CN103955872A - 一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法 - Google Patents

Abstract

一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法，本发明涉及一种管网压力分区方法，结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法。本发明是要解决传统供水管网压力分区通常只考虑节点压力相似性，而不考虑管网拓扑结构，导致分区成本过高，工程实用性不强的问题。一、建立全管网水力模拟模型；二、将供水管网拓扑图转变为深度优先森林，并将深度优先森林划分为两个子图G_i和G_j；三、利用蚁群算法优化子图边界，使子图之间的管段连接最小化；四、对于不符合直接供水要求的区域与周围区域进行压力相似性分析，相似程度大的区域进行合并；五、断开区域之间的拓扑连接，判断是否安装减压阀，形成最终压力分区方式。本发明应用于城市供水领域。

Description

一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法

技术领域

本发明涉及一种管网压力分区方法，特别是指结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法。

背景技术

一般城市供水管网布局是中心区域主要供水管网成环状，以保证供水安全性；城市边缘布置为树状，以便向各用水点供水。目前，我国随着城市规模的不断扩大，部分城市供水管网几经扩建，城市供水管网管段连接冗繁，结构错综复杂，压力分配极不均衡，部分分区只是人为的划分片区，这就造成了供水管网优化调度困难，管网漏失严重且不易计量，经济效益差的问题。

近20多年来，国内外专家学者研究出一种新的供水管网漏损管理结构，即将管网划分为若干个压力计量分区(PMA)，即根据城市的地形和用户对水头的要求，将供水管网分成不同的压力分区。从控制漏失的角度考虑,也有压力分区的必要。该方法是以供水管网中压力与漏失之间的正比例关系为理论基础，依据地形高程分布或等水压线分布，将管网分为若干个压力区，通过控制所有或部分压力区，降低整个管网的平均水压，实现减少漏失的目的。

传统分区方法主要通过节点压力聚类进行分区，由于我国供水管网多以环状管网为主，该分区方法会导致各分区之间共用管网较多，实施分区时需对各分区边界管网进行较大程度改扩建，而国内已经实施管网分区的城镇地区，都是依据自然地理条件或行政区域仅凭人工经验进行划分的，即按照管理分区的原则，利用现有的最为明显的边界进行分区规划，已达到最大限度简化管理的目的。但这种分区方式，并没有考虑水力条件，即没有考虑如何节省能耗、是管网压力均衡、提高供水运行效率等，缺乏科学的指导。

发明内容

本发明是要解决传统供水管网压力分区通常只考虑节点压力相似性，而不考虑管网拓扑结构，导致分区成本过高，工程实用性不强的问题，而提供了一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法。

一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法按以下步骤实现：

一、建立全管网水力模拟模型，并根据实测数据进行全管网水力模拟模型校核；

二、将供水管网拓扑图转变为深度优先森林，并将深度优先森林划分为两个子图G_i和G_j；

三、利用蚁群算法优化子图边界，使子图之间的管段连接最小化；

四、对所得子图重复二、三步骤直到子图数量大于要求分区数，对于不符合直接供水要求的区域与周围区域进行压力相似性分析，相似程度大的区域进行合并；

五、断开区域之间的拓扑连接，利用水力模拟模型进行计算，分析各区域的降压潜力，判断是否安装减压阀，形成最终压力分区方式，即完成了结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法。

发明效果：

本发明的一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法是在传统规划分区供水的基础上发展而来的，在充分利用管网拓扑结构特性基础上，以压力相似进行分区优化，保证分区后各个区域内水压均在合理的范围内，实现稳压供水，提高供水质量，且易于实施，分区投资较少。

本发明将图论和蚁群算法引入到供水管网分区领域，具有快速、科学、合理的优点，可有效指导实际管网分区。

优化子图边界，使子图之间连接管段尽量最小，可有效降低工程改扩建难度及造价。

使无法满足主干管直接供水的区域与周围压力相似程度高的区域合并，保证压力分区的合理性。

本发明提出的一种结合蚁群算法和压力相似性分析的供水管网压力分区方法，使分区充分利用现有管网拓扑关系、达到各分区压力平衡、分区改造少、易于实施,投资较少。并依据各分区特点在入口处安装减压阀，从而将整个管网压力控制在一定范围内，有利于减少爆管率和漏失率，增加管道使用年限。

