CN102609602B - 多消防流量测试工况约束下给水管网管道粗糙度校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种多消防流量测试工况约束下的给水管网管道粗糙度校核方法，属于市政工程技术领域。本方法将不同消防流量测试记录所对应的系统工况分别保存至指定格式的文件中；再用软件工具一次性读取所有文件，对按不同铺设年代和管径分组的管道进行校核；并参照水力计算模拟值与实测值的误差，选取能够满足每一系统工况的误差容限值，且所有工况的误差的累加和最小的管道粗糙度值组合。与传统方法相比，本发明的整个校核过程只需要一次运行，无需反复修正，且避免了疏漏最优结果的可能。鉴于管道粗糙度校核是给水管网建模不可或缺的关键步骤，所以，本方法的应用前景非常大。

Description

多消防流量测试工况约束下给水管网管道粗糙度校核方法

技术领域

本发明涉及一种多消防流量测试工况约束下给水管网管道粗糙度校核方法，属于市政工程技术领域。

背景技术

消防流量测试数据是给水管网粗糙度校核的重要依据。当具有多次消防流量测试数据时，传统的粗糙度校核方法是把这些测试数据所对应的不同系统工况分别用水力模型模拟，并依次对这些工况进行反复校核，直到能够获得一组粗糙度结果，使得所有工况的实测数据与相应的模拟值之间的误差能够小于预先设定的误差容限值。由于一次只能通过校核一个工况来获得一组结果，且不能确定该结果能否同样使其它工况满足误差要求，传统方法只能通过反复修正的方式来得到满足所有误差要求的结果，因此效率很低，而且很有可能忽略最优结果。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种多消防流量测试工况约束下给水管网管道粗糙度校核方法。本方法将不同消防流量测试记录所对应的系统工况分别保存至指定格式的文件中；再用专门开发的软件工具一次性读取所有文件，对按不同铺设年代和管径分组的管道进行校核；并参照水力计算模拟值与实测值的误差，选取能够满足每一系统工况的误差容限值，且所有工况的误差的累加和最小的管道粗糙度值组合。由于本方法是把所有消防流量测试工况综合考虑，通过分析所有能够满足各个工况误差要求的粗糙度值组合，来最终确定校核结果；因此，整个校核过程只需要一次运行，无需反复修正，且避免了疏漏最优结果的可能。管道粗糙度校核是给水管网建模不可或缺的关键步骤，所以，本发明的应用前景非常大。

本发明的技术方案如下：

一种多消防流量测试工况约束下给水管网管道粗糙度校核方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

(1)收集消防流量测试记录，并按测试地点和测试时间的不同进行分类；

(2)将给水管网中的管道按铺设年代、管径进行分组；给定每一组管道的粗糙度初值，并保存至管网水力模型中；

(3)用管网水力模型分别模拟消防流量测试记录所对应的系统工况，并将模型数据分别保存至单独的inp格式文件中，即每个系统工况对应一个inp格式文件；inp格式是给水管网水力建模软件EPANET的标准输入输出文件。由于该软件目前已经成为了此行业的标准，所以inp文件格式也因此成为了业界通用的文件格式。

(4)利用软件工具进行下列步骤：

a.读取所有inp格式文件；读取完成后，每个inp文件被作为独立的系统工况，用于管道粗糙度的校核；

b.给定管道粗糙度值的取值范围，及其校核时所采用的步长增量；

c.给定每个系统工况的消防流量实测值和误差容限值；

d.调用EPANET的水力计算引擎，对每个消防测试系统工况进行模拟；此步骤顺序进行或者并行计算；

e.计算各个系统工况下模拟值与实测值的误差；

f.依照步骤b给定的步长增量更新管道粗糙度值，重复步骤d和e，直至达到管道粗糙度取值范围的界限为止；

g.选取能够满足每一系统工况的误差容限值(满足约束条件)，且所有工况的误差的累加和最小(min F)的管道粗糙度值组合，即满足判定方式F及相应的约束条件，如下列各式所示；其中，管道粗糙度值组合指的是各个管道分组之间的粗糙度取值的排列组合。例如，假定整个管网的管道按步骤(3)和(4)b确定为可分为两组，每组可能取值分别为100，90；则这两组管道可能出现的不同粗糙度值组合为2²＝4个，即(100，100)，(100，90)，(90，100)，(90，90)；

$\min F=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2$

$+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(Q_i^{\left(\mathrm{mod}\right)}-Q_{,i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2$

约束条件：对于每个子系统j，j为大于等于1的自然数，需满足：

$\frac{H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\α}}_j$

$\frac{H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\β}}_j$

$\frac{Q_i^{\left(\mathrm{mod}\right)}-Q_i^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{Q_i^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\γ}}_j$

其中，-节点i处的静态压力实测值；静态压力实测值，即消防流量测试时，在未开启消火栓状态下测定的节点压力值；-节点i处的静态压力模拟值；静态压力模拟值是由模型计算出的静态压力值；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；-节点i处的残余压力实测值；残余压力，即消防流量测试时，在开启消火栓状态下测定的节点压力值；-节点i处的残余压力模拟值；残余压力模拟值是模型计算出的残余压力值；-流量实测值；-流量模拟值；min-求最小值；i-节点标识；j-系统工况标识；α_j-子系统j的静态压力误差容限值；β_j-子系统j的残余压力误差容限值；γ_j-子系统j的流量误差容限值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)采用行业通用格式文件存储消防流量测试工况，并可一次读入所有文件，供管道粗糙度校核使用；

