CN109948886B - 一种供水管网关键阀门辨识方法 - Google Patents

Abstract

一种供水管网关键阀门辨识方法，涉及供水管网阀门智能调控领域，包括：首先，设定基础情景，供水管网内阀门均处于正常状态，对供水管网进行拓扑分析和压力驱动水量水力模拟，计算关阀数量、分隔区内管道总长度、稳态水力模拟和延时模拟下系统供水短缺量四项指标的值。其次，按照阀门编号，依次模拟各阀门失效，重复上述步骤，再次计算四个指标值。最后，依次计算各阀门失效情景下的指标值与该阀门正常工作下的对应指标值的变化值，确定阀门失效对供水系统性能的影响程度，进而识别系统内关键阀门。本发明利用性能指标和水力指标的综合评价体系，用于评估阀门失效影响，实现系统内关键阀门的辨识，为决策者制定合理的阀门维护方案提供支持。

Description

一种供水管网关键阀门辨识方法

技术领域

本发明属于供水管网阀门智能调控领域，特别涉及一种供水管网的关键阀门辨识方法。

背景技术

阀门作为供水管网系统的重要附件，其具有调节管道流量、优化系统压力分布和隔断事故区域等功能，能够保证供水管网系统安全可靠运行。由于阀杆断裂或其它机械问题和阀门堵塞等原因，当需要进行关阀操作时，阀门可能处于失效状态。据报道，如果供水管网系统内的阀门每隔五年不进行一次测试和维护，估计40％的阀门将处于失效状态，因此，分析阀门失效对整个系统的影响，识别系统内的关键阀门是十分必要的。

然而，目前只有少有方法用于评估阀门失效影响。现有的方法多基于阀门失效概率来分析阀门失效的影响，但是由于缺少实际数据和相关知识，因此很难确定供水管网内的各阀门失效的概率值。用户时间损失已被用于识别系统内的关键阀门，该指标的定义为用水户在一年内经历的停水时间总和。目前，国内外研究中尚无利用水力性能指标来分析阀门失效对停水区域的直接影响和对非停水区域的间接影响。因此，从供水管网系统阀门管理工作的实际需求出发，建立一种全面且可靠的阀门失效影响评价方法，对识别系统内的关键阀门并制定合理的阀门维护方案具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术方法的不足，本发明提供了一种供水管网关键阀门辨识方法。该方法中，关键阀门的识别旨在发现系统内哪些阀门失效后，将对整个供水管网产生最明显的影响。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现关键阀门识别：

一种供水管网关键阀门辨识方法，按照以下步骤实现阀门失效评价的过程：

(1)设定基础情景，即供水管网内所有阀门均处于正常状态，对供水管网进行拓扑分析和水力模拟；具体如下：

(1.1)分析供水管网的拓扑结构，统计供水管网的分隔区数量，这里分隔区的定义为通过关阀，管网被分割成的最小部分；根据分隔区和阀门的拓扑连接关系，按照阀门编号顺序，依次确定与各阀门连接的分隔区；

(1.2)基于压力驱动需水量分析方法，对供水管网分别进行稳态水力模拟和延时水力模拟。在压力驱动水量分析中，节点需水量与节点压力的函数关系如下：

式中，H_i为节点i的计算压力(m)；Q_ri节点的需水量(L/s)；Q_i ^s为节点的实际供水量(L/s)；H_ri为参考压力值，认为在该压力时满足需水量要求；H_t为压力阈值，超出该阈值，则节点实际供水量与节点压力无关；α为压力水量关系指数。

(1.3)基于阀门-分隔区矩阵和水力模拟结果，本方法建立了供水管网的性能指标和水力指标两类指标实现对阀门失效的定量评估，其中性能指标包括关阀数量和分隔区内管道总长度，水力指标包括稳态水力模拟下系统供水短缺量和延时模拟下系统供水短缺量，以上四个指标的意义及计算方法如下：

①关阀数量：该指标的数学意义为隔断一个分隔区所需要关闭的阀门的数量，该指标能够反映关阀的复杂性，需要关阀的数量越多，则分隔区存在失效阀门的可能性越高在本方法中，按照阀门编号，依次统计与各阀门相连接的分隔区所对应的关阀数量。

