一种基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法

摘要

本发明公开了一种基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法，包括以下步骤：(1)建立模拟爆管工况下监测点的压力变化值数据库；(2)计算压力变化值ΔRH与步骤(1)建立的压力变化值数据库中各测压点处的压力变化值ΔSH的相关性系数r(ΔRH，ΔSH)；(3)按照爆管流量大小对不同管段爆管建立阶梯式压力变化值数据，计算实际爆管压力变化值与压力变化值数据库中行向量模的差值ΔE；(4)给定相关性系数和向量模差值的参考数值，设为Δr与Δe；当ΔE≤Δe，r(ΔRH，ΔSH)≥Δr两条件同时满足时，筛选出符合的管段信息，并按照相关性大小对管段进行排序；(5)根据定位精度要求，动态调整参考数值Δr与Δe，并按照步骤(4)获取重新进行定位，获得所需的定位结果。

说明书

技术领域

本发明属于城市供水管网安全保障技术领域，特别涉及一种基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法。

背景技术

供水管网爆管事故的发生会对城市居民生活、经济生产和环境造成极大的破坏。当爆管发生时，寻求一种快速、经济、有效的爆管定位方法，对节约水资源、保障城市供水安全和经济社会发展具有十分重要的意义

“基于状态估计的漏失检测理论”，在进行漏失监测时，首先选择管网中任一节点作为漏损测试点(或爆管点)，将总流量减去测试漏失流量后，对节点流量进行重新分配，以去除测试点的影响；再进行状态估计；最后，将管网中所有节点轮流作为测试点进行状态估计，计算状态估计目标函数中实际测量偏差的值，则估计值偏差和实际测量值最小的节点即可能为漏失点。该方法若应用于实际管网则存在着许多问题。如测量中存在的误差，测点数目少不能监测到漏失等。

“基于管网分区的漏损检测”法，该方法假设整个供水管网已进行分区，各区域是封闭的，区域间通过阀连接，通常在区域边界的进口或出口处设置流量传感器。首先，应用模式识别技术，将每一DMA层次的传感器的一系列时间输出作为一个信号，利用统计学和人工神经网络知识，在每一个时间段输出一个状态；其次，采用一个逻辑规则模块对所有DMA层次传感器的输出状态进行融合，对整个区域进行全面的状态分类；最后，对存在故障的区域，进一步进行压力梯度研究。对区域内压力监测点的数据进行周期差分过滤，得到正常状态下每一时刻的均值，用该值减去故障时各点的压力监测值，根据压降值的大小进行故障位置的定位。这种方法有较强的实际可操作性，但它是以国外管网为理论前提的，不适用于国内管网，主要原因是：一，国内大多管网规模较大，密度较大，连接复杂且目前分区较少存在；二，在线监测设施不及国外完备。因此，此理论用于国内实际管网存在着困难；

而“基于BP神经网络的供水管网爆管点动态定位模型”，需要预先离线对给水管网各种代表性故障状态下的故障情况与各监测点水压变化之间的关系进行学习，将“某点爆管”与“给水管网运行工况信息”之间的隐含关系映射出来，然后再利用已训练好的网络在实时管网运行中对爆管进行分析和定位。该方法对管网要求较高，且BP网络存在着易陷入局部极小点、不易收敛等缺陷，若直接应用于实际管网，效果不太理想。

目前多数爆管定位模型，都是基于理想管网(不含噪声)所做的研究，因此需要探索一种适用于有噪声的、实际的供水管网并且能够快速高效的做到爆管实时监测定位的方法。

发明内容

本发明提供了一种基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法，利用相关性和前后压差变化双控制，实现更准确的定位供水管网爆管。

一种基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法，包括以下步骤：

(1)建立模拟爆管工况下监测点的压力变化值数据库；

(2)获取实际爆管状态下的各测压点压力监测值并计算实际爆管工况与正常工况下各测压点的压力变化值ΔRH，计算压力变化值ΔRH与步骤(1)建立的压力变化值数据库中各测压点处的压力变化值ΔSH的相关性系数r(ΔRH，ΔSH)；