(2)在执行校核过程中，保存满足任一工况的误差容限值的所有管道粗糙度组合，最后再从中选取不但能够满足每一系统工况的误差容限值，而且所有工况的误差的累加和最小的管道粗糙度值组合；从而避免了疏漏最优结果情况的发生。

附图说明

图1是本发明多消防流量测试工况约束下给水管网管道粗糙度校核方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种多消防流量测试工况约束下给水管网管道粗糙度校核方法，具体步骤如下：

(1)收集消防流量测试记录，并按测试地点和测试时间的不同进行分类；

(2)将给水管网中的管道按铺设年代、管径进行分组；给定每一组管道的粗糙度初值，并保存至管网水力模型中；

(3)用管网水力模型分别模拟消防流量测试记录所对应的系统工况，并将模型数据分别保存至单独的inp格式文件中，即每个系统工况对应一个inp格式文件；inp格式是给水管网水力建模软件EPANET的标准输入输出文件。由于该软件目前已经成为了此行业的标准，所以inp文件格式也因此成为了业界通用的文件格式。

(4)利用软件工具进行下列步骤：

a.读取所有inp格式文件；读取完成后，每个inp文件被作为独立的系统工况，用于管道粗糙度的校核；

b.给定管道粗糙度值的取值范围，及其校核时所采用的步长增量；

c.给定每个系统工况的消防流量实测值和误差容限值；

d.调用EPANET的水力计算引擎，对每个消防测试系统工况进行模拟；此步骤可顺序进行，也可并行计算；

e.计算各个系统工况下模拟值与实测值的误差；

f.依照步骤b给定的步长增量更新管道粗糙度值，重复步骤d和e，直至达到管道粗糙度取值范围的界限为止；

g.选取能够满足每一系统工况的误差容限值，且所有工况的误差的累加和最小(如下面公式所示)的管道粗糙度值组合，即满足判定方式F及相应的约束条件，如下列各式所示；管道粗糙度值组合指的是各个管道分组之间的粗糙度取值的排列组合。例如，假定整个管网的管道按步骤(3)和(4)b确定为可分为两组，每组可能取值分别为100，90；则这两组管道可能出现的不同粗糙度值组合为2²＝4个，即(100，100)，(100，90)，(90，100)，(90，90)；

$\min F=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2$

$+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(Q_i^{\left(\mathrm{mod}\right)}-Q_{,i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2$

约束条件：对于每个子系统j(j＝1，2，3，...)，需满足：

$\frac{H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\α}}_j$

$\frac{H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\β}}_j$

$\frac{Q_i^{\left(\mathrm{mod}\right)}-Q_i^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{Q_i^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\γ}}_j$

其中，-节点i处的静态压力实测值；静态压力实测值，即消防流量测试时，在未开启消火栓状态下测定的节点压力值；-节点i处的静态压力模拟值；静态压力模拟值是由模型计算出的静态压力值；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；-节点i处的残余压力实测值；残余压力，即消防流量测试时，在开启消火栓状态下测定的节点压力值；-节点i处的残余压力模拟值；残余压力模拟值是模型计算出的残余压力值；-流量实测值；-流量模拟值；min-求最小值；i-节点标识；j-系统工况标识；α_j-子系统j的静态压力误差容限值；β_j-子系统j的残余压力误差容限值；γ_j-子系统j的流量误差容限值。

Claims (1)

1.多消防流量测试工况约束下给水管网管道粗糙度校核方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

(1)收集消防流量测试记录，并按测试地点和测试时间的不同进行分类；

(2)将给水管网中的管道按铺设年代、管径进行分组；给定每一组管道的粗糙度初值，并保存至管网水力模型中；

(3)用管网水力模型分别模拟消防流量测试记录所对应的系统工况，并将模型数据分别保存至单独的inp格式文件中；

(4)利用软件工具进行下列步骤：

a.读取所有inp格式文件；读取完成后，每个inp文件被作为独立的系统工况，用于管道粗糙度的校核；

b.给定管道粗糙度值的取值范围，及其校核时所采用的步长增量；

c.给定每个系统工况的消防流量实测值和误差容限值；

d.调用EPANET的水力计算引擎，对每个消防测试系统工况进行模拟；此步骤顺序进行或者并行计算；

e.计算各个系统工况下模拟值与实测值的误差；

f.依照步骤b给定的步长增量更新管道粗糙度值，重复步骤d和e，直至达到管道粗糙度取值范围的界限为止；

g.选取能够满足每一系统工况的误差容限值，且所有工况的误差的累加和最小的管道粗糙度值组合，即满足判定方式F及相应的约束条件，如下列各式所示；

$\min F=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2$

$+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{(Q_i^{\left(\mathrm{mod}\right)}-Q_{,i}^{\left(\mathrm{obs}\right)})}^2$

约束条件：对于每个子系统j，j为大于等于1的自然数，需满足：

$\frac{H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{H_{\mathrm{static},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\α}}_j$

$\frac{H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{mod}\right)}-H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{H_{\mathrm{residual},i}^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\β}}_j$

$\frac{Q_i^{\left(\mathrm{mod}\right)}-Q_i^{\left(\mathrm{obs}\right)}}{Q_i^{\left(\mathrm{obs}\right)}}\×100\%\≤{\mathrm{\γ}}_j$

其中，-节点i处的静态压力实测值；-节点i处的静态压力模拟值；-节点i处的残余压力实测值；-节点i处的残余压力模拟值；-流量实测值；-流量模拟值；min-求最小值；i-节点标识；j-系统工况标识；α_j-子系统j的静态压力误差容限值；β_j-子系统j的残余压力误差容限值；γ_j-子系统j的流量误差容限值。