②分隔区内管道总长度：该指标的数学意义为分隔区内的所包含的管道总长度，分隔区管道总长度越长，则该分隔区发生事故的概率越高，进而该分隔区需进行关阀操作的概率越高。在本方法中，按照阀门编号，依次计算与各阀门相连接的分隔区所对应的分隔区内管道总长度。

③稳态水力模拟下系统供水短缺量：该指标的计算方法如下：

式中，Q_shortfall表示稳态水力模拟下系统供水短缺量(L/s)；i表示供水管网节点编号；Q_ri表示对应节点的需水量(L/s)；Q_i ^s表示对应节点的实际供水量。在本方法中，按照阀门编号，依次计算各阀门对应的分隔区被隔离后的稳态水力模拟下系统供水短缺量。

④延时模拟下系统供水短缺量：该指标的计算公式如下：

式中，W_shortfall表示延时模拟下系统供水短缺量(m³)；j表示模拟时段，T表示延时模拟周期；i表示节点编号；Q_rij表示j时段节点i的需水量(L/s)；Q_ij ^s表示j时段节点i的实际供水量(L/s)；t表示一个时段的时长；

在本方法中，按照阀门编号，依次计算各阀门对应的分隔区被隔离后的稳态水力模拟下系统供水短缺量。

(2)设定阀门失效情景，即供水管网内只存在一个失效阀门，重复步骤(1)，按照阀门编号，依次模拟各阀门失效，再次计算各阀门失效情景下的(1.3)中提出的四个指标的值；

(3)按照阀门编号顺序，依次计算各阀门失效情景下的指标值与该阀门正常工作下的对应指标值的变化值，以此确定阀门失效对供水系统性能的影响程度，根据影响程度大小，识别系统内的关键阀门。

本发明的有益效果包括：

(1)本发明利用性能指标(关阀数量和分隔区内管道总长度)和水力指标(系统供水短缺量)的综合评价体系，用于评估阀门失效对供水管网系统性能的影响，实现系统内关键阀门的辨识；

(2)基于本发明所辨识的系统内关键阀门位置，可为决策者制定合理的阀门维护方案提供支持。

附图说明

图1是不同阀门构造下的供水管网拓扑结构图，(a)是N型阀门构造，(b)是N-1型阀门构造，(c)是有限型阀门构造，(d)是稀疏型阀门构造。

图2是案例供水管网需水量小时变化模式。

图3是不同阀门构造下阀门失效前后关阀数量对比图，(a)是N型阀门构造，(b)是N-1型阀门构造，(c)是有限型阀门构造，(d)是稀少型阀门构造。

图4是不同阀门构造下阀门失效前后分隔区内管道总长度对比图，(a)是N型阀门构造，(b)是N-1型阀门构造，(c)是有限型阀门构造，(d)是稀疏型阀门构造。

图5是稳态水力模拟时不同阀门构造下阀门失效前后系统供水短缺量对比图，(a)是N型阀门构造，(b)是N-1型阀门构造，(c)是有限型阀门构造，(d)是稀疏型阀门构造。

图6是延时水力模拟时不同阀门构造下阀门失效前后系统供水短缺量对比图，(a)是N型阀门构造，(b)是N-1型阀门构造，(c)是有限型阀门构造，(d)是稀疏型阀门构造。

图7是延时模拟下的关键阀门位置分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，但发明的实施方式不限于此。选择了一个供水管网案例来说明本方法的有效性。具体实施步骤如下：

(1)在基础情景下，即供水管网内的所有阀门均处于正常工作状态，对供水管网进行拓扑分析和水力分析。

该步骤具体实施流程为：

(1.1)选择图1所示的供水管网作为案例，这里选择了四种阀门布设方案，分别是(a)是N型阀门构造，即与一个节点相连的所有管道上均安装阀门，(b)是N-1型阀门构造，即与节点相连的所有管道上仅有一根管道未安装阀门，(c)是有限型阀门构造，即在N-1型构造的基础上减少一定数量的阀门，(d)是稀疏型阀门构造，即在有限型阀门构造的基础上再减少一定数量的阀门。假定管网内所有阀门处于关闭状态，进行拓扑分析，确定供水管网的分隔区数量，这里分隔区的定义为通过关阀，管网被分割成的最小部分；得到不同阀门构造下的分割区数量统计表如表1所示，可看出阀门数量越多，则分隔区的数量也越多。

