基于风险评估的供水管网水质监测点优化模型研究

供水管网内源污染和外源污染协同监测下的水质监测点优化选址一直是供水领域的研究难点。为进一步提升监测点选址的科学合理性,采用模糊数学集法分析管网区域污染物、管道完整度以及管网低负压情况,量化确定管网的风险评估指数。将基于风险评估的节点监测用时期望值纳入监测点优化选址模型,结合监测失效率、水量覆盖度和监测点占比这3个优化目标,完善选址优化体系并建立多目标优化选址模型。使用MATLAB软件搭载基于参考向量的非支配排序多目标遗传算法(NSGA-Ⅲ)成功求解该多目标优化模型,得到帕累托(Pareto)前沿解集。最后,基于Modena算例管网进行研究,与传统复合监测目标优化模型选取的选址方案进行对比发现,基于风险评估的供水管网优化选址模型选取的方案能有效降低监测用时,提高了监测效率。     

基于极限学习机算法的供水管网爆管识别研究

供水管网爆管具有定位难、影响范围广的特点,长期困扰着供水企业。针对供水管网爆管区域识别问题,综合考虑多种影响因素下的爆管工况,利用爆管特征值矩阵构建爆管样本数据集,采用极限学习机算法（ELM）建立爆管区域识别模型;应用K-means聚类算法分析节点水力变化特征的相似性,并在此基础上对管网进行监测区域划分与监测点布设,形成多种监测方案;综合爆管识别率等参数,分析ELM在不同监测方案以及在噪声影响下的识别性能。采用实际管网算例进行了爆管区域识别分析,结果表明：该模型可以进行有效的爆管区域识别,同时结合不同分区方案可以提高爆管识别率;监测点的增加可以减小压力监测数据的噪声影响。     

某城镇供水管网污染源反追踪模型构建及求解过程

城市供水管网中突发外源性污染物入侵事故时,可以根据供水管网的属性数据和水质监测数据来反演推求污染物侵入的地点、时间和速度。结合南方某城镇供水管网案例,构建污染源模拟-优化反向追踪的数学模型,并利用粒子群-蚁群融合算法进行求解。结果表明,粒子群-蚁群融合算法可提高求解模型的准确率和计算效率,结果表现出较好的稳定性。针对该案例提出了一套供水管网外源性突发污染事故下的污染源定位方案,在随机选取的15个模拟污染事故中,模型输出结果准确率达到92. 0%,10 min内求解模型的准确率为64. 7%。     

基于覆盖集的突发污染水质监测点优化选址模型改进

研究了给水管网突发污染水质监测点选址的方法,分析了覆盖集法存在的缺陷,并针对这些缺陷提出了一个基于覆盖集原理模型的改进方法,即在基于覆盖集法的突发污染水质监测点优化选址模型中引入报警域,同时考虑节点发生污染事件的概率。为了验证改进模型的合理性,将传统覆盖集法和改进的覆盖集法应用于同一个案例管网优化选址分析,结果表明改进的覆盖集法求得的选址方案更合理。     

基于布谷鸟算法的管网漏损定位模型

水务系统中的基础设施供水管网在漏损管理方面存在着检漏复杂、投入成本高等问题。基于此,通过算例管网参数构建水力模型进行漏损水力模拟,利用管网压力监测点的观测数据与模拟数据之间的最小差值建立目标函数,采用布谷鸟算法（CS）和遗传算法（GA）对管网漏损定位模型进行优化求解验证,以实现供水管网的漏损定位。结果表明,基于CS算法的管网漏损定位模型,在设置3个压力监测点进行漏损节点定位时精准率可达74%,设置2个压力监测点进行漏损节点定位时精准率约为60%,均比传统遗传算法定位性能好。     

稳态遗传算法在给水管网状态及参数估计中的应用

针对给水管网水力建模过程中如何提高节点流量及管道摩阻系数的准确性,提出利用稳态遗传算法对给水管网系统进行状态及参数估计,给出给水管网状态及参数估计的数学模型及利用稳态遗传算法求解该模型的具体方法步骤;根据管网运行工况实时模拟的需要,采用系统类聚法确定监测点的分布与数量,并用实验管网对模型及计算方法进行了验证.计算结果表明,该模型正确可行,采用的求解方法具有很好的精度及较快的收敛速度.     

