CN109458563A

CN109458563A - 一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法

Info

Publication number: CN109458563A
Application number: CN201811233608.3A
Authority: CN
Inventors: 董深; 吕谋; 李红卫
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2019-03-12

Abstract

本发明涉及一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，其特征在于，包括：步骤一：收集管网基础数据并开展管网参数测试；步骤二：构建开放式局域供水管网基础仿真模型；步骤三：建立管网在线监测系统及监测数据的卡尔曼滤波；步骤四：建立开放式局域供水管网动态自适应仿真模型。本发明针对区域供水管网的动态性和随机性，通过提出开放式局域供水管网动态自适应优化技术，克服了以往传统建模方法中对节点流量等参数进行固定化单一化的处理模式；通过在线监测技术，实现了开放式局域供水管网动态自适应仿真建模技术，大大提高了所构建的仿真模型的精度；针对开放式局域供水管网和城市整理供水管网都适用，具有广泛的适用性。

Description

一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法

技术领域

本发明属于市政工程技术领域，具体涉及一种开放式局域供水管网仿真建模技术。

背景技术

建立动态仿真模型是实现城市给水管网的优化控制与科学管理的重要手段。构建较为准确的供水管网仿真模型能够较为准确的掌握管网中真实的水流状态，管网中压力、流量等水力参数的动态分布情况；在此基础上，建立管网水质动态仿真模型，能够实时模拟管网中的水质情况，为保障管网水质、做出合理的调度决策提供重要依据；也可以较为准确地模拟事故时管网的运行工况，为及时、快速的排除事故提供参考对策。此外，对给水管网进行动态仿真模拟，可为管网漏失定位与控制、优化调度与管理、管网改造与改扩建等提供必要的数据基础。

到目前为止，管网建模是仿真系统动态工况的最有效的方法，它能够满足给水管网最有价值的信息需求。进行城市供水管网动态仿真建模并进行水质模拟分析，有效保障供水水质、供水安全性和经济性，实现管网的科学化、现代化管理，是我国城市给水行业在今后5-10年内的科技创新发展方向，也是我国给水行业在近期迫切需要解决的问题。

国内外学者在给水系统的水力建模方面进行了大量的研究，归纳起来，可将管网水力模型分为：宏观模型、微观模型两类。

宏观模型所需数据少，建模快，计算效率高，但适应范围有一定限制。当系统用水量及其它各已知参数变化幅度较大时，可能产生明显的误差。但由于仅依靠管网中所设测流、测压点建模，因而其输出量也只能是相应节点的压力及管段流量，无法了解非测压点及非测流管段的信息。因此，所以这种模型虽建模简单，但无法取代微观模型。宏观模型不能求得管段和节点的工况参数，多用于给水系统调度建模，不宜用于给水系统新建、改建和扩建建模。

微观模型能给出整个管网内部的工作状况，直观性强，但是建立微观模型的前提是：管网拓扑结构比较清楚，各工况参数较易取得，并且管网规模较小，可以满足计算要求。

由于根据连续性方程和能量方程求解系统工况，须已知的参数较多，如管网拓扑结构、管径、管长、管材及节点流量等参数，其计算结果可得到所有节点和管段的全部信息，所以称为微观模型法。一个好的给水管网微观水力模型不仅可以用来分析管网的运行工况，也可以作为扩建、改造、维护、调查出入口和预算花费等活动的重要依据。

随着我国市政公用设施的不断发展，往往需要对城市一个或者几个开放式局域供水管网进行仿真建模，如城市新建或改造区域供水管网。这些开放式局域供水管网通常具有相对独立性和整体性。作为城市供水系统的一部分，这些区域的供水压力、流量分布等与整个供水管网具有一致性，然而，除边界位置发生较大流量交换之外，区域内部管网的运行则具有相对独立性。对于开放式局域供水管网，与周边管网的联结结构较为复杂，管网具有更高的开放性。因此，快速、准确的模拟、了解管网中的水力、水质状况，及时采取有效措施进行管理和维护，对于保障城市供水管网水质具有非常重要的意义。

