CN114048694A - 一种基于物联网和水力模型的漏损定位方法 - Google Patents

一种基于物联网和水力模型的漏损定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于物联网和水力模型的漏损定位方法，其特点是采用物联网技术对管网进行实时监测，通过管网模型分析和配合管网中的阀门操作，结合夜间流量和操作前后的压力变化对管网中流量影响，实现管网漏损的精确定位和漏损量判定。本发明与现有技术相比具有设备安装数量少，操作简单，定位利用模型软件反复计算分析，不需大量人工等优点，大大缩短漏点的感知时间，增强主动检漏能力，在当前漏损率较大的情况下，具有良好的工程应用前景。

Description

一种基于物联网和水力模型的漏损定位方法
技术领域
本发明涉及供水管网智能管理技术领域，尤其是一种基于物联网和水力模型的漏损定位方法。
背景技术
供水管网的漏损与产销差控制问题，成为了供水企业和用水单位要面临重大难题，自来水漏损浪费了漏损水量的取水水资源、处理和输配的成本。为了保障用水，需要额外增加投资用于增加水量，提高部分地区的水压。而水压的增加会导致漏损量的增加，漏损量过大时，会导致部分地区服务压力偏低、供水量不足，影响生产和生活。管道出现破损可能影响管网水质，管道出现长时间漏损而未被发现，则可能会产生因泥土流失导致路面塌陷，影响建筑物和路面交通安全，严重时会造成人员和物资损失。
现有技术的供水管网管理一般都靠人力扫地毯式进行夜间探测，导致无法及时发现漏损和位置，对漏损情况无法做到精准掌握，在漏损治理的过程中，治理效果往往无法准确评估、漏损治理的投入及产出比更是无从考核，缺乏高效的漏损监测手段和方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种基于物联网和水力模型的漏损定位方法，采用模型模拟分析，通过管网模型分析和配合管网中的阀门操作，结合夜间流量和操作前后的压力变化对管网中流量影响，利用模型模拟分析得出漏损的位置，尽量少的安装必要的硬件监测设备，节约建设、维修以及人力地毯式探漏成本。管网利用物联网技术进行实时监测，以及夜间流量和压力的关联性分析发现漏点，缩短漏点的感知时间，增强主动检漏能力，在当前漏损率较大的情况下，具有良好的工程应用前景。
本发明的目的是这样实现的：一种基于物联网和水力模型的漏损定位方法，其特点是采用物联网技术对管网进行实时监测，通过管网水力模型模拟计算分析，管网漏损位置的查找及泄漏量，具体包括如下步骤：
(一)管网水力模型的建立
根据掌握的现状管道情况绘制管网布置图，将基于拓扑联通性分析的GIS数据导入，建立管网拓扑结构；根据管网初始设计值或运行经验值对管网进行模拟水量分配赋值，根据水力学原理对管网进行水力计算，确定管网中各个节点、管段的流量、压力、压降、流向参数；多次调整修正后，形成管网水力模型。根据水力管网模型，模拟分析后合理确定所需硬件分区计量和重点监控设备数量，根据模拟的水力、水质和安全性要求，必要时可以关闭阀门形成闭合区域。
(二)管网监测系统的搭建
根据管网水力模型的初步模拟结果，合理确定管网的关键节点和关键管段，并设置流量计、压力传感器等检测仪表，所述检测仪表均配置模/数转换装置并通过有线或无线方式搭建物联网络，安装管网监测设备，含压力监测点和流量监测点，形成管网监测系统，以获取监测数据；所述管网监测系统可实时获取监测点的数据并上传汇总。所述系统可实时获取监测点的数据并上传汇总。
(三)漏损状态的初步评判
将实时获取的监测数据导入管网水力模型，可掌握管网的运行动态，通过压力(或压降)实测值与理论计算值的对比分析，可初步判定管网的异常区域。
(四)漏损量的确定
根据管网水力模型的流量计算并结合夜间最小流量数据，可初步明确出未明去向水量，供水压力与漏失量的关系模型为：水漏失量L与压力P成N次方的关系，即由下述a式确定的漏失流量Qj：
Qj＝k(P)N (a)；
式中：k为漏失系数；P为节点自由水压；N的取值范围为0.5～2.5，平均值为1.15，接近线形关系。
根据管网水力模型的流量计算并结合夜间最小流量数据，初步确定未明去向水量，并由下述a式确定漏失流量Qj：
