CN115795997A - 一种市政消火栓取水组合优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种市政消火栓取水组合优化方法，包括以供水可靠性和取水便捷性为目标，寻找发生火灾时，保证供水可靠性的同时，距离火点最近的消火栓组合。以消防工况下，消火栓出水压力大于单个消火栓需水流量所需的压力H(q)；着火点距离消火栓的距离大于为保障消防车有效取水的距离火场最大距离dmax；消火栓组合中单个消火栓不能重复出现；满足给水管网水力计算连续性方程，即管网节点流入/流出流量qi与从其他管道流入/流出该节点的流量qij之和为0；满足管网水力计算能量方程，即各环中水头损失闭合差∑hij为0，为约束条件；基于上述目标函数和约束条件寻找满足消火栓组合的最优解，即可得到最优消火栓取水组合方案。
Description
技术领域
本发明涉及市政消防供水领域，特别是涉及一种市政消火栓取水组合优化方法。
背景技术
市政消火栓是城市灭火救援的主要取水设施关系城市居民生命和财产安全的基础保障设施。由于我国许多地区市政给水管网建成年代已久，且给水设施管理部门和消防实战应用单位之间存在“信息断层”，导致火灾发生时消防实战应用单位无法迅速寻找到可靠的消火栓，消防供水的可靠性较差。同时，在大型火灾扑救现场，存在多部消防车同时接在同一市政供水路线的现象，造成消火栓“抢水”问题，导致消防车供水中断，大大影响火场救援效率。
为保障消防救援时消火栓供水可靠性，提高消防救援效率，需发明一种市政消火栓取水组合优化方法。基于给水管网水力模型及市政消火栓数据库，通过优化算法，得出在不同火灾条件下，最优消火栓取水组合方案，科学取水，充分发挥城市消防给水设施效能，保障消防供水可靠性，提高救援效率，保障人民生命和财产安全。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种市政消火栓取水组合优化方法，以取水消火栓组合压力最大、距离火场最短为目标，建立消火栓取水组合优化模型，基于给水管网水力模型及消防栓数据库，利用线性规划或遗传算法，求解火灾发生时的最优消火栓取水组合方案。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种市政消火栓取水组合优化方法，包括：建立一个消火栓取水组合优化模型，包括以下内容：
S1、建立目标函数，所述消火栓取水组合优化模型的目标函数为
其中，xi为被选取的消火栓；n为消火栓个数，通过着火点火灾规模和单个消火栓需水流量q确定；P(xi)为模型中计算消火栓xi工作时对应的节点压力；Q(X)为可靠性，Q(X)越大供水可靠性越好；D(xi)为计算消火栓与着火点的距离；M(X)为消火栓与火点的距离之和，M(X)越小，取水越便捷；
以供水可靠性和取水便捷性为目标，寻找发生火灾时，保证供水可靠性的同时，距离火点最近的消火栓组合；
S2、确定约束条件，所述消火栓取水组合优化模型的约束条件为
P(xi)＞H(q)
D(xi)＜dmax
xi≠xj
满足给水管网水力计算连续性方程及能量守恒方程
qi+∑qij＝0
∑hij＝0
其中，H(q)为满足单个消火栓需水流量所需的压力；dmax为保障消防车有效取水的距离火场最大距离；消火栓组合中单个消火栓不能重复出现；满足给水管网水力计算连续性方程，即管网节点流入/流出流量qi与从其他管道流入/流出该节点的流量qij之和为0；满足管网水力计算能量方程，即各环中水头损失闭合差∑hij为0；
S3、以S1中的目标函数为目标，在满足S2中的约束条件下，寻找满足消火栓组合的最优解，即可得到最优消火栓取水组合方案。
优选的，利用给水管网水力模型计算软件EPANET，求解连续性方程及能量守恒方程，计算消防工况下各节点的压力情况。
优选的，在EPANET软件中，给水管网被模拟成相互连接的节点和管段，节点可表示管段之间的连接节点、用户节点、消火栓节点、水池水库等设施，管段可表示实际管道、阀门等，可在模型中录入各管道设备的基础信息，并计算不同工况下的节点压力及管道流量。
优选的，根据实际消防救援需求，消火栓距离火场最大距离dmax最优取500m，最大不超过1000m。
优选的，每个消火栓只能连接一台消防车，供一台消防车取水一次。
