CN115344975A - 一种基于传感器网络的城市排水管网分布式漏损估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于传感器网络的城市排水管网分布式漏损估计方法。该方法构建了传感器网络的拓扑结构与城市排水管网的状态空间模型,利用伯努利随机序列描述排水管网内非线性的随机变化,利用Rice衰减模型描述传感器测量时随机发生的测量衰减现象,并采用Round‑Robin通信协议进行数据传输调度;然后设计分布式状态估计器,再建立误差增广系统,得到满足误差增广系统的均方指数稳定性和H∞性能的充分条件;最后,通过凸优化方法求出分布式估计器的增益矩阵。为城市排水管网实现准确的远程估计和监测提供了一种实时有效的方法。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域,涉及一种排水管网的漏损估计方法,具体涉及一种基于传感器网络的城市排水管网分布式漏损估计方法。
背景技术
城市排水管网肩负着城市防汛排水、污水收集输送的重任,是市政基础公用设施的重要组成部分。伴随着现代城市人口逐渐增加和经济快速发展,城市污水排放量日益增加,如何充分发挥城市排水管网效能是目前亟待解决的问题之一,并且直接关系到城市的安全。特别是在暴雨季节,城市容易发生不同程度的内涝,给城市交通及人们生命财产安全造成严重威胁。
目前,由于城市排水管网监测技术落后,因为设计不合理和运行环境恶劣,造成城市排水管网漏损严重而得不到有效检测,不能满足城市快速发展的需求。随着大数据、云计算和移动互联网等新一代信息技术不断融入传统行业,现代城市水务系统也大量与新兴技术融合,应用新信息科技解决出现的问题,促进城市水务系统实现自动化和智能化。
为了实现对城市排水管网的漏损实现准确、实时的远程监测,基于传感器网络的分布式估计是一种极为有效、可行的方法。但是传感器在采集数据时工作环境存在随机变化,需要考虑传感器测量时随机发生的测量衰减现象。此外,传输传感器测量数据的公用通信网络带宽有限,而大量传感器数据同时经过通信网络传输,极易导致网络拥塞和传输性能降低。因而,如何在有限网络带宽下保持数据传输和漏损估计性能也是一个具有挑战的问题。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出了一种基于传感器网络的城市排水管网分布式漏损估计方法,使用Rice衰减模型描述传感器测量时发生的随机测量衰减现象,利用伯努利序列描述系统非线性的随机变化,同时在信息传输调度中应用Round-Robin协议节省网络资源的占用,解决城市排水管网实时、准确的远程估计和监测问题。
一种基于传感器网络的城市排水管网分布式漏损估计方法,具体包括以下步骤:
步骤一、构建传感器网络拓扑结构
上述有向图中,表示所有传感器节点的集合,表示边的集合,表示该有向图的加权邻接矩阵,其中传感节点i、aij表示传感器节点i、j之间的连接强度,aij>0表示传感器节点j有信息传输至传感器节点i,当i=j时,记aij=aii=1,表示该传感器网络是包含自身的;[·]N×N表示由N×N个元素构成的矩阵;表示所有有信息传输至传感器节点i的传感器节点集合。
步骤二、建立排水管网系统的状态空间模型
根据某一城市排水管网的水力学方程和实测水务数据,建立系统的动态方程:
其中,表示t时刻排水管网状态向量,x1(t)表示t时刻排水管网内的水流量、x2(t)表示t时刻排水管网内水流温度、x3(t)表示t时刻排水管网内水流压强、x4(t)表示t时刻排水管网内水流速度。表示t时刻传感器节点i的测量输出值;yi1(t)表示t时刻传感器节点i测量得到的排水管网内的水流量、yi2(t)表示t时刻传感器节点i测量得到的排水管网内的水流温度、yi3(t)表示t时刻传感器节点i测量得到排水管网内的水流压强。表示t时刻排水管网待估计输出向量。是属于l2[0,∞)的非零噪声,和是已知的常数矩阵。非线性函数用于描述排水管网系统中的非线性现象,满足扇形有界约束,即对于已知的向量存在:
