CN111143992B - 一种供水管网水龄监测系统及方法 - Google Patents

一种供水管网水龄监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种供水管网水龄监测系统及方法，包括基础数据导入模块、水力模型模块、水龄计算模块、管网监测数据采集模块、数据预处理模块、数据反馈模块和数据存储模块；该供水管网水龄监测系统通过管网水龄监测系统为供水企业提供服务，指导供水企业针对节点水龄偏高或者偏低区域采取相应的措施，为用户提供优质供水服务。

Description

一种供水管网水龄监测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种供水管网水龄监测系统及方法。
背景技术
随着我国城市化水平的不断提供，城市人口的增加，城市供水企业供水能力不断增加。随着社会的进步和人们生活水平的提高，人们对饮用水的要求逐渐从对水压和水量的要求转化为对水质的要求。与此同时，国家实行了更为严格的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。在一些经济发达地区的供水企业提出了比现有水质标准更高的供水标准，通过在传统水处理工艺的基础上进行深度水处理供水实现优质供水的目标。对于水质的保障的供水企业把主要注意力放在了生产端，对于供水管网输送端造成水质的影响投入的注意力较少。
供水管网中影响水质的主要因素之一就是节点水龄因此可以通过计算节点水龄来分析供水管网中水质的变化。节点水龄作为供水管网中水力停留时间的度量，可以充分反映供水管网中余氯浓度、生物可同化有机碳(AOC)等随时间的变化规律，具体而言，如果水龄过长，就会使余氯量、AOC下降，水质无法保证；相反，如果水龄太短，又会引起水中余氯、AOC含量过高，饮水中的异味太重，进而导致用户对供水服务的满意度下降。因此，水龄可以作为评价管网水质的安全可靠性的重要依据。从而为研究供水管网水质问题提供依据。
现有的供水管理信息系统侧重于管网本身信息和监测数据信息展示，未能将两者进行结合，综合分析供水管网中影响水质的节点水龄。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种通过管网水龄监测系统为供水企业提供服务，指导供水企业针对节点水龄偏高或者偏低区域采取相应的措施，为用户提供优质供水服务的供水管网水龄监测系统及方法。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种供水管网水龄监测系统，包括
基础数据导入模块，用于收集整理供水企业现有管网数据，对管网数据进行数据整编清理，将符合要求的管网数据通过基础数据导入；
水力模型模块，与基础数据导入模块连接，通过导入的管网数据建立管网水力模型模块；
水龄计算模块，与水力模型模块连接，用于根据已经建好的管网水力模型为基础，通过水龄计算模块计算各个节点不同时段水龄结果。
管网监测数据采集模块，通过供水管网上安装的在线流量、压力、水质监测设备，实时采集数据；
数据预处理模块，管网监测数据采集模块连接，对获得的数据进行处理及修正；对数据的有效性进行判别，根据系统设定的判别规则，剔除不合理数据及无效数据；
数据反馈模块，与数据预处理模块和水龄计算模块，将管网采集的有效的数据和管网水力模型计算数据进行对比，对算法参数进行调整；
数据存储模块，用于存储各个模块的数据。
本发明还提供一种供水管网水龄监测系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)收集整理供水企业现有管网数据，对管网数据进行数据整编清理，将符合要求的管网数据通过基础数据导入模块导入到系统，供水管网数据包括管网拓扑关系、管网材质、管径、长度等基础属性数据；
2)在水力模型模块中通过导入的管网数据建立管网水力模型模块；进行多水源、多时间段流量、压力分配，管网节点流量分配，管网转输流量分配，通过编码实现管网水力模型的建立；
3)用已经建好的管网水力模型为基础，通过水龄计算模块计算各个节点不同时段水龄结果；
4)数据预处理模块对获得的数据进行处理及修正；对数据的有效性进行判别，根据系统设定的判别规则，剔除不合理数据及无效数据；不合理数据及无效数据分为两类，一类为区间异常数据，及超出正常区间范围的数据，另一类为异常突变数据，及两个连续数据出现剧烈突变；同时为了消除数据量纲等影响，采用标准化法对数据进行修正；具体实现如下：依据统计学原理，对多组不同量纲数据进行比较，可以先将它们标准化转化成无量纲的标准化数据；而综合评价就是要将多组不同的数据进行综合，因而可以借助于标准化方法来消除数据量纲的影响；