Qj＝k(P)N (a)；
式中：k为漏失系数；P为节点自由水压；N的取值范围为0.5～2.5，平均值为1.15，接近线形关系；
根据上述压力和漏损的数学关联，通过管网水力模型的反复计算修正，可将实际漏损水量从未明去向水量中进一步分离出来。
(五)漏损位置的定位
以步骤三初定的漏损区域为研究对象，通过切换区域内各管段的分隔阀门，改变管网内流量的分配，模拟出不同的工况，根据不同流量下各管段的压力(或压降)实测数据与理论计算值的比对，采用逐步排除的模式缩小范围，获取漏损管段的精确定位。
(六)漏损分析
通过反复试算和调整，当模拟计算值与实测值达到设定的逼近度时，视为分析完成，成果包括漏损点数量、漏损点定位、漏损量等内容，作为现场排查、修复的依据。
所述给水管网模型通过模拟软件的水力分析，计算得出管网中节点的压力和管段的流量、流速，利用误差校正算法，对环状网进行水力计算，所述水力计算以节点连续性方程和管道能量方程—管网基本方程组为基础，具体包括：解环方程、管段方程和节点方程。
本发明与现有技术相比具有设备安装数量少，操作简单，定位利用模型软件反复计算分析，不需大量人工等优点。利用物联网技术对管网进行实时监测，通过管网水力模型模拟计算分析和实测数据比对查找管网漏损，实现精确定位和漏损量判定，缩短漏点的感知时间，增强主动检漏能力，利用物联网技术实现数据实时上传和分析，可及时发现漏损，实现快速处置，最大限度减少水量损失，在当前漏损率较大的情况下，具有良好的工程应用前景。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
参阅附图1，本发明基于软件和硬件结合的方式进行漏损定位，通过管网水力模型分析，结合夜间流量和一些人为模拟工况的数据变化，通过模拟计算数值与实测数值的比对，查找出具体漏损位置和漏损量，具体包括如下步骤：
(一)管网水力模型建立
根据掌握的现状管道情况绘制管网布置图，将基于拓扑联通性分析的GIS数据导入，建立管网拓扑结构；根据管网初始设计值或运行经验值对管网进行模拟水量分配赋值，根据水力学原理对管网进行水力计算，确定管网中各个节点、管段的流量、压力、压降、流向参数；多次调整修正后，形成管网水力模型；所述管网水力模型进行模拟分析后合理确定所需硬件分区计量和重点监控设备数量，根据模拟的水力、水质和安全性要求，必要时可以关闭阀门形成闭合区域。
(二)搭建物联网络的管网监测系统
根据管网水力模型的初步模拟结果，合理确定管网的关键节点和关键管段，并设置流量计、压力传感器等监测仪表。检测仪表均配置模/数转换装置，并通过有线或无线方式搭建物联网络，安装管网监测设备，含压力监测点和流量监测点，形成管网监测系统，以获取监测数据；所述管网监测系统可实时获取监测点的数据并上传汇总。
(三)根据监测数据更新模型，漏损状态初步评判
将实时获取的监测数据导入管网水力模型，可掌握管网的运行动态。通过压力(或压降)实测值与理论计算值的对比分析，可初步判定管网的异常区域。并根据监测数据更新管网水力模型，进一步分析管网最大可能漏损发生区域，结合现场操作，针对性进行临时压力布点测试，更新管网水模型，进一步分析漏损位置。
(四)根据漏损位置压力和夜间最小流量分析，确定漏损量
根据管网水力模型的流量计算并结合夜间最小流量数据，可初步明确出未明去向水量，所述供水压力与漏失量的关系模型为：水漏失量L与压力P成N次方的关系，即即由下述a式确定的漏失流量Qj：
Qj＝k(P)N (a)；
式中：k为漏失系数；P为节点自由水压；N的取值范围为0.5～2.5，平均值为1.15，接近线形关系。
根据上述压力和漏损的数学关联，通过管网水力模型的反复计算修正，可将实际漏损水量从未明去向水量中进一步分离出来。
(五)漏损位置的详细定位
根据初步确定的漏损区域，查找管网中的沿途中可以操作的阀门，确定需要操作的阀门，确保阀门后有临时或原本有测压设备，便于获得阀门关闭后压力值，通过调整阀门开度进而调整阀门后的压力，获取不同压力下沿线管线的压力变化。通过切换区域内各管段的分隔阀门，改变管网内流量的分配，模拟出不同的工况，根据不同流量下各管段的压力(或压降)实测数据与理论计算值的比对，采用逐步排除的模式缩小范围，获取漏损管段的精确定位。