[f(a)-f(b)-U1(a-b)]T[f(a)-f(b)-U2(a-b)]≤0
[g(a)-g(b)-U3(a-b)]T[g(a)-g(b)-U4(a-b)]≤0
其中是已知的常数矩阵。根据实验和理论分析,传感器采集的信号由于折射、反射、障碍物阻挡的影响形成了三条衰减通道,所以s=0,1,2,通道数l取2。单个传感器各通道的衰减系数可以用一组相互独立的随机序列αi,s(t)∈[0,1]表示,其均值和方差分别记为其中和都是已知的正标量。同时,假设当t∈[-∞,0]时yi(t)=0、ν(t)=0。
传感器输出的大量量测数据通过公用网络传输会占用极多的网络资源。因此,从节省通信资源的角度考虑,使用Round-Robin通信协议,在每个时刻仅传输所有测量数据的一个分量,避免网络阻塞的发生。
每个传感器节点获得的测量数据的维数均为3,根据Round-Robin通信协议,每一时刻传输所有传感器测量输出的某一个分量数据,即只有当时,才会被传输,其中mod表示取余数,因此,在第λ个传输周期,从传感器节点i传到其邻接节点的信息序列为yi1(3λ+1),yi2(3λ+2),yi3(3λ+3)。所以,传感器节点i传输至其邻接节点的信息可以表示为其中
步骤三、建立排水管网漏损监测的分布式状态估计器及误差系统模型
针对排水管网系统的状态空间模型设计如下分布式状态估计器:
将公式(3)改写成如公式(4)所示的Kronecker积形式:
其中:XT、X-1分别表示X的转置或逆;diagN{…}表示N阶块对角矩阵;0和I分别表示零矩阵和单位矩阵,0m表示m个对角块是维数合适的零矩阵的对角矩阵,Im表示由m个单位矩阵I构成的对角矩阵;表示矩阵A和矩阵B的Kronecker积。
其中,
步骤四、求解分布式估计器
s4.1、估计误差增广系统的稳定性分析
为了分析误差增广系统的稳定性,先假设噪声ν(t)=0。定义Lyapunov函数为V(t)=V1(t)+V2(t):
计算上述Lyapunov函数差分的数学期望:
采用类似的方法,可得:
同时可算得
因此有
根据非线性函数f(x(t))和g(x(t))的扇形有界约束条件,可得下述不等式
E{V(t+1)-V(t)}≤E{εT(t)S1ε(t)} (14)
根据Lyapunov稳定性理论,当满足S1<0,估计误差增广系统在噪声等于0时是均方指数稳定的。
s4.2、估计误差增广系统的H∞性能分析
接下来对估计误差增广系统的H∞性能进行分析。对于非零噪声ν(t)∈l2[0,∞),选择性能指标函数
s4.3、求解分布式H∞估计器的增益矩阵
根据s4.1、s4.2分析得到的估计误差增广系统稳定性和H∞性能,求解分布式估计器的增益矩阵:
结合公式(19)、(20)可得:
根据4.1和4.2的推导,满足可以得出估计误差增广系统满足均方指数稳定性和H∞性能约束,且公式(18)可以由矩阵进行Schur补引理得到,这说明只要满足S2<0,估计误差增广系统的均方指数稳定性和H∞性能便能得到保证。根据上述推导,公式(20)可以等价得出S2<0,因此,只要满足公式(20)所示的不等式,就可得到估计误差增广系统是均方指数稳定的和具有H∞性能约束的。将和代入矩阵中,求解凸优化问题(20),可以得到和最后根据L=diagN{Lii}和K=[aijKij]N×N,可以求出估计器的增益矩阵Lii和Kij,即为本发明设计的城市排水管网的估计器增益矩阵。
本发明具有以下有益效果:
1、在对排水管网漏损监测的分布式估计中,考虑了实际应用中城市排水管网系统存在的随机发生的非线性干扰,并利用Rice衰减模型描述传感器测量中存在的测量衰减现象。
2、提出基于Round-Robin通信协议的调度机制,在保证系统性能的前提下尽可能的节省通信资源的占用和传感器节点能耗。
3、分析估计误差增广系统的均方指数稳定性并进行了H∞性能分析,通过凸优化方法对分布式估计器进行求解,提供了一种实时、有效的排水管网漏损监测分布式估计新方法,满足实际排水管网漏损远程监测的要求。
Claims (5)
1.一种基于传感器网络的城市排水管网分布式漏损估计方法,其特征在于:具体包括以下步骤:
