一種基于arx的供水管網(wǎng)在線(xiàn)建模方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于ARX的供水管網(wǎng)在線(xiàn)建模方法。本發(fā)明首先建立管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)的輸入輸出過(guò)程模型。實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)包括系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)；輸入數(shù)據(jù)包括水廠供水壓力、水廠供水量、管網(wǎng)中增壓泵站壓力和流量、管道上可控閥門(mén)的開(kāi)啟程度；輸出數(shù)據(jù)包括壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、流量檢測(cè)點(diǎn)的流量、蓄水池水位。然后以供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)集合為基礎(chǔ)，建立離散差分方程形式的ARX模型。最后實(shí)時(shí)估計(jì)模型參數(shù)。本發(fā)明可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)估計(jì)模型參數(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤供水管網(wǎng)的狀態(tài)變化并做出預(yù)測(cè)；該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)，結(jié)合預(yù)測(cè)控制和自適應(yīng)控制理論，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于ARX的供水管網(wǎng)在線(xiàn)建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于ARX (Auto Regressive Exogenous)的供水管網(wǎng)在線(xiàn)建模方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 供水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、用水隨機(jī)性強(qiáng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能否快 速準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)出管網(wǎng)的運(yùn)行工況，是進(jìn)行供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵。供水管網(wǎng)系統(tǒng) 模型大致可分為兩類(lèi)：微觀模型和宏觀模型。微觀模型為機(jī)理模型，需要已知管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)、管長(zhǎng)、管徑、管材及節(jié)點(diǎn)用水量等具體參數(shù)，一般為由質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程組 成的非線(xiàn)性系統(tǒng)方程，其忽略了管網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，不能真實(shí)地描述實(shí)際管網(wǎng)的狀態(tài) 變化過(guò)程。宏觀模型是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停缁貧w分析模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，支持向量機(jī)模型等。該 類(lèi)模型不需要已知管網(wǎng)的基本參數(shù)，其從系統(tǒng)的角度出發(fā)，抓住管網(wǎng)運(yùn)行的幾個(gè)宏觀變量， 如各水廠供水壓力、供水量以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力等，從大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中提煉出宏觀變量 之間經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系，建立起供水管網(wǎng)靜態(tài)輸入輸出模型。而實(shí)際運(yùn)行中供水管網(wǎng)系統(tǒng)，由于 用戶(hù)用水量時(shí)刻變化，管道中水體的慣性及伸縮性作用等，從水廠或泵站的壓力和流量調(diào) 節(jié)到管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。此外，一般基于傳統(tǒng)微觀模型及宏觀模型 的優(yōu)化調(diào)度為離線(xiàn)調(diào)度，而離線(xiàn)調(diào)度方案實(shí)施時(shí)，要根據(jù)實(shí)際管網(wǎng)的狀態(tài)變化對(duì)控制方案 進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，這需要對(duì)管網(wǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤和預(yù)測(cè)。顯然，傳統(tǒng)的模型都難以勝任。要實(shí) 時(shí)反映供水管網(wǎng)狀態(tài)變化，描述其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要建立合適的供水管網(wǎng)的在線(xiàn)預(yù)測(cè) 模型。
[0003] ARX模型是一種"黑箱"模型，其利用系統(tǒng)的輸入、輸出信息建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、魯棒性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。且其模型參數(shù)較少，容易實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)建模，非常適 用于時(shí)變系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行中的管網(wǎng)系統(tǒng)，管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)用水量為時(shí)變的且難以預(yù)測(cè)，故其 也是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)?；贏RX供水管網(wǎng)在線(xiàn)預(yù)測(cè)模型，可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)估計(jì)模型參數(shù)，實(shí)時(shí)跟 蹤供水管網(wǎng)的狀態(tài)變化并做出預(yù)測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于ARX的供水管網(wǎng)在線(xiàn)預(yù)測(cè)模型。具 體建模過(guò)程如下：
