CN107143750B - 一种管网爆管监控网络的空间布置方法 - Google Patents
一种管网爆管监控网络的空间布置方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种管网爆管监控网络的空间布置方法。本发明包括基础数据采集与分析步骤，在管网中布置若干压力和流量监测设备，并提取数据分析管网中压力和流量的波动程度；爆管分析步骤：建立水力模型，分析爆管对管网产生的冲击程度，判断爆管冲击是否超过管网的正常波动幅度；监测网优化步骤：以最大可能监控到爆漏量建立监测网优化函数进行空间优化，逐步增加监测点个数使得爆管监控覆盖率增加小于一定量后停止。本发明建立了完整的爆管监测网布置方法，通过分析管网的自然波动，保证监测网能够捕捉到爆管冲击为目标，合理的进行监测网的空间布局及数量控制，能够经济合理高效地提供管网爆管应急预警。
Description
技术领域
本发明涉及城市供水管网安全监控领域，具体涉及一种城市供水管网的爆管监控传感器网络的空间布置方法。
背景技术
城市供水管网是城市的生命线工程，城市的主干管爆管，往往带来极为严重的后果。随着管网信息化和智慧水务的推进，爆管事故的实时在线监测是供水企业安全保障的重要组成部分，也越来越受到重视。目前爆管主要是通过现场人员发现后，通过热线电话等方式反馈给运营企业，这种方式效率很低，不能及时反映情况，因此布置压力计与流量仪等在线监控设备是解决爆管反应慢的一种重要手段。当以某压力监测点数据跌破阈值或者某个区域的流量监测数据超出常规范围作为判别标准，则认为该传感器附近可能发生爆管。要进行爆管监控，首先要考虑布置监测网。由于监测技术、监测网建设和维护成本的限制，监测点的数量是有限的，必须有效地布置在合理位置，才能最大限度地监控管网爆管情况。
发明内容
本发明针对目前爆管监测网布置，提供了一种更为合理有效的布置方法，能够有效的优化监控网络，并分析可监控网络可监控到的爆管，以及任何一个管道爆裂后通过那些指定的监测仪表进行监控。
本发明方法包括以下步骤：
步骤(1)：在待监控的城市供水管网中布设若干压力传感器和流量传感器，采集管网中压力和流量数据；
用于监测的压力传感器在空间上应有一定的代表性，一般情况布置在管道大于DN300的管线上，特殊情况下可以布置在DN200的管线上；对于每个供水水源的范围内布测点不少于2个，其中一个在管网末梢，一个在水源到末梢点的中间位置；
通过压力和流量监控仪器记录集一个月以上的计量数据，采集的数据必须连贯，连续有效数据不低于95％；采样周期不大于15分钟一次；典型数据应当涵盖春夏秋冬四个季节，使得数据的代表性更强。
步骤(2)：将步骤(1)采集到的压力、流量数据进行采样预处理，剔除异常数据，提取压力、流量的波动特征数据；
所述的异常数据为数值小于0、绝对值明显超过合理范围、单步波动变化超过合理范围的数据；其中合理范围指监控仪器测量范围，其中单步波动变化是指前后两个采集时间点监测值之差；
所述的压力、流量的波动特征数据提取是根据监测点前后两个时间段的波动变化计算，有效时间间隔值为5～15分钟。计算合理波动变化范围的一种方法是波动变化的2～3倍方差位置与正态分布曲线偏离拐点作为指定的合理波动变化水平；另外一种方法是对波动变化数据按照从小到大进行排列，计算其累计概率，定义1％-5％范围为可监控阈值或合理波动水平。
步骤(3)：建立整个供水系统的管网水力模型,并利用该供水管网水力模型进行爆管模拟分析，计算每根管道爆管对管网产生的冲击程度，并记录管网模型中任意两根管道连接节点的压力下降值和漏水量；
所述的管网水力模型的规模要求为：指定流速为1m/s条件时，输水量不小于供水系统1/500总供水量的管道；
所述的爆管事件模拟分析过程中的漏水量计算方式以下三种模式：(1)指定的管道爆裂后漏水口面积，按照孔口出流方式计算漏水量；(2)直接指定管道流量增加值；(3)指定管道爆管后，流速增加量乘以管道面积。
步骤(4)：比较供水管网水力模型计算得到的管网中任何一根管道模拟爆管产生的压力下降和漏水量是否超过根据步骤(2)计算得到的管网合理波动水平，并确定压力和流量监测仪表所能监控的管径范围和空间区域。
步骤(5)：为最大可能监控到压力下降值和漏水量建立定义在指定爆管烈度下管网爆管监控网络布置的空间优化函数，采用遗传算法搜索n个监测点在空间不同节点位置情况下函数的最优值，其中优化过程中只有爆管漏水量产生的压力降低值超过监测阈值的节点可作为监测点待选地址：