优选的，H(q)为满足单个消火栓需水流量所需的压力，其大小与消防车所需取水流量q、消火栓型号口径、消火栓所连接的管道口径(即消火栓管道与市政管道连接的三通局部水头损失)相关，可通过实验拟合或查阅相关经验公式确定，也可根据GB50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》水力最不利消火栓的供水压力从地面算起不应小于0.10Mpa，即P(xi)＞0.10Mpa。
优选的，由于目标函数为多目标函数，为方便求解，可采取将两个目标函数加权相加的方式，求转化为单目标函数。
优选的，在Python或MATLAB中，利用线性规划或遗传算法对单目标函数求最值，同时可通过Python或MATLAB调用EPANET工具箱的编程接口，获取消火栓组合，消火栓节点坐标，计算消火栓与火点的距离D(xi)和消火栓启用时的压力P(xi)。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
与现有技术相比，本发明提供一种市政消火栓取水组合优化方法，以取水消火栓组合压力最大、距离火场最短为目标，建立消火栓取水组合优化模型，基于给水管网水力模型及消防栓数据库，利用线性规划或遗传算法，求解火灾发生时，最优消火栓取水组合，得出在不同火灾条件下，最优消火栓取水组合方案，科学取水，充分发挥城市消防给水设施效能，保障消防供水可靠性，提高救援效率。
附图说明
构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种市政消火栓取水组合优化方法的流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为一种市政消火栓取水组合优化方法的示意图。
如图1所示，本发明一种市政消火栓取水组合优化方法，具体包括如下步骤：
步骤S1，确定着火点坐标，确定消防车从消火栓取水所需取水流量q，根据建筑体积或火灾规模，确定扑灭本次火灾总需水量，结合消防车出水量，确定出动消防车数量，计算需启用消火栓数量n。
步骤S2，建立供水管网水力模型，输入城市或消防管辖区块消火栓、用户点、管道拓扑、水厂泵站等供水管网基础设施及信息。将供水管网水力模型中消火栓数据，作为消火栓信息数据库，获取消火栓组合变量xi，并计算消火栓距火点的距离D(xi)。同时用于后续求解连续性方程及能量守恒方程，和消火栓启用时的压力P(xi)。
步骤S3，建立目标函数，所述消火栓取水组合优化模型目标函数为
其中，xi为被选取的消火栓组合；n为消火栓个数；P(xi)为模型中计算消火栓xi工作时对应的节点压力；Q(X)为可靠性，Q(X)越大供水可靠性越好；D(xi)为计算消火栓与着火点的距离；M(x)为消火栓与火点的距离之和，M(x)越小，取水越便捷。
以供水可靠性和取水便捷性为目标，寻找发生火灾时，保证供水可靠性的同时，距离火点最近的消火栓组合xi。
步骤S4、确定约束条件，所述消火栓取水组合优化模型的约束条件为
P(xi)＞H(q)
D(xi)＜dmax
xi≠xj
满足给水管网水力计算连续性方程及能量守恒方程
qi+∑qij＝0
∑hij＝0
其中，H(q)为满足单个消火栓需水流量所需的压力，根据规范，取0.1Mpa；dmax为保障消防车有效取水的距离火场最大距离，根据实际消防救援需求，取1000m；消火栓组合中单个消火栓不能重复出现；满足给水管网水力计算连续性方程，即管网节点流入/流出流量qi与从其他管道流入/流出该节点的流量qij之和为0；满足管网水力计算能量方程，即各环中水头损失闭合差∑hij为0。消防车取水流量在20L/s-40L/s。
步骤S5、通过Python或MATLAB调用EPANET工具箱的编程接口，获取xi、P(xi)、D(xi)，以步骤S3中的目标函数为目标，在满足步骤S4中的约束条件下，将两个目标函数采用加权相加的方式，求转化为单目标函数，在Python或MATLAB中，利用线性规划或遗传算法对单目标函数求最值，即可得到最优消火栓取水组合方案。
与现有技术相比，本发明一种市政消火栓取水组合优化方法具有如下优点：
通过优化算法，得出在不同火灾条件下，最优消火栓取水组合方案，科学取水，充分发挥城市消防给水设施效能，防止消防车取水时发生负压，无水可用现象，保障消防救援时消火栓供水可靠性，提高消防救援效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (8)
1.一种市政消火栓取水组合优化方法，其特征在于，包括：
