本發(fā)明涉及城市供水管網(wǎng)安全監(jiān)控領(lǐng)域，具體涉及一種城市供水管網(wǎng)的爆管監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間布置方法。

背景技術(shù)：

城市供水管網(wǎng)是城市的生命線工程，城市的主干管爆管，往往帶來極為嚴(yán)重的后果。隨著管網(wǎng)信息化和智慧水務(wù)的推進(jìn)，爆管事故的實(shí)時在線監(jiān)測是供水企業(yè)安全保障的重要組成部分，也越來越受到重視。目前爆管主要是通過現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)后，通過熱線電話等方式反饋給運(yùn)營企業(yè)，這種方式效率很低，不能及時反映情況，因此布置壓力計與流量儀等在線監(jiān)控設(shè)備是解決爆管反應(yīng)慢的一種重要手段。當(dāng)以某壓力監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)跌破閾值或者某個區(qū)域的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)超出常規(guī)范圍作為判別標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為該傳感器附近可能發(fā)生爆管。要進(jìn)行爆管監(jiān)控，首先要考慮布置監(jiān)測網(wǎng)。由于監(jiān)測技術(shù)、監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)成本的限制，監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量是有限的，必須有效地布置在合理位置，才能最大限度地監(jiān)控管網(wǎng)爆管情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對目前爆管監(jiān)測網(wǎng)布置，提供了一種更為合理有效的布置方法，能夠有效的優(yōu)化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并分析可監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可監(jiān)控到的爆管，以及任何一個管道爆裂后通過那些指定的監(jiān)測儀表進(jìn)行監(jiān)控。

本發(fā)明方法包括以下步驟：

步驟(1)：在待監(jiān)控的城市供水管網(wǎng)中布設(shè)若干壓力傳感器和流量傳感器，采集管網(wǎng)中壓力和流量數(shù)據(jù)；

用于監(jiān)測的壓力傳感器在空間上應(yīng)有一定的代表性，一般情況布置在管道大于dn300的管線上，特殊情況下可以布置在dn200的管線上；對于每個供水水源的范圍內(nèi)布測點(diǎn)不少于2個，其中一個在管網(wǎng)末梢，一個在水源到末梢點(diǎn)的中間位置；

通過壓力和流量監(jiān)控儀器記錄集一個月以上的計量數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)必須連貫，連續(xù)有效數(shù)據(jù)不低于95％；采樣周期不大于15分鐘一次；典型數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)涵蓋春夏秋冬四個季節(jié)，使得數(shù)據(jù)的代表性更強(qiáng)。

步驟(2)：將步驟(1)采集到的壓力、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣預(yù)處理，剔除異常數(shù)據(jù)，提取壓力、流量的波動特征數(shù)據(jù)；

所述的異常數(shù)據(jù)為數(shù)值小于0、絕對值明顯超過合理范圍、單步波動變化超過合理范圍的數(shù)據(jù)；其中合理范圍指監(jiān)控儀器測量范圍，其中單步波動變化是指前后兩個采集時間點(diǎn)監(jiān)測值之差；

所述的壓力、流量的波動特征數(shù)據(jù)提取是根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)前后兩個時間段的波動變化計算，有效時間間隔值為5～15分鐘。計算合理波動變化范圍的一種方法是波動變化的2～3倍方差位置與正態(tài)分布曲線偏離拐點(diǎn)作為指定的合理波動變化水平；另外一種方法是對波動變化數(shù)據(jù)按照從小到大進(jìn)行排列，計算其累計概率，定義1％-5％范圍為可監(jiān)控閾值或合理波動水平。

步驟(3)：建立整個供水系統(tǒng)的管網(wǎng)水力模型,并利用該供水管網(wǎng)水力模型進(jìn)行爆管模擬分析，計算每根管道爆管對管網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊程度，并記錄管網(wǎng)模型中任意兩根管道連接節(jié)點(diǎn)的壓力下降值和漏水量；

所述的管網(wǎng)水力模型的規(guī)模要求為：指定流速為1m/s條件時，輸水量不小于供水系統(tǒng)1/500總供水量的管道；

所述的爆管事件模擬分析過程中的漏水量計算方式以下三種模式：(1)指定的管道爆裂后漏水口面積，按照孔口出流方式計算漏水量；(2)直接指定管道流量增加值；(3)指定管道爆管后，流速增加量乘以管道面積。

步驟(4)：比較供水管網(wǎng)水力模型計算得到的管網(wǎng)中任何一根管道模擬爆管產(chǎn)生的壓力下降和漏水量是否超過根據(jù)步驟(2)計算得到的管網(wǎng)合理波動水平，并確定壓力和流量監(jiān)測儀表所能監(jiān)控的管徑范圍和空間區(qū)域。

