一种基于社区发现算法的管网计量分区方法

摘要

本发明公开了一种基于社区发现算法的管网计量分区方法，包括以下步骤，供水管网形式化为管网拓扑图，将供水管网的节点视为拓扑图中顶点，管段视为拓扑图中边；节点聚合，将管网拓扑图的顶点按照一定规则进行聚合形成分区，分区内连接紧密，分区间连接稀疏；分区聚合；将最终结果输出，得到最终分区；本发明充分考虑管网的压力分布，结合各独立计量区域的供水规模确定分区，能真实反映分区的优劣问题。

说明书

技术领域

本发明涉及复杂网络、市政工程技术领域，特别是一种基于社区发现算法的管网计量分区方法。

背景技术

近年来，水资源越发短缺，城市供水管网漏损十分严重，管网漏损控制迫在眉睫。随着时间的推移，先前铺设的管网受材质、布局规划、管径大小、外界环境等因素的影响，会发生不同程度的漏损。其中可以通过被动检漏法解决明漏，也就是“爆管”问题。在当管网出现“爆管”的时候，已经发生大量漏损，我们需要在发生明漏之前发现并解决暗漏问题，才能更好地减少水资源浪费、降低漏损率、提高供水率等。

解决暗漏则需要通过相关技术来进行主动检漏，主动检漏法主要包括干管流量分析法、听音检测法、管网计量分区法、夜间最小流量法、压力波检漏法等等。其中，管网计量分区技术由于其改造成本低、控制漏损效果显著、便于用水管理等特点被广泛运用。其按照一定规则划分区域进行独立计量，其工作原理是将供水管网划分为多个区域，利用每个区域间安装地流量计和阀门，分别进行相应区域内的用水量的计量和管网局部压力的调节。

管网计量分区设计是一项十分复杂的工作，目前的管网计量分区方法相关研究成果对管网计量分区设计都有如下的考虑：不同供水企业应当根据自身情况设定管网经济漏损指标，该指标决定了管网计量分区的规模。在进行管网分区规模确定时应充分考虑经济性，管网分区规模越小，分区内的水表及其附件安装和维护费用越高，但检漏精度也越高。国际上通常以500-3000户作为管网计量分区规模的依据，同时还要考虑当地的地形条件(如地形落差)和水质等问题。

在基于管网计量分区技术的供水管网漏损监测系统中，建立管网计量分区是进行供水管网管理的第一步，分区的科学性直接影响漏损的判断和定位。管网计量分区的方法主要包括经验分区法、供水分界线法、图划分法、节点聚类法等。经验分区法和供水线分区法多按照地形或行政划分等去考虑分区，缺乏科学性。图划分法利用图论及机器学习自动分区，但需要提前确定分区数量，管网加权不同，分区差异较大。节点聚类法基于一定的水力和能量原则对管网节点进行聚类，其中等效为复杂网络聚类的方法，对于大型复杂的管网有较好的分区结果。但现有技术中的节点聚类法，经常采用半监督多代理自适应的聚类算法，其仅适用于分区数量少于水源点数量的情况，也有学者通过管道内水流方向确定节点连接的强弱关系，基于此进行聚类，当达到一定规模时即形成分区，没有考虑管网的水力限制，缺乏判断分区优良的标准。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的管网分区中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种基于社区发现算法的管网计量分区方法，其充分考虑管网的压力分布，结合各独立计量区域的供水规模确定分区，能真实反映分区的优劣问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于社区发现算法的管网计量分区方法，其包括以下步骤：

供水管网形式化为管网拓扑图，将供水管网的节点视为拓扑图中顶点，管段视为拓扑图中边；

节点聚合，将管网拓扑图的顶点按照一定规则进行聚合形成分区，分区内连接紧密，分区间连接稀疏；

分区聚合；

将最终结果输出，得到最终分区。

作为本发明所述基于社区发现算法的管网计量分区方法的一种优选方案，其中：所述供水管网形式化的具体步骤为，

将供水管网形式化定义成由n个节点和m条管线构成的无向图G＝(V，E，W)，其中节点集合为V＝{v

将供水管网形式化的管网拓扑图G，转化为有向图，水流方向为连边的方向；

将上一步骤中的有向图，转化为无向图；

将供水管网的节点和管段的数据加权至，拓扑图G中的节点和边上。

作为本发明所述基于社区发现算法的管网计量分区方法的一种优选方案，其中：节点聚合的具体步骤为，

将每个顶点单独视为一个分区，此时分区数等于节点数，依次计算模块度Q和模块度增益ΔQ；

若一个节点加入到某一个分区中时使得该分区的模块度增益ΔQ＞0，则该节点属于该分区，否则该节点留在当前的分区中；

如果分区数量和模块度不再变化，节点聚合稳定。

作为本发明所述基于社区发现算法的管网计量分区方法的一种优选方案，其中：所述模块度Q的计算公式如下，

根据δ(u，v)对公式进行进一步变形，

将一个节点i分配到某个分区后，分区的模块度变化ΔQ为，

其中，w

权重函数为，

w＝ah+bl

b＝1；

其中，h是管段的水头损失，m；l是管段长度，m，n为分区内的节点个数。依次聚合每个节点，计算模块度。

作为本发明所述基于社区发现算法的管网计量分区方法的一种优选方案，其中：所述分区聚合的具体步骤为，

将各个分区所有节点看作一个大的分区节点，视为单独的顶点；

分别计算稳定后的各分区内节点的权重之和，将其看作分区节点本身的权重，将不同分区的节点连边的权重看作其所属分区节点间连边的权重，依次计算模块度；

若一个分区节点的加入，使得大的分区模块度增益大于0，则该分区节点属于该分区，若一个分区节点加入到其他的分区中没有引起其他分区的模块度增益，则该节点留在当前的分区中；