5)通过供水管网上安装的在线流量、压力、水质监测设备，实时采集数据；
6)通过数据预处理模块将采集的管网数据进行预处理，剔除无效及不合理数据；
7)通过数据反馈模块将管网采集的有效的数据和管网水力模型计算数据进行对比，对算法参数进行调整，提高计算的准确度；
8)指导供水企业针对节点水龄偏高或者偏低区域采取相应的措施，为用户提供优质供水服务；
9)供水企业针对节点水龄偏高或者偏低区域采取相应的措施后，模型参数调整，持续为用户提供优质供水服务。
作为优选，所述管网水力模型的水力学原理是根据一个以上的守恒方程和管网水力损失建立。
作为优选，所述守恒方程和管网水力损失包含有节点流程守恒方程、管段能量守恒、环网数守恒、管段水力损失和恒定流基本方程组。
作为优选，所述节点流程守恒方程的建立方式为：在导入的管网资料中，所有节点都与若干管段相关联，其关联关系可以用关联集描述，对于管网模型中的任意节点j，将其作为隔离体取出，所有流入节点的流量之和应等于所有流出节点的流量之和，可以表示为：
其中：qi为管段i的流量；
Qj为节点j的流量；
Sj为节点的关联集；
N为管网模型中的节点总数。
作为优选，所述管段能量方程的建立方式为：在管网模型中，所有管段都有两个节点关联，若将管网模型中的任意管段作为隔离体取出，根据能量守恒，该管段2端节点水量之差等于该管段压降，可以表示为：
HFi-Hti＝hi；i＝1,2,3···,M；
Fi,HFi为管段的上端点的编号和水头；
Ti,Hti为管段的下端点的编号和水头；
hi为管段i的水头；
M为管网模型中的管段总数。
作为优选，所述恒定流基本方程组根据管网模型的节点流量方程组与管段能量方程组联立，组成管网模型水力特点的恒定流基本方程组，建立在管网的拓扑关系上，反应管网模型节点和管段之间的水力关系，可以表示为：
作为优选，所述环网数守恒方程为：
P＝J+L-1；J＝1,2，···N；L＝1,2，···M；
对于树状管网，环数L＝0，所以P＝J-1，所以要将环状管网转化为树状管网要去掉L个管段，即每个环去掉一个管段，节点数量保存不变。根据已知量，求出各个管段的流量和水压。
作为优选，所述管段水力损失采用海曾-威廉公式：
q为管段流量；
Cw为海曾-威廉系数；
作为优选，所述步骤3)中的算法如下：
MT为水源节点(定压节点)集合；
M为非水源节点(变压节点)集合；
Sj---与节点j相邻的流向节点i的所有节点集合，即使得qij>0的所有节点i；
Ti、Tj为节点i、j水龄，单位：s；
I为与节点，相邻的节点；
qij为节点i与J间的管段流量，单位：m3/s；
Lij节点i与j间的管段管长，单位：m；
Vij---节点i与j间的管段流速，单位：m/s。
所述步骤4)中标准化公式为：
式中
本发明的有益效果为：通过建立管网水力模型进行管网节点水龄的精确计算，同时根据管网监测数据对算法参数进行校正，利用计算的节点水龄数据指导供水企业针对节点水龄偏高或者偏低区域采取相应的措施，改变节点水龄，为用户提供优质供水服务。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种供水管网水龄监测系统工作方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
一种供水管网水龄监测系统，包括
基础数据导入模块，用于收集整理供水企业现有管网数据，对管网数据进行数据整编清理，将符合要求的管网数据通过基础数据导入；
水力模型模块，与基础数据导入模块连接，通过导入的管网数据建立管网水力模型模块；
水龄计算模块，与水力模型模块连接，用于根据已经建好的管网水力模型为基础，通过水龄计算模块计算各个节点不同时段水龄结果。
管网监测数据采集模块，通过供水管网上安装的在线流量、压力、水质监测设备，实时采集数据；
数据预处理模块，管网监测数据采集模块连接，对获得的数据进行处理及修正；对数据的有效性进行判别，根据系统设定的判别规则，剔除不合理数据及无效数据；
数据反馈模块，与数据预处理模块和水龄计算模块，将管网采集的有效的数据和管网水力模型计算数据进行对比，对算法参数进行调整；
数据存储模块，用于存储各个模块的数据。
如图1所示，本发明还提供一种供水管网水龄监测系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
