CN114154280A - 一种在线水力建模系统方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线水力建模系统方法及系统，属于水力建模技术领域，包括打开WaterNet Insight系统，并对WaterNet Insight系统配置参数；将供水管网拓扑据导入WaterNet Insight系统中，并在地图窗口生成管网拓扑结构；对管网拓扑结构进行拓扑分析，依据实际情况修正发现的错误；将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入管网拓扑结构，形成初始模型；对初始模型进行校验调整，直至初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型。本发明水力模型系统在线化，无需额外软件安装，通过主流浏览器即可随时随地登录系统进行模型操作。

Description

一种在线水力建模系统方法及系统

技术领域

本发明涉及水力建模技术领域，尤其涉及一种在线水力建模系统方法及系统。

背景技术

供水管网水力模型系统，主要以管网GIS数据为基础，结合供水管网运行数据包括出厂压力、出厂流量等，依托于水力学原理，通过计算机技术模拟求解供水管网节点流量方程、管道能量方程，计算出管网上任意节点、管道的运行参数，包括压力、流量、流速、水质参数等。

传统供水管网水力模型系统以C/S端(客户端)软件为主，需安装特定模型软件(如Epanet、WaterGEMS等)，甚至是相关数据库(Mysql，SQLsever、Oracle等)，安装过程繁杂，操作复杂困难，且无法实现随时随地进行模型的查看、模拟计算的需要。同时传统建模软件的模型计算求解效率严重受个人电脑性能限制。

传统供水管网模型软件对参数的调整修改缺乏统一管理记录，使用人员在长时间跨度的供水模型建设以及模拟应用过程中需要反复大量的进行参数调整试错，难免会出现已调参数遗忘的问题，需要使用人员反复核实确认，且参数还原、修改调整操作不便，影响工作效率。

供水管网水力模型中包含大量管网实际数据，数据保密管理要求高，而传统供水管网水力模型系统主要以独立文件为载体，在模型方案管理方面相对分散，主要依托于制度人员管理来避免模型数据外泄，数据安全性难以得到保证。同时以文件形式作为供水管网水力模型载体，各人员独立以各自版本模型进行建模工作，无法实现多人员协同建模，降低建模效率。

传统供水管网水力模型系统在模型校验过程中，主要依托于专业建模人员的经验，人工的不断调试各模型参数，以达到目标精度要求，是个不断试错的过程，效率低下，一般一个中大型模型的校验过程需要消耗1至3个月时间。且传统模型校验方式带有建模人员的一定主观性判断，有可能导致模型在其它工况模拟条件下，结果与实际出现较大偏差，通用性较差。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供一种在线水力建模系统方法及系统，方法包括：

打开WaterNet Insight系统，并对所述WaterNet Insight系统配置参数；

将供水管网拓扑据导入所述WaterNet Insight系统中，并在地图窗口生成管网拓扑结构；

对所述管网拓扑结构进行拓扑分析，依据实际情况修正发现的错误；

将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入所述管网拓扑结构，形成初始模型；

对所述初始模型进行校验调整，直至所述初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型。

优选的是，所述管网拓扑结构进行拓扑分析包括属性合理性检查、连通性检查、重叠对象检查、相邻未连通检查、上下游属性差异检查和属性推断功能检查。

优选的是，将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入所述管网拓扑结构，形成初始模型包括；

将水厂泵站出厂压力、出厂流量数据、水池水位变化曲线数据、水泵运行数据和阀门开关状态数据分别对应到所述管网拓扑结构中的各个设施点以及将所述用水量数据与所述管网拓扑结构中的各个设施点关联，形成初始模型；