20世纪60年代，国外学者开始对供水管网的水力模型进行研究，并借助于计算机的快速计算和存储记忆功能来实现管网平差。80年代后，供水管网水力建模分析软件被研发出来，大大的推动了仿真建模技术的发展。对于供水管网水力建模技术的研究，国内起步较晚，直到20世纪90年代，伴随着计算机技术的发展，供水管网仿真建模技术才得到广泛的研究和应用。目前，对供水管网微观仿真建模技术的研究已较为广泛，但是由于城市管网系统的复杂性和地下管线资料的缺乏性等原因，模型的精度和应用的范围都受到一定的限制，且对于开放式局域供水管网的动态仿真建模的研究尚未有人涉足。城市开放式局域供水管网存在着大量的不确定性因素，因此很难描述各类因素对供水系统的影响结果，有些影响因素如边界流量时刻动态变化，不能简单的采用固定值加以量化。对于这些不确定或未知的因素，仅采用常规技术手段进行仿真模拟，将大大影响所构建的模型精度。此外，在开放式局域供水管网仿真建模过程中，还有以下多种因素使水力计算遇到困难：

①从全局上讲，开放式局域供水管网为开放式的复杂系统，其总体拓扑处于时变状态。象以前我们所进行的水力计算，基本上还是采用一种封闭系统的处理方法。

②由于城市发展的不均匀性，致使城市供水系统的建设往往不能按照规划进行，随意性很大，所以使本来已十分复杂的供水内部连接方式更趋复杂，对水力计算也造成一定的困难；

③传统水力计算方法的最重要的缺陷是静态和事后性，难以照顾到整个系统的瞬间波动情况及模型对波动的适应调整情况；

④管道敷设年代跨度大，腐蚀程度各不相同，造成管道的内部摩阻系数相差悬殊；再者，管道的断面减少程度也有所不同，这些因素使工况分析难度更大。用普通的水力计算，很难得出符合实际的结果。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，克服了以往传统建模方法中对节点流量等参数进行固定化单一化的处理模式，提高了所构建的仿真模型的精度，适用于开放式局域供水管网和城市整理供水管网适用性范围广。

一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤

步骤一：收集管网基础数据并开展管网参数测试；

步骤二：构建开放式局域供水管网基础仿真模型；

步骤三：建立管网在线监测系统及对监测数据进行卡尔曼滤波；

步骤四：建立开放式局域供水管网动态自适应仿真模型。

优选的，所述步骤一为，收集管网拓扑、地形图等管网图形信息，管径、管长、节点标高等属性信息，阀门开启度、水泵调速比等动态信息；对大用户流量、管道摩阻等关键参数进行灵敏度分析及参数测试，测试结果将作为管网建模及校核的重要依据。

优选的，所述步骤二为，采用节点流量基础计算模型，计算大用户流量、普通用户流量及漏失量，耦合计算管网基础节点流量及相应变化模式；在上述工作的基础上，初步建立开放式局域供水管网基础水力仿真模型，进而建立基础水质仿真模型。

优选的，所述步骤三为，在开放式局域供水管网边界区域及管网敏感点处优化布设在线压力、流量及水质监测点，以实时监控管网运行过程中的动态变化；对所获取的在线监测数据进行卡尔曼滤波，所述在线监测数据包括监测点处的压力、流量及水质情况信息，将带噪声的监测数据进行盲源分离，为所构建的基础水力仿真模型的动态自适应调整及模型精度的验证提供所必需的数据基础。

优选的，所述步骤四为，将自适应理论与智能优化算法相结合，以卡尔曼滤波后的在线监测数据为基础，建立开放式局域供水管网动态自适应仿真模型；根据局域供水管网在线监测数据的动态变化，进行管网节点流量的动态自适应计算；进一步建立管网动态优化校核模型，实现开放式局域供水管网仿真模型的动态自适应校正。