分区数量和模块度不再变化，分区聚合完成。

作为本发明所述基于社区发现算法的管网计量分区方法的一种优选方案，其中：确定最终分区的具体步骤为，

形成稳定分区后，将输出供水管网节点分区和管网分区图，形成最终分区。

本发明的有益效果：本发明基于一定的水力和能量原则对管网节点进行聚类，解决人为设定分区数量的问题，提高分区效率；对于大型复杂的管网具有好的分区效果，充分考虑到水力安全性、水质安全性、分区结构均匀性和管网压力均衡性等要求，在节点最小自由水头差值ΔH、管网冗余系数Ir、最大平均水龄T

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明的流程框图。

图2为本发明中供水管网地图示意图。

图3为本发明中管网拓扑图示意图。

图4为本发明中管网节点聚合示意图。

图5为本发明中分区聚合示意图。

图6为本发明中供水管网最终分区示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种基于社区发现算法的管网计量分区方法，使用该方法能简便地设计出微型螺旋输送机构。

一种基于社区发现算法的管网计量分区方法，其包括以下步骤：

(S1)供水管网形式化为管网拓扑图，将供水管网的节点视为拓扑图中顶点，管段视为拓扑图中边；

供水管网形式化的具体步骤为，

(S101)将供水管网形式化定义成由n个节点和m条管线构成的无向图G＝(V，E，W)，其中节点集合为V＝{v

(S102)将供水管网形式化的管网拓扑图G，转化为有向图，水流方向为连边的方向；

(S103)将上一步骤中的有向图，转化为无向图；

(S104)将供水管网的节点和管段的数据加权至，拓扑图G中的节点和边上；

(S2)节点聚合，将管网拓扑图的顶点按照一定规则进行聚合形成分区，分区内连接紧密，分区间连接稀疏；

节点聚合的具体步骤为，

(S201)将每个顶点单独视为一个分区，此时分区数等于节点数，依次计算模块度Q和模块度增益ΔQ；

其中，所述模块度Q的计算公式如下，

根据δ(u，v)对公式进行进一步变形，

将一个节点i分配到某个分区后，分区的模块度变化ΔQ为，

其中，w

权重函数为，

w＝ah+bl

b＝1；

其中，h是管段的水头损失，m；l是管段长度，m，n为分区内的节点个数，依次聚合每个节点，计算模块度；

(S202)若一个节点加入到某一个分区中时使得该分区的模块度增益ΔQ＞0，则该节点属于该分区，合并分区，记录分区数量，转至步骤(3203)，否则该节点留在当前的分区中；

(S203)如果分区数量和模块度不再变化，节点聚合稳定，转至步骤(S3)，否则返回步骤(S201)。

(S3)分区聚合；

分区聚合的具体步骤为，

(S301)将各个分区所有节点看作一个大的分区节点，视为单独的顶点；

(S302)分别计算稳定后的各分区内节点的权重之和，将其看作分区节点本身的权重，将不同分区的节点连边的权重看作其所属分区节点间连边的权重，按照步骤(S201)依次计算模块度；

(S303)若一个分区节点的加入，使得大的分区模块度增益大于0，则该分区节点属于该分区，合并分区，记录分区数量，转至步骤(S304)，若一个分区节点加入到其他的分区中没有引起其他分区的模块度增益，则该节点留在当前的分区中；

(S304)分区数量和模块度不再变化，分区聚合完成，转至步骤(S4)，否则记录分区数量并转至步骤(S301)。

(S4)形成稳定分区后，将输出供水管网节点分区和管网分区图，得到最终分区。

本发明基于一定的水力和能量原则对管网节点进行聚类，解决人为设定分区数量的问题，提高分区效率，对于大型复杂的管网具有好的分区效果。

实施例2

参照图2～图6，为本发明的第二个实施例，该实施例提供了一种基于社区发现算法的管网计量分区方法，设置评价指标对本发明产生的技术效果进行进一步说明。

本实施例中，管网节点36个，管段40个。

考虑水力安全性、水质安全性、分区结构均匀性和管网压力均衡性等要求，设置评价指标。

节点最小自由水头差值ΔH、管网冗余系数Ir、最大平均水龄T

节点最小自由水头差值

如下式，节点最小自由水头差值ΔH是单位时间所有压力低于最小自由水头的节点压力值与最小自由水头的平均差值，可衡量管网最小自由水头不满足的程度。

其中，T——水力模拟时长，h；

N′为不满足最小自由水头约束的节点数；

N为总结点数；

H

管网冗余系数

管网冗余系数Ir是以节点流量为权重，表征水源点和用户节点的压力之间的相互关系，如下式。分区计量也可被视为永久性的局部故障，通过增加内部功耗和减少能量冗余来改变系统布局。这种影响是由于边界阀门减少了管网管道的可用性，并消除了一些管网回路。Ir越高，则管网抵御风险能力越高。

其中，S为水源节点个数；

节点最大平均水龄

节点最大平均水龄T

其中，

分区压力均匀性系数

分区压力均匀性系数f

其中，k为分区数目；

i

SU

SU

H

H

本发明与其他分区方法在该实施例上各指标对比如下：

从上可以看出，本发明充分考虑到水力安全性、水质安全性、分区结构均匀性和管网压力均衡性等要求，在节点最小自由水头差值ΔH、管网冗余系数Ir、最大平均水龄T

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。