CN112883663B - 一种供水管网独立计量分区方法 - Google Patents

Abstract

一种供水管网独立计量分区方法，包括以下步骤：步骤1：对于包含m个需水节点的待分区供水管网，共形成n个管段，采集每个管段的长度X₁、压力X₂、流速X₃、管径X₄,对所采集数据进行标准化处理得到标准长度Y₁、标准压力Y₂、标准流速Y₃、标准管径Y₄；步骤2：定义供水管网各管段的长度、压力、流速、管径的影响权重,构建各管段代理长度；步骤3：根据代理长度对供水管网进行初始分区，形成N个独立计量区域；步骤4：构建独立计量区域间耗水量差异性评价函数，对独立计量区域边界点进行优化，降低区域间耗水量差异；步骤5：输出优化后的分区结果。本发明提供供水管网分区的客观指标权重，并降低各独立计量区域的耗水量差异性。

Description

一种供水管网独立计量分区方法

技术领域

本发明涉及市政工程和城市供水管网领域，具体涉及一种供水管网独立计量分区方法。

技术背景

管网漏水是供水设施的一个主要问题，供水管网的漏损率与城市发展水平、供水系统寿命以及日常维护能力具有高度相关性。供水管网的泄露问题不仅造成经济资源的大量浪费，同时还存在污染水质的潜在性风险。在管道老化、技术落后等因素的影响下，如何对供水管网进行合理分区以便于及时定位漏损点，已成为行业急需解决的重点问题之一。

供水管网分区独立计量(DMA)技术是目前有效的供水管网漏损定位技术之一，DMA技术通过将整体供水管网划分为若干个独立计量区域，在各区域出入管段安装流量计，通过监测流量计数据得到各独立计量区域耗水情况，从而对区域内管段是否漏水进行监测。

现有技术中，有关DMA技术中分区的方法较为有限，发明专利CN201911300313.8公开了一种基于图划分的供水管网DMA自动分区方法、发明专利CN201810864065.9公开了一种基于图论的供水管网辅助DMA分区方法和系统等，然而此类方法存在以下两个问题：第一，此类发明根据管网管段长度对供水管网进行DMA分区，未考虑管段压力、流速等影响；第二，此类发明未保证独立计量区域间的耗水相似性给后续数据检测带来困难。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种供水管网独立计量分区方法，以解决现有技术背景中管网分区缺少分区所需客观数据依据以及分区所成区域耗水量相差较大的问题，实现对供水管网的合理分区，提供供水管网分区的客观指标权重，并降低各独立计量区域的耗水量差异性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种供水管网独立计量分区方法，包括以下步骤：

步骤1：对于包含m个需水节点S₁，S₂，…，S_m的待分区供水管网，共形成n个管段P₁，P₂，…，P_n，采集每个管段的长度X₁、压力X₂、流速X₃、管径X₄四项数据，对所采集数据进行标准化处理得到标准长度Y₁、标准压力Y₂、标准流速Y₃、标准管径Y₄；

步骤2：定义供水管网各管段的长度、压力、流速、管径的影响权重分别为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄，构建各管段代理长度d＝ω₁Y₁+ω₂Y₂+ω₃Y₃+ω₄Y₄；

步骤3：根据代理长度d对供水管网进行初始分区，形成N个独立计量区域DMA₁，DMA₂，…，DMA_N；

步骤4：构建独立计量区域间耗水量差异性评价函数WCD(Water consumptiondifferences)，对独立计量区域边界点进行优化，降低区域间耗水量差异；

步骤5：输出优化后的分区结果DMA₁，DMA₂，…，DMA_N。

进一步地，所述步骤1中，对于管段的长度X₁、压力X₂、流速X₃、管径X₄四项数据指标，每项指标X_i＝{x₁，x₂，…，x_n}，n表示管段数量，利用Max-min标准化方法对供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据进行标准化处理：

其中：X_i表示标准化前供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据；Y_i表示标准化后供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据；min(x_i)表示供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据的样本最小值；max(x_i)表示供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据的样本最大值；

通过对所采集得供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据进行Max-min标准化，获得标准化后的管段长度Y₁、压力Y₂、流速Y₃、管径Y₄，每项指标Y_i＝{y₁，y₂，…，y_n}。

再进一步地，在所述步骤2中，定义供水管网管段长度、压力、流速、管径四项指标的影响权重，计算指标i的信息熵：

其中：n表示管段数量；若p_j＝0，则定义/>从而计算得到长度信息熵E₁、压力信息熵E₂、流速信息熵E₃、管径信息熵E₄，进一步计算各指标权重：

根据各指标权重ω_i以及供水管网管段的长度、压力、流速、管径标准化后的数据Y_i得到代理长度d：

更进一步地，在所述步骤3中，根据步骤2所得代理长度对供水管网进行初始分区，通过下式计算独立计量区域数量N：

其中：N_s表示供水管网部署区域总人口；N_a表示每个独立计量区域所包含的人口。随机选取供水管网中N个节点作为初始独立计量区域中心C₀，C₀＝{c₁，c₂，…，c_N}，以这些中心为基准，计算所有剩余需水节点S与中心的最小累计代理长度并划分其至代理长度最短的独立计量区域；