[0005] (1)建立管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)的輸入輸出過(guò)程模型。具體方法是：
[0006] 1)建立供水管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)。實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)包括系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù) 和實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)：水廠供水壓力，水廠供水量，管網(wǎng)中增壓泵站壓力 和流量，管道上可控閥門(mén)的開(kāi)啟程度等。系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)：壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力，流量檢測(cè) 點(diǎn)的流量，蓄水池水位等。通過(guò) SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)系 統(tǒng)采集N組實(shí)時(shí)過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)，將采集的實(shí)時(shí)過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的樣本集合，表 示為

【權(quán)利要求】
1. 一種基于ARX的供水管網(wǎng)在線(xiàn)建模方法，其特征在于該方法包括以下步驟： 步驟（1)、建立管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)的輸入輸出過(guò)程模型；具體是： 1) 建立供水管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)：實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)包括系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)和 實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)；系統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸入數(shù)據(jù)包括水廠供水壓力、水廠供水量、管網(wǎng)中增壓泵站壓力 和流量、管道上可控閥門(mén)的開(kāi)啟程度；系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)包括壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力、流量檢測(cè) 點(diǎn)的流量、蓄水池水位；通過(guò)SCADA系統(tǒng)采集N組實(shí)時(shí)過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)，將采集的實(shí)時(shí)過(guò)程運(yùn) 行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的樣本集合，表示為
表示第j組系統(tǒng)輸入 數(shù)據(jù)，Y」表示第j組系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)；設(shè)供水管網(wǎng)系統(tǒng)有P個(gè)輸入控制變量，r個(gè)輸出變量； 2) 以供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)集合為基礎(chǔ)，建立離散差分方程形式的ARX模型：
其中，Y(k)表不當(dāng)前時(shí)刻供水管網(wǎng)系統(tǒng)輸出；X表不系統(tǒng)過(guò)去時(shí)刻的輸入和輸出數(shù)據(jù) 的集合；U(k)表示當(dāng)前供水系統(tǒng)的輸入控制變量；E(k)表示當(dāng)前干擾造噪聲，在參數(shù)估計(jì) 中又定義為估計(jì)誤差；k為當(dāng)前遞推步數(shù)；Θ表示通過(guò)辨識(shí)得到的模型參數(shù)集合；T表示矩 陣的轉(zhuǎn)置；n，m，d+Ι分別為供水管網(wǎng)系統(tǒng)輸出變量的階次、輸入變量的階次、系統(tǒng)的時(shí)滯； 步驟（2)實(shí)時(shí)估計(jì)模型參數(shù)，具體是： 1) 對(duì)于具有P個(gè)輸入，r個(gè)輸出的ARX模型，對(duì)應(yīng)于模型第i個(gè)輸出定義均方估計(jì)準(zhǔn)則 函數(shù)：
2) 依據(jù)1)中準(zhǔn)則函數(shù)，估計(jì)0i:
其中，Pi (k)，匕⑵，氏(k)分別對(duì)應(yīng)于模型第i個(gè)輸出的增益矩陣、最小增益矩陣及中 間矩陣；且Pi (〇) = α I，F(xiàn)i (k) = β I，α，β > 〇, I為單位矩陣； 函數(shù)m(k):
其中，δ (k)表示k時(shí)刻，系統(tǒng)輸入輸出給模型估計(jì)過(guò)程帶來(lái)的信息量；δ ^為信息量閥 值，設(shè)置\可提高估計(jì)過(guò)程的魯棒性，且S。> 〇 ; λ i(k)為自適應(yīng)可變遺忘因子：
其中，P i參數(shù)用于控制遺忘因子對(duì)誤差ε Jk)的敏感度；系統(tǒng)通過(guò)λ dk)的自適應(yīng)調(diào) 整，動(dòng)態(tài)估計(jì)模型參數(shù)，適應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)變化，且
3)根據(jù)，構(gòu)造參數(shù)集合
【文檔編號(hào)】G06F17/30GK104123348SQ201410323659
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】徐哲, 楊潔, 蔡華強(qiáng), 孔亞廣 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)