其中，对所述初始模型进行求解，若无解，则对所述管网拓扑结构调整，直至成功实现求解。

优选的是，对所述管网拓扑结构调整，直至成功实现求解包括：

选择所述管网拓扑结构中的设施点；

对选中的所述设施点的相应参数进行修改调整，所所修改的设施点参数依据设施点类型分类形成参数调整模块；

对所述参数调整模块进行调整；

调整完毕后，对调整后所述初始模型进行求解，若成功求解，则将调整的参数进行保存；若无解，则重复上述步骤，直至成功求解。

优选的是，对所述参数调整模块进行调整，包括：

对所述设施点参数值进行修改；

删除所述设施点对应参数调整模块，并将所述设施点参数恢复为原始值；

新增选择设施点进行参数调整。

优选的是，对所述初始模型进行校验调整，直至所述初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型包括：

根据遗传算法巡优依次对所述管网拓扑结构中的每条管道计算参数、每个节点用水参数进行校验，直至所述初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，公式为：

式中：T为模型模拟时段数；n为观察组测压点数量；M为观察组测流点数量；H_i为i节点压力计算值；

为i节点压力实测值；Q_j为j管道流量计算值；

为j管道流量实测值；H_p为单位适应度得分的压力值；Q_p为单位适应度得分的流量值。

优选的是，用户通过浏览器访问所述WaterNet Insight系统，且所述WaterNetInsight系统通过账号密码登录。

优选的是，所述用户通过分享或权限开放两种方式将所属模型给与其它用户使用；

其中，分享方式为所述用户创建一个副本模型给其他用户使用，不同用户之间保持独立；权限开放为多个用户对同一模型均具有管理使用权限，实现多个用户协同工作。

优选的是，面对多个用户时进行统一的数据存储。

本发明还提供了一种所述的在线水力建模系统方法的系统，包括：

启动模块，用于打开WaterNet Insight系统，并对所述WaterNet Insight系统配置参数；

建模模块，用于将供水管网拓扑据导入所述WaterNet Insight系统中，并在地图窗口生成管网拓扑结构；

修正模块，用于对所述管网拓扑结构进行拓扑分析，依据实际情况修正发现的错误；

生成模块，用于将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入所述管网拓扑结构，形成初始模型；

校验模块，用于对所述初始模型进行校验调整，直至所述初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型。

优选的是，用户通过浏览器访问所述WaterNet Insight系统，且所述WaterNetInsight系统通过账号密码登录。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明水力模型系统在线化，无需额外软件安装，通过主流浏览器即可随时随地登录系统进行模型操作；数据统一管理，数据安全性高，实现多用户协同办公，建模效率提升；参数调整模块化，快速生产参数调整方案，减少模型调整所需操作；遗传算法巡优校验功能，通过算法实现参数快速巡优，缩短模型校验时间，减少用户校验工作量，提高模型精度和通用性。

附图说明

图1为本发明在线水力建模系统方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图1对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种在线水力建模系统方法及系统，方法包括：

打开WaterNet Insight系统，并对WaterNet Insight系统配置参数；

具体地，打开WaterNet Insight系统，选择需要使用的模型，也可进行新模型项目创建，配置参数包括校验日期、时间步长、模型求解类型、需求驱动类型、各类对象缺省预设值等。

将供水管网拓扑据导入WaterNet Insight系统中，并在地图窗口生成管网拓扑结构；

具体地，管网拓扑结构中设施点包括水厂泵站、管道、节点、阀门、压力表、流量计、用户点、水池、水泵、用水区域等。在地图窗口，用户可对各管网拓扑结构中设施点进行拖拽移动、删除、新建。

对管网拓扑结构进行拓扑分析，依据实际情况修正发现的错误；

具体地，管网拓扑结构进行拓扑分析包括属性合理性检查、连通性检查、重叠对象检查、相邻未连通检查、上下游属性差异检查和属性推断功能检查。用户可依次查看管网拓扑结构的问题并逐个进行核实修正，也可依据系统预设进行批量修正，包括删除孤立点或通过添加管线或拖拽移动重新建立孤立点与其他设施点的拓扑连接；删除悬挂管线或将悬挂管线连接到正确的设施点；删除或重新定位重叠点；消除孤立管网或添加水源。

