一种城市供水管网DMA实时建模方法技术

本发明专利技术公开了一种城市供水管网DMA实时建模方法。本发明专利技术首先构建DMA管网模型及做出入口边界处理。其次将管网模型连接GIS、营收系统和SCADA系统。然后将数据进行在线预处理。最后进行实时模拟。本发明专利技术可完整地建立DMA实时模型，该模型可以充分反映供水管网动态特性，降低模型不确定度，从而大幅度提高模拟精度和动态跟踪性能。同时，以此方法为基础，可逐步建立整个城市供水管网实时模型，用于异常跟踪和定位等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于城市供水管网领域，涉及供水管网DMA(District Metering Area，独立计量区域，DMA)实时建模，具体是一种基于供水管网SCADA(Supervisory Control And Data Acqusition，监视控制和数据采集系统，SCADA)在线数据的实时建模方法。
技术介绍
供水管网规模庞大，结构复杂。受用户用水随机变化、人工调度等影响，管网系统存在诸多动态不确定性。不仅如此，受自然爆管、水泵机械故障、水源污染等影响，管网的动态不确定性进一步增强。传统管网离线模型虽能反映管网平均工况，但脱离实际工况运行，不能反映管网动态不确定性，不具备实时性，模拟精度较低，仅用于规划设计和计划调度。虽已有少数文献提出利用SCADA、GIS和营收系统，建立在线模型来改善模型动态特性，但实质上，其中的GIS和营收系统只用在离线建模阶段，且SCADA系统仅仅更新部分节点的流量值。事实上，管网短时间内的水源水压波动、阀门状态变化、水泵的启停等等对管网运行波动的影响，远大于节点流量对管网运行波动的影响,若建模过程中忽略这些动态参数，则其模型实质上不具备全局实时性，直接导致模型精度不高。国内尚无实质性的实时建模应用实例，国外仅辛辛那提大学供水管网实时建模研究小组提出EPANET-RTX实时建模开源框架[1]，该框架具备全局实时性，但尚存在以下问题：未连接GIS(Geographic Information System，地理信息系统，GIS)和营收系统，无法反映管网拓扑结构、用户日用水量和用水模式的变化；节点需水量估计过于平滑，使得模型存在较大拟合偏差；阀门状态未反馈，无法贴合实际。参考文献：[1]James G.Uber,DominicBoccelli,HyoungminWoo,Yuan Su,Sam Hatchett.Real-Time Network Hydraulic Modeling:Data Transformation,Model Calibration,and Simulation Accuracy[R].National Institute of Hometown Security,US.October2013。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提出了一种供水管网DMA实时建模方法。本专利技术方法具体过程如下：1.构建DMA管网模型及出入口边界处理针对特定供水管网DMA区域，以常规的水力平差建模技术构建DMA模型，即构造满足微观管网的基本质能守恒方程：质量平衡方程：∑q(i,j)+Qi＝0 (1)能量平衡方程Hi-Hj＝hk (2)其中，q(i,j)表示与节点i相关联的节点j之间的管道流量；Qi表示节点i的节点流量；Hi和Hj表示节点i和节点j的水头，hk表示节点i和节点j之间的管道k的压降。具体可通过EPANET、WaterGEMS等软件辅助建立管网模型，并可显示、操作。然后对DMA管网模型进行如下出入口边界处理：①在出入水口边界节点外均添加一个节点作为虚设节点(虚节点)，将这些虚节点基本用水量初始值设为0，其它基本属性(如标高等)与出入水口节点属性设为完全一致；②在每个入口虚节点外添加水库作为虚设水库(虚水库)，添加管段，将入、出口节点与对应虚节点连接、将入口虚节点与对应虚水库连接，连接采用理想无阻力管道(指管长极短、管径极大和摩阻系数极小的管道，三个参数值参考值可为0.00001、10000和0.00001)。2.