数据，校正模型参数，拟合等水压面，使得相应节点处的压力值与测量值误差最小；然后利用模型计算结果扩充样本点；并依管网构造分析，对管线进行分类，按照不同类型生成子样本；对所有子样本进行空间插值，分别生成子等水压线图；整合所有子图并最终生成全局等水压线图。对每一时刻，重复上述步骤，即可得到实时等水压线图。用这种方法生成的等水压线图，与专业水力建模软件相比，更加精细，利于信息的展示，获取和分析，且能够真实的反映了管网在实际运行中水压分布的特点，具有很大的应用前景。

Description

给水管网等水压面实时绘制方法

技术领域

本发明涉及一种给水管网等水压面实时绘制方法，属于市政工程信息技术领域。 

背景技术

目前，给水管网等水压面的绘制存在着其局限性：首先，管网中测压点的数量非常有限，造成单纯依据测量值生成的等水压面很难满足精度需求；其次，专业的给水管网建模软件虽具备按模型计算结果绘制等水压面的功能，但生成图形的精细度相对粗糙，不利于信息的直观获取和分析；再次，地理信息平台下的空间插值技术虽然有强大的图形展示能力，易于信息的显示和分析，但在应用于此特定工作时，受给水管网自身特点的复杂性的影响，很难全面符合要求；最后，从给水管网自身构造的特点而言，现有的等水压面绘制方法都是直接以整个管网为分析对象，一次性生成全部管网的等水压面图。这样的处理方式无法将影响水压分布的各种因素分离开，不但增加了问题的复杂性，即水压分布的趋势性可能被打乱，而且会导致生成的等水压面图失真。 

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种新的等水压面绘制方法。该方法在给水管网水力模型已建立好的基础之上，采取如下技术方案：依据采集的测压点数据，校正模型参数，拟合等水压面，使得相应节点处的压力值与测量值误差最小；利用模型计算结果扩充样本点；并对管网的管线进行分类，按照不同类型生成子样本；对所有子样本进行空间插值，并分别生成子等水压线图；整合所有子图并最终生成整个系统的全局等水压线图。对每一时刻，重复这一系列步骤，即可得到实时等水压线图。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

(1)通过等水压面拟合，同时提高了模型的精度和可用做水压插值样本点的数目； 

(2)用模型计算结果扩充样本点的数量，增加了空间插值的可靠度； 

(3)通过专门的管线分类，和相应的样本设计原则，将影响水压分布的关键因素相互分离，使各个子样本的压力分布基本呈统一趋势，降低了插值算法设置的复杂度，同时增加了可靠度； 

(4)最终生成的全局等水压线图，将干管，支管，以及重要控制组件的压力变化分别展示，但又整合在一张图中，更能反映管网的真实水压分布特点，有助于专业的管网状态分析； 

(5)生成的等水压线图更加精细，兼具专业性和信息展示性。 

附图说明

图1是本发明的给水管网等水压面实时绘制方法流程图。 

具体实施方式

步骤一：采集测压点数据：将管网中布置的压力传感器采集的数据通过通讯技术传输至指定数据库，作为模型计算等水压面的依据； 

步骤二：等水压面拟合： 

由于经济条件的限制，测压点的数量十分有限，因此无法获得管网中所有节点的真实压力值。为使模型模拟结果尽可能反映管网真实状况，需采用测压点的压力实测数据作为参照，对相关的模型参数进行校核，以使管网模型中与测压点相对应的节点的压力模拟值与测压点实测值整体误差最小。由于本方法针对的是等水压面的实时绘制，因而是建立在管网实时在线模型的基础之上的。而对于此类模型，节点流量的不确定性可视为影响模拟结果的最重要因素，因此校核的参数选定为节点流量。在完成校核后，就将模型计算所得到的全部节点的压力模拟值作为真实值，而将依据这些值生成的等水压面作为管网的真实水压分布。具体子步骤如下： 

a.用水量的短期预测是估算给水管网实时模型中节点流量的基础，因此首先根据用水量模式的历史记录，使用自回归移动平均模型(ARIMA)预测当前模拟时刻的用水量； 

b.依据水费记录将预测的总用水量按比例分配至各个节点，作为水力计算的初始节点流量； 

c.进行灵敏度分析，确定各节点的节点流量与测压点水压变化的相关性 公式如下： 

$s_j^i=\frac{\frac{H_{j1}-H_{j0}}{H_{j0}}}{\frac{q_{i1}-q_{i0}}{q_{i0}}}=\frac{\frac{\mathrm{\Δ}{H}_j}{H_{j0}}}{\frac{\mathrm{\Δ}{q}_i}{q_{i0}}}$