基于改进混合蛙跳算法的供水管网优化

建立了以管网投资和运行费用最小、管网水力可靠性和管网熵值可靠性最大为目标的供水管网优化模型.结合模型的特点,在基本混合蛙跳算法的基础上,提出两点改进措施,并将改进的混合蛙跳算法用于供水管网优化模型的求解.最后通过天津市规划供水管网的实例,验证了改进的混合蛙跳算法能够用于求解大规模管网优化问题并具有较高的效率.     

基于NSGA-Ⅱ的给水管网压力监测点多目标优化布置

针对给水管网压力监测点优化布置过程中采用单目标函数得到的优化结果不能代表多方面综合因素的问题,以监测点压力监测范围及监测点覆盖节点需水量作为目标函数,管网水力连通性、管网节点压力相关性、管网节点水量影响条件作为约束条件建立多目标压力监测点优化布置数学模型,并利用Matlab平台通过非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解。将该模型应用于某园区实际管网中,并分析不同约束条件的参数取值对模型所得优化结果的影响程度,以提高监测点布设方案的代表性,同时也验证了NSGA-Ⅱ求解多目标给水管网压力监测点优化布置模型的有效性。     

基于Kmeans聚类法的供水管网水压监测点优化布置

为提高供水管网水压监测点优化布置效率,在Matlab中编写程序代码调用EPANET工具箱计算管网节点水压敏感度矩阵;以节点水压敏感度矩阵为基础,对敏感度矩阵的行向量进行聚类并选取离聚类中心最近的点作为水压监测点.利用举例管网阐明了所提出方法的实现步骤,结果表明,所提出的方法具有可行性,为供水管网水压监测点优化布置提供了新的思路.     

地震导致渗漏的供水管网水力模拟

为研究地震导致渗漏的供水管网的水力特性,引入日本水道协会提出的震害计算式,改进地震导致的供水管网渗漏的计算方法,构建地震导致渗漏的供水管网水力模型。提出适用于低压供水管网“分步迭代”的水力计算方法,实现对不同地震烈度下供水管网的漏损量、节点压力及流量的定量分析。基于EPANET软件,对举例供水管网应用所构建的模型和“分步迭代”水力计算方法,预测了其在不同地震烈度下的水力状态。预测结果表明,构建的模型能合理描述震损管网的水力特性,所提出的方法能避免水力计算时迭代的发散、提高迭代的收敛速度,并可直接应用现有商业软件求解。     

基于节点高程差的DMA边界划分研究

独立计量区域(District Metered Areas,DMAs)作为管网漏损控制的最小管理单元,逐渐成为了漏损主动管理最有效的途径之一.在总结国内外关于供水管网DMA分区研究成果的基础上,文中提出了一种基于节点高程差的DMA边界划分方法,该方法引入管网节点的高程差改进相似矩阵,并使用谱聚类算法求解,改进结果在不影...     

供水管网水力建模与漏失控制

介绍了传统水力模型及压力驱动节点流量模型在水力建模中的应用,并通过对H市供水管网水力建模全过程的阐述,得出了水力模型在管网漏失控制中的应用,其主要体现在通过对城市日用水量的预测,并将未来的用水情况应用到水力模型中,及时调整供水管网的工况,可以达到优化工况的目的,从而有效控制漏失.     

供水管网DMA分区及优选分区边界管段方法研究

针对目前城市供水管网进行独立计量分区（DMA）方法不成熟、依赖经验较多的问题,提出了一种新的DMA分区方法。以分区边界管段（BPs）长度和BPs中高流量管段数量最小化为目标,定义了两节点间相似度计算公式,利用谱聚类（SC）算法完成对DMA区域的划分。在满足管网压力限制的条件下,以节点压力标准差之和、综合水龄指数和分区成本作为优化目标,建立BPs上阀门和流量计优化布置模型。使用多目标粒子群（MOPSO）算法求解该模型,得到Pareto最优解集;通过优劣解距离法（TOPSIS）进行多个布置方案的决策。将该方法应用于某实际管网进行DMA分区,结果表明,该方法可以顺利完成管网DMA分区,并在改善分区后管网水力水质性能及降低分区成本等方面起到显著作用。     

基于先验信息的供水管网阻力系数识别

供水管网阻力系数识别是指通过调整管网水力模型中管道阻力系数,使模型计算值与监测值相符的过程。由于实际中监测点数量有限,管网阻力系数识别为欠定的优化问题。现行方法通常采用管道分组这一参数化方法将欠定问题转换为超定,应用遗传算法或其它随机搜索算法求解。提出了基于先验信息的供水管网阻力系数识别算法,所提出算法根据管道管材、管龄等先验信息对管道阻力系数进行估计,并将估计值作为伪观测值引入目标函数将欠定优化问题转换为超定,采用高斯-牛顿算法进行求解。与现有方法相比,所提出算法避免了管道分组不唯一的问题;再者,推导了供水管网阻力系数雅克比矩阵解析式用于搜索向量构造,提高了参数识别计算效率。采用小型管网阐明了雅克比矩阵计算及搜索向量构造,利用大型管网验证了算法的实用性。     