管网模型连接GIS和营收系统以OPC(OLE for Process Control,用于过程控制的OLE)方式将管网模型与GIS和营收系统连接，其中，GIS数据负责动态更新模型基础信息，营收数据负责动态更新节点日基本用水量信息。按月动态更新管网模型节点基本用水量，具体做法是：对于任意的节点i，其包含r类用户，每类用户个数为n(i,r)。累计营收系统中节点i每类用户的前一个月的月用水总量D(i,r)： D ( i , r ) = Σ m = 1 n ( i , r ) d ( i , r , m ) - - - ( 3 ) ]]>其中d(i,r m)表示节点i中的第r类中的第m个用户的月用水总量，节点i的r类用户的日用水模式序列为P(i,r,1),P(i,r,2),…,P(i,r,L)，L是用水模式序列长度值，若某用水类型长度为l，若l<L，则P(i,j,k)＝0(l<k<L)。然后可以得到节点i的r类用户的日基本需水量更新值Base(i,r)： B a s e ( i , r ) = D ( i , r ) Σ k = 1 L P ( i , r , k ) - - - ( 4 ) ]]>3.管网模型连接SCADA系统以ODBC方式连接SCADA系统数据库，将SCADA在线数据作为模型运行的边界条件和状态参数。边界条件包括入水口压力及流量、出水口流量；状态参数包括水箱水位、水泵流量及转速，阀门压力及流量、测量管道流量、测量点压力等。根据模型元素与SCADA数据库的映射关系获取在线的时间采样序列q1,q2,q3,…,qt。4.数据在线预处理获取到的时间序列由于仪器等原因，需要进行预处理后才能反馈回模型。其中处理方式包括：重采样、差分、插值、移动平滑、数据转换等。其中重采样是去除冗余值及采样时间标准化，得到重采样后的数据q1′,q2′,q3′,…,qt′；针对累计值，需要对重采样的数据进行一阶差分；对于采样时间间隔T，出现缺值时需要进行线性插值；使用移动平滑的方法去除时间序列中的噪声；对于双向或环流管道测量，需要确定流向后进行转换。5.实时模拟①首先进行节点的需水量分配，令t时刻节点i的基本需水量为： D b a 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种城市供水管网DMA实时建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1.构建DMA管网模型及出入口边界处理；针对选定的供水管网DMA区域，以常规的水力平差建模技术构建DMA模型，即构造满足微观管网的基本质能守恒方程：质量平衡方程：∑q(i,j)+Qi＝0   (1)能量平衡方程Hi‑Hj＝hk   (2)其中，q(i,j)表示与节点i相关联的节点j之间的管道流量；Qi表示节点i的节点流量；Hi和Hj表示节点i和节点j的水头，hk表示节点i和节点j之间的管道k的压降；对DMA管网模型进行如下出入口边界处理：①在出入水口边界节点外均添加一个节点作为虚节点，将这些虚节点基本用水量初始值设为0，其它基本属性与出入水口节点属性设为完全一致；②在每个入口虚节点外添加水库作为虚水库，添加管段，将入、出口节点与对应虚节点连接、将入口虚节点与对应虚水库连接，连接采用理想无阻力管道；步骤2.管网模型连接GIS和营收系统以OPC方式将管网模型与GIS和营收系统连接，其中，GIS数据负责动态更新模型基础信息，营收数据负责动态更新节点日基本用水量信息；按月动态更新管网模型节点基本用水量，具体是：对于任意的节点i，其包含r类用户，每类用户个数为n(i,r)；累计营收系统中节点i每类用户的前一个月的月用水总量D(i,j)：D(i,r)=Σm=1n(i,r)d(i,r,m)---(3)]]>其中d(i,r m)表示节点i中的第r类中的第m个用户的月用水总量，节点i的r类用户的日用水模式序列为P(i,r,1),P(i,r,2),…,P(i,r,L)，L是用水模式序列长度值，若某用水类型长度为l，若l<L，则P(i,j,k)＝0；然后得到节点i的r类用户的日基本需水量更新值Base(i,r)：Base(i,r)=D(i,r)Σk=1LP(i,r,k)---(4)]]>步骤3.