(3)步骤(1)建立的压力变化值数据库中，按照爆管流量大小对不同管段爆管建立阶梯式压力变化值数据，计算实际爆管压力变化值与压力变化值数据库中行向量模的差值ΔE；实际爆管产生的压力变化值必然处于其中某一区间内，基于相同的爆管流量产生相同的压力变化值这一前提。

(4)给定相关性系数和向量模差值的参考数值，设为Δr与Δe；当ΔE≤Δe，r(ΔRH，ΔSH)≥Δr两条件同时满足时，筛选出符合的管段信息，并按照相关性大小对管段进行排序；参考数值根据管网或历史经验得到。

(5)根据定位精度要求，动态调整参考数值Δr与Δe，并按照步骤(4)获取重新进行定位，获得所需的定位结果。

为了提高定位的准确性，优选的，步骤(1)中，建立模拟爆管工况下监测点的压力变化值数据库的具体过程如下：

1-1获取正常状态下管网运行水力状态值，得到各测压点压力值h_0,i，i＝1,2,3…n，n为测压点个数；

1-2对新增漏失点设置爆管漏失量q_set＝m*b，m＝1,2,3…，单位m³/h，b为增加爆管流量的公差，设置过程如下：

1-2-1计算m＝1时在压力驱动模型下第一根管段爆管点漏失流量q_set与各测压点压力值h_1,i；

1-2-2计算正常工况与模拟爆管工况下测压点处压力变化值Δsh_i＝h_0,i-h_1,i，全部测压点变化值记为ΔSH；

1-2-3对每根管段使用同样方法分析计算，建立m＝1的数据表；

1-3不断增加爆管流量，依次获得m＝2,3,4...时相应爆管流量的数据表，形成一个完整的模拟爆管工况下压力变化值数据库。

为了提高定位的准确性，步骤1-2-1中，相比较采用传统需水量驱动模型(DDA模型)，采用PDA模型，不但考虑了节点用水量不仅随时间变化，还取决于管网系统的供水压力；而且还避免DDA模型中可能出现的管网负压情况；使得结果结果符合了实际管网状态。

为了保证准确性的同时保证计算效率，优选的，b＝30m³/h～40m³/h。

为了保证准确性的同时保证计算效率，优选的，步骤(4)中，Δr的初始设定值为0.9～0.98，Δe的初始设定值为0.2～0.4。

为了提高定位的准确性，优选的，步骤(5)中，根根据定位精度要求，动态调整参考数值Δr与Δe，并按照步骤(4)获取重新进行定位，获得所需的定位结果的具体过程如下：

5-1按照爆管定位的精度以及初步定位筛选的结果，动态调整参数Δr与Δe，并按照步骤(4)重新进行定位分析；

5-2当定位结果满足水司检修需求时给出爆管定位区间，并显示在管网地图上。

为了提高定位的准确性，优选的，步骤(2)中，线性相关系数表达式为:

本发明的有益效果：

本发明的基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法，改进了传统的供水管网爆管点的定位方法，在建立模拟爆管工况下监测点压力变化值数据库基础上，利用相关性和前后压差变化的双控制，实现了管网爆管的更准确定位，适用于有噪声的、实际的供水管网，并且能够快速高效的实现爆管的实时定位。

附图说明

图1为本实施例的基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法的线框流程图。

图2为本实施例的基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法中的JX市供水管网图。

图3为采用本实施例方法得到的10个压力监测点的分布示意图。

图4为采用本实施例方法对爆管流量107.4L/s，DN300管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图5为采用本实施例方法对爆管流量107.4L/s，DN400管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图6为采用本实施例方法对爆管流量193.6L/s，DN300管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图7为采用本实施例方法对爆管流量193.6L/s，DN400管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图8为采用本实施例方法对爆管流量193.6L/s，DN600管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图9为采用本实施例方法对爆管流量307.16L/s，DN300管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图10为采用本实施例方法对爆管流量307.16L/s，DN400管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图11为采用本实施例方法对爆管流量307.16L/s，DN600管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图12为采用本实施例方法对爆管流量307.16L/s，DN800管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图13为采用本实施例方法对爆管流量464.94L/s，DN400管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图14为采用本实施例方法对爆管流量464.94L/s，DN500管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图15为采用本实施例方法对爆管流量464.94L/s，DN600管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