对所有网络节点划分完成后，得到供水管网的第一次分区结果，并重新计算每一个独立计量区域的质心，以该质心为更新后的独立计量区域中心C₁＝{c₁，c₂，…，c_N}，重复迭代直至中心不再发生变化，即得到初始分区结果DMA₁，DMA₂，…，DMA_N。

优选的，在所述步骤4中，构建供水管网各独立计量区域间耗水量差异性评价函数WCD：

其中：N表示独立计量区域的数量；D_j表示独立计量区域DMA_j的总供水需求；D_a表示时段内所有独立计量区域的平均供水需求；

对初始分区后各独立计量区域边界点进行优化，使各独立计量区域间耗水量差异减小即获得尽可能小的WCD值，包括以下步骤：

步骤4.1：记录所有边界点；

步骤4.2：将随机一个边界点交换至其原区域所相邻的区域；

步骤4.3：计算边界点交换后的耗水量差异性评价函数，若差异性评价函数减小则保留该交换，否则不保留；

步骤4.4：判断优化后的差异性评价函数是否满足收敛或者参数优化的预期效果；

步骤4.5：重复步骤4.1至步骤4.4，直至差异性评价函数达到收敛或者参数优化的预期效果。

本发明的有益表现是：本发明提出了一种供水管网独立计量分区方法，通过采集供水管网需水节点间管段的长度、压力、流速、管径数据，赋权重后相加构建节点间代理距离，根据代理距离对供水管网进行分区形成若干独立计量区域，进而构建区域间耗水量差异性评价函数，并以减小该差异性为目标对各独立计量区域边界进行优化。所提出的根据代理距离进行区域划分并根据区域耗水量对区域边界进行优化的方法对于供水管网独立计量区域分区具有很大的参考价值。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明实施例提供的A市某供水管网图；

图3为本发明实施例提供的A市某供水管网初始分区结果示意图；

图4为本发明实施例提供的独立计量区域间耗水量差异性评价函数优化过程示意图；

图5为本发明实施例提供的A市某供水管网优化后分区结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进一步详细叙述(以A市某供水管网为例)。

参照图1～图5，一种供水管网独立计量分区方法，包括以下步骤：

步骤1：管段数据采集与预处理。

如图2所示，A市某供水管网共有人口约61270人，主要供水节点144个，管段316个，管段总长217千米，通过压力计、流量计等设备采集得到供水管网管段长度X₁、压力X₂、流速X₃、管径X₄数据如表1所示，表1为供水管网初始采集数据：

表1

利用Max-min标准化方法对供水管网管段的长度、压力、流速、管径四项数据进行标准化处理：

其中，X_i表示标准化前供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据，Y_i表示标准化后供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据，min(x_i)表示供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据的样本最小值，max(x_i)表示供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据的样本最大值；

通过对所采集得供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据进行Max-min标准化，获得标准化后的管段长度Y₁、压力Y₂、流速Y₃、管径Y₄如表2所示，表2为供水管网标准化后的数据；

表2

步骤2：构建管段代理长度。

定义供水管网管段长度、压力、流速、管径四项指标的影响权重，计算指标i的信息熵：

其中：n表示管段数量；若p_j＝0，则定义/>从而计算得长度信息熵E₁、压力信息熵E₂、流速信息熵E₃、管径信息熵E₄。进一步计算各指标权重：

根据各指标权重ω以及供水管网管段的长度、压力、流速、管径标准化后的数据Y得到代理长度d：

以A市某供水管网为例得到供水管网管段的长度、压力、流速、管径权重分别为0.51、0.11、0.31、0.07，进而确定各管段代理长度如表3所示，表3为供水管网各管段代理长度；

表3

步骤3：供水管网初始分区。

根据步骤2所得代理长度对供水管网进行初始分区，通过下式计算独立计量区域数量N：

其中：N_s表示供水管网部署区域总人口，以A市某供水管网为例总人口为61270；N_a表示每个独立计量区域所包含的人口，以A市某供水管网为例每个区域所含人口设定为约10000。因此，随机选取供水管网中6个节点作为初始独立计量区域中心C₀，C₀＝{c₁,c₂,…,c₆}，以这些中心为基准，计算剩余138个需水节点与中心的最小累计代理长度并划分其至代理长度最短的独立计量区域。

对所有网络节点划分完成后，得到网络节点的第一次分区结果,并重新计算每一个独立计量区域的质心，以该质心为更新后的独立计量区域中心C₁＝{c₁,c₂,…,c₆}，重复迭代直至中心不再发生变化，即得到初始分区结果DMA₁,DMA₂,…,DMA₆。

以A市某供水管网为例，该管网初始分区结果如图3所示。

步骤4：独立计量区域边界优化。

构建供水管网各独立计量区域间耗水量差异性评价函数WCD：

其中：N表示独立计量区域的数量；D_j表示独立计量区域DMA_j的总供水需求；D_a表示时段内所有独立计量区域的平均供水需求。以A市某供水管网初始分区结果为例，该供水管网经初始分区后的差异性评价函数为0.187。