其中，F是爆管产生的漏水量；l是爆管的管长；j是第j个监测点；i是第i根管道；W是监测点加权权重，一般情况取1；为限制监测点之间的最小距离范围，当监测点距离小于d0＝1000～1500米，W按照(d/d0)的指数减小；m是被监控的管道数；
给定是监测点的个数n从2开始，每次增加1个测点，从重复步骤(5)操作，在最优布置情况下逐步增加监测点个数，使得爆管监控覆盖率增加小于1％后停止操作。
所述的爆管烈度为指定的管道管径爆裂后的漏水量水平，如指定爆管后，漏水量为1000立方米/小时，或者管道流速增加1m/s。
步骤(6)、现场调查监测点的地形地貌，判断是否适合接电和安装。如果不适合，则将该监测点剔除，将该测点列入不可布置点集合类，重复步骤(5)进行优化布点。
记录优选后的节点作为优化布点位置，并将优选后的所有节点布置在管道图上，标记选项节点能够监控到的爆管管线。
本发明的有益效果是：
1、本发明针对爆管监测网布置提供了一种可以评估监控爆管效果的布置方法:①能够分析管道系统监控网络可监控到的爆管管道和爆管的烈度；②能够有效地优化监控网络，使得在有限的监测仪表数量下，最大程度的监控整个供水管网系统；③能够分析任何一根管道爆裂后通过哪些指定的监测仪表进行监控。
2、本发明创新的采用了将管网监测数据的波动变化的统计数据作为评估爆管是否可以监测的标准。
3、本发明创新的提出了爆管烈度作为优化监测点步骤的重要因素之一，指出了只有一定程度下的爆管，才作为爆管监控体系中监控对象，避免了不切实际的无限制加密监测网，乱费财力物力。
附图说明
图1是本发明实现爆管监测点布置的一个实施的流程图。
图2是本发明基于水力模型分析爆管对周边影响范围图。
图3是本发明进行优化计算过程中，随着监测点增加，爆管监控覆盖率增加的过程记录。
图4是本发明基于优化算法得到的监测点空间优化结果。
具体实施方式
为了更清晰的说明本发明实施的技术方案，下面将对实施过程使用的附图进行简单说明。
一种管网爆管监控网络的空间布置方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤(1)：在待监控的城市供水管网中布设若干压力传感器和流量传感器，采集管网中压力和流量数据；
用于监测的压力传感器在空间上应有一定的代表性，一般情况布置在管道大于DN300的管线上，特殊情况下可以布置在DN200的管线上；对于每个供水水源的范围内布测点不少于2个，其中一个在管网末梢，一个在水源到末梢点的中间位置；
通过压力和流量监控仪器记录集一个月以上的计量数据，采集的数据必须连贯，连续有效数据不低于95％；采样周期不大于15分钟一次；典型数据应当涵盖春夏秋冬四个季节，使得数据的代表性更强。
步骤(2)：将步骤(1)采集到的压力、流量数据进行采样预处理，剔除异常数据，提取压力、流量的波动特征数据；
所述的异常数据为数值小于0、绝对值明显超过合理范围、单步波动变化超过合理范围的数据；其中合理范围指监控仪器测量范围，其中单步波动变化是指前后两个采集时间点监测值之差；
所述的压力、流量的波动特征数据提取是根据监测点前后两个时间段的波动变化计算，有效时间间隔值为5～15分钟。计算合理波动变化范围的一种方法是波动变化的2～3倍方差位置与正态分布曲线偏离拐点作为指定的合理波动变化水平；另外一种方法是对波动变化数据按照从小到大进行排列，计算其累计概率，定义1％-5％范围为可监控阈值或合理波动水平。
步骤(3)：建立整个供水系统的管网水力模型,并利用该供水管网水力模型进行爆管模拟分析，计算每根管道爆管影响范围，并记录管网模型中任意两根管道连接节点的压力下降值和漏水量。图2是基于水力模型分析爆管对周边影响范围图。
所述的管网水力模型的规模要求为：指定流速为1m/s条件时，输水量不小于供水系统1/500总供水量的管道；
所述的爆管事件模拟分析过程中的漏水量计算方式以下三种模式：(1)指定的管道爆裂后漏水口面积，按照孔口出流方式计算漏水量；(2)直接指定管道流量增加值；(3)指定管道爆管后，流速增加量乘以管道面积。
步骤(4)：比较供水管网水力模型计算得到的管网中任何一根管道模拟爆管产生的压力下降和漏水量是否超过根据步骤(2)计算得到的管网合理波动水平，并确定压力和流量监测仪表所能监控的管径范围和空间区域。
