CN109858732A

CN109858732A - 一种城镇供水管网健康状态评价方法

Info

Publication number: CN109858732A
Application number: CN201811516624.3A
Authority: CN
Inventors: 丁相毅; 刘思然; 刘家宏; 吴雷祥; 褚俊英; 赵晓辉; 李昆; 张盼伟; 郭新蕾
Original assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Current assignee: China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明公开了一种城镇供水管网健康状态评价方法，首先构建评价指标体系；计算得到各项评价指标属于各健康等级的模糊后验概率后，综合考虑各影响因子的权重，计算管道健康状态的综合后验概率，再依据最大隶属度原则最终确定供水管网健康状态等级。该方法具有较好的通用性和实用性、较高的科学性和合理性以及定性和定量相结合的特点。

Description

一种城镇供水管网健康状态评价方法

技术领域

本发明属于城市供水安全保障领域，是一种以定量和通用为核心、面向机理的城镇供水管网健康状态评价方法。

背景技术

城市供水管网是城市基础设施的重要组成部分，是保障城市正常生活和生产发展的必要基础。随着城市化的快速提高，水资源供需矛盾问题日益突出。由于供水管网老化、管道环境变化和人为因素的影响，近年来供水管网事故频发，不仅浪费宝贵的淡水资源，甚至对国民生活和社会经济发展带来重大的影响。在这种背景下，城市供水管网健康评价及相关技术应运而生，已成为国内外学者关注的热点之一。采用科学、实用的方法对城市供水管网健康状态进行评价，不仅可为供水管网的维护更新提供理论依据，而且可以降低管网漏损、提高供水安全可靠性、促进供水管理的科学化和经济化，具有十分重要的理论意义和实践应用价值。

目前，供水管网健康评价方法主要分为数理统计法和直接检测法两类。数理统计法以数学推导来评价供水管道运行状态，往往存在评价偏差，另外，该方法需要多年积累的、系统的历史运行数据支持，实施起来较为困难；如果数据不充足、不准确甚至难以获取，则会导致评价结果与实际情况不符。相比于数理统计法，直接检测法能更为准确、有效的判断管道状态，但由于城市供水管网系统复杂庞大，往往需要消耗大量的人力、物力和财力，而且管网系统大部分埋在地下，实际检测工作很难实现；此外，直接检测法没有考虑管网内的水力机理和相关的影响因素，得到的评价结果往往是定性的结论。此外，数学模型在供水管网健康评价中的不断构建与改进以及管道探测设备的不断更新，为供水管网健康评价的方法提供了强大的空间。但目前供水管网健康状态评价的方法往往只考虑水力、水质、可靠性等某一方面对供水管网健康状态的影响，且很少深入分析局部健康状况与供水管网系统整体健康状况的必然联系。城市供水管网的运行是一个复杂的动态过程，各种工况下的供水管网运行状态时刻发生变化且充满不确定性，影响供水管网健康状态的因素众多，且相互关联。进行城市供水管网健康评价时，不仅要结合管材、管龄、管径、糙率等自身结构指标和温度、覆土厚度、道路等级、荷载等外部环境指标进行静态结构评价，还需结合水量、水压、供水能力等水力特征因素和节点余氯、水龄等水质特征因素进行动态评价。然而，目前的供水管网健康状态评价方法往往只考虑水力、水质、静态结构等某一方面对供水管网状态的影响，难以科学全面的评价其整体健康状态。

发明内容

本发明的目的在于克服以上技术缺陷，提供一种城镇供水管网健康状态评价方法，该方法具有较好的通用性和实用性、较高的科学性和合理性以及定性和定量相结合等特点。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种城镇供水管网健康状态评价方法，包括以下步骤：

1)城镇供水管网健康状态评价指标体系构建；

2)后验概率的确定：将贝叶斯模型中管道的指标j的观测值x_j用三角模糊数表示，所述三角模糊数表示为：其中为该项评价指标的一组实测数据的平均值，σ为标准差；改写后的贝叶斯模型以式(2)表示：

式中：表示当管道指标j状态为时，其等级为i的模糊后验概率；表示当管道指标j的等级为i，其状态为的模糊条件概率；P(y_ij)表示管道指标j处于等级i的先验概率；i表示评价模型总管道的等级，i＝1，2，3，4；j表示评价模型中的评价指标；y_ij表示指标j为等级i的事件；为用三角模糊数表示的管道的指标j的观测值；

3)指标权重的确定：采用式(6)、(7)计算：

式中：W_j表示第j项评价指标的权重；D_j表示第j项评价指各等级标准值的标准差；K_ij表示第j项评价指标等级i的标准值；表示第j项评价指标各健康等级标准值的平均值；

n表示评级指标个数；

4)供水管网健康状态等级判定：根据步骤2)得到的后验概率和步骤3)得到的指标权重，先计算管道健康状态的综合后验概率，再依据最大隶属度原则最终确定供水管网健康状态等级(取最大的模糊综合后验概率对应的管道等级为最终的管道健康状态等级)，如式(8)、(9)所示：

