一种用于城市供水管网监测点的优化布置方法技术

本发明专利技术公开了一种用于城市供水管网监测点的优化布置方法。本发明专利技术分别改进了传统的灵敏度分析和聚类分析方法，并结合该两种方法得到优化的测点分布，使测点布置不仅具有灵敏度好，相对分散，有利于划定异常区域进行精确侦测的特点，同时较现有测点分布更广、更均匀，且关键位置处布置合理，有利于模型校核。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于城市供水管网领域，具体是一种用于城市供水管网监测的测点优化布置方法。
技术介绍
供水管网的测点布置是指在供水管网中分布安装一定数量的流量、压力等传感器，用于监测管网运行工况，为管网调度分析提供数据支持。由于我国城市供水管网规模庞大，管线复杂，测流、测压点在管网初建、扩建过程中部署不多，且缺乏系统考虑，导致测量偏颇，供水管网运行状态不能全面、准确的反映，进而影响安全供水调度的科学性分析。目前，关于供水管网压力测点优化布置研究主要基于灵敏度分析[1]和聚类分析[2]两类。在传统的灵敏度分析中，通过对每个异常节点寻找灵敏度最大的侦测点构建目标函数，无法保证平均灵敏度足够大；而以平均灵敏度作为目标函数，无法保证能寻优到灵敏度最大的节点。且灵敏度标准差方法会使测点分布不均匀，因为节点灵敏度的相对离散，不能保证实际节点在地理上相对分散，不能良好地反映整个管网状况。在聚类分析中，编网法在对大量节点进行聚类时存在效率过慢、分类结果可靠性低等问题。有鉴于此，本专利技术针对管网异常事件侦测和实时模型校正的需要，提出了一种城市供水管网监测点优化布置方法。文献[1]王伟哲，郄志红，刘美侠，吴鑫淼，基于改进遗传算法的供水管网故障监测点布置优化[J]，水力发电学报，2012,31(1):15-19.文献[2]周书葵，许仕荣，城市供水管网水压监测点优化布置的研究[J]，南华大学学报(自然科学版)，2005(01).
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种最优灵敏度分析和模糊聚类分析相结合的方法，分别改进了传统的灵敏度分析和聚类分析方法，并结合该两种方法得到优化的测点分布，使测点布置不仅具有灵敏度好，相对分散，有利于划定异常区域进行精确侦测的特点，同时较现有测点分布更广、更均匀，且关键位置处布置合理，有利于模型校核。为实现以上目的，本专利技术采取以下步骤：1.获取模糊相似矩阵(1)灵敏度系数矩阵令管网模型节点k的流量(也可以是如管道摩阻系数等其它参量)变化，使所有节点i水压发生变化，将所有节点i的水压变化值ΔHi与节点自身水压的变化值ΔHk求比值，获得节点的灵敏度值λik，即：λik=ΔEiΔEk]]>据此，可求得所有节点的灵敏度系数，用矩阵形式表示为：其中，第i行代表节点i发生变化时，对管网所有节点的影响系数向量，第j列代表管网中所有节点发生变化时，对节点j的影响系数向量。(2)标准化对灵敏度系数矩阵进行平移标准差变换处理，公式如下：R′ij=Rij-Rj‾Sj(i=1,2,...n,j=1,2,...n)]]>R‾j=1nΣi=1nRij,Sj=1nΣi=1n(Rij-Rj‾)2]]>其中Rij是R的第i行第j列的值，是R的第j列的平均值，Sj是R的第j列的标准差，R′ij为所求标准化矩阵第i行第j列的值。(3)模糊相似化采用相似系数法中的相关系数法求解标准化矩阵，公式如下：R′′ij=Σi=1mΣj=1mΣk=1m(|R′ik-R′i‾||R′kj-R′j‾|)Σk=1m(R′ik-R′i‾)2Σk=1m(R′kj-R′j‾)2]]>R′‾i=1mΣk=1mR′ikR′‾j=1mΣk=1mR′kj]]>其中，是R′的第i行的平均值，是R′的第j列的平均值。2.基于最优灵敏度确定测点确定每个异常节点j对管网所有节点感应灵敏度的平均值和最大值，先分别平方再求和，最后开根号，增加测点之间的平均欧氏距离之和来控制测点之间的分散程度。