CN110056781B - 给水管网流量监测点优化布置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种给水管网流量监测点优化布置方法，采用改进的城市供水管网流量监测点优化布置模型，采用NSGA‑Ⅱ算法求解该优化模型，最后得到给水管网流量监测点布置的最优方案。本发明方法实现了在MATLAB软件中用NSGA‑Ⅱ算法来求解给水管网流量监测点优化布置数学模型，根据上述方法所布置的流量监测点能很好地反映节点流量的变化情况，并提高了监测点的可靠性，同时能确定每一流量监测装置所能监测到的节点范围，且符合布点的代表性、可比性以及可行性要求，减少了目前流量监测点选择的盲目性，为城市供水系统正确调度和对供水事故的监控提供有效的依据,该发明实现了给水管网流量监测点优化布置的创新。

Description

给水管网流量监测点优化布置方法
技术领域
本发明属于市政给水管网流量监测点布置领域，涉及给水管网流量监测点优化布置方法，具体涉及给水管网流量监测点优化布置技术。
背景技术
城市市政管网是现代化城市最重要的基础设施之一，是城市文明、发展和现代化水平的重要标志。给水管网不仅是城市的生命线，更是提高市民生活质量以及城市生态环境的重要保障。给水管网流量不仅是直接反映给水服务质量指标之一，也是全面掌握给水管网运行状态以及对整个给水系统实施正确调度的重要参数。
为了对市政给水管网进行有效监控，需设置流量监测点进行流量数据采集，这样不仅直观地了解整个给水管网流量分布，同时对控制给水管网漏损、爆管等问题具有现实意义，所以监测点的布置与选择必须具有准确性以及代表性。
目前,有关供水管网监测点优化布置的研究大多基于灵敏敏度分析和聚类分析,主要对管网压力监测的研究较多，对流量监测优化布置方面的成果少之又少。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种给水管网流量监测点优化布置方法，解决现有技术中给水管网流量监测方法少的问题。
本发明的技术方案概述如下：
城市供水管网流量监测点的优化布置方法,所述方法包括以下步骤：
1、构建供水管网水力模型，获取城市供水管网的基础数据,利用EPANET软件对一定工况下的给水管网进行水力模拟，建立在实际工况条件下的管网水力模型，软件读取给定的给水管网水文、流量数据，并代入给水管网水力模型，实现在实际工况条件下进行水力模拟，进行供水管网的水力平差计算,评估给水管网的节点流量变化对管网每一管段的流量变化的影响；
2、构建供水管网流量监测点优化布置模型，其目标函数为监测点集合覆盖管网节点的个数，监测点集合覆盖管网节点水量，监测点集合对管网节点的重合度，约束条件为管网节点流量连续性方程，管网节点水压约束条件和管网能量守恒方程。
监测点集合覆盖管网节点的个数，为监测点所能监测到节点个数的总和，监测点集合覆盖管网节点水量，为监测点所能监测到节点水量的总和，监测点集合对管网节点的重合度，为某一节点能够同时被多个流量监测点监测到的个数。
目标函数的目的是求得流量监测点布置方案，能够使监测点集合覆盖管网节点的个数，监测点集合覆盖管网节点水量，监测点集合对管网节点的重合度三者取得尽可能大。
3、基于步骤1构建的供水管网水力模型，计算给水管网流量监测点优化布置优化模型中的约束条件与目标函数，供水管网流量监测点优化数学模型采用NSGA-Ⅱ算法求解，确定最优流量监测点方案。
有益效果：
本发明方法实现了在MATLAB软件中用NSGA-Ⅱ算法来求解给水管网流量监测点优化布置数学模型，根据上述方法所布置的流量监测点能很好地反映节点流量的变化情况，并提高了监测点的可靠性，同时能确定每一流量监测装置所能监测到的节点范围，且符合布点的代表性、可比性以及可行性要求，减少了目前流量监测点选择的盲目性，为城市供水系统正确调度和对供水事故的监控提供有效的依据,该发明实现了给水管网流量监测点优化布置的创新。
附图说明
图1是给水管网流量监测点优化布置方法的运行流程图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