对初始分区后各独立计量区域边界点进行优化，使各独立计量区域间耗水量差异减小即获得尽可能小的WCD值，包括以下步骤：

步骤4.1：记录所有边界点；

步骤4.2：将随机一个边界点交换至其原区域所相邻的区域；

步骤4.3：计算边界点交换后的耗水量差异性评价函数，若差异性评价函数减小则保留该交换，否则不保留；

步骤4.4：判断优化后的差异性评价函数是否满足收敛或者参数优化的预期效果；

步骤4.5：重复步骤4.1至步骤4.4，直至差异性评价函数达到收敛或者参数优化的预期效果。

以A市某供水管网为例，该供水管网经初始分区后边界优化步骤及优化过程中的差异性评价函数变化过程如下表4所示，表4为差异性评价函数优化过程；

表4

该优化过程差异性评价函数下降过程如图4所示，优化至第73次时优化结果达到收敛且参数优化的预期效果，此时差异性评价函数值为0.032。

步骤4：输出供水管网最终分区结果。

以A市某供水管网为例，该管网经边界优化后分区结果如图5所示。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的基本思想与方法，在具体实施方式及应用范围上均有改变之处，本发明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种供水管网独立计量分区方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：对于包含m个需水节点S₁，S₂，…，S_m的待分区供水管网，共形成n个管段P₁，P₂，…，P_n，采集每个管段的长度X₁、压力X₂、流速X₃、管径X₄四项数据，对所采集数据进行标准化处理得到标准长度Y₁、标准压力Y₂、标准流速Y₃、标准管径Y₄；

步骤2：定义供水管网各管段的长度、压力、流速、管径的影响权重分别为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄，构建各管段代理长度d＝ω₁Y₁+ω₂Y₂+ω₃Y₃+ω₄Y₄；

步骤3：根据代理长度d对供水管网进行初始分区，形成N个独立计量区域DMA₁，DMA₂，…，DMA_N；

步骤4：构建独立计量区域间耗水量差异性评价函数WCD，对独立计量区域边界点进行优化，降低区域间耗水量差异；

步骤5：输出优化后的分区结果DMA₁，DMA₂，…，DMA_N；

所述方法所述步骤1中，对于管段的长度X₁、压力X₂、流速X₃、管径X₄四项数据指标，每项指标X_i＝{x₁，x₂，…，x_n}，n表示管段数量，利用Max-min标准化方法对供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据进行标准化处理：

其中：X_i表示标准化前供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据；Y_i表示标准化后供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据；min(x_i)表示供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据的样本最小值；max(x_i)表示供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据的样本最大值；

通过对所采集得供水管网管段的长度、压力、流速、管径数据进行Max-min标准化，获得标准化后的管段长度Y₁、压力Y₂、流速Y₃、管径Y₄，每项指标Y_i＝{y₁，y₂，…，y_n}；

在所述步骤2中，定义供水管网管段长度、压力、流速、管径四项指标的影响权重，计算指标i的信息熵：

其中：n表示管段数量；若p_j＝0，则定义/>从而计算得到长度信息熵E₁、压力信息熵E₂、流速信息熵E₃、管径信息熵E₄，进一步计算各指标权重：

根据各指标权重ω_i以及供水管网管段的长度、压力、流速、管径标准化后的数据Y_i得到代理长度d：

在所述步骤3中，根据步骤2所得代理长度对供水管网进行初始分区，通过下式计算独立计量区域数量N：

其中：N_s表示供水管网部署区域总人口；N_a表示每个独立计量区域所包含的人口，随机选取供水管网中N个节点作为初始独立计量区域中心C₀，C₀＝{c₁，c₂，…，c_N}，以这些中心为基准，计算所有剩余需水节点S与中心的最小累计代理长度并划分其至代理长度最短的独立计量区域。

2.如权利要求1所述的一种供水管网独立计量分区方法，其特征在于，对所有网络节点划分完成后，得到供水管网的第一次分区结果，并重新计算每一个独立计量区域的质心，以该质心为更新后的独立计量区域中心C₁＝{c₁，c₂，…，c_N}，重复迭代直至中心不再发生变化，即得到初始分区结果DMA₁，DMA₂，…，DMA_N。

3.如权利要求1或2所述的一种供水管网独立计量分区方法，其特征在于，在所述步骤4中，构建供水管网各独立计量区域间耗水量差异性评价函数WCD：

其中：N表示独立计量区域的数量；D_j表示独立计量区域DMA_j的总供水需求；D_a表示时段内所有独立计量区域的平均供水需求；

对初始分区后各独立计量区域边界点进行优化，使各独立计量区域间耗水量差异减小即获得尽可能小的WCD值，包括以下步骤：

步骤4.1：记录所有边界点；

步骤4.2：将随机一个边界点交换至其原区域所相邻的区域；

步骤4.3：计算边界点交换后的耗水量差异性评价函数，若差异性评价函数减小则保留该交换，否则不保留；

步骤4.4：判断优化后的差异性评价函数是否满足收敛或者参数优化的预期效果；

步骤4.5：重复步骤4.1至步骤4.4，直至差异性评价函数达到收敛或者参数优化的预期效果。