其中，q_i0-节点i的初始流量；Δq_i-节点i的流量改变量；q_i1-改变后节点i的流量；H_j0-节点j的初始压力；ΔH_j-节点j的压力改变量；H_j1-改变后节点j的压力； 

d.依照通过灵敏度分析得到的相关性 和压力模拟值与实测值的误差，校核节点的节点流量。各节点流量的修正值依据压力值误差和相关性的强弱，按比例确定；而相关性为零的节点，则无需修正节点流量。每修正一次节点流量，就进行一次模型计算， 然后将与测压点相对应的节点处的压力模拟值与该测压点的实测值带入目标函数F，求得目标函数值；经反复修正，直至目标函数值降低至不再变化为止，即所能得到的目标函数最小值。 

$\min F=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(H_i^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_i^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2$

-压力模拟值；压力模拟值；即模型计算出的节点压力值，由于模型模拟出的管网状态与真实状况不可避免的存在偏差，所以模拟值通常与实测值也存在着误差； -压力实测值；min-求最小值； 

步骤三：用模型模拟值扩充插值样本：将模型中的管道在空间上进行分割，在分割位置增加临时性的虚拟节点。由于管道沿线各个位置的压力均可由上一步骤的水力计算确定。所以，在管道上增加的虚拟节点可作为新增的样本点，补充到由测压点组成的样本中，以增加插值精度。虚拟节点的数量与插值精度的要求相关； 

步骤四：插值样本分类存储： 

a.在进行此步骤前，需要预先将模型中的管线分类为“干线”，“支线”，以及“连接”。“干线”为输水干管；“支线”为配水管网；而“连接”可定义为“干线”与“支线”之间的关联，以及“干线”或“支线”自身所包含的特殊连接方式。“连接”可以是任意形式的组件，如管线，阀门，加压泵站等。除普通管线类型外的所有特殊“连接”都需要进行标识，且在进行插值时，这些“连接”前后的干线或支线，要作为单独的插值样本分别处理。 

b.从数据库中提取节点ID和压力值，将“干线”，“支线”上节点分别存储在单独的数据表中，并在“连接”的端点所对应的节点ID处加以标识；如果“连接”为特殊连接(阀门，加压泵站等)，则“连接”的所有上游节点和下游节点作为单独的插值样本，并在数据表中另设字段加以标识，如“干线样本1”，“干线样本2”。注，即使“连接”的上下游管线类型相同，也许进行此过程。 

c.最终，插值样本被划分为“干线节点”，“支线节点”两大类；每一类中又以特殊类型的“连接”为界限，进一步分成若干子样本。 

步骤五：生成等水压面子图：分别对各个子样本进行空间插值。由于经上一步骤处理后，各个子样本的压力分布基本呈统一趋势，因此可选择多种空间插值算法，同样也简化了对空间插值算法所涉及参数的选择与设置。本发明拟采用克里金空间插值算法，描述如下： 

$Z_V^{*}\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{i}Z\left(x_i\right)$

其中，x_i代表研究区域内的任一样本点，样本点共有n个，Z(x_i)是该点的测量值；Z_V(x)为任意待估点或待估块段V的实测值，其估计值为 λ_i为权重系数，表示各空间样本点x_i处的测量值Z(x_i)对估计值 的贡献程度。求权重系数需满足下列两条件： 

$\mathrm{Var}[Z_V^{*}\left(x\right)-Z_V\left(x\right)]=E{[Z_V^{*}\left(x\right)-Z_V\left(x\right)]}^2\→\min$

步骤六：整合子图，生成全局等水压面图：经空间插值后，每个子样本可对应生成一幅等水压线子图，代表整个管网的某一特定区域内干线压力或支线压力的分布状况。将这些子图进行无缝整合，即可获得精细的，更加符合管网真实状态特征的全局等水压线图。此项工作中，之前所标识的“连接”就是这些子图的接口。为确保各子图都能和与其相连的子图完全整合，必要时需对子图接口附近区域的压力值进行适当修正。 

步骤七：重复步骤(1)至(6)，生成下一时刻的等水压面。 

Claims (6)

1.一种给水管网等水压面实时绘制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：采集测压点数据；

步骤二：等水压面拟合；所述步骤二具体为：

a.用水量的短期预测是估算给水管网实时模型中节点流量的基础，因此根据用水量模式的历史记录，使用自回归移动平均模型预测当前模拟时刻的用水量；

b.依据水费记录将预测的总用水量按比例分配至各个节点，作为水力计算的初始节点流量；

c.进行灵敏度分析，确定各节点的节点流量与测压点水压变化的相关性公式如下：

$s_j^i=\frac{\frac{H_{j1}-H_{j0}}{H_{j0}}}{\frac{q_{i1}-q_{i0}}{q_{i0}}}=\frac{\frac{\mathrm{\Δ}{H}_j}{H_{j0}}}{\frac{\mathrm{\Δ}{a}_i}{q_{i0}}}$

