本發(fā)明屬于城市供水管網(wǎng)類，具體是一種供水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置方法類。

背景技術(shù)：

供水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)布置是指在供水管網(wǎng)中安裝一定數(shù)量的壓力、流量傳感器，用于管網(wǎng)模型率定，運(yùn)行工況檢測、壓力管理，為管網(wǎng)調(diào)度分析提供數(shù)據(jù)支持。

目前關(guān)于供水管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置主要包括模糊聚類和靈敏度分析兩類。并沒有適用于節(jié)點(diǎn)需水量反演的監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置方法。節(jié)點(diǎn)需水量反演算法是一種以SCADA監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)反演節(jié)點(diǎn)需水量的方法，其反演的精確程度取決SCADA系統(tǒng)提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)需水量反演對于解決超大規(guī)模管網(wǎng)模型的節(jié)點(diǎn)流量校驗(yàn)，管網(wǎng)快速建模，管網(wǎng)在線運(yùn)行調(diào)控具有重要意義。由于節(jié)點(diǎn)需水量反演依賴于監(jiān)測點(diǎn)提供的監(jiān)測信息，科學(xué)合理的監(jiān)測點(diǎn)布置對于提高反演精度至關(guān)重要。

鑒于此，本發(fā)明針對節(jié)點(diǎn)需水量反演的需要，提出一種服務(wù)于節(jié)點(diǎn)需水量反演的監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提出一種適用于提高城市管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)需水量反演精度的管網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置方法。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取以下步驟：

1.選擇一個(gè)基準(zhǔn)工況，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量，在基準(zhǔn)工況下獲取壓力靈敏度矩陣，計(jì)算影響系數(shù)，創(chuàng)建影響系數(shù)矩陣；

(1)壓力靈敏度矩陣

使管網(wǎng)i節(jié)點(diǎn)需水量發(fā)生微小改變，重新計(jì)算管網(wǎng)壓力，將節(jié)點(diǎn)j壓力變化值△H_j與節(jié)點(diǎn)i壓力變化值△H_i求比值，獲得壓力靈敏度矩陣X：

其中，H_i、H_j為基準(zhǔn)工況下i、j節(jié)點(diǎn)水壓；H_i′、H_j′為i節(jié)點(diǎn)流量改變后i、j節(jié)點(diǎn)水壓；n為管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目。在壓力靈敏度矩陣X中，X_ij表示在節(jié)點(diǎn)i出增加需水量，節(jié)點(diǎn)j處的壓力變化值與節(jié)點(diǎn)i處壓力變化值之比。

(2)計(jì)算壓力影響系數(shù)矩陣

對壓力靈敏度矩陣X的第i行求和，表示i節(jié)點(diǎn)單位壓力變化會(huì)導(dǎo)致整個(gè)管網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的壓力變化總和，形成節(jié)點(diǎn)壓力影響系數(shù)矩陣S^H：

式中，n為管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.以既有監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測值作為初始監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演出節(jié)點(diǎn)需水量，帶入模型平差，獲取反演的節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量。對比基準(zhǔn)工況下的節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量，創(chuàng)建誤差矩陣；

將水廠出水量和既有的監(jiān)測點(diǎn)作為初始監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演出所有節(jié)點(diǎn)的需水量。并將反演節(jié)點(diǎn)需水量帶入EPANET進(jìn)行平差，計(jì)算反演的節(jié)點(diǎn)壓力H'_k和管段流量Q'_k。反演的壓力與流量和基準(zhǔn)工況下的節(jié)點(diǎn)壓力與流量進(jìn)行對比，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)壓力與各管段流量的誤差，創(chuàng)建誤差矩陣。

式中，H_k，Q_k為基準(zhǔn)工況下節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量。H'_k，Q'_k為反演的節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量。表示節(jié)點(diǎn)k反演的壓力平差值與基準(zhǔn)工況的壓力平差值的誤差；ε^Q表示管段k反演的流量平差值與基準(zhǔn)工況流量平差值的誤差。

3.選取監(jiān)測點(diǎn)

(1)壓力監(jiān)測點(diǎn)的選?。簩毫τ绊懴禂?shù)矩陣與壓力誤差矩陣相乘，選擇乘積最大的元素對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為新增的壓力監(jiān)測點(diǎn)，即查找k節(jié)點(diǎn)，使得則k節(jié)點(diǎn)作為新增壓力監(jiān)測點(diǎn)；

(2)流量監(jiān)測點(diǎn)的選?。哼x擇流量誤差最大的管段作為新的流量監(jiān)測點(diǎn)，即查找k管段，使得則k管段作為新增流量監(jiān)測點(diǎn)。

(3)當(dāng)需要同時(shí)布置壓力和流量監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，先布置完所有的壓力監(jiān)測點(diǎn)，然后布置流量監(jiān)測點(diǎn)。

4.監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目達(dá)到設(shè)定上限時(shí)，終止迭代，否則，返回步驟2繼續(xù)計(jì)算，新增監(jiān)測點(diǎn)。

本發(fā)明公開了一種適用于提高節(jié)點(diǎn)需水量反演精度的監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置方法。首先創(chuàng)建一個(gè)基準(zhǔn)工況，作為真實(shí)工況的模擬，在基準(zhǔn)工況下平差獲得節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量。依照基準(zhǔn)工況，獲得壓力影響系數(shù)矩陣。選取基準(zhǔn)工況的水廠出水量作為既有監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲取反演工況下的節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量，創(chuàng)建誤差矩陣。將節(jié)點(diǎn)壓力誤差矩陣與壓力影響系數(shù)矩陣相乘，選擇乘積元素最大的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為新的壓力監(jiān)測點(diǎn)。將新的壓力監(jiān)測點(diǎn)與水源以作為既有監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)布置。在布置一定數(shù)目的壓力監(jiān)測點(diǎn)后，在流量誤差較大的管道上布置流量監(jiān)測點(diǎn)，對于降低反演誤差可以起到很好的效果。