步骤一：使用Epanet软件来构建城市供水管网水力模型，载入供水管网水力模型，供水管网水力模型读取当前给水管网的基础数据，进行供水管网水力模拟过程。建立供水管网水力模型过程中，首先输入供水管网拓扑结构、节点基本需水量、高程、管段长度等基本信息，利用Epanet软件进行供水管网水力平差，得到供水管网实际需水量及压力等数据并了解其分布情况。模拟完成后，进入下一步操作；
步骤二：求解城市供水管网流量监测点优化布置模型的约束条件；
本步骤中,在对给水管网多目标优化模型求解时，目标函数需要满足以下水力约束条件：
(1)管网节点流量连续性方程
∑(±qij)+Qi＝0 (1)
式中Qi-节点i的流量，L/s；
qij-连接节点i的各管段流量，L/s。
(2)管网节点水压约束条件
Hmax≥Hi≥Hmin (2)
式中Hi-i节点的水压值，m；
Hmax-管网节点最大允许水压，m；
Hmin-管网节点最小允许水压，m。
(3)管网能量守恒方程
Figure GDA0002092379600000031
式中Hi-i节点的水压值，m；
Hj-j节点的水压值，m；
hij-节点i至节点j的水头损失，m。
步骤三：求解城市供水管网流量监测点优化布置模型的目标函数
城市供水管网在某一供水工况工作时,管段流量大小将会受到外界各方面因素的影响，其中最敏感、最频繁的外界影响因素应该是节点的流量(也即用水量的变化)，当某节点的节点流量发生变化时,必然会引起管网中所有管段流量发生变化。设管网有m根管段和n个节点,在第i个节点处,给一个微小节点流量ΔQi的变化值,则整个管网每一管段的流量都会受到程度不同的影响(Δqk),则Δqk/ΔQi表示i节点处的节点流量发生变化而引起管段k的管段流量变化的影响系数。
Figure GDA0002092379600000032
式中Xik-i节点处的节点流量发生变化而引起管段k的管段流量变化的大小；或者说管段k的管段流量对i节点处的节点流量变化反映的灵敏度；
ΔQi-在第i个节点处,节点流量的变化值；
Δqk-在第k个管段处,管段流量受到影响的变化值。
现实管网中流量监测点的布置也应该考虑压力的因素进行加权计算，这样得到的流量更符合流量监测点的布置原则。
Figure GDA0002092379600000041
式中Qi'-管网中第i个节点流量的压力加权平均后的值，m；
n-管网中的节点数目，个(i＝1，2，3，…，n)；
Qi-节点i的流量，L/s；
pk-节点i的压力值，m。
首先在某一管网基准工况下进行管网水力计算,这一基准工况可以选定为最
大日最大时供水工况,然后按照上文提到的压力因素进行节点流量的压力加权。
水力计算后得出该工况下管网各管段的管段流量PQi.再加大(或减小)k节点处的节点流量,此时,其它节点流量保持不变,重新进行管网水力计算,得出各管段的管段流量PQi′,则上述影响系数表示为:
Figure GDA0002092379600000042
式中qk-在基准工况下k管段的管段流量；
qk′-改变i节点流量时k管段的管段流量；
Qi-在基准工况下k节点流量的压力加权平均后的值；
Qi′-节点流量改变后的i节点流量的压力加权平均后的值。
很显然,Xik值的大小反映了节点k流量变化对管段i的管段流量的影响程度，0≤Xik<1，且Xik越大,则影响程度就越大。所有元素Xik用矩阵[X]m×n表示，称之为影响系数矩阵，其中m表示管段数,n表示节点数。
从矩阵的列来看。第k列各元素值表示第k个节点的节点流量变化对所有管段的管段流量的影响程度；从矩阵的行来看。第i行各元素值表示第i管段的管段流量受各节点的节点流量变化的影响程度。
将前面所得的影响程度系数矩阵[X]中各列元素的进行标准化处理,即对[X]中的各元素作如下处理：
Figure GDA0002092379600000043
式中XKmin-[X]中第k列元素中最小的元素；
XKmax—[X]中第k列元素中最大的元素。
给定有一个监测标准C,当影响程度系数X′(i,k)大于或等于该标准C时,就认为管段i对节点k的流量变化能起到监测作用；反之,就认为不能对节点k的流量变化进行有效监测.因此,可建立管网的有效监测矩阵DM,矩阵元素dm(i,j)之值由下式确定:
Figure GDA0002092379600000051