(流)漏损分析
将现场测试数据更新进模型，模拟分析不同压力下响应流量经过的沿程压力损失和匹配程度，反复推算，得出漏损位置和漏损量。
通过反复试算和调整，当模拟计算值与实测值达到设定的逼近度时，视为分析完成，成果包括漏损点数量、漏损点定位、漏损量等内容，作为现场排查、修复的依据。
本发明的管网建模水力分析计算是所有给水管网模拟软件的核心，通过水力分析计算可以得出管网中节点的压力和管段的流量、流速等水力参数；所述管网水力分析计算，利用误差校正算法，对环状网进行水力计算，主要依据解环方程、管段方程和节点方程。这些方程都是以节点连续性方程和管道能量方程—管网基本方程组为基础的。
所述节点连续性方程由下述b式表示：
Figure BDA0003345229510000061
式中：qp为管段p的管段流量；Qi为管网中节点i的节点流量。
所述管道能量方程(水头损失方程)由下述c式表示：
Figure BDA0003345229510000062
式中：△Hp为管段p的水头损失；Hi，Hj为与管段p直接连接的节点i和j的压力；Sp为管段p的摩阻；qp为管段p的管段流量；n为指数。
所述管网模型软件采用解节点方程的方法进行水力分析。
本发明基于软件和硬件结合的方式进行漏损定位，通过管网水力模型分析，结合夜间流量和一些人为模拟工况的数据变化，通过模拟计算数值与实测数值的比对，查找出具体漏损位置和漏损量。利用物联网技术实现数据实时上传和分析，可及时发现漏损，实现快速处置，最大限度减少水量损失。
以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种基于物联网和水力模型的漏损定位方法，其特征在于采用物联网技术对管网进行实时监测，通过管网水力模型模拟计算分析，管网漏损位置的查找及泄漏量，具体包括如下步骤：
（一）管网水力模型的建立
将基于拓扑联通性分析的GIS数据导入管网布置图，建立管网拓扑结构，根据管网初始设计值或运行经验值对管网进行模拟水量分配赋值，通过水力计算确定管网中各节点、管段的流量、压力、压降和流向参数，调整修正后形成管网水力模型；
（二）管网监测系统的搭建
根据管网水力模型的初步模拟结果，确定管网的关键节点和关键管段并设置流量计、压力传感器，所述流量计、压力传感均配置模/数转换装置，并通过有线或无线方式搭建物联网络，安装管网监测设备，含压力监测点和流量监测点，形成管网监测系统，以获取监测数据；
（三）漏损状态的初步评判
将实时获取的监测数据导入管网水力模型，通过压力实测值与理论计算值的对比分析，初步判定管网的异常区域；
（四）漏损量的确定
根据管网水力模型的流量计算并结合夜间最小流量数据，初步确定未明去向水量，并由下述a式确定漏失流量Qj：
Qj= k(P)N （a）;
式中：k为漏失系数；P为节点自由水压；N的取值范围为0.5~2.5，平均值为1.15，接近线形关系；
根据压力与漏损的数学关联，通过管网水力模型的计算修正，可将实际漏损水量从未明去向水量中进一步分离出来；
（五）漏损位置的定位
通过切换异常区域内各管段的分隔阀门，改变管网内流量的分配，结合夜间流量和操作前后的压力变化对管网中流量影响，利用模型模拟分析得出漏损的位置，并模拟不同的工况，根据不同流量下各管段的压力（或压降）实测数据与理论计算值的比对，采用逐步排除的模式缩小范围，获取漏损管段的精确定位；
（六）漏损分析
通过试算和调整，当模拟计算值与实测值达到设定的逼近度时，视为漏损分析完成，所述漏损分析成果具体包括：漏损点数量、漏损点定位、漏损量，并作为现场排查和修复的依据。
2.根据权利要求1所述基于物联网和水力模型的漏损定位方法，其特征在于所述给水管网模型通过模拟软件的水力分析，计算得出管网中节点的压力和管段的流量、流速，利用误差校正算法，对环状网进行水力计算，所述水力计算以节点连续性方程和管道能量方程—管网基本方程组为基础，具体包括：解环方程、管段方程和节点方程。
3.根据权利要求1所述基于物联网和水力模型的漏损定位方法，其特征在于所述管网监测系统可实时获取监测点的数据并上传汇总。
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