CN102750428A - 供水管网节点水力计算方程并行算法分区域构造方法 - Google Patents

供水管网节点水力计算方程并行算法分区域构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种供水管网节点水力计算方程并行算法分区域构造方法，属于市政工程技术领域。该方法主要涉及：确定并行计算机的理想运算负荷；依据运算负荷对现有物理功能分区通过增加节点的方式进行合并与拆解；二次划分结束后所有子区域的节点序号重新排列。这种方法有效地利用了给水管网的物理功能分区结构，为并行计算中的子区域划分策略提供了有力依据；同时使得管网分区后的单独模拟成为可能，且操作简单。由于并行水力计算和管网分区都是未来大型给水管网管理的关键技术，因此，本方法作为将两者高效结合起来的技术，具有很好的应用前景。

Description

供水管网节点水力计算方程并行算法分区域构造方法
技术领域
本发明涉及一种服务于供水管网节点水力计算方程并行算法分区域构造方法，属于市政工程技术领域。
背景技术
目前，基于区域分解的并行计算方法所面临的一个主要问题，就是如何将分析对象有效地分解为计算负荷相当的子区域，以实现真正高效的并行计算。对于给水管网并行水力计算，现有的方法是运用数学计算方法和基于图论的分析，对用来描述管网构造的稀疏矩阵进行结构变换，来使其满足并行计算的需要。可见，这种分解方法并非从分析实际管网构造出发，因此，得到的子区域并不一定具有明确的物理意义。对于分区改造后的管网，虽然可直接将其物理功能分区作为并行计算子区域，但同样存在局限性。原因在于，首先，物理功能分区的划分还没有成熟的理论方法，多依靠经验而定，非常耗时耗力，所以已采用物理功能分区划分的管网数量非常有限；其次，物理功能分区的划分是从改善给水管网管理的目的出发，如便于分级用水量计量、优化调度、漏失控制等，未考虑优化水力计算的需求，所以物理功能分区的规模，即包含节点和管段数量通常不一致，即使规模类似，分区的数量也会成为限制因素，很难恰到好处的适合于并行计算。分区数量过多时，多计算机的数量需求过高，增加了系统复杂度和成本；分区数量过少时，每个区域的复杂度过高，同样无法实现高效并行计算。
发明内容
针对上述问题，为了简化并行计算子区域的构造方法，本发明提出了一种供水管网节点水力计算方程并行算法分区域构造方法。其以已经按照拓扑结构演化进行分区的给水管网为分析对象，旨在对这些以满足管网运行管理为目的物理功能分区进行二次划分，构造能高效服务于基于节点水压法的并行水力计算的子区域。此类子区域可定义为并行计算分区，只存在于水力模型中而非对管网进行真实的改造，其构造过程主要涉及：确定并行计算机的理想运算负荷；依据运算负荷对现有物理功能分区通过增加节点的方式进行合并与拆解；二次划分结束后所有子区域的节点序号重新排列。这种方法有效地利用了给水管网的物理功能分区结构，为并行计算中的子区域划分策略提供了有力依据；同时使得管网分区后的单独模拟成为可能，且操作简单。由于并行水力计算和管网分区都是未来大型给水管网管理的关键技术，因此，本方法作为将两者高效结合起来的技术，具有很好的应用前景。
本发明的技术方案如下：
一种基于节点水压和管网分区的并行水力计算子区域构造方法，其特征在于，所述构造方法具体步骤如下：
(1)根据并行计算机的配置条件，确定理想的运算负荷；
(2)由运算负荷估算每个并行计算子区域所能容纳的节点数量和管段数量总和N的容限值R，N·min·≤R≤N·max·；
(3)统计给水管网各个物理功能分区中节点和管段的数量N·p·；
(4)进行二次划分，将N·p·低于容限值的区域进行合并，而大于容限值的区域则进一步分解；
(5)添加关联节点：对二次划分后的区域，在它们之间的连接管道上添加关联节点，如果两个区域之间所有的连接管道上本身具有可作为关联节点的节点，而无需再额外添加；
(6)关联节点分裂：将每一个关联节点分裂为两个节点，分别作为它所连接的两个区域的边界节点，在并行计算中起到耦合关联的作用；分裂后的节点各种属性都与原关联节点相同；至此，关联节点、关联节点与区域间连接的管道、区域本身可构成并行计算子区域；
(7)编号重排：将管网中的所有节点进行重新编号，编号时首先依次对各个子区域中的所有节点进行顺序编号，最后再依次对各个关联节点进行编号，分裂后的关联节点仍然作为一个节点看待，具有同一编号；
(8)构造系数矩阵：以步骤(7)的编号作为系数矩阵新的行号和列号，对原矩阵中的各元素进行重新排列，即可生成符合区域分解并行计算要求的系数矩阵，使并行水力计算得以实现。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)并行计算子区域的划分具有明确的参照对象和准则；
(2)每个单独运算的子区域都是实际管网中的一个物理功能分区或其一部分，或几个物理功能分区的合并，因此具有明确的物理意义，便于参照和分析；
(3)子区域的序号重排简便易行，大幅简化稀疏矩阵的结构转换过程，且不产生注入元；
(4)有效地将管网分区结果与并行计算结合起来；
(5)边界节点的引入使得并行计算子区域的边界构造的表征更加直观；
(6)由于对并行计算子区域的构造要求相同，此方法同样适用于基于环方程和节点方程混合方法的并行水力计算；
(7)由于基于拓扑结构演化的分区方法操作简便，效率高，所以对于没有进行物理功能分区的给水管网仍可以快速获得此类分区结构，然后进行并行计算子区域的构造，因此本发明的整个方法流程确保能高效顺利的进行。
附图说明
图1为基于节点水压法和管网分区的并行水力计算的子区域构造方法图。
其中：1-20分别为节点编号。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种供水管网节点水力计算方程并行算法分区域构造方法，其具体步骤如下：
(1)根据并行计算机的配置条件，确定理想的运算负荷；
(2)由运算负荷估算每个并行计算子区域所能容纳的节点数量和管段数量总和N的容限值R，N·min·≤R≤N·max·；
(3)统计给水管网各个物理功能分区中节点和管段的数量N·p·；
(4)进行二次划分，将N·p·低于容限值的区域进行合并，而大于容限值的区域则进一步分解；
(5)添加关联节点：对二次划分后的区域，在它们之间的连接管道上添加关联节点，如果两个区域之间所有的连接管道上本身具有可作为关联节点的节点，而无需再额外添加；
(6)关联节点分裂：将每一个关联节点分裂为两个节点，分别作为它所连接的两个区域的边界节点，在并行计算中起到耦合关联的作用；分裂后的节点各种属性都与原关联节点相同；至此，关联节点、关联节点与区域间连接的管道、区域本身可构成并行计算子区域；
(7)编号重排：将管网中的所有节点进行重新编号，编号时首先依次对各个子区域中的所有节点进行顺序编号，最后再依次对各个关联节点进行编号，分裂后的关联节点仍然作为一个节点看待，具有同一编号；
(8)构造系数矩阵：以步骤(7)的编号作为系数矩阵新的行号和列号，对原矩阵中的各元素进行重新排列，例如，原编号为1的节点所对应的元素排在矩阵的第一行第一列，而重新编号后若此节点编号变为7，则其对应元素的位置相应移至矩阵的第7行第7列，即可生成符合区域分解并行计算要求的系数矩阵，使并行水力计算得以实现。