表1不同阀门构造下供水管网阀门数量和分隔区数量统计表

(1.2)根据分隔区和阀门的拓扑关系，构造阀门-分隔区连接矩阵，该矩阵的行数和列数分别为阀门数量和分隔区数量，矩阵中的元素值0或1表示分隔区和阀门的连接关系；

(1.3)基于压力驱动需水量分析方法进行稳态水力模拟和延时水力模拟。本实施例中对公式中的参数选择为：指数α取值为0.5，压力阈值H_t取值为20m，参考压力H_ri取值为20m。用于延时模拟的节点需水量模式如图2所示。

(1.4)基于阀门-分隔区矩阵，计算案例管网的各阀门连接的分隔区的关阀数量及其分隔区内的管道总长度；基于稳态水力模拟结果，计算案例管网的系统供水短缺量；基于延时水力模拟结果，计算案例管网的24h内的系统供水总短缺量。

(2)设定阀门失效情景，即供水管网内只存在一个失效阀门，重复步骤(1)，依次模拟各阀门失效，计算各阀门失效情景下的各指标的值；

(3)计算阀门失效情景下的指标值与阀门正常工作下的对应指标值的变化值，以此确定阀门失效对供水系统性能的影响程度，依据各指标的分析结果如下所示：

①关阀数量：图3展示了不同阀门布设方案下的对应各阀门失效前后关阀数量这一指标的变化，黑色条纹均代表阀门正常状况下的关阀数量，灰色条纹均代表阀门失效情况下的关阀数量。由图可知，阀门失效后，所需的关阀数量明显增加。对于N型构造，阀门正常工作时的平均关阀数量为2个，单个阀门失效时的平均关阀数量为3.1个；对于N-1型构造，阀门正常工作时的平均关阀数量为2.3个，单个阀门失效时的平均关阀数量为3.8个；对于有限型构造，阀门正常工作时的平均关阀数量为2.5个，单个阀门失效时的平均关阀数量为4.4个；而对于稀疏型构造，阀门正常工作时的平均关阀数量为2.7个，单个阀门失效时的平均关阀数量则为5.5个。从关阀数量这一指标分析，阀门布设密度越大，则阀门失效的影响程度越低。

②分隔区内管道总长度：图4展示了不同阀门布设方案下的对应各阀门失效前后，分隔区内管道总长度这一指标的变化，黑色条纹代表正常状况下的分隔区内管道总长度，灰色条纹代表阀门失效情况下的分隔区内管道总长度。由图可知，阀门失效后，分隔区内管道总长度明显增加。对于N型构造，阀门正常工作时的平均分隔区长度为12.6m，单个阀门失效时的平均长度为61.1，改变程度近似是原长度的4倍；对于N-1型构造，阀门正常工作时的平均分隔区长度为33.3m，单个阀门失效时的平均分隔区长度为105.0m；对于有限型构造，阀门正常工作时的平均分隔区长度为39.4m，单个阀门失效时的平均分隔区长度为129.1m；而对于稀疏型构造，阀门正常工作时的平均分隔区长度为60.3m，单个阀门失效时的平均分隔区长度为188.0m。从分隔区内管道总长这一指分析，N-1型构造和有限型构造可以在阀门冗余度和分隔区长度实现良好的平衡。

③稳态模拟下系统供水短缺量：图5展示了不同阀门布设方案下的对应阀门失效前后在稳态模拟下，系统供水短缺量这一指标的变化，由图5(d)可知，对于稀疏型构造，编号为79的阀门失效引起缺水量远远高于其他阀门失效，分析拓扑结构后，发现该阀门位于主干管，且连接水池，因此在此阀门构造下，该阀门为关键阀门，而在其它三种阀门布设方案下，该阀门的失效影响迅速降低，表明阀门布设方案会影响系统内的阀门重要性。此外，对于图5(a)中编号为43,44和167的阀门，图5(b)中编号为37和38的阀门，图5(c)中编号为31和32的阀门，这些阀门失效后均引起巨大的供水短缺量，分析拓扑结构后，发现这些阀门均位于供水管网内的一个枝状管网入口处，因此这些阀门也是系统内的关键阀门。