附圖說明

圖1為J市供水管網(wǎng)圖；

圖2為反演壓力誤差分布圖；

圖3為反演流量誤差分布圖；

圖4壓力監(jiān)測點(diǎn)分布圖

圖5節(jié)點(diǎn)壓力誤差隨監(jiān)測點(diǎn)變化示意圖；

圖6管段流量誤差隨監(jiān)測點(diǎn)變化示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明旨在提出一種適用于提高節(jié)點(diǎn)需水量反演精度的監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置方法。創(chuàng)新點(diǎn)易于理解，下面結(jié)合附圖和實(shí)例，對本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)一步詳細(xì)敘述，具體步驟如下：

步驟1.獲取壓力影響系數(shù)矩陣。

(1)壓力靈敏度矩陣

如圖1所示，J市共有水源3個(gè)，需水節(jié)點(diǎn)491個(gè)，管段640個(gè)，管段總長433.52千米，水廠出水量已知。

表1基準(zhǔn)工況下節(jié)點(diǎn)需水量

表2基準(zhǔn)工況下節(jié)點(diǎn)壓力

表3基準(zhǔn)工況下管段流量

其中，節(jié)點(diǎn)編號(hào)按照EPANET節(jié)點(diǎn)索引排序。調(diào)用EPANET程序員工具箱平差函數(shù)，進(jìn)行平差，得到基準(zhǔn)工況下各節(jié)點(diǎn)水壓H_j，再加大i節(jié)點(diǎn)流量(其他節(jié)點(diǎn)流量不變)重新進(jìn)行管網(wǎng)平差，得出各節(jié)點(diǎn)水壓H_j’。

其中，H_i、H_j為基準(zhǔn)工況下i、j節(jié)點(diǎn)水壓；H_i′、H_j′為i節(jié)點(diǎn)流量改變后i、j節(jié)點(diǎn)水壓；n為管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目。在壓力靈敏度矩陣X中，X_ij表示在節(jié)點(diǎn)i出增加需水量，節(jié)點(diǎn)j處的壓力變化值與節(jié)點(diǎn)i處壓力變化值之比。

表2、表3給出了基準(zhǔn)工況下節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量的向量形式如下。

H＝[30.13,30.13,30.35,…,30.4]

Q＝[-1220.41,-2004.25,-2210.19,…,-147.54]

壓力靈敏度矩陣維數(shù)是491×491，這只里給出10×10的矩陣示例：

(2)計(jì)算壓力影響系數(shù)矩陣

對X矩陣第i行求和，表示i節(jié)點(diǎn)單位壓力變化，整個(gè)管網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的壓力變化。對于n個(gè)節(jié)點(diǎn)，有如下形式

表示若節(jié)點(diǎn)i產(chǎn)生單位壓力變化，整個(gè)管網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生單位的壓力變化。

下面給出了該案例壓力影響系數(shù)矩陣：

S^H＝[146.04，141.50，107.60… … …17.07]

2.獲取誤差矩陣

以水源出水量作為初始監(jiān)測點(diǎn)，反演出節(jié)點(diǎn)需水量，然后平差獲取反演的節(jié)點(diǎn)壓力與管段流量。表1給出水源監(jiān)測點(diǎn)的出水量。

表4水源監(jiān)測點(diǎn)出水量

根據(jù)表4水源出水量數(shù)據(jù)反演出的節(jié)點(diǎn)需水量如表5所示

表5反演出的節(jié)點(diǎn)需水量

將表5的節(jié)點(diǎn)需水量設(shè)置到各節(jié)點(diǎn)，平差獲取節(jié)點(diǎn)壓力和管段流量。表6給出了平差后的節(jié)點(diǎn)壓力，表7給出了管段流量。

表6反演的節(jié)點(diǎn)壓力

表7反演的管段流量

將表6中反演節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)減去表2中基準(zhǔn)工況下節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算出反演的節(jié)點(diǎn)壓力誤差絕對值。同理，計(jì)算出管段流量誤差絕對值。

表8反演節(jié)點(diǎn)壓力誤差

表9反演管段流量誤差

因此壓力與流量誤差矩陣為：

ε^H＝[0.94，0.93，0.91，…，33.98，…，1.67]^T

ε^Q＝[328.62，222.39，230.62，…，1471.48，…，21.01]^T

圖2為節(jié)點(diǎn)壓力誤差分布示意圖，圖3為管段流量誤差分布示意圖。

3.設(shè)置新的監(jiān)測點(diǎn)

(1)壓力監(jiān)測點(diǎn)布置

將節(jié)點(diǎn)壓力影響系數(shù)矩陣與壓力誤差矩陣相乘，選取乘積最大的元素對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)壓力影響系數(shù)矩陣與壓力誤差矩陣相乘結(jié)果如表9所示：

表10權(quán)重系數(shù)與壓力誤差乘積

由表9可知，應(yīng)將節(jié)點(diǎn)368設(shè)置為新增壓力監(jiān)測。

(2)流量監(jiān)測點(diǎn)布置

由表8可知，新增的流量監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在管道136處。

4.返回步驟2繼續(xù)計(jì)算，增加新監(jiān)測點(diǎn)，直到達(dá)到監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目上限。

圖4給出了壓力監(jiān)測點(diǎn)分布示意圖。隨著監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目的增加，反演的壓力與流量誤差越小，越能接近真實(shí)值，一般用相對誤差反映其精確度。圖5為節(jié)點(diǎn)壓力誤差隨著監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目的變化，圖6為管段流量誤差隨著監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目的變化。