由以上讨论可知，有效监测矩阵DM很清楚地表明:从矩阵的列来看，第k列中所有非0元素(dm(i,k)＝1)，表示在监测标准C下，会因节点i的节点流量的微小变化，将引起管段k的管段流量发生明显的变化；从矩阵的行来看,第k行中所有非0元素(dm(i,k)＝1)，表示在监测标准C下，在第k管段上布置的流量监测装置将能监测到节点i的节点流量的微小变化。流量监测装置所能监测到节点个数的总和，称之为流量监测点的有效监测范围。
MS(k)＝{k|dm(i,k)＝1(i＝1,2,…,n；k＝1,2,…,m)}(6)
式中MS(k)-管段k上监测装置所能监测到节点个数，称之为管段k的有效监测范围；
n-管网中节点的数量；
m-管网中管段的数量。
1.监测点集合覆盖管网节点的个数：
Figure GDA0002092379600000052
式中M-所有流量监测点有效监测范围之和，即所能监测到节点个数的总和。
2.监测点集合覆盖管网节点水量：
Figure GDA0002092379600000053
Figure GDA0002092379600000054
式中Bk-在监测点k有效监测范围内所有节点流量；
Qi—节点i的流量。
3.监测点集合对管网节点的重合度：
当某一监测装置可能发生故障时,总希望有其它的监测装置能够代替之.因此,为了达到这一目的,某一节点能够被多个流量监测点监测到。称之为该监测点集合的重合度。
Figure GDA0002092379600000061
式中SD-不同监测方案的重合度。
目标函数的目的是求得流量监测点布置方案，能够使监测点集合覆盖管网节点的个数，监测点集合覆盖管网节点水量，监测点集合对管网节点的重合度三者取得尽可能大。
步骤四：运行供水管网流量监测点多目标优化数学模型，本文采用EPANET平台进行管网的模拟计算，采用Matlab软件进行模型的求解。EPANET可以模拟管网的节点压力及管道流量的变化情况，在建立给水管网微观模型的基础上，完成水力分析过程；Matlab软件提供了与水力建模软件EPANET的接口，通过使用EPANET提供的ENtoolbox工具箱，调用工具箱中的函数来获取管网基本数据与参数设置，对优化目标函数的NSGA-Ⅱ算法进行主程序编写。NSGA-Ⅱ算法中最大遗传代数设定为100代，初始种群100，交叉算子0.8，变异算子0.1，终止条件为满足最大遗传代数，经过算法求解，得出不同的Pareto前沿解集，进行分析比对，根据自身需要选择适合的最优方案。
本发明应用了具体实施例和附图对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其中心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护。

Claims (2)

1.给水管网流量监测点优化布置方法,其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)构建给水管网水力模型，获取城市给水管网的基础数据,利用EPANET软件对一定工况下的给水管网进行水力模拟，建立在实际工况条件下的给水管网水力模型，软件读取给定的给水管网水文、流量数据，并代入给水管网水力模型，实现在实际工况条件下进行水力模拟，进行给水管网的水力平差计算,评估给水管网的节点流量变化对管网每一管段的流量变化的影响；
(2)构建给水管网流量监测点优化布置模型，其目标函数为监测点集合覆盖管网节点的个数，监测点集合覆盖管网节点水量，监测点集合对管网节点的重合度，约束条件为管网节点流量连续性方程，管网节点水压约束条件和管网能量守恒方程；
(3)基于步骤(1)构建的给水管网水力模型，计算给水管网流量监测点优化布置优化模型中的约束条件与目标函数，给水管网流量监测点优化数学模型采用NSGA-Ⅱ算法求解，确定最优流量监测点方案。
2.根据权利要求1所述给水管网流量监测点优化布置方法,其特征在于，所述步骤(2)中监测点集合覆盖管网节点的个数为监测点所能监测到节点个数的总和；监测点集合覆盖管网节点水量为监测点所能监测到节点水量的总和；监测点集合对管网节点的重合度为某一节点能够同时被多个流量监测点监测到的个数；目标函数的目的是求得流量监测点布置方案，能够使监测点集合覆盖管网节点的个数，监测点集合覆盖管网节点水量，监测点集合对管网节点的重合度三者取得尽可能大。
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