基于拓扑结构演化的给水管网分区方法

摘要

本发明涉及一种基于拓扑结构演化的给水管网分区方法，属于市政工程管理领域。在该方法框架中，给水管网被视为一种特定的复杂系统，其拓扑结构首先被抽象出来做为分析对象，用以确定管网演化过程中所形成的社区结构；之后，根据由管理者制定的经济水平目标，在社区结构划分的基础上，进行分区规划，生成方案；最终，对所有方案进行优化，确定在满足供水安全性的前提下，最为经济的方案。本发明首次提供了可作为理论依据的科学分区方法，且操作简易快捷，这对于今后的分区规划实践和研究，都具有很大的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种给水管网分区管理模式的规划方法，特别涉及一种基于拓 扑结构演化的给水管网分区方法，属于市政工程管理领域。

背景技术

分区管理是从本质上改善传统给水管网管理中所面临问题的重要手段，如 漏失控制等。但是，由于缺乏理论基础，目前此领域的研究还处于探索阶段， 实践中通常依据工程经验来完成分区规划，这不仅耗时费力，且难以保证分区 方案的可靠性。这些因素直接阻碍了分区改造的推广，使得一些基于分区改造 的现代管理需求无法得到满足。

发明内容

本发明针对给水管网拓扑结构随城市形态演化的特点，结合其自身的设计 与发展原则，设计了一种较为科学的给水管网分区规划方法框架。在该方法框 架中，给水管网被视为一种特定的复杂系统，其拓扑结构首先被抽象出来做为 分析对象，用以确定管网演化过程中所形成的社区结构；之后，根据由管理者 制定的经济水平目标，在社区结构划分的基础上，进行分区规划，生成方案。

本发明的技术方案如下：

一种基于拓扑结构演化的给水管网分区方法，其特征在于：所述方法具体步 骤如下：

(1)依经济水平指标确定分区数量，其中，经济水平指标由自来水集团的 决策层制定；

(2)用无向图表征管网拓扑结构：与水力模型不同的是，无向图只需包含 统一类型的节点和边，而无需区分组件类型和属性，即模型中的所有点状组件 都做为节点，而线状组件都作为边，节点与边的连接关系即为管网的拓扑结构；

(3)拓扑分析，确定分区边界：用复杂网络社区结构分析方法分析拓扑结 构，确定所研究管网的社区结构体系和演化历程，并以此为依据，以步骤(1) 确定的分区数量为限制条件，划分分区边界；其中，社区结构是许多实际网络 都具有的一个共同性质，即整个网络是由若干个“社区”构成，每个社区内部的节 点间的连接相对紧密，而各个社区之间的连接相对稀疏。社区结构对于深入了 解网络结构和分析网络特性都很重要。复杂网络社区结构分析方法是将呈现高 度复杂性的网络作为分析对象，运用数学方法搜索其社区结构的方法。

(4)确定最优方案：运用优化算法确定分区边界上管道的状态，以求在确 保水力安全性的前提下，尽可能的减少区域间连接管路的数量，流量计的个数 和尺寸，达到成本效益最大化；

(5)方案局部优化：如果优化过程结束后，仍无法得到符合步骤(4)优化 算法的所有约束条件的方案，则需对分区方案进行局部优化。

所述步骤(4)中，优化算法或优化过程选择管道状态作为决策变量，变量 值设置为“0”和“1”，分别表示管道的开启或关闭；以水压和流速的限制作为水力 约束条件(H_min≤H_j≤H_max，j＝1，…，J)和水质控制约束条件 (V_min≤V_i≤V_max，i＝1，…，N)；以改造费用为目标函数，即最小化f(D₁，…，D_M)， 如下所示：

H_min≤H_j≤H_max，j＝1，…，J

V_min≤V_i≤V_max，i＝1，…，N

最小化$f(D_1,···,D_M)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Sigma }}C\left(D_K\right)$

其中，H表示水压；V表示流速；D表示管径；C(D_k)表示流量计价格与管道 直径之间的函数关系，其中，对于特定类型的流量计，其价格与管径无关，此 类情况视为流量计价格恒定且只与数量有关；J，N，M分别为节点、管道、区域 间连接管的数量。

其中，所述的特定类型的流量计为超声波流量计。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供了可作为理论依据的科学分区方法，该方法只以管网的拓扑结 构为分析对象，这避免了由于诸多不确定性因素，如节点流量，阀门开启状态 等无法确定所带来的影响；这种分析方式使得管网分区这个因受多种因素制约 而尚无法客观求解的复杂问题得到了极大的简化，所有因素间错综复杂的关系 及其对管网运行状态的影响都被整合到了管网拓扑关系中，并通过相应的分析 来获取。此外，此种方法操作简易快捷，与手工过程几乎一致，而且在确定分 区边界线阶段，无需水力模型的介入，极大提高了效率。总之，本发明对于今 后的分区规划实践和研究，具有很大的应用价值。

附图说明

图1是本发明基于拓扑结构演化的给水管网分区方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的基于拓扑结构演化的给水管网分区方法具体步骤 作进一步描述。

(1)依经济水平指标确定分区数量；经济水平指标由自来水集团的决策层 制定；

(2)用无向图表征管网拓扑结构：与水力模型不同的是，无向图只需包含 统一类型的节点和边，而无需区分组件类型和属性，即模型中的所有点状组件 都做为节点，而线状组件都作为边，节点与边的连接关系即为管网的拓扑结构；

(3)拓扑分析，确定分区边界：用复杂网络社区结构分析方法分析拓扑结 构，确定所研究管网的社区结构体系和演化历程，并以此为依据，以第一步确 定的分区数量为限制条件，划分分区边界。

(4)确定最优方案：运用优化算法确定分区边界上管道的状态，以求在确 保水力安全性的前提下，尽可能的减少区域间连接管路的数量，流量计的个数 和尺寸，达到成本效益最大化。例如，优化算法或优化过程可选择管道状态作 为决策变量，变量值可设置为“0”和“1”，分别表示管道的开启或关闭；以水压和 流速的限制作为水力约束条件(H_min≤H_j≤H_max，j＝1，…，J)和水质控制约束 条件(V_min≤V_i≤V_max，i＝1，…，N)；以改造费用为目标函数，即最小化 f(D₁，…，D_M)，如下所示：

H_min≤H_j≤H_max，j＝1，…，J

V_min≤V_i≤V_max，i＝1，…，N

最小化$f(D_1,···,D_M)=\underset{k=1}{\overset{M}{\Sigma }}C\left(D_K\right)$

其中，H表示水压；V表示流速；D表示管径；C(D_k)表示流量计价格与管道 直径之间的函数关系。需指出，对于特定类型的流量计，如超声波流量计，其 价格与管径无关，此类情况可视为流量计价格恒定且只与数量有关。J，N，M分 别为节点、管道、区域间连接管的数量。

(5)方案局部优化：如果优化过程结束后，仍无法得到符合步骤(4)优化 算法的所有约束条件的方案，则需对分区方案进行局部优化。例如，如果管网 中某个死角区域的水质恶化现象始终无法避免，则可为该区域单独制定相应的 冲刷方案。