④延时模拟下系统供水短缺量：图6展示了不同阀门布设方案下的对应阀门失效前后在延时模拟下，系统供水短缺量。图7中所展示的三个最重要的区域内的阀门失效后供水短缺量都达到了200m³.其中图7(a)中编号为41,164和72的阀门包围着系统内的泵站，区域2内的阀门连接着系统内泵站和水箱，阀门失效后，阀门西部的区域将只能利用水箱供水。区域3内的阀门连接着水源和一个枝状管网。由图6可知，随着阀门布设数量的减少，关键阀门的数量逐渐增加。

通过对以上四个指标进行计算分析，发现系统内阀门布设数量越多，则单个阀门失效的影响越小，此外关键阀门总是与关键分隔区相连接，如包含水源或仅有单一水流入口的管网部分构成的分隔区。

综上所述，利用本发明一种供水管网关键阀门辨识方法，可以实现对供水管网阀门失效后的性能和水力影响进行系统全面的评估，为决策者制定科学合理的阀门维护方案提供指导。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种供水管网关键阀门辨识方法，其特征在于，该方法按照以下步骤实现阀门失效评价的过程：

(1)设定基础情景，即供水管网内所有阀门均处于正常状态，对供水管网进行拓扑分析和水力模拟；具体如下：

(1.1)分析供水管网的拓扑结构，统计供水管网的分隔区数量，所述分隔区定义为通过关阀，管网被分割成的最小部分；根据分隔区和阀门的拓扑连接关系，按照阀门编号顺序，依次确定与各阀门连接的分隔区；

(1.2)基于压力驱动需水量分析方法，对供水管网分别进行稳态水力模拟和延时水力模拟；在压力驱动水量分析中，节点需水量与节点压力的函数关系如下：

式中，H_i为节点i的计算压力(m)；Q_ri节点的需水量(L/s)；Q_i ^s为节点的实际供水量(L/s)；H_ri为参考压力值，认为在该压力时满足需水量要求；H_t为压力阈值，超出该阈值，则节点实际供水量与节点压力无关；α为压力水量关系指数；

(1.3)基于阀门-分隔区矩阵和水力模拟结果，建立供水管网的性能指标和水力指标两类指标实现对阀门失效的定量评估，其中性能指标包括关阀数量和分隔区内管道总长度，水力指标包括稳态水力模拟下系统供水短缺量和延时模拟下系统供水短缺量，以上四个指标的意义及计算方法如下：

①关阀数量：该指标的数学意义为隔断一个分隔区所需要关闭的阀门的数量，该指标能够反映关阀的复杂性，需要关阀的数量越多，则分隔区存在失效阀门的可能性越高；在本方法中，按照阀门编号，依次统计与各阀门相连接的分隔区所对应的关阀数量；

②分隔区内管道总长度：该指标的数学意义为分隔区内的所包含的管道总长度，分隔区管道总长度越长，则该分隔区发生事故的概率越高，进而该分隔区需进行关阀操作的概率越高；在本方法中，按照阀门编号，依次计算与各阀门相连接的分隔区所对应的分隔区内管道总长度；

③稳态水力模拟下系统供水短缺量：该指标的计算方法如下：

式中，Q_shortfall表示稳态水力模拟下系统供水短缺量(L/s)；i表示供水管网节点编号；Q_ri表示对应节点的需水量(L/s)；Q_i ^s表示对应节点的实际供水量；在本方法中，按照阀门编号，依次计算各阀门对应的分隔区被隔离后的稳态水力模拟下系统供水短缺量；

④延时模拟下系统供水短缺量：该指标的计算公式如下：

式中，W_shortfall表示延时模拟下系统供水短缺量(m³)；j表示模拟时段，T表示延时模拟周期；i表示节点编号；Q_rij表示j时段节点i的需水量(L/s)；Q_ij ^s表示j时段节点i的实际供水量(L/s)；t表示一个时段的时长；

在本方法中，按照阀门编号，依次计算各阀门对应的分隔区被隔离后的稳态水力模拟下系统供水短缺量；

(2)设定阀门失效情景，即供水管网内只存在一个失效阀门，重复步骤(1)，按照阀门编号，依次模拟各阀门失效，再次计算各阀门失效情景下的(1.3)中提出的四个指标的值；

(3)按照阀门编号顺序，依次计算各阀门失效情景下的指标值与该阀门正常工作下的对应指标值的变化值，以此确定阀门失效对供水系统性能的影响程度，根据影响程度大小，识别系统内的关键阀门。

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