1)收集整理供水企业现有管网数据，对管网数据进行数据整编清理，将符合要求的管网数据通过基础数据导入模块导入到系统，供水管网数据包括管网拓扑关系、管网材质、管径、长度等基础属性数据；
2)在水力模型模块中通过导入的管网数据建立管网水力模型模块；进行多水源、多时间段流量、压力分配，管网节点流量分配，管网转输流量分配，通过编码实现管网水力模型的建立；
3)用已经建好的管网水力模型为基础，通过水龄计算模块计算各个节点不同时段水龄结果；
4)数据预处理模块对获得的数据进行处理及修正；对数据的有效性进行判别，根据系统设定的判别规则，剔除不合理数据及无效数据；不合理数据及无效数据分为两类，一类为区间异常数据，及超出正常区间范围的数据，另一类为异常突变数据，及两个连续数据出现剧烈突变；同时为了消除数据量纲等影响，采用标准化法对数据进行修正；具体实现如下：依据统计学原理，对多组不同量纲数据进行比较，可以先将它们标准化转化成无量纲的标准化数据；而综合评价就是要将多组不同的数据进行综合，因而可以借助于标准化方法来消除数据量纲的影响；
5)通过供水管网上安装的在线流量、压力、水质监测设备，实时采集数据；
6)通过数据预处理模块将采集的管网数据进行预处理，剔除无效及不合理数据；
7)通过数据反馈模块将管网采集的有效的数据和管网水力模型计算数据进行对比，对算法参数进行调整，提高计算的准确度；
8)指导供水企业针对节点水龄偏高或者偏低区域采取相应的措施，为用户提供优质供水服务；
9)供水企业针对节点水龄偏高或者偏低区域采取相应的措施后，模型参数调整，持续为用户提供优质供水服务。
在本实施例中，所述管网水力模型的水力学原理是根据一个以上的守恒方程和管网水力损失建立，采用了多个的依据，可以进一步的降低整体的误差，提升精准性。
在本实施例中，所述守恒方程和管网水力损失包含有节点流程守恒方程、管段能量守恒、环网数守恒、管段水力损失和恒定流基本方程组。
在本实施例中，所述节点流程守恒方程的建立方式为：在导入的管网资料中，所有节点都与若干管段相关联，其关联关系可以用关联集描述，对于管网模型中的任意节点j，将其作为隔离体取出，所有流入节点的流量之和应等于所有流出节点的流量之和，可以表示为：
其中：qi为管段i的流量；
Qj为节点j的流量；
Sj为节点的关联集；
N为管网模型中的节点总数。
在本实施例中，所述管段能量方程的建立方式为：在管网模型中，所有管段都有两个节点关联，若将管网模型中的任意管段作为隔离体取出，根据能量守恒，该管段2端节点水量之差等于该管段压降，可以表示为：
HFi-Hti＝hi；i＝1,2,3···,M；
Fi,HFi为管段的上端点的编号和水头；
Ti,Hti为管段的下端点的编号和水头；
hi为管段i的水头；
M为管网模型中的管段总数。
在本实施例中，所述恒定流基本方程组根据管网模型的节点流量方程组与管段能量方程组联立，组成管网模型水力特点的恒定流基本方程组，建立在管网的拓扑关系上，反应管网模型节点和管段之间的水力关系，可以表示为：
在本实施例中，所述环网数守恒方程为：
P＝J+L-1；J＝1,2，···N；L＝1,2，···M；
对于树状管网，环数L＝0，所以P＝J-1，所以要将环状管网转化为树状管网要去掉L个管段，即每个环去掉一个管段，节点数量保存不变。根据已知量，求出各个管段的流量和水压。
在本实施例中，所述管段水力损失采用海曾-威廉公式：
q为管段流量；
Cw为海曾-威廉系数；
在本实施例中，所述步骤3)中的算法如下：
MT为水源节点(定压节点)集合；
M为非水源节点(变压节点)集合；
Sj---与节点j相邻的流向节点i的所有节点集合，即使得qij>0的所有节点i；
Ti、Tj为节点i、j水龄，单位：s；
I为与节点，相邻的节点；
qij为节点i与J间的管段流量，单位：m3/s；
Lij节点i与j间的管段管长，单位：m；
Vij---节点i与j间的管段流速，单位：m/s。
所述步骤4)中标准化公式为：
式中
本发明的有益效果为：通过建立管网水力模型进行管网节点水龄的精确计算，同时根据管网监测数据对算法参数进行校正，利用计算的节点水龄数据指导供水企业针对节点水龄偏高或者偏低区域采取相应的措施，改变节点水龄，为用户提供优质供水服务。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种供水管网水龄监测系统，其特征在于，包括
基础数据导入模块，用于收集整理供水企业现有管网数据，对管网数据进行数据整编清理，将符合要求的管网数据通过基础数据导入；
水力模型模块，与基础数据导入模块连接，通过导入的管网数据建立管网水力模型；