其中，q_i0—节点i的初始流量；Δq_i—节点i的流量改变量；q_i1—改变后节点i的流量；H_j0—节点j的初始压力；ΔH_j—节点j的压力改变量；H_j1—改变后节点j的压力；

d.依照上述灵敏度分析得到的相关性，和压力模拟值与实测值的误差，校核相关节点的节点流量，各节点流量的修正值依据压力值误差和相关性的强弱，按比例确定；而相关性为零的节点，则无需修正节点流量，每修正一次节点流量，就进行一次模型计算，然后将与测压点相对应的节点处的压力模拟值与该测压点的实测值带入目标函数F，求得目标函数值；经反复修正，直至目标函数值降低至不再变化为止，即所能得到的目标函数最小值，目标函数F为：

$\min F=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(H_i^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_i^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2$

其中，—压力模拟值，即模型计算出的节点压力值，由于模型模拟出的管网状态与真实状况不可避免的存在偏差，所以模拟值通常与实测值也存在着误差；—压力实测值；min—求最小值；

步骤三：用模型计算结果扩充插值样本；

步骤四：插值样本分类存储；

步骤五：生成等水压面子图；

步骤六：整合子图，生成全局等水压面图；

步骤七：重复步骤一至步骤六，生成下一时刻的等水压面。

2.根据权利要求1所述的给水管网等水压面实时绘制方法，其特征在于：所述步骤一具体为：将管网中布置的压力传感器采集的数据通过通讯技术传输至指定数据库，作为模型计算等水压面的依据。

3.根据权利要求2所述的给水管网等水压面实时绘制方法，其特征在于：所述步骤三具体为：将模型中的管道在空间上进行分割，在分割位置增加临时性的虚拟节点，由于管道沿线各个位置的压力均可由上一步骤的水力计算确定，所以，在管道上增加的虚拟节点可作为新增的样本点，补充到由测压点组成的样本中，以增加插值精度，虚拟节点的数量与插值精度的要求相关。

4.根据权利要求3所述的给水管网等水压面实时绘制方法，其特征在于：所述步骤四具体为：

a.在进行此步骤前，需要预先将模型中的管线分类为“干线”，“支线”，以及“连接”，“干线”为输水干管，“支线”为配水管网，而“连接”定义为“干线”与“支线”之间的关联，以及“干线”或“支线”自身所包含的特殊连接方式；“连接”是任意形式的组件，除普通管线类型外的所有特殊“连接”都需要进行标识，且在进行插值时，这些“连接”前后的“干线”或“支线”，要作为单独的插值样本分别处理；

b.从数据库中提取节点ID和压力值，将“干线”，“支线”上节点分别存储在单独的数据表中，并在“连接”的端点所对应的节点ID处加以标识；如果“连接”为特殊连接，则“连接”的所有上游节点和下游节点作为单独的插值样本，并在数据表中另设字段加以标识，其中，即使“连接”的上下游管线类型相同，也需进行此过程；

c.最终，插值样本被划分为“干线节点”和“支线节点”两大类；每一类中又以特殊类型的“连接”为界限，进一步分成若干子样本。

5.根据权利要求4所述的给水管网等水压面实时绘制方法，其特征在于：所述步骤五具体为：分别对各个子样本进行空间插值，采用克里金空间插值算法，如下：

$Z_V^{*}\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_{i}Z\left(x_i\right)$

其中，x_i代表研究区域内的任一样本点，样本点共有n个，Z(x_i)是该点的测量值；Z_V(x)为任意待估点或待估块段V的实测值，其估计值为λ_i为权重系数，表示各空间样本点x_i处的测量值Z(x_i)对估计值的贡献程度，求权重系数需满足下列两条件：

$E[Z_V^{*}\left(x\right)-Z_V\left(x\right)]=0$

$\mathrm{Var}[Z_V^{*}\left(x\right)-Z_V\left(x\right)]=E[Z_V^{*}\left(x\right)-Z_V\left(x\right){]}^2\→\min .$

6.根据权利要求5所述的给水管网等水压面实时绘制方法，其特征在于：所述步骤六具体为：经空间插值后，每个子样本可对应生成一幅等水压线子图，代表整个管网的某一特定区域内干线压力或支线压力的分布状况，将这些子图进行无缝整合，即可获得精细的，更加符合管网真实状态特征的全局等水压线图，此项工作中，之前所标识的“连接”就是这些子图的接口，为确保各子图都能和与其相连的子图完全整合，必要时需对子图接口附近区域的压力值进行适当修正。