图16为采用本实施例方法对爆管流量464.94L/s，DN800管段进行定位得到的压力监测点的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明的实现方式进一步详细叙述。

如图1所示，本实施例的基于供水管网压力变化值分析的爆管定位方法包括以下步骤：

步骤1、建立模拟爆管工况下监测点压力变化值数据库。

如图2所示，本实施例以JX市为例，共有水源3个，需水节点491个，管段640个，管段总长433.52千米。

获取正常状态下管网运行水力状态值，得到各测压点压力值h_0,i>

表1管网正常运行状态下的监测点的压力值

1-2对新增漏失点设置爆管漏失量q_set＝m*36，m＝1,2,3L，单位m³/h，首先计算q_set＝36m³/h时第一根管段爆管各测压点压力值h_1,i；然后，计算正常工况与模拟爆管工况下测压点处压力变化值Δsh_i＝h_0,i-h_1,i，全部测压点变化值记为ΔSH；对每根管段使用同样方法分析计算，建立m＝1的数据表。

表2漏失量q_set＝36m³/h时的监测点处压力变化值

JX市供水管网整体规模小，本次模拟假设最大设定的爆管流量为2160m³/h。

1-3以36m³/h为公差，不断增加爆管流量，依次获得相应爆管流量的数据表，从而形成一个完整的模拟爆管工况下压力变化值数据库。

步骤2、提取实际爆管下监测点的压力数据

计算爆管点在第341根管段上且爆管漏失流量q_set＝107.4L/s下的各测压点压力值h_1,i。然后，计算正常工况与模拟爆管工况下不含背景噪声的测压点处压力变化值Δh_i＝h_0,i-h_1,i，监测点的压力值和压力变化值如表3。

表3爆管状态下不含背景噪声的监测点的压力值和压力变化值

获取实际爆管状态下的各测压点压力监测值，计算实际爆管工况与正常工况下各测压点压力变化值ΔRH；

通过为Epanet运行所得的压力变化值一般是理想状态下数据，并非实际管网中测压点所监测的带有背景噪声的压力变化数据。为符合实际工况，增加定位研究可信度，需要对所得数据人工添加背景噪声。根据JX管网实际供水量及历史数据分析获取合适的背景噪声方差值，本次研究噪声的变化区间满足正态分布要求，记为e～(0,0.2)，计算实际爆管工况与正常工况下各测压点压力变化值ΔRH＝Δh+e，如表4。

表4爆管状态下含背景噪声的监测点的压力变化值

计算与所建立的模拟爆管工况下数据库中各测压点处压力变化值ΔSH的相关性系数r(ΔRH，ΔSH)，线性相关系数表达式为:

步骤3、基于相同的爆管流量产生相同的压力变化值这一前提，计算实际爆管压力变化值与数据库中行向量模的差值ΔE。

步骤4、筛选出符合的管段信息，并按照相关性大小对管段进行排序：

随机选择数据库中任意矩阵中任一行数据(行号代表爆管管段索引)进行定位分析，本次研究中对参数Δr与Δe初始设定值分别为0.92和0.3，下表给出当处理数据中存在ΔE≤0.3及r(ΔRH,ΔSH)≥0.92的管段索引时数据比选结果，共计240个结果，图中展示75个。

表5存在ΔE≤0.3及r(ΔRH,ΔSH)≥0.92的管段索引时数据比选结果

上表中，第一列表示定位后管段索引，第二列表示模拟爆管的数据与预模拟数据库中对应数据所求得的相关性系数，第三列表示模拟爆管行向量与数据库中行向量模的差值。此次爆管管段索引为341，如表中方框所示。

步骤5、根据定位精度要求，动态调整相关参数，获取精确定位结果

5-1由于定位筛选后的管段较多，为缩小定位范围，调整相关性系数与模的差值(Δr＝0.96，Δe不变)，按照步骤4，进一步定位筛选后结果如下表所示，共计90个筛选结果，图中展示60个。

