一種基于城市供水管網(wǎng)水力模型校核的漏失檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于漏失檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于城市供水管網(wǎng)水力模型校核的 漏失檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 漏失是供水行業(yè)普遍存在的嚴(yán)重問(wèn)題。近十幾年來(lái)，盡管根據(jù)城市發(fā)展需要改擴(kuò) 建和新建了許多供水管網(wǎng)，更換了大量的老化管線，但是仍有為數(shù)眾多的應(yīng)該退役的管線 在運(yùn)行，使得我國(guó)城市給水管網(wǎng)漏損率普遍較高。不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還給人們的 生活帶來(lái)了惡劣的影響，具體表現(xiàn)形式如下：
[0003] (1)降低了收益。盡管水是廉價(jià)的資源，但是水漏失對(duì)供水事業(yè)來(lái)說(shuō)代價(jià)仍然是非 常高的。隨著年限的增長(zhǎng)，供水管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)正在逐漸的惡化。因此，由于水漏失而帶來(lái)的 經(jīng)濟(jì)損失越來(lái)越大，減少水漏失是水資源改善領(lǐng)域中最具有希望的領(lǐng)域。
[0004] (2)造成能源浪費(fèi)。經(jīng)處理構(gòu)筑物處理過(guò)的水一般經(jīng)過(guò)水累提升后進(jìn)入配水管網(wǎng)， 最后分配到各家各戶，而供水管網(wǎng)中漏失的水量也是靠水累提供的，該過(guò)程需要耗費(fèi)大量 的電力能源。
[0005] (3)降低了輸水的可靠性。管道漏失的增長(zhǎng)影響了供水的連續(xù)性和安全性，不僅降 低了用戶的用水壓力，甚至可能中斷供水；腐蝕的供水管網(wǎng)也增加了二次污染的機(jī)會(huì)，使供 水水質(zhì)下降。
[0006] 綜上所述，全世界范圍內(nèi)的配水管網(wǎng)中，解決漏失依舊面臨著挑戰(zhàn)。人類正面臨著 越來(lái)越嚴(yán)重的水資源缺乏問(wèn)題，同時(shí)，環(huán)境的改變對(duì)水資源的可持續(xù)性也產(chǎn)生了威脅。減少 配水管網(wǎng)中的漏失量，不但可W帶來(lái)社會(huì)和環(huán)境利益，同時(shí)也可大幅度節(jié)約水資源和經(jīng)濟(jì) 投資，還可W提高供水事業(yè)的服務(wù)水平，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的發(fā)展。怎樣減少配水系 統(tǒng)中水的漏失問(wèn)題，供水企業(yè)正面臨著越來(lái)越大的壓力，因此，減少水漏失是一個(gè)需要急需 解決的問(wèn)題。
[0007] 國(guó)內(nèi)外對(duì)漏失檢測(cè)的研究現(xiàn)狀及分析；過(guò)去的幾十年，漏失檢測(cè)已經(jīng)成為重大研 究的焦點(diǎn)。各種各樣的技術(shù)，包括逆水力模型分析、貝葉斯系統(tǒng)辨識(shí)法、流量統(tǒng)計(jì)分析和基 于基本規(guī)則的專家系統(tǒng)。其中逆水力模型分析是最活躍的研究方向。
[000引 Sage曾經(jīng)提出過(guò)一種叫做化si-Tect的漏失檢測(cè)方法。它是基于漏失水量的重新 分配，在一些分區(qū)域管理值MA)的漏失檢測(cè)中取得了成功。一個(gè)DMA的總漏失水量是通過(guò) 計(jì)算該塊區(qū)域的流入水量和需水量的差值得到的。每個(gè)DMA之間的漏失量是按照節(jié)點(diǎn)屬性 的數(shù)目或者與每個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的主干管的長(zhǎng)度按比例分配到節(jié)點(diǎn)上。局部的漏失被認(rèn)為是由 背景漏失和突發(fā)漏失組成的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)和管段的背景漏失是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算的，經(jīng)驗(yàn) 公式是基于內(nèi)部條件系數(shù)（1C巧的一個(gè)管齡的函數(shù)。ICF是一個(gè)介于0~1之間的數(shù)值。 管齡越大，ICF值越大，因此，背景漏失越大。總漏失和背景漏失的差值被認(rèn)為是突發(fā)漏失。 但是，Posi-Tect方法有很多的限制因素，如下所述。
[0009] 1)該方法不能夠區(qū)分一個(gè)大的漏失區(qū)域與一群小的漏失區(qū)域的差別。