一次二阶矩法求解供水管网概率水力模型的研究

由于供水管网水力模型中许多参数为随机变量,而传统的水力模型无法模拟随机变量的波动对节点水压的影响,所以只能获得某一工况下的节点水压值。通过建立概率水力模型可将已知条件的不确定性对节点水压的影响进行量化,从而获得节点水压值的概率分布。针对随机试验方法计算量大、解析法计算困难等缺点,提出了采用一次二阶矩法求解供水管网概率水力模型,并通过随机试验法进行验证。结果表明,一次二阶矩法的计算结果与随机试验法的计算结果吻合良好,这说明在节点流量的数学期望值附近,可采用一次二阶矩法计算节点水压的概率分布。     

供热管网阻抗辨识观测点优化布置策略

为了提高水力模型校核精度,寻找管网阻抗辨识和管网水力模型构建的最佳观测位置,根据供热管网设计参数计算管道节点压力和流量对阻抗的相对灵敏度,利用谱系聚类算法进行分析,确定一定监测条件下所需采集的数据。以1个供热管网为例,介绍了观测点优化布置策略的实现过程。结果表明,该策略结合已有的阻抗辨识方法可以得到满意的结果。     

城市供水管网的试验模型研究

为便于研究城市供水管网中管流的水力特性和水质情况,依据水力相似原理,构建了与实际供水管网等效的管网试验模型.先分析并确定了压力供水管网符合欧拉相似准则,然后基于管流的变态相似理论,推导出管网原型与其试验模型间各物理量的相似关系.通过选定合适的几何比尺,建立供水管网试验模型.应用EPANET软件模拟管网模型运行工况,得到各节点的水头,据此调节各用户端电动球阀的开度,实现用户节点流量的试验模拟,同时应用EPANET软件模拟管网原型的运行工况.通过对比管网试验模型和原型中各相应管段的流速,验证了试验模型和原型能够很好地满足相似关系,表明该建模方法是可行的.     

基于压力驱动节点流量模型的供水管网漏失控制

为实现供水管网漏失控制,建立了阀门漏失控制模型,并将压力驱动节点流量水力模型嵌入其中,形成压力驱动节点流量漏失控制模型。模型以漏失总量为目标函数,以遗传算法为优化算法,求解得到最佳阀门设置,然后操作阀门动作,达到在正常供水的前提下最大程度降低漏失的目的。     

面向故障诊断的供水管网水压监测点优化布置方法

为解决供水管网故障诊断中准确率不高、经济性不佳的问题,设计了一个基于改进的果蝇优化算法核极限学习机的供水管网故障诊断模型。经验证,该模型具有学习速度快、故障识别率高等优点。以该模型为核心提出了基于果蝇优化算法的供水管网水压监测点优化布置方法。该方法首先利用果蝇优化算法形成多组水压监测点方案,然后用供水管网故障诊断模型计算每种方案的诊断准确率,选择其中诊断准确率最高、经济性最好的方案作为候选最优方案,并以此方案为基础,使用果蝇优化算法不断循环迭代,最终找到故障诊断准确率高且经济性最好的水压监测点布置方案。利用Matlab语言代码对提出供水管网水压监测点优化布置方法进行了编码实现,使用实际管网数据进行了实验,结果表明,所提出的供水管网水压监测点优化布置方法是一个有效的水压监测点优化布置方法。     

基于产销差和营销数据的节点流量分配方法研究

为了解决供水管网水力模型节点流量分配不准确的问题,基于J市供水管网水力建模项目提出新的节点流量分配方法,此方法先根据营业收费数据将供水区域划分区块,再利用GIS技术,采用"水表上溯"法找出用水量节点,该流量分配方法中的节点流量是营销节点流量和产销差节点流量之和。营销节点流量通过营销数据确定;在各个供水区域分别采用传统沿线流量法和人口密度法分配节点产销差流量。结果表明,两种方法所分配的节点流量都可满足流量监测点误差以及测压点相对误差要求,对比后发现应用人口密度法进行流量分配计算时,模型精度更高。