将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入管网拓扑结构，形成初始模型；

具体地，将水厂泵站出厂压力、出厂流量数据、水池水位变化曲线数据、水泵运行数据和阀门开关状态数据分别对应到管网拓扑结构中的各个设施点以及将用水量数据与管网拓扑结构中的各个设施点关联，形成初始模型，且用水量数据包括用户点用水量、区域用水量数据。；

其中，对初始模型进行求解，若无解，则对管网拓扑结构调整，直至成功实现求解。

进一步地，对管网拓扑结构调整，直至成功实现求解包括：

选择管网拓扑结构中的设施点，在地图窗口用快速选择定位并标红居中显示；

对选中的设施点的相应参数进行修改调整；

所修改的设施点参数依据设施点类型分类形成参数调整模块，对参数调整模块进行编辑；

调整完毕后，对调整后所述初始模型进行求解，若成功求解，则将调整的参数进行保存；若无解，则重复上述步骤，直至成功求解。即选择管网拓扑结构中的设施点为调整对象，对该调整对象的参数进行调整，调整后进行计算，若满足需求，则保存该参数；若不满足需求，则继续调整该调整对象的参数；

具体地，对所述参数调整模块进行调整，包括：直接对设施点参数值进行修改；删除该设施点对应参数调整模块，并将该设施点参数恢复为原始值；新增选择设施点进行参数调整，生成对应参数调整模块。通过该参数调整模块，对诸多的设施点的参数调整模块进行组合选择，形成不同的参数调整方案，生成对应调整后初始模型。各个设施点调整参数包括：水厂泵站：出厂压力模式；管道：管径、沿程阻力系数、局部阻力系数、开关状态；节点：基础水量、水量模式；阀门：开关状态、阀门控制曲线；用户点：基础水量、水量模式；水池：水池体积曲线；水泵：水泵特性曲线、水泵开关状态、水泵频率；用水区域：基础水量、水量模式；

模式：出厂压力模式、水量模式数据；曲线：阀门控制曲线、水池体积曲线、水泵特性曲线数据。

对初始模型进行校验调整，直至初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型。

具体地，对初始模型进行校验调整包括经验校验流程和遗传算法巡优校验流程，经验校验流程包括选取模型观察对象组(测压点、测流点)，选取模型校验对象组(节点或管道)，根据校验对象类型确定校验调整参数(需水量比例、沿程阻力系数、管径等)，对调整参数取值范围、取值计算步长进行配置，多线程批量计算各参数下模型模拟结果，模拟结果同观察组实测数据比较，计算数据误差指标(包括Nash效率系数、平均误差、均方差等)，进而根据误差指标确定误差最小的参数配置方案，将参数配置应用到模型中。遗传算法巡优校验流程包括选取模型校验对象组，确定多参数集，对参数编码成位串，形成初始化种群，根据初始化解模型进行模拟计算，模拟结果同观察组实测数据比较，计算适应度目标函数，初始化种群进行遗传，包括选择、交叉、变异，形成新种群，再次进行模型求解计算，最终根据适应度目标函数确定参数调整最优解或近似最优解。遗传算法巡优校验，利用遗传算法运算求解多类型多组别调整参数条件下的最优解或近似最优解。观察对象组设置类似经验校验，如根据管材、管径设置不同管道阻力系数组，根据节点需水曲线、区域位置设置不同节点需水量组，同时可对不同校验组设置不同合理参数区间以加快求解效率。校验组对象及参数集确定后，通过对参数进行编码，形成遗传算法的初始化种群，进行模型求解，根据求解结果计算适应度，初始化种群进行遗传形成新种群，再次进行模型求解计算，最终根据适应度目标函数确定参数调整最优解或近似最优解。