[0010] 2)漏失檢測(cè)模擬過(guò)程是從模型校核過(guò)程中分隔開(kāi)的，然而理論上，漏失檢測(cè)應(yīng)該 是包含在模型校核中。
[0011] 3)漏失量不代表壓力決定的水量。
[0012] 4)該方法不是一個(gè)具有良好的支持和維護(hù)的建模軟件包的一部分
[0013]Liggett和化en在1994年首先提出了漏失檢測(cè)及校核的逆瞬態(tài)方法，該方法基于 瞬態(tài)波或脈沖在一個(gè)位置的連續(xù)迭代。之后更多的研究開(kāi)始在該個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展起來(lái)。在配水 管網(wǎng)系統(tǒng)中相應(yīng)的位置安裝高度敏感的壓力傳感器，瞬態(tài)傳播壓力信號(hào)，檢測(cè)到的瞬態(tài)壓 力被用來(lái)確定模型的參數(shù)，包括漏失量和管道粗趟系數(shù)。1999年，Brunone在一檢驗(yàn)報(bào)告中 證實(shí)了長(zhǎng)距離輸水管道逆瞬態(tài)分析的可靠性和有效性。2000年，Vitkovsky等人將遺傳算 法用在了一個(gè)假設(shè)的管道系統(tǒng)的逆瞬態(tài)模型中，通過(guò)尋求壓力瞬態(tài)模擬值與實(shí)測(cè)值之間的 差異的最小值來(lái)計(jì)算需水量（漏失量）的變化。2003年化rrante和化unone推導(dǎo)出了瞬 變過(guò)程中管道下游末端壓力水頭的頻譜解析表達(dá)式，并用小波變換來(lái)檢測(cè)一個(gè)存在漏失的 單獨(dú)的管線系統(tǒng)中壓力時(shí)間序列的局部奇異值。2006年Nixon等人認(rèn)真研究了逆瞬態(tài)模型 有效性的范圍，發(fā)現(xiàn)其適用性僅局限在簡(jiǎn)單的水庫(kù)一管網(wǎng)一閥口類型的配置系統(tǒng)或水庫(kù)一 管網(wǎng)一水庫(kù)系統(tǒng)中瞬時(shí)微小的振幅波動(dòng)情況下。然而，一般而言，將逆瞬態(tài)模型作為一個(gè) 普遍的方法來(lái)檢測(cè)局部漏失并成功的應(yīng)用依舊面臨著挑戰(zhàn)。該主要是因?yàn)榕渌芫W(wǎng)通常是 高度成環(huán)的，并且含有很多閥口、水池和水累，其中的任何一個(gè)將導(dǎo)致瞬變現(xiàn)象嚴(yán)重衰減， 除了衰減之外，該方法很難區(qū)分因泄漏而導(dǎo)致的瞬態(tài)波響應(yīng)與管道配件和那些因需水量的 變化而導(dǎo)致的瞬態(tài)波響應(yīng)。因此準(zhǔn)確的逆瞬態(tài)分析需要穩(wěn)態(tài)模型提供的正確的初始流量條 件，該模型必須對(duì)配水管網(wǎng)系統(tǒng)的漏失進(jìn)行校核。換句話說(shuō)，利用不準(zhǔn)確的初始條件得到的 瞬態(tài)分析的結(jié)果是不可靠的，而且，在穩(wěn)態(tài)模型中并未考慮漏失量?？傊魏纬潭鹊膲毫?波動(dòng)，包括那些蓄意設(shè)計(jì)的瞬態(tài)事件而引起的壓力波動(dòng)是不可取的，因?yàn)樵撔┎▌?dòng)很可能 會(huì)在漏失管段上觸發(fā)新的漏失及擴(kuò)大漏失口，該使得漏失檢測(cè)成為一個(gè)非常困難的工作。
[0014] 在過(guò)去的幾十年里，許多基于模型校核的優(yōu)化方法得到迅速的發(fā)展。2007年，吳正 易提出了供水管網(wǎng)漏失區(qū)域檢測(cè)的壓力驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)流量?jī)?yōu)化（PDD)模型，運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行 求解，該種解決方案是靈活和有效的。但是，遺傳算法的求解速度很慢，該方法不能用于龐 大復(fù)雜的供水系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的是為了解決城市供水管網(wǎng)管道漏失及其W往檢漏方法中存在的問(wèn) 題，提供一種利用布谷鳥(niǎo)優(yōu)化算法在模型校核的基礎(chǔ)上建立壓力相關(guān)漏失檢測(cè)模型的基于 城市供水管網(wǎng)水力模型校核的漏失檢測(cè)方法。
[0016] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案；一種基于城市供水管網(wǎng)水力模型 校核的漏失檢測(cè)方法，該方法包括W下步驟：
[0017]A、建立壓力相關(guān)漏失定位模型：城市供水管網(wǎng)水力模型節(jié)點(diǎn)需水量由兩部分組 成，分別為用戶需水量和漏失量，為了確定漏失節(jié)點(diǎn)或漏失區(qū)域，需要建立優(yōu)化模型來(lái)優(yōu)化 節(jié)點(diǎn)的噴射系數(shù)，通過(guò)優(yōu)化的噴射系數(shù)Ki作為可能漏失區(qū)域判斷的一種表征，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)優(yōu) 化的噴射系數(shù)Ki大于零時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)存在漏失或與該節(jié)點(diǎn)相連的管道可能存在漏失；