Claims (1)

1.一种供水管网节点水力计算方程并行算法分区域构造方法，其特征在于，所述构造方法具体步骤如下：
(1)根据并行计算机的配置条件，确定理想的运算负荷；
(2)由运算负荷估算每个并行计算子区域所能容纳的节点数量和管段数量总和N的容限值R，N·min·≤R≤N·max·；
(3)统计给水管网各个物理功能分区中节点和管段的数量N·p·；
(4)进行二次划分，将N·p·低于容限值的区域进行合并，而大于容限值的区域则进一步分解；
(5)添加关联节点：对二次划分后的区域，在它们之间的连接管道上添加关联节点，如果两个区域之间所有的连接管道上本身具有可作为关联节点的节点，而无需再额外添加；
(6)关联节点分裂：将每一个关联节点分裂为两个节点，分别作为它所连接的两个区域的边界节点，在并行计算中起到耦合关联的作用；分裂后的节点各种属性都与原关联节点相同；至此，关联节点、关联节点与区域间连接的管道、区域本身可构成并行计算子区域；
(7)编号重排：将管网中的所有节点进行重新编号，编号时首先依次对各个子区域中的所有节点进行顺序编号，最后再依次对各个关联节点进行编号，分裂后的关联节点仍然作为一个节点看待，具有同一编号；
(8)构造系数矩阵：以步骤(7)的编号作为系数矩阵新的行号和列号，对原矩阵中的各元素进行重新排列，即可生成符合区域分解并行计算要求的系数矩阵，使并行水力计算得以实现。
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