传统的分区方法是纸上谈兵的分区方法，仅通过压力相关性为评判标准进行分区，划分出的分区往往不符合实际，实施分区所需要断开的管段数量太多，管网面临非常多的改造工程量，实际实施起来非常困难，成本过高。本发明首先以实际管网拓扑结果分析为出发点，尽量利用实际管网拓扑连接特点，可以保证实施改造工程量比传统方法少很多。其次，对拓扑结构进行分析后(分析方法是利用图论和蚁群算法进行管网分区)，在分区结果中对每个分区进行压力相似性分析，从而保证分区后压力满足用户需求，实现传统方法分区效果。综上所述，本阀门既能保证传统分区方法的分区压力效果，又能从实际出发，避免传统分区方法出现的不符合实际、改造工程量多、投资高、难实施的缺点。从技术和经济方面综合分析出最优的分区方法。

附图说明

图1是本发明流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法按以下步骤实现：

一、建立全管网水力模拟模型，并根据实测数据进行全管网水力模拟模型校核；

二、将供水管网拓扑图转变为深度优先森林，并将深度优先森林划分为两个子图G_i和G_j；

三、利用蚁群算法优化子图边界，使子图之间的管段连接最小化；

四、对所得子图重复二、三步骤直到子图数量大于要求分区数，对于不符合直接供水要求的区域与周围区域进行压力相似性分析，相似程度大的区域进行合并；

五、断开区域之间的拓扑连接，利用水力模拟模型进行计算，分析各区域的降压潜力，判断是否安装减压阀，形成最终压力分区方式，即完成了结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法。

本发明的技术原理是：通过深度优先搜索算法将管网拓扑图转变成深度优先森林，把深度优先森林划分为2个子图，运用蚁群算法优化两个子图的边界。循环运用深度优先算法和蚁群算法，直到分区数量达到要求。对离供水主干管较远的分区与邻近分区进行压力相似性分析，将相似程度高的两分区合并，得到最终压力分区形式。对各分区进行降压潜力分析，判断是否在区域入口处安装减压阀。

压力与漏失之间关系：

$Q_j={\mathrm{\λ}}_j{H}_j^{1.18},j=\mathrm{1,2}...N$

如果在一个漏口处水压减半，即(H₁/H₀＝0.5)，漏失指数分别为0.5，1.0，2.5时的漏失量将分别降低29％，50％和82％。

因此，通过该公式可证明：压力越大越容易发生爆管，漏失越多，在分区入口安装减压阀，进行分区内减压，可以有效降低漏失。但安装减压阀前必须先进行管网分区，将整个管网划分为若干个子区域，保证每个子区域内压力相似性，这样才可以各子区域入口减压阀减压效果达到最佳。

综上所述，为降低管网漏失，需先进行管网分区，分区后安装减压阀。分区不合理，会导致分区内压力不平衡，用户水压难以满足，入口减压阀减压幅度小，没有效果。因此，管网分区是降低漏失效果的关键环节，也是近年来供水行业研究的热点。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中根据实测数据进行全管网水力模拟模型校核具体为：

模型校核实施过程中将根据实际情况利用SCADA和现场实测数据，对已经建立的全管网水力模拟模型进行率定，修正全管网水力模型参数，并应用实测数据进行全管网水力模型的校核和精度评价；

其中，所述实测数据包括管网实际运行时各监测点采集的管网压力和流量监测数据与水厂二泵房运行信息；

所述模型校核包括静态校核和动态校核；

静态校核：主要包括管网拓扑结构校核、用户位置及流量校核、水泵特性曲线修正校核；；

动态校核：根据静态校核结果，适当增加流量、测压点，通过实测流量与压力数据进行24h连续动态校核，最终保证全管网测压点计算值与实测值满足模型校核要求。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中将供水管网拓扑图转变为深度优先森林，并将深度优先森林划分为两个子图G_i和G_j具体为：

在供水管网拓扑图中选取一点作为起点，进行深度优先搜索，形成深度优先森林，将深度优先森林划分成两个子图G_i和G_j，保证G_i和G_j之间有管段相连，G_i和G_j中节点标注不同的颜色；其中，所述划分原则为在两个子图有管段相连的基础上，两个子图中节点数之差的绝对值最小，即尽可能使两个子图具有相同的节点数。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤三中利用蚁群算法优化子图边界，使子图之间的管段连接最小化具体为：