[001引B、確定漏失檢測(cè)目標(biāo)函數(shù)：漏失檢測(cè)求解結(jié)果的好壞或適應(yīng)性用目標(biāo)函數(shù)來(lái)評(píng) 估，目標(biāo)函數(shù)被定義為模型節(jié)點(diǎn)壓力和管段流量的模擬值與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值之間的差異，考慮 到節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量的量綱等效性，將其進(jìn)行合適的無(wú)量綱化處理，然后用自定義的兩 個(gè)轉(zhuǎn)換因子將節(jié)點(diǎn)壓力和管段流量轉(zhuǎn)換成無(wú)量綱的適應(yīng)度值來(lái)計(jì)算最佳結(jié)果，目標(biāo)函數(shù)定 義如下：
[001W廠倆=Zd(化'…y仇'…)2+i(竺也]萬(wàn)竺追1)2) /-I/-IH義 7-1 (J,
[0020] 上式中，
[00川H0i(t)--節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間步長(zhǎng)t時(shí)節(jié)點(diǎn)壓力的觀測(cè)值；
[00。] HSi(t)--節(jié)點(diǎn)i在時(shí)間步長(zhǎng)t時(shí)模型節(jié)點(diǎn)壓力的模擬值；
[002引 QOj.(t)--管段j在時(shí)間步長(zhǎng)t時(shí)流量的觀測(cè)值；
[0024] QSj(t)--管段j在時(shí)間步長(zhǎng)t時(shí)流量的模擬值；
[0025] Hx-一節(jié)點(diǎn)壓力轉(zhuǎn)換因子；
[0026] Q,一一管線流量轉(zhuǎn)換因子；
[0027] N一一節(jié)點(diǎn)壓力觀測(cè)值的數(shù)目；
[002引 M-一流量觀測(cè)值的數(shù)目；
[0029] C、確定約束條件：當(dāng)過(guò)多的水量被分配到一個(gè)節(jié)點(diǎn)上時(shí)，節(jié)點(diǎn)的壓力可能會(huì)出現(xiàn) 負(fù)值，因此必須保證優(yōu)化過(guò)程中存在負(fù)壓的節(jié)點(diǎn)不被選擇而進(jìn)入下一代的優(yōu)化計(jì)算中，
[0030] 決策變量；= (乂I乂2，...，欠 ?
[003"1] 目標(biāo)函數(shù)；min護(hù)(方）
[003引約束條件；0 < /C, <f，1《i《n
[0033] Pi>0，l《i《n
[0034] 連續(xù)性方程 [00對(duì)能量方程
[0036] 上式中，Ki--節(jié)點(diǎn)i處的噴射系數(shù)；
[0037] n-管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目；
[003引 f.--節(jié)點(diǎn)i處最大的噴射系數(shù)；
[0039] Pi--節(jié)點(diǎn)i處的壓力；
[0040] D、壓力相關(guān)漏失定位模型的求解；運(yùn)用布谷鳥(niǎo)優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行求解。
[0041] 進(jìn)一步地，步驟D包括W下計(jì)算步驟：
[0042] a、確定優(yōu)化算法參數(shù)，輸入管線模型數(shù)據(jù)：給定每只布谷鳥(niǎo)產(chǎn)卵數(shù)量上下限、群 體規(guī)模、最大迭代次數(shù)、聚類數(shù)量、最大布谷鳥(niǎo)數(shù)量、算法終止條件；輸入管線模型數(shù)據(jù)；管 長(zhǎng)、地面標(biāo)高、節(jié)點(diǎn)額定流量、管徑、已知節(jié)點(diǎn)水壓、總供水量W及其他管線模型數(shù)據(jù)；
[0043] b、計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的初始?jí)毫?；管線模型平差計(jì)算，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始?jí)毫Γ?br>[0044] C、布谷鳥(niǎo)群體初始化；利用隨機(jī)函數(shù)任意生成一個(gè)初始群體；
[0045] t確定每只布谷鳥(niǎo)的產(chǎn)卵數(shù)量及產(chǎn)卵半徑，剔除被宿主識(shí)別的布谷鳥(niǎo)卵，卵解化 并成長(zhǎng)為成熟的布谷鳥(niǎo)即產(chǎn)生群體Ki;