本发明具有如下优点：

(1)本发明针对区域供水管网的动态性和随机性，通过提出开放式局域供水管网动态自适应优化技术，克服了以往传统建模方法中对节点流量等参数进行固定化单一化的处理模式；

(2)本发明通过在线监测技术，实现了开放式局域供水管网动态自适应仿真建模技术，大大提高了所构建的仿真模型的精度；

(3)本发明虽然主要针对开放式局域供水管网，但对城市整理供水管网同样适用，具有广泛的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1：本发明构建开放式局域供水管网动态自适应仿真模型的流程图；

图2：本发明应用开放式局域供水管网动态自适应仿真模型的流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤

步骤一：收集管网基础数据并开展管网参数测试；

步骤二：构建开放式局域供水管网基础仿真模型；

步骤四：建立开放式局域供水管网动态自适应仿真模型。

具体工作原理：

收集管网拓扑、地形图等管网图形信息，管径、管长、节点标高等属性信息，阀门开启度、水泵调速比等动态信息；对大用户流量、管道摩阻等关键参数进行灵敏度分析及参数测试；

采用节点流量基础计算模型，计算大用户流量、普通用户流量及漏失量，耦合计算管网基础节点流量及相应变化模式:

Q_ij＝{Q_Lij,Q_Sij,Q_Leakij}

式中：λ_i——与节点i相连的所有管段集合；q_nmj——与节点i相连的所有管段上第n类中第m个用户第j时段的用水量，来自于大用户负荷测试结果；l_nm——第n类大用户中第m个所在管段的管长；l_nmi——第n类第m个用户所在位置距节点i的管长；λ——管网系统所有管段的集合；w_m——第m条管段的用户密度权值；C_i——泄漏系数；A₀——泄漏面积；m——漏失面积与漏失压力线性关系的斜率；h_ij——节点i第j时段的压力；n——系数；Q_ij——管网节点流量；Q_Lij——节点基础流量；Q_Sij——大用户节点流量；Q_Leakij——节点漏失量。

初步建立开放式局域供水管网基础水力仿真模型，进而建立基础水质仿真模型：

基础水力仿真模型：

式中：

G_L——L个管段的非线性能量连续方程；G_N——N个节点的线性质量守恒方程；G_R——R个水池或水塔的方程。

基础水质仿真模型：

式中：

C_i——管道i中的物质浓度，为时间t和距离x的函数；u_i——管道i中的物质浓度；r——物质的反应速率；I_k——位于节点k上游的管段集；Q_j(t)——管段j的流量；Q_s(t)——外部水源流入节点s的流量；——管段j的末端与节点s相连处的物质浓度；C_s(t)——外部水源流入节点k的浓度；C_i(t)|_x＝0——管段i起始处的浓度；L_j——管段j的长度。

在开放式局域供水管网边界区域及管网敏感点处优化布设在线压力、流量及水质监测点，以实时监控管网运行过程中的动态变化；对所获取的在线监测数据进行卡尔曼滤波，将带噪声的监测数据进行盲源分离；

将自适应理论与多目标优化算法相结合，以卡尔曼滤波后的在线监测数据为基础，建立开放式局域供水管网动态自适应仿真模型；根据区域供水管网实时监测数据的动态变化，进行管网节点流量的动态自适应计算；进一步建立管网动态优化校核模型：

Q_bmin≤Q_bn≤Q_bmax

式中：f——最小化的目标函数；——反映第i个压力监测点重要性的权系数；——反映第j个流量监测点重要性的权系数；Q_bn——需自适应调整的管网节点流量；Q_bmin,Q_bmax——需自适应调整的管网节点流量的最小、最大值；H_ti，——第t种工况下第i个测压点的模型计算值和现场监测值；q_tj，——第t种工况下第j个测流点的模型计算值和现场监测值。