式中：表示管道属于等级i的综合后验概率；表示当管道指标j状态为时，其等级为i的模糊后验概率；W_j第j项评价指标的权重；i表示评价模型总管道的等级，i＝1，2，3，4；j表示评价模型中的评价指标；n表示供水管网健康状态等级评价模型中的评价指标个数；表示管道的健康状态等级。

进一步的方案为：步骤1)中城镇供水管网健康状态评价指标体系由11项评价指标组成，该11项指标分别为：管径、管龄、管材、覆土厚度、接口形式、地面荷载、内外衬层、节点水压或最低服务水压、节点流量或总流量、余氯、水龄。

进一步的方案为：步骤2)中先验概率P(y_ij)根据式(3)进行计算：

式中：k_i,j,上表示第j项评价指标等级i的上限值；k_i,j,下表示第j项评价指标等级i的下限值；

k_IV,j,上表示第j项评价指标等级Ⅳ的上限值；k_I,j,上表示第j项评价指标等级Ⅰ的上限值。

进一步的方案为：步骤2)中后验概率根据式(4)、(5)进行计算：

式中：表示评价指标j的距离该指标标准值y′_ij的距离。

本发明的有益效果：

本发明为一种以定量和通用为核心，面向机理、“三位一体”(管内-管道-管外)的供水管网健康动态评价方法。与已有相关评价方法和技术相比，面向机理的供水管网“三位一体”健康动态评价侧重于利用已有的信息，综合考虑“管内、管道、管外”的影响因素以及管网运行过程中的水力机理，对管网运行过程中的各类影响因素进行定量分析，从多个角度动态评估管网健康状况，提高了供水管网健康状态评价的客观性和合理性。

附图说明

图1为供水管网健康状态评价指标体系。

具体实施方式

本发明的一种城镇供水管网健康状态评价方法，步骤包括：

1.城镇供水管网健康状态评价指标体系构建

本发明通过对国内外相关文献的分析比较，根据评价指标的代表性原则、完备性原则、相对独立性原则和可操作性原则，初步筛选了23个指标构成初选评价指标体系，经过概率统计和主观判断，去掉使用频率低和对管网健康状态影响较小的指标，整合关联性较高的指标，并综合考虑我国供水管网实际情况，最终确定了由11项评价指标组成的供水管网健康状态评价指标体系，其中管网静态结构指标7个、水力指标2个、水质指标2个，如图1所示。

上述构建的供水管网健康状态评价指标体系，结合管道普遍机理规则，不仅考虑了管网运行过程中管道衬层、覆土厚度、荷载等因素引起的管网结构变化，同时考虑供水压力、供水量分配情况的水力指标以及余氯和水龄变化的水质指标等动态运行指标的影响，从管内、管道、管外三个方面选取指标，动态与静态相结合，定性与定量相结合，保证了指标体系的完备性和科学性。其中，节点水压、节点流量、余氯、水龄等指标基于EPANET模型模拟获得。

2.贝叶斯模型的三角模糊化获得后验概率

城市供水管网是一个具有随机性和不确定性的复杂系统。贝叶斯方法在描述模型结构不确定性方面考虑的较为完善，根据前人经验和历史资料推断出管道对各等级的可能性，具有推断决策性，但没有充分考虑数据采集过程中的不确定因素。而三角模糊数能反映指标值在一定置信度水平下的变化范围，可以对数据的随机性和模糊性进行描述。考虑到目前我国供水管网的监测资料较少，数据精度不高，为了能够更加客观合理的反映供水管网健康状态，本发明将传统贝叶斯供水管网评价模型中的数据转化为带有隶属函数的三角模糊数，在评价过程中进行模糊信息处理，综合考虑模型结构和数据的不确定性，提出了基于三角模糊数优化的贝叶斯管网健康状态评价模型。

传统的贝叶斯供水管网健康状态评价主要基于下述公式计算评价指标各等级的后验概率：

式中：i表示管道的等级，s为等级总数；j表示评价模型中的评价指标；x_j表示管道的指标j的观测值；y_ij表示指标j为等级i的事件；P(y_ij)表示管道指标j处于等级i的先验概率；P(x_j丨y_ij)表示当管道指标j的等级为i，其状态为x_j的概率，即条件概率；P(y_ij丨x_j)表示当管道指标j状态为x_j时，其等级为i的概率，即后验概率。