水龄计算模块，与水力模型模块连接，用于根据已经建好的管网水力模型为基础，通过水龄计算模块计算各个节点不同时段水龄结果；
管网监测数据采集模块，通过供水管网上安装的在线流量、压力、水质监测设备，实时采集数据；
数据预处理模块，与管网监测数据采集模块连接，对获得的数据进行处理及修正；对数据的有效性进行判别，根据系统设定的判别规则，剔除不合理数据及无效数据；
数据反馈模块，与数据预处理模块和水龄计算模块连接，将管网采集的有效的数据和管网水力模型计算数据进行对比，对算法参数进行调整；
数据存储模块，用于存储各个模块的数据；
所述管网水力模型的水力学原理是根据一个以上的守恒方程和管网水力损失建立；
所述守恒方程和管网水力损失包含有节点流程守恒方程、管段能量守恒、环网数守恒、管段水力损失和恒定流基本方程组；
管段能量方程的建立方式为：在管网模型中，所有管段都有两个节点关联，若将管网模型中的任意管段作为隔离体取出，根据能量守恒，该管段两端节点水量之差等于该管段压降，可以表示为：
HFi-Hti＝hi；i＝1,2,3···,M；
Fi,HFi为管段的上端点的编号和水头；
Ti,Hti为管段的下端点的编号和水头；
hi为管段i的水头；
M为管网模型中的管段总数；
所述管段水力损失采用海曾-威廉公式：
其中：
λ为沿程阻力系数；
D为管道内径；
q为管段流量；
g为重力加速度；
Cw为海曾-威廉系数；
hf为沿程水头损失系数。
2.根据权利要求1所述的一种供水管网水龄监测系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)收集整理供水企业现有管网数据，对管网数据进行数据整编清理，将符合要求的管网数据通过基础数据导入模块导入到系统，供水管网数据包括管网拓扑关系、管网材质、管径、长度基础属性数据；
2)在水力模型模块中通过导入的管网数据建立管网水力模型模块；进行多水源、多时间段流量、压力分配，管网节点流量分配，管网转输流量分配，通过编码实现管网水力模型的建立；
3)用已经建好的管网水力模型为基础，通过水龄计算模块计算各个节点不同时段水龄结果；
4)数据预处理模块对获得的数据进行处理及修正；对数据的有效性进行判别，根据系统设定的判别规则，剔除不合理数据及无效数据；
5)通过供水管网上安装的在线流量、压力、水质监测设备，实时采集数据；
6)通过数据预处理模块将采集的管网数据进行预处理，剔除无效及不合理数据；
7)通过数据反馈模块将管网采集的有效的数据和管网水力模型计算数据进行对比，对算法参数进行调整；
8)为供水企业提供节点水龄偏高或者偏低区域。
3.根据权利要求2所述的一种供水管网水龄监测系统的工作方法，其特征在于，所述节点流程守恒方程的建立方式为：在导入的管网资料中，所有节点都与若干管段相关联，其关联关系可以用关联集描述，对于管网模型中的任意节点j，将其作为隔离体取出，所有流入节点的流量之和应等于所有流出节点的流量之和，可以表示为：
其中：qi为管段i的流量；
Qj为节点j的流量；
Sj为节点的关联集；
N为管网模型中的节点总数。
4.根据权利要求3所述的一种供水管网水龄监测系统的工作方法，其特征在于，所述恒定流基本方程组根据管网模型的节点流量方程组与管段能量方程组联立，组成管网模型水力特点的恒定流基本方程组，建立在管网的拓扑关系上，反映管网模型节点和管段之间的水力关系，可以表示为：
其中：
qi为管段i的流量；
Qj为节点j的流量；
Sj为节点的关联集；
N为管网模型中的节点总数；
M为管网模型中的管段总数；
Fi,HFi为管段的上端点的编号和水头；
ti,Hti为管段的下端点的编号和水头；
hi为管段i的水头。
5.根据权利要求2所述的一种供水管网水龄监测系统的工作方法，其特征在于，所述环网数守恒方程为：
P＝J+L-1；J＝1,2，···N；L＝1,2，···M；
对于树状管网，环数L＝0，P＝J-1，根据已知量，求出各个管段的流量和水压。
6.根据权利要求2所述的一种供水管网水龄监测系统的工作方法，其特征在于，所述步骤3)中的算法如下：
MT为水源节点集合，其中水源节点为定压节点；
M为非水源节点集合，其中非水源节点为变压节点；
Sj为节点的关联集；
Ti、Tj为节点i、j水龄，单位：s；
i为与节点j相邻的节点；
qij为节点i与j间的管段流量，单位：m3/s；
Lij节点i与j间的管段管长，单位：m；
vij---节点i与j间的管段流速，单位：m/s；
所述步骤4)中标准化公式为：
式中
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