遗传算法求解适应度目标：

式中：T为模型模拟时段数；n为观察组测压点数量；M为观察组测流点数量；H_i为i节点压力计算值；

为i节点压力实测值；Q_j为j管道流量计算值；

为j管道流量实测值；H_p为单位适应度得分的压力值；Q_p为单位适应度得分的流量值。

在本实施例中，用户通过浏览器访问WaterNet Insight系统，且WaterNetInsight系统通过账号密码登录。用户通过分享或权限开放两种方式将所属模型给与其它用户使用；其中，分享方式为用户创建一个副本模型给其他用户使用，不同用户之间保持独立；权限开放为多个用户对同一模型均具有管理使用权限，实现多个用户协同工作，建模过程中，管网管理人员负责将管网拓扑数据导入模型进行拓扑处理后，模型流转至调度人员，调度人员将调度数据导入模型，最终模型流转至专业建模人员进行校验工作，完成模型建设工作，全体人员在同一模型基础上协同工作，提高了建模的效率。

具体地，面对多用户同时进行模型求解，用户可执行计划求解任务，由模型求解核心服务后端进行求解计算，求解计算完成后通过调度中心发送消息给用户，用户即可对模拟计算结果进行查看。当模型求解所需资源超过单个模型求解任务最大可分配算力时，算力资源调度中心自动将该求解任务转为计划任务，并向用户发送消息。用户通过WNI系统前端发起模型求解任务，根据用户模型求解需求计算量和当前模型求解核心服务闲置算力资源，进行计算求解任务分配调度。单用户模型求解需求计算量评估公式如下：

式中：R_i为i用户单次求解任务所需算力资源；α为求解类型算法系数，分水力计算和水质计算；β为求解算法需求驱动系数，分需水量驱动和压力驱动；N_h为求解模型节点数；N_q为求解模型管道数；N_m为求解模型需水模式数；T为模型模拟总时长参数；t为模型模拟时间步长参数；n为模型求解次数，由单次分析计算或校验巡优分析计算确定

则该求解任务可分配到算力资源为：

式中：

Q_i为i用户求解任务获得算力资源；R_i为i用户单次求解任务所需算力资源；Q为求解服务闲置算力资源；

为当前全部求解任务总需求算力资源。

经计算若Q_i大于单个模型求解任务最大可分配算力Q_max，则将该求解任务调整为计划求解任务以最大算力Q_max进行求解，同时发消息通知用户：“本次求解耗时较长，已安排为计划求解任务，请等待计算完成”，完成求解后再次发消息通知用户，用户即可查看求解计算结果。

在本实施例中，将诸多用户的各类模型进行统一的数据存储，包括模型拓扑数据、模型计算结果数据、模型参数调整数据，实现数据统一管理，确保数据安全性，降低数据管理模型运维成本。用户通过向其他用户开放模型使用权限(包括查看、编辑、复制、删除等)，使多名用户可对同一模型进行操作，每位用户的操作都将进行记录，方便问题回溯，提高多用户协同办公效率。

本发明还提供了一种的在线水力建模系统方法的系统，包括：

启动模块，用于打开WaterNet Insight系统，并对WaterNet Insight系统配置参数；

建模模块，用于将供水管网拓扑据导入WaterNet Insight系统中，并在地图窗口生成管网拓扑结构；

修正模块，用于对管网拓扑结构进行拓扑分析，依据实际情况修正发现的错误；

生成模块，用于将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入管网拓扑结构，形成初始模型；

校验模块，用于对初始模型进行校验调整，直至初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型。

优选的是，用户通过浏览器访问WaterNet Insight系统，且WaterNet Insight系统通过账号密码登录。

优选的是，用户通过分享或权限开放两种方式将所属模型给与其它用户使用；

其中，分享方式为用户创建一个副本模型给其他用户使用，不同用户之间保持独立；权限开放为多个用户对同一模型均具有管理使用权限，实现多个用户协同工作。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在线水力建模系统方法，其特征在于，包括：