三角模糊数主要用于处理和表达模糊信息，在数据资料较少或者数据精度不高的条件下表征随机信息，具有很好的实用性，设实数a、b、c(a≤b≤c)分别为供水管网健康状态各项评价指标数据的最小可能值、最可能值和最大可能值，则(a，b，c)构成三角模糊数A～＝(a,b,c)，通过数理统计分析确定模糊区间。已知数据m₁，m₂，m₃，…，m_n为供水管网健康状态某项评价指标的一组实测数据，为该项评价指标的平均值，σ为标准差，则即传统贝叶斯模型则可以改写为：

3.先验概率的确定

根据分层思想计算供水管网各评价指标的先验概率，计算公式如下：

式中：k_i,j,上为第j项评价指标等级i的上限值；k_i,j,下为第j项评价指标等级i的下限值；

k_IV,j,上为第j项评价指标等级Ⅳ的上限值；k_I,j,上为第j项评价指标等级Ⅰ的上限值。

其中，管材、接口形式、地面荷载、内外衬层等定性指标的取值范围与界限的划分采用专家打分评估的方法获得。

4.条件概率的确定

采用几何距离法计算供水管网各评价指标的条件概率，计算公式如下：

式中：表示评价指标j的距离该指标标准值y_i′_j的距离；距离越远，则管道等级属于i的可能性越小，取其倒数便可代表x_j属于评价等级i的概率。

5.指标权重的确定

供水管网系统是复杂的动态系统，供水管网健康状态受诸多指标因子的影响，各项指标的量纲不同，不易直接比较差别程度。用变异系数法来衡量各项评价指标取值的差异程度，可以消除各项评价指标量纲不同的影响，直接利用各项指标所包含的信息确定评价指标的权重，是一种客观赋权的方法。基于变异系数确定各项评价指标的权重，计算公式如下：

式中：W_j为第j项评价指标的权重；D_j为第j项评价指各等级标准值的标准差；K_ij为第j项评价指标等级i的标准值；为第j项评价指标各健康等级标准值的平均值；n为评级指标个数，本发明共有11项评价指标。

6.供水管网健康状态等级判定

计算得到各项评价指标属于各健康等级的后验概率后，综合考虑各影响因子的权重，计算管道健康状态的综合后验概率，再依据最大隶属度原则最终确定供水管网健康状态等级，计算公式如下：

通过上面一系列计算公式，可以得到带有隶属度信息的供水管网健康状态综合后验概率及健康状态等级(本实施方式中取最大的模糊综合后验概率对应的管道等级为最终的管道健康状态等级)，，实际应用中可根据最不利原则确定管网健康状态等级，对照不同健康状态等级管网的运行性能，采取相应管理措施，合理安排更新维护计划。

7.供水管网健康状态等级的分级方式

综合国内外有关管道状态分级评价的研究成果，将供水管网健康状态划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级，对应的管道健康状态由优到劣分别为“状态良好”、“定期监测”、“计划更新维护”和“更新改造”，并根据评价状态制定更新维护方案，方便管理部门优化管理。分级标准及相应措施见表1。

表1供水管网健康状态分级标准

Claims

1.一种城镇供水管网健康状态评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)城镇供水管网健康状态评价指标体系构建；

式中：表示当管道指标j状态为时，其等级为i的模糊后验概率；表示当管道指标j的等级为i，其状态为的模糊条件概率；P(y_ij)表示管道指标j处于等级i的先验概率；i表示评价模型中管道的等级，i＝1，2，3，4；j表示评价模型中的评价指标；y_ij表示指标j为等级i的事件；为用三角模糊数表示的管道的指标j的观测值；

3)指标权重的确定：采用式(6)、(7)计算：

n表示评级指标个数；

4)供水管网健康状态等级判定：根据步骤2)得到的后验概率和步骤3)得到的指标权重，先计算管道健康状态的综合后验概率，再依据最大隶属原则最终确定供水管网健康状态等级，如式(8)、(9)所示：

式中：表示管道属于等级i的综合后验概率；表示当管道指标j状态为时，其等级为i的模糊后验概率；W_j第j项评价指标的权重；i表示评价模型中管道的等级，i＝1，2，3，4；j表示评价模型中的评价指标；n表示供水管网健康状态等级评价模型中的评价指标个数；表示管道的健康状态等级。

2.权利要求1所述的城镇供水管网健康状态评价方法，其特征在于：步骤1)中城镇供水管网健康状态评价指标体系由11项评价指标组成，该11项指标分别为：管径、管龄、管材、覆土厚度、接口形式、地面荷载、内外衬层、节点水压或最低服务水压、节点流量或总流量、余氯、水龄。

3.权利要求1所述的城镇供水管网健康状态评价方法，其特征在于：步骤2)中先验概率P(y_ij)根据式(3)进行计算：

4.权利要求1所述的城镇供水管网健康状态评价方法，其特征在于：步骤2)中后验概率根据式(4)、(5)进行计算：

式中：表示评价指标j的距离该指标标准值y′_ij的距离。