表6调整相关性系数与模的差值进一步定位筛选后结果

可以发现，调整参数后定位筛选结果中仍包含大量重复管段索引，但是定位的结果更为集中，爆管管段索引高频出现，结合实际管网分析，所确定的其他非爆管管段都临近爆管管段，已经达到了良好的定位效果。为使定位范围更为准确和可靠，可以继续动态调整参数，优化结果。

5-2当定位结果满足水司检修需求时给出爆管定位区间，并显示在管网地图上，如图3所示。

考虑到爆管发生后产生的危害以及定位的精确程度，本次研究不考虑管径在DN200mm及以下的管段。以下将按照不同爆管流量区间从模拟爆管数据库中随机选取DN300及以上爆管管段做定位研究。

图4为爆管流量107.4L/s，DN300管段，图5为爆管流量107.4L/s，DN400管段。在对管段设定107.4L/s的爆管流量下，可对163根DN300管径管段中的138根做到监测反馈和爆管定位，DN400管径的管段爆管则仅能定位少量几根管段爆管位置，当管段直径大于DN400的管段发生爆管时，该流量(107.4L/s)所引起的管段响应不足以为爆管定位提供充足信息，因而可以判断，在100L/s左右的流量下，仅当DN300的管段发生爆管时才可以判断爆管发生与否并给出定位范围。

图6为爆管流量193.6L/s，DN300管段，图7为爆管流量193.6L/s，DN400管段，图8为爆管流量193.6L/s，DN600管段，在对管段设定193.6L/s的爆管流量下，可对DN500及以下管径管段中超过90％的爆管管段做到监测反馈和定位，而当DN600管径的管段爆管后，所布置测压点仅能对70根DN600中8根管段做到监测反馈和定位，因此管段直径大于DN600的管段发生爆管时，可以判断在爆管流量为200L/s左右时所引起的管段响应信息不足以为爆管定位提供充分判断依据。

图9为爆管流量307.16L/s，DN300管段，图10为爆管流量307.16L/s，DN400管段，图11为爆管流量307.16L/s，DN600管段，图12为爆管流量307.16L/s，DN800管段，在对管段设定307.16L/s的爆管流量下，对DN600及以下管径管段发生的爆管事故可以准确的监测反馈和定位，DN800管径的管段爆管仅能则仅能定位少量几根管段爆管位置，当管段直径大于DN800的管段发生爆管时，该流量(307.16L/s)所引起的管段响应不足以为爆管定位提供充足信息，因而可以判断，在300L/s左右的流量下，仅当DN600及以下管径的管段发生爆管时才可以判断爆管是否并给出定位区间。

图13为爆管流量464.94L/s，DN400管段，图14为爆管流量464.94L/s，DN500管段，图15为爆管流量464.94L/s，DN600管段，图16为爆管流量464.94L/s，DN800管段，在对管段设定464.94L/s的爆管流量下，对DN600及以下管径管段发生的爆管事故可以准确的做出监测反馈和定位，对非临近水厂的DN800管段爆管都可以做到准确的爆管监测与反馈，但是对于水厂附近及主供水管道DN800管径管段爆管则不能准确反馈与定位。

综上所述，基于JX供水管网所做的定位分析得出了以下结论：1，对于JX管网，发生100L/s以下的爆管时不能利用前述爆管定位方法进行定位校核；2，随着爆管流量的增大，其引起的管网压力波动变化范围会逐渐增大，提供的监测信息也越来越丰富，准确的爆管定位覆盖范围,逐渐从小直径管段扩大到大直径管段；3，定位过程中会发生少量误报现象(定位范围不涵盖爆管管段)，但爆管管段与定位范围相近，仍旧具有参考价值；4，大管径管段及主供水管段正常工况下流量较大，管段中突增的小流量爆管不能向提供测压点足够信息，因此只有在极端程度下这些管段爆管才有可能被监测与定位；5，爆管定位示意图中对部分管段的爆管定位范围较广，这主要与参数设置有关系，为使监测效果更为准确与合理，在程序运行过程中需要不断动态调整参数，直至反馈的爆管定位精度符合实际检修需要。