S1、建立一个消火栓取水组合优化模型的目标函数，所述目标函数为
其中，xi为被选取的消火栓；n为消火栓个数，通过着火点火灾规模和单个消火栓需水流量q确定；P(xi)为模型中计算消火栓xi工作时对应的节点压力；Q(X)为可靠性，Q(X)越大供水可靠性越好；D(xi)为计算消火栓与着火点的距离；M(X)为消火栓与火点的距离之和，M(X)越小，取水越便捷；
以供水可靠性和取水便捷性为目标，寻找发生火灾时，保证供水可靠性的同时，距离火点最近的消火栓组合；
S2、确定约束条件，所述消火栓取水组合优化模型的约束条件为
P(xi)＞H(q)
D(xi)＜dmax
xi≠xj
满足给水管网水力计算连续性方程及能量守恒方程
qi+∑qij＝0
∑hij＝0
其中，H(q)为满足单个消火栓需水流量所需的压力；dmax为保障消防车有效取水的距离火场最大距离；消火栓组合中单个消火栓不能重复出现；满足给水管网水力计算连续性方程，即管网节点流入/流出流量qi与从其他管道流入/流出该节点的流量qij之和为0；满足管网水力计算能量方程，即各环中水头损失闭合差∑hij为0；
S3、以S1中的目标函数为目标，在满足S2中的约束条件下，寻找满足消火栓组合的最优解，即得到最优消火栓取水组合方案。
2.根据权利要求1所述的一种市政消火栓取水组合优化方法，其特征在于，利用给水管网水力模型计算软件EPANET，求解连续性方程及能量守恒方程，计算消防工况下各节点的压力情况。
3.根据权利要求2所述的一种市政消火栓取水组合优化方法，其特征在于，在EPANET软件中，给水管网被模拟成相互连接的节点和管段，节点表示管段之间的连接节点、用户节点、消火栓节点、或水池水库，管段表示实际管道、或阀门；在给水管网水力模型中录入各管道设备的基础信息，并计算不同工况下的节点压力及管道流量。
4.根据权利要求2所述的一种市政消火栓取水组合优化方法，其特征在于，还包括：所述目标函数为多目标函数，将两个目标函数加权重之后再相加，转换为单目标函数，以便求解。
5.根据权利要求4所述的一种市政消火栓取水组合优化方法，其特征在于，在Python或MATLAB中，利用线性规划或遗传算法对单目标函数求最值，同时通过Python或MATLAB调用给EPANET工具箱的编程接口，获取消火栓组合、消火栓节点坐标，计算消火栓与火点的距离D(xi)和消火栓启用时的压力P(xi)。
6.根据权利要求1所述的一种市政消火栓取水组合优化方法，其特征在于，根据实际消防救援需求，消火栓距离火场最大距离dmax最优取500m，最大不超过1000m。
7.根据权利要求1所述的一种市政消火栓取水组合优化方法，其特征在于，每个消火栓只能连接一台消防车，供一台消防车取水一次。
8.根据权利要求1所述的一种市政消火栓取水组合优化方法，其特征在于，H(q)为满足单个消火栓需水流量所需的压力，其大小与消防车所需取水流量q、消火栓型号口径、消火栓所连接的管道口径相关，通过实验拟合或查阅相关经验公式确定，或根据GB50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》水力最不利消火栓的供水压力从地面算起不应小于0.10Mpa，即P(xi)＞0.10Mpa。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117436571A (zh) * | 2023-09-21 | 2024-01-23 | 中国消防救援学院 | 一种远程供水的调优方法及系统 |
| CN118332745A (zh) * | 2024-06-13 | 2024-07-12 | 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 | 供水管网修复方法、装置、电子设备和计算机存储介质 |
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| CN117436571A (zh) * | 2023-09-21 | 2024-01-23 | 中国消防救援学院 | 一种远程供水的调优方法及系统 |
| CN117436571B (zh) * | 2023-09-21 | 2024-05-28 | 中国消防救援学院 | 一种远程供水的调优方法及系统 |
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