构建目标函数如下：max f=ϵ1Σj=1M((1NΣi=1M|ΔHiΔHj|)2+ϵ2max(ΔHiΔHj)2)+ϵ31M(M-1)/2Σi=1MΣj=1M||cori-corj||]]>上式中，N代表测点的数量，M代表可能的爆管点数,i＝1,2,3,...,N。ε1、ε2、ε3是引入的权重系数，代表该部分在整个目标函数中的重要程度，由反复实验获得较好的给定值。ΔHi/ΔHj是测点i对可能爆管点j的灵敏度系数，这里使用模糊相似系数矩阵R″，cori、corj是测点i和测点j的二维地理坐标，可以通过模型文件得到。第一部分不仅保证了平均灵敏度足够大同时保证对最大灵敏度节点的寻优，第二部分可在实际地理空间上控制测点之间的分散程度。通过matlab使用实数编码的遗传算法求解该目标函数，便得到基于最优灵敏度分析的测点分布。3.基于模糊聚类确定测点使用Kmeans聚类分析方法实现快速聚类，以计算节点灵敏度到原型的海明距离为目标，通过求取极值得到迭代运算的调整规则。算法通过随机初始聚类中心向量V进行最优分类，使得下式所示的目标函数J最小。J=Σn=1NΣk=1Krnk||xn-uk||2]]>uk是分类中心向量，xn是观测坐标向量，rnk是0或1，若n被归类至k组，则rnk＝1，否则rnk＝0；J的目标是最小化观测向量与聚类中心之间的距离。rnk与uk寻优时，一般是通过迭代运算逐步求出，固定uk，选择最优的rnk，再固定rnk，求最优的uk，在选择rnk时，将数据归类到距其最近的中心点可使得目标函数最小，求uk时，令J对uk求导等于0，可得到：uk=ΣnrnkxnΣnrnk]]>uk是每个分类块数据的平均值，因为每次都能够使J取最小，因此J的最小值可以求得，步骤如下：(1)设定k个节点的灵敏度作为分类中心的初始点，即对应k个测点中心；(2)计算所有节点的灵敏度到k个分类中心的距离，按照最近邻法归类；(3)计算每一类的灵敏度距离平均值，距离最小的点作为新的分类中心；(4)重复步骤(2)、(3)，在达到迭代次数上限或满足要求时停止，便得到基于kmeans模糊聚类分析的测点分布。4综合确定测点根据步骤3得出的测点分布，确定步骤2得出的测点分布在关键出入水口处或重要管段处布置缺失的测点个数K以及对应的区域坐标Ф(xi,yi)(i＝1，2，...,k)。比较步骤2的测点中距离接近的测点灵敏度大小，把灵敏度相对较小的K的测点移动到Ф(xi,yi)(i＝1，2，...,k)处，便得到最终测点集。本专利技术的有益效果如下：通过标准-模糊相似化方法改进灵敏度系数矩阵数据之间的相关性，提高灵敏度寻优和模糊聚类的准确度。为更好地进行管网异常事件侦测，对目标函数灵敏度算法进行改进，即保证灵敏度总和足够大又保证对最大灵敏度节点的寻优，同时引入空间距离离散度因子，在地理上保证优化后的测点相对分散。使用了Kmeans聚类分析方法实现快速聚类，虽然结果与初始的分类中心有关，但在足够多的迭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于城市供水管网监测点的优化布置方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1.获取模糊相似矩阵(1)建立灵敏度系数矩阵令管网模型节点k的流量变化，使所有节点i水压发生变化，将所有节点i的水压变化值ΔHi与节点自身水压的变化值ΔHk求比值，获得节点的灵敏度值λik，即：据此，可求得所有节点的灵敏度系数，用矩阵形式R表示为：其中，第i行代表节点i发生变化时，对管网所有节点的影响系数向量，第j列代表管网中所有节点发生变化时，对节点j的影响系数向量；(2)标准化对灵敏度系数矩阵进行平移标准差变换处理，公式如下：其中Rij是R的第i行第j列的值，是R的第j列的平均值，Sj是R的第j列的标准差，R′ij为所求标准化矩阵第i行第j列的值；(3)模糊相似化采用相似系数法中的相关系数法求解标准化矩阵，公式如下：其中，是R′的第i行的平均值，是R′的第j列的平均值；步骤2.