步驟(5)：為最大可能監(jiān)控到壓力下降值和漏水量建立定義在指定爆管烈度下管網(wǎng)爆管監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布置的空間優(yōu)化函數(shù)，采用遺傳算法搜索n個監(jiān)測點(diǎn)在空間不同節(jié)點(diǎn)位置情況下函數(shù)的最優(yōu)值，其中優(yōu)化過程中只有爆管漏水量產(chǎn)生的壓力降低值超過監(jiān)測閾值的節(jié)點(diǎn)可作為監(jiān)測點(diǎn)待選地址：

其中，f是爆管產(chǎn)生的漏水量；l是爆管的管長；j是第j個監(jiān)測點(diǎn)；i是第i根管道；w是監(jiān)測點(diǎn)加權(quán)權(quán)重，一般情況取1；為限制監(jiān)測點(diǎn)之間的最小距離范圍，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距離小于d0＝1000～1500米，w按照(d/d0)的指數(shù)減??；m是被監(jiān)控的管道數(shù)；

給定是監(jiān)測點(diǎn)的個數(shù)n從2開始，每次增加1個測點(diǎn)，從重復(fù)步驟(5)操作，在最優(yōu)布置情況下逐步增加監(jiān)測點(diǎn)個數(shù)，使得爆管監(jiān)控覆蓋率增加小于1％后停止操作。

所述的爆管烈度為指定的管道管徑爆裂后的漏水量水平，如指定爆管后，漏水量為1000立方米/小時，或者管道流速增加1m/s。

步驟(6)、現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測點(diǎn)的地形地貌，判斷是否適合接電和安裝。如果不適合，則將該監(jiān)測點(diǎn)剔除，將該測點(diǎn)列入不可布置點(diǎn)集合類，重復(fù)步驟(5)進(jìn)行優(yōu)化布點(diǎn)。

記錄優(yōu)選后的節(jié)點(diǎn)作為優(yōu)化布點(diǎn)位置，并將優(yōu)選后的所有節(jié)點(diǎn)布置在管道圖上，標(biāo)記選項節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)控到的爆管管線。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明針對爆管監(jiān)測網(wǎng)布置提供了一種可以評估監(jiān)控爆管效果的布置方法:①能夠分析管道系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可監(jiān)控到的爆管管道和爆管的烈度；②能夠有效地優(yōu)化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使得在有限的監(jiān)測儀表數(shù)量下，最大程度的監(jiān)控整個供水管網(wǎng)系統(tǒng)；③能夠分析任何一根管道爆裂后通過哪些指定的監(jiān)測儀表進(jìn)行監(jiān)控。

2、本發(fā)明創(chuàng)新的采用了將管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動變化的統(tǒng)計數(shù)據(jù)作為評估爆管是否可以監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)。

3、本發(fā)明創(chuàng)新的提出了爆管烈度作為優(yōu)化監(jiān)測點(diǎn)步驟的重要因素之一，指出了只有一定程度下的爆管，才作為爆管監(jiān)控體系中監(jiān)控對象，避免了不切實(shí)際的無限制加密監(jiān)測網(wǎng)，亂費(fèi)財力物力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)爆管監(jiān)測點(diǎn)布置的一個實(shí)施的流程圖。

圖2是本發(fā)明基于水力模型分析爆管對周邊影響范圍圖。

圖3是本發(fā)明進(jìn)行優(yōu)化計算過程中，隨著監(jiān)測點(diǎn)增加，爆管監(jiān)控覆蓋率增加的過程記錄。

圖4是本發(fā)明基于優(yōu)化算法得到的監(jiān)測點(diǎn)空間優(yōu)化結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為了更清晰的說明本發(fā)明實(shí)施的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施過程使用的附圖進(jìn)行簡單說明。

一種管網(wǎng)爆管監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的空間布置方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟(1)：在待監(jiān)控的城市供水管網(wǎng)中布設(shè)若干壓力傳感器和流量傳感器，采集管網(wǎng)中壓力和流量數(shù)據(jù)；

用于監(jiān)測的壓力傳感器在空間上應(yīng)有一定的代表性，一般情況布置在管道大于dn300的管線上，特殊情況下可以布置在dn200的管線上；對于每個供水水源的范圍內(nèi)布測點(diǎn)不少于2個，其中一個在管網(wǎng)末梢，一個在水源到末梢點(diǎn)的中間位置；

通過壓力和流量監(jiān)控儀器記錄集一個月以上的計量數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)必須連貫，連續(xù)有效數(shù)據(jù)不低于95％；采樣周期不大于15分鐘一次；典型數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)涵蓋春夏秋冬四個季節(jié)，使得數(shù)據(jù)的代表性更強(qiáng)。

步驟(2)：將步驟(1)采集到的壓力、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣預(yù)處理，剔除異常數(shù)據(jù)，提取壓力、流量的波動特征數(shù)據(jù)；

所述的異常數(shù)據(jù)為數(shù)值小于0、絕對值明顯超過合理范圍、單步波動變化超過合理范圍的數(shù)據(jù)；其中合理范圍指監(jiān)控儀器測量范圍，其中單步波動變化是指前后兩個采集時間點(diǎn)監(jiān)測值之差；