打开WaterNet Insight系统，并对所述WaterNet Insight系统配置参数；

将供水管网拓扑据导入所述WaterNet Insight系统中，并在地图窗口生成管网拓扑结构；

对所述管网拓扑结构进行拓扑分析，依据实际情况修正发现的错误；

将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入所述管网拓扑结构，形成初始模型；

对所述初始模型进行校验调整，直至所述初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型。

2.如权利要求1所述的在线水力建模系统方法，其特征在于，所述管网拓扑结构进行拓扑分析包括属性合理性检查、连通性检查、重叠对象检查、相邻未连通检查、上下游属性差异检查和属性推断功能检查。

3.如权利要求2所述的在线水力建模系统方法，其特征在于，将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入所述管网拓扑结构，形成初始模型包括；

将水厂泵站出厂压力、出厂流量数据、水池水位变化曲线数据、水泵运行数据和阀门开关状态数据分别对应到所述管网拓扑结构中的各个设施点以及将所述用水量数据与所述管网拓扑结构中的各个设施点关联，形成初始模型；

其中，对所述初始模型进行求解，若无解，则对所述管网拓扑结构调整，直至成功实现求解。

4.如权利要求3所述的在线水力建模系统方法，其特征在于，对所述管网拓扑结构调整，直至成功实现求解包括：

选择所述管网拓扑结构中的设施点；

对选中的所述设施点的相应参数进行修改调整，所所修改的设施点参数依据设施点类型分类形成参数调整模块；

对所述参数调整模块进行调整；

调整完毕后，对调整后所述初始模型进行求解，若成功求解，则将调整的参数进行保存；若无解，则重复上述步骤，直至成功求解。

5.如权利要求4所述的在线水力建模系统方法，其特征在于，对所述参数调整模块进行调整，包括：

对所述设施点参数值进行修改；

删除所述设施点对应参数调整模块，并将所述设施点参数恢复为原始值；

新增选择设施点进行参数调整。

6.如权利要求5所述的在线水力建模系统方法，其特征在于，对所述初始模型进行校验调整，直至所述初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型包括：

根据遗传算法巡优依次对所述管网拓扑结构中的每条管道计算参数、每个节点用水参数进行校验，直至所述初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，公式为：

式中：T为模型模拟时段数；n为观察组测压点数量；M为观察组测流点数量；H_i为i节点压力计算值；

为i节点压力实测值；Q_j为j管道流量计算值；

为j管道流量实测值；H_p为单位适应度得分的压力值；Q_p为单位适应度得分的流量值。

7.如权利要求1所述的在线水力建模系统方法，其特征在于，用户通过浏览器访问所述WaterNet Insight系统，且所述WaterNet Insight系统通过账号密码登录。

8.如权利要求7所述的在线水力建模系统方法，其特征在于，所述用户通过分享或权限开放两种方式将所属模型给与其它用户使用；

其中，分享方式为所述用户创建一个副本模型给其他用户使用，不同用户之间保持独立；权限开放为多个用户对同一模型均具有管理使用权限，实现多个用户协同工作。

9.如权利要求8所述的在线水力建模系统方法，其特征在于，面对多个用户时进行统一的数据存储。

10.一种如权利要求1-9任一所述的在线水力建模系统方法的系统，其特征在于，包括：

启动模块，用于打开WaterNet Insight系统，并对所述WaterNet Insight系统配置参数；

建模模块，用于将供水管网拓扑据导入所述WaterNet Insight系统中，并在地图窗口生成管网拓扑结构；

修正模块，用于对所述管网拓扑结构进行拓扑分析，依据实际情况修正发现的错误；

生成模块，用于将实际运行中的运行调度数据和用水量数据导入所述管网拓扑结构，形成初始模型；

校验模块，用于对所述初始模型进行校验调整，直至所述初始模型计算输出结果与实际监测值相接近，得到最终水力模型。

Images