步骤一、构建传感器网络拓扑结构
步骤二、建立排水管网系统的状态空间模型
根据某一城市排水管网的水力学方程和实测水务数据,建立系统的动态方程:
其中,表示t时刻排水管网状态向量,x1(t)、x2(t)、x3(t)、x4(t)分别表示t时刻排水管网内的水流量、水流温度、水流压强、水流速度;表示t时刻传感器节点i的测量输出值;yi1(t)、yi2(t)、yi3(t)分别表示t时刻传感器节点i测量得到的排水管网内的水流量、水流温度、水流压强;表示t时刻排水管网待估计输出向量;是属于l2[0,∞)的非零噪声,和是已知的常数矩阵;非线性函数满足扇形有界约束;β(t)是一个取值为0或1的伯努利随机序列,其中Prob{}表示随机事件发生的概率,为已知正标量;
其中是已知的常数矩阵;传感器采集的信号由于折射、反射、障碍物阻挡的影响形成了三条衰减通道,所以s=0,1,2,通道数l=2;用一组相互独立的随机序列αi,s(t)∈[0,1]表示单个传感器各通道的衰减系数,其均值和方差分别记为其中和都是已知的正标量;同时,假设当t∈[-∞,0]时yi(t)=0、ν(t)=0;
每个传感器节点获得的测量数据的维数均为3,根据Round-Robin通信协议,在第λ个传输周期,从传感器节点i传到其邻接节点的信息序列为yi1(3λ+1),yi2(3λ+2),yi3(3λ+3),将传感器节点i传输至其邻接节点的信息表示为其中
步骤三、建立排水管网漏损监测的分布式状态估计器及误差系统模型
针对排水管网系统的状态空间模型设计如下分布式状态估计器:
将公式(3)改写为Kronecker积形式,构建估计误差增广系统;
步骤四、求解分布式估计器
定义一个Lyapunov函数,然后分别在噪声ν(t)=0与噪声ν(t)∈l2[0,∞)的情况下,对估计误差增广系统的稳定性和H∞性能约束条件进行分析,在估计误差增广系统系统满足均方指数稳定性和H∞性能约束的条件下,通过凸优化方法求解得到分布式估计器的增益矩阵Lii和Kij。
5.如权利要求4所述一种基于传感器网络的城市排水管网分布式漏损估计方法,其特征在于:求解分布式估计器的具体过程为:
s4.1、估计误差增广系统的稳定性分析
为了分析误差增广系统的稳定性,先假设噪声ν(t)=0;定义Lyapunov函数为V(t)=V1(t)+V2(t):
计算上述Lyapunov函数差分的数学期望:
因此:
同时可算得
E{ΔV2(t)}=E{V2(t+1)-V2(t)}
=E{ηT(t)W1η(t)+ηT(t-1)W2η(t-1)-ηT(t-1)W1η(t-1)-ηT(t-2)W2η(t-2)} (11)
因此有
根据非线性函数f(x(t))和g(x(t))的扇形有界约束条件,可得下述不等式
E{V(t+1)-V(t)}≤E{εT(t)S1ε(t)} (14)
根据Lyapunov稳定性理论,当满足S1<0,估计误差增广系统在噪声等于0时是均方指数稳定的;
s4.2、估计误差增广系统的H∞性能分析
接下来对估计误差增广系统的H∞性能进行分析;对于非零噪声ν(t)∈l2[0,∞),选择性能指标函数
s4.3、求解分布式H∞估计器的增益矩阵
根据s4.1、s4.2分析得到的估计误差增广系统稳定性和H∞性能,求解分布式估计器的增益矩阵:
结合公式(19)、(20)可得:
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CN202211006254.5A CN115344975A (zh) | 2022-08-22 | 2022-08-22 | 一种基于传感器网络的城市排水管网分布式漏损估计方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117927880A (zh) * | 2024-03-22 | 2024-04-26 | 南京南大智慧城市规划设计股份有限公司 | 一种管网漏水诊断的智能检测定位方法 |
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