所述的壓力、流量的波動特征數(shù)據(jù)提取是根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)前后兩個時間段的波動變化計算，有效時間間隔值為5～15分鐘。計算合理波動變化范圍的一種方法是波動變化的2～3倍方差位置與正態(tài)分布曲線偏離拐點(diǎn)作為指定的合理波動變化水平；另外一種方法是對波動變化數(shù)據(jù)按照從小到大進(jìn)行排列，計算其累計概率，定義1％-5％范圍為可監(jiān)控閾值或合理波動水平。

步驟(3)：建立整個供水系統(tǒng)的管網(wǎng)水力模型,并利用該供水管網(wǎng)水力模型進(jìn)行爆管模擬分析，計算每根管道爆管影響范圍，并記錄管網(wǎng)模型中任意兩根管道連接節(jié)點(diǎn)的壓力下降值和漏水量。圖2是基于水力模型分析爆管對周邊影響范圍圖。

所述的管網(wǎng)水力模型的規(guī)模要求為：指定流速為1m/s條件時，輸水量不小于供水系統(tǒng)1/500總供水量的管道；

所述的爆管事件模擬分析過程中的漏水量計算方式以下三種模式：(1)指定的管道爆裂后漏水口面積，按照孔口出流方式計算漏水量；(2)直接指定管道流量增加值；(3)指定管道爆管后，流速增加量乘以管道面積。

步驟(4)：比較供水管網(wǎng)水力模型計算得到的管網(wǎng)中任何一根管道模擬爆管產(chǎn)生的壓力下降和漏水量是否超過根據(jù)步驟(2)計算得到的管網(wǎng)合理波動水平，并確定壓力和流量監(jiān)測儀表所能監(jiān)控的管徑范圍和空間區(qū)域。

步驟(5)：定義在指定爆管烈度下管網(wǎng)爆管監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布置的空間優(yōu)化函數(shù)。采用遺傳算法搜索n個監(jiān)測點(diǎn)在空間不同節(jié)點(diǎn)位置情況下函數(shù)的最優(yōu)值，其中優(yōu)化過程中只有爆管漏水量產(chǎn)生的壓力降低值超過監(jiān)測閾值的節(jié)點(diǎn)可作為監(jiān)測點(diǎn)待選地址：

其中，f是爆管產(chǎn)生的漏水量；l是爆管的管長；j是第j個監(jiān)測點(diǎn)；i是第i根管道；w是監(jiān)測點(diǎn)加權(quán)權(quán)重，一般情況取1，為限制監(jiān)測點(diǎn)之間的最小距離范圍，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距離小于d0＝1000～1500米，w按照(d/d0)的指數(shù)減?。籱是被監(jiān)控的管道數(shù)；

定義當(dāng)處于野外地面平坦的情況下，任意兩個監(jiān)測點(diǎn)之間的應(yīng)保持合理的距離，距離不大于視距以協(xié)助爆管后現(xiàn)場處理能快速定位；在城市街區(qū)范圍內(nèi)，任意兩個測點(diǎn)不布置在一個街道上，但最大距離超過于4個街區(qū)；

圖3是本發(fā)明進(jìn)行優(yōu)化計算過程中，隨著監(jiān)測點(diǎn)增加，爆管監(jiān)控覆蓋率增加的過程記錄。

給定是監(jiān)測點(diǎn)的個數(shù)n從2開始，每次增加1個測點(diǎn)，從重復(fù)步驟(5)操作，并計算每次最優(yōu)布置情況下，計算被監(jiān)控管線的覆蓋率，當(dāng)覆蓋率增加小于1％以后，停止操作。其中覆蓋率為被監(jiān)控到的管道長度/總管道長度。

所述的爆管烈度為指定的管道管徑爆裂后的漏水量水平，如指定爆管后，漏水量為1000立方米/小時，或者管道流速增加1m/s。

步驟(6)、現(xiàn)場調(diào)查監(jiān)測點(diǎn)的地形地貌，判斷是否適合接電和安裝。如果不適合，則將該監(jiān)測點(diǎn)剔除，將該測點(diǎn)列入不可布置點(diǎn)集合類，重復(fù)步驟(5)進(jìn)行優(yōu)化布點(diǎn)。

記錄優(yōu)選后的節(jié)點(diǎn)作為優(yōu)化布點(diǎn)位置，并將優(yōu)選后的所有節(jié)點(diǎn)布置在管道圖上，標(biāo)記選項節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)控到的爆管管線。

圖4是本發(fā)明基于優(yōu)化算法得到的監(jiān)測點(diǎn)空間優(yōu)化結(jié)果。

上述實(shí)施例并非是對于本發(fā)明的限制，本發(fā)明并非僅限于上述實(shí)施例，只要符合本發(fā)明要求，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。