通过监测点模拟计算值与监测值的比较分析，实现开放式局域供水管网仿真模型的动态自适应校正；最终建立开放式局域供水管网动态自适应仿真模拟技术，具体流程见图2。

图2所示的流程图是为说明开放式局域供水管网动态自适应仿真模拟技术具体的应用过程。首先，通过在管网中优化布设一定数量的压力、流量、水质等监测点，实时监测管网关键参数的动态变化，并采用所建立的开放式区域供水管网仿真模型进行管网实时工况的仿真模拟；对监测点处压力、流量等模拟值与所获得的监测值进行比较分析，判断模拟误差及监测数据变化是否均在设定范围内；如果超出设定域，说明所构建的仿真模型的关键参数设置不合理，模型误差较大，或仿真模型已无法跟当前管网实时工况相吻合，需要进行动态自适应调整；此时可应用开放式局域供水管网动态自适应仿真模型，进行管网参数的动态自适应校正计算，及时优化校正管网关键参数，使所构建的仿真模型具有根据管网工况的实时变化而动态调整的能力，大大提高了模型精度。

图1所示的流程图是为说明开放式局域供水管网动态自适应仿真模拟技术具体的构建过程。收集管网拓扑、地形图等管网信息，对大用户流量、管道摩阻等关键参数进行灵敏度分析及参数测试，进一步开展管网图形、属性及动态参数模拟；优化布置管网压力、流量等监测点，对所获取的监测数据进行卡尔曼滤波；采用智能优化算法，建立管网节点流量动态计算模型及管网动态优化校核模型，并进行节点流量的动态自适应计算；在此基础上，构建开放式局域供水管网动态水力、水质仿真模型，实现管网水力、水质仿真模拟计算；通过模拟数据与监测数据的对比分析，当误差较大，超出预先设定的精度时，采用所建立的管网动态优化校核模型，进行管网关键参数的动态自适应校正，以动态提高模型精度；在上述步骤的基础上，最终实现开放式局域供水管网动态自适应仿真模拟技术。

本发明为开放式局域供水管网提供了一种高精度动态仿真建模方法，解决了区域供水管网边界流量等参数发生动态变化时，所构建的仿真模型难以实现适应性动态调整的问题，大大的提高了供水管网仿真建模精度，具有极高的社会效益和实用性。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤

步骤一：收集管网基础数据并开展管网参数测试；

步骤二：构建开放式局域供水管网基础仿真模型；

步骤四：建立开放式局域供水管网动态自适应仿真模型。

2.根据权利要求1所述的一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，其特征在于：所述步骤一为，收集管网拓扑、地形图等管网图形信息，管径、管长、节点标高等属性信息，阀门开启度、水泵调速比等动态信息；对大用户流量、管道摩阻等关键参数进行灵敏度分析及参数测试，测试结果将作为管网建模及校核的重要依据。

3.根据权利要求1所述的一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，其特征在于：所述步骤二为，采用节点流量基础计算模型，计算大用户流量、普通用户流量及漏失量，耦合计算管网基础节点流量及相应变化模式；在上述工作的基础上，初步建立开放式局域供水管网基础水力仿真模型，进而建立基础水质仿真模型。

4.根据权利要求1所述的一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，其特征在于：所述步骤三为，在开放式局域供水管网边界区域及管网敏感点处优化布设在线压力、流量及水质监测点，以实时监控管网运行过程中的动态变化；对所获取的在线监测数据进行卡尔曼滤波，所述在线监测数据包括监测点处的压力、流量及水质情况信息，将带噪声的监测数据进行盲源分离，为所构建的基础水力仿真模型的动态自适应调整及模型精度的验证提供所必需的数据基础。

5.根据权利要求1所述的一种开放式局域供水管网动态自适应仿真建模方法，其特征在于：所述步骤四为，将自适应理论与智能优化算法相结合，以卡尔曼滤波后的在线监测数据为基础，建立开放式局域供水管网动态自适应仿真模型；根据局域供水管网在线监测数据的动态变化，进行管网节点流量的动态自适应计算；进一步建立管网动态优化校核模型，实现开放式局域供水管网仿真模型的动态自适应校正。