假设节点i∈G_i，定义节点i的方向属性为其中N_i为与节点i相连的节点总数，N_j为与节点i相连但与节点i属于不同子图的节点数；确定蚂蚁数量为q，将蚂蚁随机分布在供水管网拓扑图的节点上；蚂蚁按照供水管网的拓扑结构以P_m的概率从D_i较低的节点向D_i较高的节点移动，并且在移动过程中以P_c概率使D_i>0.5的节点改变节点颜色从而降低节点D_i；蚁群优化算法的目标函数为l_ij为连接子图G_i和G_j的管线。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四中对于不符合直接供水要求的区域与周围区域进行压力相似性分析，相似程度大的区域进行合并具体为：

无法由主干管直接供水需要与周围区域合并，以实现所有区域均能由主干管直接供水，便于减压阀安装和压力控制的区域，即为H区域；

H区域节点的压力以及坐标形成一个3×n的矩阵A_H：

$\left[\begin{array}{cccccc}{P}_1& P_2& ...& P_i& ...& P_n\\ X_1& X_2& ...& X_i& ...& X_n\\ Y_1& Y_2& ...& Y_i& ...& Y_n\end{array}\right]$

P_i为节点的压力，X_i为节点的横坐标，Y_i为节点的纵坐标，对A_H矩阵进行标准差规格化处理：

${\mathrm{\ρ}}_i=\frac{P_i-\stackrel{\‾}{P}}{S_P},{\mathrm{\χ}}_i=\frac{X_i-\stackrel{\‾}{X}}{S_X},{\mathrm{\γ}}_i=\frac{Y_i-\stackrel{\‾}{Y}}{S_Y}$

式中，分别为矩阵A_H中各点压力，横坐标，纵坐标的均值；

S_P，S_X，S_Y分别为矩阵A_H中各点压力，横坐标，纵坐标的标准差；

处理后得到矩阵B_H： $\left[\begin{array}{cccccc}{\mathrm{\ρ}}_1& {\mathrm{\ρ}}_2& ...& {\mathrm{\ρ}}_i& ...& {\mathrm{\ρ}}_n\\ {\mathrm{\χ}}_1& {\mathrm{\χ}}_2& ...& {\mathrm{\χ}}_i& ...& {\mathrm{\χ}}_n\\ {\mathrm{\γ}}_1& {\mathrm{\γ}}_2& ...& {\mathrm{\γ}}_i& ...& {\mathrm{\γ}}_n\end{array}\right],$ 对B_H矩阵进行极差规格化处理：

$p_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i-{\mathrm{\ρ}}_{\min }}{{\mathrm{\ρ}}_{\max }-{\mathrm{\ρ}}_{\min }},x_i=\frac{{\mathrm{\χ}}_i-{\mathrm{\χ}}_{\min }}{{\mathrm{\χ}}_{\max }-{\mathrm{\χ}}_{\min }},y_i=\frac{{\mathrm{\γ}}_i-{\mathrm{\γ}}_{\min }}{{\mathrm{\γ}}_{\max }-{\mathrm{\γ}}_{\min }}$

式中，ρ_min，χ_min，γ_min分别为B_H矩阵中各行最小值；

ρ_max，χ_max，γ_max分别为B_H矩阵中各行最大值；

处理后得到C_H矩阵：

$\left[\begin{array}{cccccc}{p}_1& p_2& ...& p_i& ...& p_n\\ x_1& x_2& ...& x_i& ...& x_n\\ y_1& y_2& ...& y_i& ...& y_n\end{array}\right]$

对C_H矩阵各行求均值得D_H矩阵： $\left[\begin{array}{c}{P}_H\\ X_H\\ Y_H\end{array}\right],$ 同理对H区域周围的L区域进行以上运算求得D_L，，计算H区域与L区域的类距离d_HL＝(D_H-D_L)'(D_H-D_L)，比较H区域与周围各区域的类距离，将H区域与类距离最小的区域合并。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤五中断开区域之间的拓扑连接，利用水力模拟模型进行计算，分析各区域的降压潜力，判断是否安装减压阀具体为：

关闭区域间连接的管段，使各区域由主干管单独供水，通过全管网水力模拟模型计算出各区域最不利点压力值P，P_ct为供水压力最低要求值，若△P＝P-P_ct>5m，则认为该区域具有降压潜力，可在区域入口处安装减压阀。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

Claims (6)

