CN102777770A - 一种供水管网泄漏故障诊断的流量监测点优化布置方法 - Google Patents

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曹欣欣
吴鑫淼
张志宇
季广军
吴广聚
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Abstract

本发明公开了一种供水管网泄漏故障诊断的流量监测点优化布置方法，在管网拓扑模型的每个可能发生爆管或漏水的管段中间加入虚节点
Figure 2012102783596100004DEST_PATH_IMAGE001
，而管网爆管事故的发生则以在虚节点处添加节点出流量来模拟。当发生时，整个管网中的管段流量都会受到不同程度的影响，如设其中被考察管段
Figure DEST_PATH_IMAGE005
的流量变化值为
Figure 351695DEST_PATH_IMAGE006
，则用
Figure DEST_PATH_IMAGE007
可表示虚节点
Figure 735272DEST_PATH_IMAGE001
所在管段的漏水量对
Figure 551918DEST_PATH_IMAGE005
管段处产生的流量变化的影响率，即：敏度。流量监测点应布置在敏感度较高的管段，而且各监测量应尽可能相互独立。照此原理建立优化布置的目标函数，并求得最优监测点组合结果。本发明的创新之处在于基于流量信息监测，通过建立关于流量敏度的目标函数，进而对其优化求解，得到最优监测点组合结果。

Description

一种供水管网泄漏故障诊断的流量监测点优化布置方法
技术领域
本发明属于市政工程领域。具体讲是提供一种供水管网泄漏故障诊断的流量监测点布置方法。
背景技术
目前，有关供水管网监测点优化布置的研究大多基于敏度分析和聚类分析，主要服务于供水系统的优化调度，而且以基于水压监测的管网故障诊断研究较多。目前尚无面向管网漏水故障诊断的流量监测点优化布置方面的成果问世。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种供水管网泄漏故障诊断的流量监测点遗传优化布置方法，基于该方法布置优化后的监测点流量信息的诊断效果较为理想，尤其在漏水量较小的条件下，基于优化的流量监测点信息对爆管管段的正确检出率较高，优于基于水压监测点信息的诊断结果。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种供水管网泄漏故障诊断的流量监测点遗传优化布置方法，在管网拓扑模型的每个可能发生爆管或漏水的管段中间加入虚节点                                                
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE001
，管网在正常工况下运行时设虚节点处节点出流量为0；而管网爆管事故的发生则以在虚节点处添加节点出流量
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE002
来模拟。当虚节点
Figure 246395DEST_PATH_IMAGE001
处发生出流量
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE003
时，整个管网中的管段流量都会受到不同程度的影响，如设其中被考察管段的流量变化值为
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE005
.则用
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE006
可表示虚节点
Figure 228127DEST_PATH_IMAGE001
所在管段的漏水量对
Figure 860096DEST_PATH_IMAGE004
管段处产生的流量变化的影响率，它反映了
Figure 511657DEST_PATH_IMAGE004
管段流量受虚节点
Figure 746854DEST_PATH_IMAGE001
处出流量变化影响的大小，即：流量敏度。可表示为式（1）所示的差分形式。
        