管网模型连接SCADA系统以ODBC方式连接SCADA系统数据库，将SCADA在线数据作为模型运行的边界条件和状态参数；边界条件包括入水口压力及流量、出水口流量；状态参数包括水箱水位、水泵流量及转速，阀门压力及流量、测量管道流量、测量点压力；根据模型元素与SCADA数据库的映射关系获取在线的时间采样序列q1,q2,q3,…,qt；步骤4.数据在线预处理获取到的时间序列由于仪器等原因，需要进行预处理后才能反馈回模型；其中处理方式包括：重采样、差分、插值、移动平滑、数据转换；其中重采样是去除冗余值及采样时间标准化，得到重采样后的数据q1′,q2′,q3′,…,qt′；针对累计值，需要对重采样的数据进行一阶差分；对于采样时间间隔T，出现缺值时需要进行线性插值；使用移动平滑去除时间序列中的噪声；对于双向或环流管道测量，需要确定流向后进行转换；步骤5.实时模拟①首先进行节点的需水量分配，令t时刻节点i的基本需水量为：Dbase(i,t)=Σs=1K(base(i,s)×θ(s,t))---(5)]]>其中base(i,j)表示节点i的第s种预分配需水量模式，K表示节点的需水量模式s的总长度，θ(s,t)表示当前时刻t对应的用水量模式乘子，由下式获得：θ(s,t)=(t-t0+pststep+1)%K---(6)]]>t0表示实时模型的运行初始时间，pst实时模型的模式起始时间，step表示需水量模式时间步长；②清除反馈点模式，并将当前时刻的边界条件和状态参数更新到反馈点；其中对于虚节点，入水口虚节点需水量大小等于对应入水口管线流量测量值大小，值设为负；出水口虚节点需水量等于对应出水口管线流量值，若出水口管线流量流向是流出方向，则虚节点流量设为正，否则设为负；③执行水力模型，并将结果存入模拟结果数据库；需要时，可以实时显示及回顾。...

【技术特征摘要】
1.一种城市供水管网DMA实时建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤1.构建DMA管网模型及出入口边界处理；针对选定的供水管网DMA区域，以常规的水力平差建模技术构建DMA模型，即构造满足微观管网的基本质能守恒方程：质量平衡方程：∑q(i,j)+Qi＝0 (1)能量平衡方程Hi-Hj＝hk (2)其中，q(i,j)表示与节点i相关联的节点j之间的管道流量；Qi表示节点i的节点流量；Hi和Hj表示节点i和节点j的水头，hk表示节点i和节点j之间的管道k的压降；对DMA管网模型进行如下出入口边界处理：①在出入水口边界节点外均添加一个节点作为虚节点，将这些虚节点基本用水量初始值设为0，其它基本属性与出入水口节点属性设为完全一致；②在每个入口虚节点外添加水库作为虚水库，添加管段，将入、出口节点与对应虚节点连接、将入口虚节点与对应虚水库连接，连接采用理想无阻力管道；步骤2.管网模型连接GIS和营收系统以OPC方式将管网模型与GIS和营收系统连接，其中，GIS数据负责动态更新模型基础信息，营收数据负责动态更新节点日基本用水量信息；按月动态更新管网模型节点基本用水量，具体是：对于任意的节点i，其包含r类用户，每类用户个数为n(i,r)；累计营收系统中节点i每类用户的前一个月的月用水总量D(i,j)： D ( i , r ) = Σ m = 1 n ( i , r ) d ( i , r , m ) - - - ( 3 ) ]]>其中d(i,r m)表示节点i中的第r类中的第m个用户的月用水总量，节点i的r类用户的日用水模式序列为P(i,r,1),P(i,r,2),…,P(i,r,L)，L是用水模式序列长度值，若某用水类型长度为l，若l<L，则P(i,j,k)＝0；然后得到节点i的r类用户的日基本需水量更新值Base(i,r)： B a s e ( i , r ) = D ( i , r ) Σ k = 1 L P ( i , r , k ) - - - ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：何必仕，蔡华强，熊晓锋，徐哲，陈云，
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