基于最优灵敏度确定测点确定每个异常节点j对管网所有节点感应灵敏度的平均值和最大值，先分别平方再求和，最后开根号，增加测点之间的平均欧氏距离之和来控制测点之间的分散程度；构建目标函数如下：上式中，N代表测点的数量，M代表可能的爆管点数；ε1、ε2、ε3是引入的权重系数，代表该部分在整个目标函数中的重要程度,ΔHi/ΔHj是测点i对可能爆管点j的灵敏度系数；cori、corj是测点i和测点j的二维地理坐标，通过模型文件得到；通过matlab使用实数编码的遗传算法求解该目标函数，便得到基于最优灵敏度分析的测点分布；步骤3.基于模糊聚类确定测点使用Kmeans聚类分析方法实现快速聚类，以计算节点灵敏度到原型的海明距离为目标，通过求取极值得到迭代运算的调整规则；算法通过随机初始聚类中心向量V进行最优分类，使得下式所示的目标函数J最小；uk是分类中心向量，xn是观测坐标向量，rnk是0或1，若n被归类至k组，则rnk＝1，否则rnk＝0；J的目标是最小化观测向量与聚类中心之间的距离；rnk与uk寻优时，通过迭代运算逐步求出，固定uk，选择最优的rnk，再固定rnk，求最优的uk，在选择rnk时，将数据归类到距其最近的中心点可使得目标函数最小，求uk时，令J对uk求导等于0，可得到：uk是每个分类块数据的平均值，因为每次都能够使J取最小，因此J的最小值可以求得，步骤如下：(1)设定k个节点的灵敏度作为分类中心的初始点，即对应k个测点中心；(2)计算所有节点的灵敏度到k个分类中心的距离，按照最近邻法归类；(3)计算每一类的灵敏度距离平均值，距离最小的点作为新的分类中心；(4)重复步骤(2)、(3)，在达到迭代次数上限或满足要求时停止，便得到基于kmeans模糊聚类分析的测点分布；步骤4.综合确定测点根据步骤3得出的测点分布，确定步骤2得出的测点分布在关键出入水口处或重要管段处布置缺失的测点个数K以及对应的区域坐标Φ(xi,yi)；比较步骤2的测点中距离接近的测点灵敏度大小，把灵敏度相对较小的K的测点移动到Φ(xi,yi)处，便得到最终测点集。...

【技术特征摘要】
1.一种用于城市供水管网监测点的优化布置方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1.获取模糊相似矩阵(1)建立灵敏度系数矩阵令管网模型节点k的流量变化，使所有节点i水压发生变化，将所有节点i的水压变化值ΔHi与节点自身水压的变化值ΔHk求比值，获得节点的灵敏度值λik，即：据此，可求得所有节点的灵敏度系数，用矩阵形式R表示为：其中，第i行代表节点i发生变化时，对管网所有节点的影响系数向量，第j列代表管网中所有节点发生变化时，对节点j的影响系数向量；(2)标准化对灵敏度系数矩阵进行平移标准差变换处理，公式如下：其中Rij是R的第i行第j列的值，是R的第j列的平均值，Sj是R的第j列的标准差，R′ij为所求标准化矩阵第i行第j列的值；(3)模糊相似化采用相似系数法中的相关系数法求解标准化矩阵，公式如下：其中，是R′的第i行的平均值，是R′的第j列的平均值；步骤2.基于最优灵敏度确定测点确定每个异常节点j对管网所有节点感应灵敏度的平均值和最大值，先分别平方再求和，最后开根号，增加测点之间的平均欧氏距离之和来控制测点之间的分散程度；构建目标函数如下：上式中，N代表测点的数量，M代表可能的爆管点数；ε1、ε2、ε3是引入的权重系数，代表该部分在整个目标函数中的重要程度,ΔHi/ΔHj是测点i对可能爆管点j的灵敏度系数；cori、corj是测点i和测点j的二维地理坐标，通过模型文件得到；通过matlab使用实数编码的遗传算法求解该目标函数，便得到基于最优...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐哲，李玉全，蔡华强，熊晓锋，何必仕，孔亚广，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33