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE007
                                    （1）
式中：
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE008
代表正常情况下监测管段
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE009
处的流量；代表微故障状况下监测管段
Figure 266697DEST_PATH_IMAGE009
处的流量；
Figure 815490DEST_PATH_IMAGE002
代表微故障状况下虚节点
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE011
处的出流量。
流量监测点应布置在流量敏度较高的管段（高敏感度原则），而且各监测量应尽可能相互独立（监测点相互独立原则）。照此原理建立流量监测点优化布置的目标函数如式（2）所示。
                     （2）
式中：
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE013
为流量监测点数；
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE014
为可能的故障管段数（即需要添加虚节点的数量）；为测点流量敏度；
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE016
为权重，代表该管段的重要程度，可以体现为发生故障的可能性大小。
将（2）式转化为求最小值，
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE017
            （3）
即可求得最优监测点组合结果。
    本发明具有的优点和积极效果是：首次提出了服务于供水系统爆管诊断的流量监测点优化布置方法，该方法可兼顾监测点的敏感性和各监测点间的相互独立性，最大限度利用流量监测信息，提高爆管故障的识别精度。
附图说明
图1 为管网模型及节点、管段编号。  
图2 为加入虚节点后的管网模型。
具体实施方式
  为能进一步说明本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1，该模型管网共有22个管段（1号、3号、6号、7号、8号、9号、19号、20号管段为混凝土管；5号、10—18号、21号、22号管段为钢管；2号、4号管段为当量水管），14个节点。其中管道分为两类：钢管（摩阻系数设计采用值c=120）、混凝土管(摩阻系数设计采用值c=110)，两个泵站水源，一个水塔水源,水塔水面标高为74m。
表1正常工况下管网各管段流量
管段号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
流量（m3/s） 0.4217 0.4217 0.3219 0.3221 0.0822 0.0156 -0.1883 0.0470 0.1214
管段 10 11 12 13 14 15 16 17 18
流量（m3/s） 0.0970 -0.0407 0.1535 0.0811 0.0674 0.0146 -0.0099 -0.0368 0.0544
管段号 19 20 21 22 23 24 25 26  
流量（m3/s） 0.1000 0.0997 0.2849 0.2839 0.0514 0.0513 0.0304 0.0303  
设故障可能性相对较大的4个管段的管段分别为(19)，(20)，(21)，(22)。以下针对管道故障诊断问题进行监测管段的优化布置分析。
在可能发生事故的管段中间顺次加入4个虚节点（图2中黑点所示），虚节点号依次定为15、16、17、18，加入虚节点后需要对管网拓扑关系进行重新调整（如图2所示）。
通过使虚节点处发生微小的节点流量，（
Figure 419833DEST_PATH_IMAGE002
取0.005（m3/s）），计算监测管段处流量的相对变化，以此来求监测管段流量之于爆管节点流量变化的敏度：
                                  （1） 
式中：
Figure 959716DEST_PATH_IMAGE008
代表正常情况下监测管段
Figure 408539DEST_PATH_IMAGE009
处的流量；
Figure 897289DEST_PATH_IMAGE010
代表微故障状况下监测管段
Figure 837563DEST_PATH_IMAGE009
处的流量；
Figure 360949DEST_PATH_IMAGE002
代表微故障状况下虚节点
Figure 712164DEST_PATH_IMAGE011
处的出流量。该实例中，
Figure 953790DEST_PATH_IMAGE002
=0.005（m3/s）（j=1,2,3,4）；i=1,2,……26。各管段对各虚节点的流量敏度见表2。  
表2 各管段对虚节点的敏度
管段号 对虚节点15的敏度 对虚节点16的敏度 对虚节点17的敏度 对虚节点18的敏度
1 0.56 0.60 0.46 0.54
2 0.58 0.62 0.48 0.54
3 0.30 0.26 0.34 0.28
4 0.28 0.26 0.34 0.26
5 0.14 0.14 0.18 0.18
6 0.30 0.22 0.04 0.18
7 0.32 0.28 0.32 0.28
8 0.06 0.06 0.14 0.14
9 0.08 0.12 0.34 0.16
10 0.02 0.02 0.02 0.00
11 0.04 0.06 0.12 0.06
12 0.04 0.18 0.34 0.12
13 0.02 0.04 0.02 0.44
14 0.04 0.02 0.06 0.38
15 0.00 0.00 0.06 0.06
16 0.06 0.06 0.08 0.06
17 0.08 0.08 0.10 0.12
18 0.06 0.08 0.04 0.18
19 0.62 0.18 0.08 0.06
20 0.38 0.18 0.08 0.06
21 0.06 0.78 0.38 0.58
22 0.06 0.22 0.38 0.58
23 0.06 0.10 0.56 0.10
24 0.06 0.10 0.44 0.10
25 0.02 0.04 0.02 0.46
26 0.02 0.04 0.04 0.54
代入建立优化布置的目标函数如式（2）所示。
       
Figure 2012102783596100002DEST_PATH_IMAGE018
             （2）
式中：
Figure 432176DEST_PATH_IMAGE013
为流量监测点数，本实例N=26；
Figure 810067DEST_PATH_IMAGE014
为可能的故障管段数（即需要添加虚节点的数量），本实例M=4；为测点敏度，为已知值，见表2；
Figure 61106DEST_PATH_IMAGE016
为权重，代表该管段的重要程度，可以体现为发生故障的可能性大小，本例取
Figure 343183DEST_PATH_IMAGE016
均为1。
求满足的流量监测点布置即为最优监测点组合结果。求目标函数的极小值，可应用各种离散优化计算方法。本例采用遗传算法，可参见参考文献：[1].王伟哲，郄志红，刘美霞，吴鑫淼. 基于改进遗传算法的供水管网故障监测点布置优化[J], 水利发电学报. 2012,31(1):15-19.
经优化计算本实例的最优监测点组合结果为（19,21,23）（如图2所示）。基于上述优化结果对概化管网进行了模拟故障诊断分析，并与基于水压监测信息诊断结果（参考文献1）进行比较。结果表明两者优化布置结果锁定位置基本相似，但在管网发生轻微爆管情况下，基于监测点优化的流量监测信息的诊断效果更好，可以识别漏水量1L/s以上的故障而基于水压监测点优化后的水压信息只能诊断出5L/s以上的漏水故障。

Claims (1)

1.一种供水管网泄漏故障诊断的流量监测点优化布置方法，其特征在于，将故障前后监测管段                                                
Figure 583259DEST_PATH_IMAGE001
的流量变化
Figure 549947DEST_PATH_IMAGE002
与漏水点j的泄漏流量
Figure 945156DEST_PATH_IMAGE003
的比值
Figure 697212DEST_PATH_IMAGE004
定义为漏水点j处的漏水量对监测管段
Figure 519674DEST_PATH_IMAGE005
流量变化的影响率，即流量敏度，并按流量敏度最大与监测点相互独立原则定义函数：
                     （1）
式中：
Figure 172558DEST_PATH_IMAGE007
为流量监测点数；
Figure 779120DEST_PATH_IMAGE008
为可能的故障管段数；
Figure 772484DEST_PATH_IMAGE009
为测点敏度；
Figure 704975DEST_PATH_IMAGE010
为权重，代表该管段的重要程度，可以体现为发生故障的可能性大小，令：
    
Figure 379670DEST_PATH_IMAGE011
                                  （2）
采用离散优化方法求解（2）式，即可求得用于供水系统泄漏故障诊断的流量监测点优化布置结果。
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