1.一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法，其特征在于它按以下步骤实现： 

一、建立全管网水力模拟模型，并根据实测数据进行全管网水力模拟模型校核； 

二、将供水管网拓扑图转变为深度优先森林，并将深度优先森林划分为两个子图G_i和G_j； 

三、利用蚁群算法优化子图边界，使子图之间的管段连接最小化； 

四、对所得子图重复二、三步骤直到子图数量大于要求分区数，对于不符合直接供水要求的区域与周围区域进行压力相似性分析，相似程度大的区域进行合并； 

五、断开区域之间的拓扑连接，利用水力模拟模型进行计算，分析各区域的降压潜力，判断是否安装减压阀，形成最终压力分区方式，即完成了结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法。 

2.根据权利要求1所述的一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法，其特征在于所述步骤一中根据实测数据进行全管网水力模拟模型校核具体为： 

模型校核实施过程中将根据实际情况利用SCADA和现场实测数据，对已经建立的全管网水力模拟模型进行率定，修正全管网水力模型参数，并应用实测数据进行全管网水力模型的校核和精度评价； 

其中，所述实测数据包括管网实际运行时各监测点采集的管网压力和流量监测数据与水厂二泵房运行信息； 

所述模型校核包括静态校核和动态校核； 

静态校核：主要包括管网拓扑结构校核、用户位置及流量校核、水泵特性曲线修正校核； 

动态校核：根据静态校核结果，适当增加流量、测压点，通过实测流量与压力数据进行24h连续动态校核，最终保证全管网测压点计算值与实测值满足模型校核要求。 

3.根据权利要求1或2所述的一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法，其特征在于所述步骤二中将供水管网拓扑图转变为深度优先森林，并将深度优先森林划分为两个子图G_i和G_j具体为： 

在供水管网拓扑图中选取一点作为起点，进行深度优先搜索，形成深度优先森林，将深度优先森林划分成两个子图G_i和G_j，保证G_i和G_j之间有管段相连，G_i和G_j中节点标注不同的颜色；其中，所述划分原则为在两个子图有管段相连的基础上，两个子图中节点 数之差的绝对值最小，即尽可能使两个子图具有相同的节点数。 

4.根据权利要求3所述的一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法，其特征在于所述步骤三中利用蚁群算法优化子图边界，使子图之间的管段连接最小化具体为： 

假设节点i∈G_i，定义节点i的方向属性为其中N_i为与节点i相连的节点总数，N_j为与节点i相连但与节点i属于不同子图的节点数；确定蚂蚁数量为q，将蚂蚁随机分布在供水管网拓扑图的节点上；蚂蚁按照供水管网的拓扑结构以P_m的概率从D_i较低的节点向D_i较高的节点移动，并且在移动过程中以P_c概率使D_i>0.5的节点改变节点颜色从而降低节点D_i；蚁群优化算法的目标函数为l_ij为连接子图G_i和G_j的管线。 

5.根据权利要求4所述的一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法，其特征在于所述步骤四中对于不符合直接供水要求的区域与周围区域进行压力相似性分析，相似程度大的区域进行合并具体为： 

无法由主干管直接供水需要与周围区域合并，以实现所有区域均能由主干管直接供水，便于减压阀安装和压力控制的区域，即为H区域； 

H区域节点的压力以及坐标形成一个3×n的矩阵A_H： 

P_i为节点的压力，X_i为节点的横坐标，Y_i为节点的纵坐标，对A_H矩阵进行标准差规格化处理： 

式中，分别为矩阵A_H中各点压力，横坐标，纵坐标的均值； 

S_P，S_X，S_Y分别为矩阵A_H中各点压力，横坐标，纵坐标的标准差； 

处理后得到矩阵B_H：对B_H矩阵进行极差规格化处理： 

式中，ρ_min，χ_min，γ_min分别为B_H矩阵中各行最小值； 

ρ_max，χ_max，γ_max分别为B_H矩阵中各行最大值； 

处理后得到C_H矩阵： 

对C_H矩阵各行求均值得D_H矩阵：同理对H区域周围的L区域进行以上运算求得D_L，计算H区域与L区域的类距离d_HL＝(D_H-D_L)'(D_H-D_L)，比较H区域与周围各区域的类距离，将H区域与类距离最小的区域合并。 

6.根据权利要求5所述的一种结合蚁群算法和压力相似性分析的管网压力分区方法，其特征在于所述步骤五中断开区域之间的拓扑连接，利用水力模拟模型进行计算，分析各区域的降压潜力，判断是否安装减压阀具体为： 

关闭区域间连接的管段，使各区域由主干管单独供水，通过全管网水力模拟模型计算出各区域最不利点压力值P，P_ct为供水压力最低要求值，若△P＝P-P_ct>5m，则认为该区域具有降压潜力，可在区域入口处安装减压阀。