步骤(5)：定义在指定爆管烈度下管网爆管监控网络布置的空间优化函数。采用遗传算法搜索n个监测点在空间不同节点位置情况下函数的最优值，其中优化过程中只有爆管漏水量产生的压力降低值超过监测阈值的节点可作为监测点待选地址：
其中，F是爆管产生的漏水量；l是爆管的管长；j是第j个监测点；i是第i根管道；W是监测点加权权重，一般情况取1，为限制监测点之间的最小距离范围，当监测点距离小于d0＝1000～1500米，W按照(d/d0)的指数减小；m是被监控的管道数；
定义当处于野外地面平坦的情况下，任意两个监测点之间的应保持合理的距离，距离不大于视距以协助爆管后现场处理能快速定位；在城市街区范围内，任意两个测点不布置在一个街道上，但最大距离超过于4个街区；
图3是本发明进行优化计算过程中，随着监测点增加，爆管监控覆盖率增加的过程记录。
给定是监测点的个数n从2开始，每次增加1个测点，从重复步骤(5)操作，并计算每次最优布置情况下，计算被监控管线的覆盖率，当覆盖率增加小于1％以后，停止操作。其中覆盖率为被监控到的管道长度/总管道长度。
所述的爆管烈度为指定的管道管径爆裂后的漏水量水平，如指定爆管后，漏水量为1000立方米/小时，或者管道流速增加1m/s。
步骤(6)、现场调查监测点的地形地貌，判断是否适合接电和安装。如果不适合，则将该监测点剔除，将该测点列入不可布置点集合类，重复步骤(5)进行优化布点。
记录优选后的节点作为优化布点位置，并将优选后的所有节点布置在管道图上，标记选项节点能够监控到的爆管管线。
图4是本发明基于优化算法得到的监测点空间优化结果。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种管网爆管监控网络的空间布置方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤(1)：在待监控的城市供水管网中布设若干压力传感器和流量传感器，采集管网中压力和流量数据；
步骤(2)：将步骤(1)采集到的压力、流量数据进行采样预处理，剔除异常数据，提取压力、流量的波动特征数据；
步骤(2)所述的压力、流量的波动特征数据提取是根据监测点前后两个时间段的波动变化计算波动特征数据，有效时间间隔值为5～15分钟；
合理波动水平是指波动变化的2～3倍方差位置与正态分布曲线偏离拐点作为指定的合理波动变化水平；或对波动变化数据按照从小到大进行排列，计算其累计概率，定义1％-5％范围；
步骤(3)：建立整个供水系统的管网水力模型,并利用该供水管网水力模型进行爆管模拟分析，计算每根管道爆管对管网产生的冲击程度，并记录管网模型中任意两根管道连接节点的压力下降值和漏水量；
步骤(4)：比较供水管网水力模型计算得到的管网中任何一根管道模拟爆管产生的压力下降值和漏水量是否超过根据步骤(2)计算得到的管网合理波动水平，并确定压力和流量监测仪表所能监控的管径范围和空间区域；
步骤(5)：为最大可能监控到压力下降值和漏水量建立定义在指定爆管烈度下管网爆管监控网络布置的空间优化函数，在最优布置情况下逐步增加监测点个数，使得爆管监控覆盖率增加小于1％后停止操作；
空间优化函数：
其中，F是爆管产生的漏水量；l是爆管的管长；j是第j个监测点；i是第i根管道；W是监测点加权权重；m是被监控的管道数；
步骤(6)、现场调查步骤(5)监测点的地形地貌，判断是否适合接电和安装；如果不适合，则将该监测点剔除，并列入不可布置点集合类，重复步骤(5)进行优化布点；
记录优选后的节点作为优化布点位置，将优选后的所有节点布置在管道图上，并标记该节点能够监控到的爆管管线。
2.如权利要求1所述的一种管网爆管监控网络的空间布置方法，其特征在于步骤(3)所述的管网水力模型的规模要求为：指定流速为1m/s条件时，输水量不小于供水系统1/500总供水量的管道。
3.如权利要求1所述的一种管网爆管监控网络的空间布置方法，其特征在于步骤(3)所述的爆管事件模拟分析过程中的漏水量计算方式采用以下三种模式：(1)指定的管道爆裂后漏水口面积，按照孔口出流方式计算漏水量；(2)直接指定管道流量增加值；(3)指定管道爆管后，流速增加量乘以管道面积。
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