用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法技术

本发明专利技术提供一种用于供水管网污染入侵点识别的传感器优化布置方法，首先对污染入侵节点进行风险评估并对污染入侵节点进行选择和聚类，基于分层算法得到一组传感器布置方案满足传感器网络的可识别性，然后，基于传感器的数量和传感器发生故障时对传感器网络的影响对各种方案进行比较得到最优方案，在对各种方案进行比较时考虑了污染概率的变化。在传感器数量有限的情况下，该方法考虑了各种污染入侵节点发生概率的变化，能够确保对造成严重后果的污染入侵节点进行检测和识别，对供水管网污染物入侵监测具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法
本专利技术属于城市供水管网传感器优化布置，具体涉及一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法。技术背景供水管网是城市基础设施的重要组成部分，通过管道给居民提供饮用水。供水管网中的节点可能是有意或无意污染物入侵点，污染物入侵会直接对用户的生命造成威胁。为了减轻污染物入侵造成的危害，需要在供水管网中布置传感器构建安全和高效的监测系统。考虑到安装和维护成本，不可能在管网的每个节点布置传感器。需要优化地选择传感器位置，并尽可能减少传感器的数量。在对此类传感器网络进行设计时，必须考虑几类因素，如污染物入侵的检测与识别、传感器发生故障的影响、污染事件的影响等。针对供水管网污染物入侵监测的传感器优化布置得到了广泛关注，其中传感器网络的可观测性和可识别性是两个重要参考指标。可观测性指污染物入侵检测能力，在发生污染物入侵时至少有一个传感器做出响应。一些优化方法用来传感器网络的可观测性，一些优化目标如检测时间、需求覆盖率或者污染造成的影响得到了广泛应用。可识别性指污染物入侵点识别能力，在发生污本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤(1)：对管网各个污染入侵节点进行风险评估得到各个污染入侵节点的污染风险等级，选择污染风险等级较高的污染入侵节点，并对选择的污染入侵节点进行聚类，将造成类似影响的污染入侵节点划分到同一个聚类中，得到污染聚类，并根据污染聚类各个节点的污染风险等级得到各个污染聚类的污染风险等级；/n步骤(2)：考虑各个入侵节点污染物入侵概率变化，根据4种污染概率函数得到各个节点的污染概率，并根据各个节点的污染概率得到各个污染聚类的污染概率；/n步骤(3)：基于传感器网络的联合信息熵对传感器依次进行选取，直到传感器网络完成对所...

【技术特征摘要】
1.一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤(1)：对管网各个污染入侵节点进行风险评估得到各个污染入侵节点的污染风险等级，选择污染风险等级较高的污染入侵节点，并对选择的污染入侵节点进行聚类，将造成类似影响的污染入侵节点划分到同一个聚类中，得到污染聚类，并根据污染聚类各个节点的污染风险等级得到各个污染聚类的污染风险等级；
步骤(2)：考虑各个入侵节点污染物入侵概率变化，根据4种污染概率函数得到各个节点的污染概率，并根据各个节点的污染概率得到各个污染聚类的污染概率；
步骤(3)：基于传感器网络的联合信息熵对传感器依次进行选取，直到传感器网络完成对所有污染聚类的检测与识别，并考虑各个传感器发生故障的情况，得到一组传感器布置初始方案，定义一组传感器优化布置准则以对各种初始方案进行比较与筛选，传感器优化布置准则包括：传感器的数量、传感器发生故障时信息熵损失、传感器发生故障时污染聚类未检测和未识别的影响；
步骤(4)：基于定义的传感器优化布置准则对传感器布置初始方案进行比较与筛选，根据四种传感器优化布置准则得到各种污染概率下传感器布置方案的排序，选择最优方案作为传感器优化布置方案。


2.如权利要求1所述的一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括：
步骤(1.1)、利用EPANET建立供水管网水力模型，对供水管网各个节点、水库和水箱发生污染物入侵的情况进行模拟，得到各个污染事件的污染检测矩阵L(i,j)；



其中，lij为节点j处发生污染物入侵对节点i的影响，如果有影响(节点i处污染物的浓度大于0)，则lij＝1，否则，lij＝0；
步骤(1.2)、得到污染检测矩阵后，对各节点发生污染造成的影响进行评估得到各个节点的污染风险等级R(j)：



R(j)为节点j发生污染物入侵造成影响的风险等级，j＝1,…,N，N为供水管网节点数量，Di(t)为节点i在在时刻t＝Δt；2Δt；…,AΔt的需水量，A为总的模拟时间段(A为总的模拟时间段，如单日模拟，Δt＝1h,A＝24),为供水管网所有节点在模拟时间段总的需水量，污染入侵节点发生污染后影响的节点数越多，且这些节点的需求越大，污染风险等级越高；
步骤(1.3)、根据各个节点的风险等级对污染入侵节点进行选择，忽略一些污染风险等级较低的污染入侵节点；
步骤(1.4)、根据各个污染入侵节点发生的影响对污染入侵节点进行聚类，将一个聚类内的污染入侵节点看作一类事件；
步骤(1.5)、得到各个聚类的污染风险等级：根据各个污染聚类所包含的污染入侵节点的污染风险等级得到单个聚类的污染风险等级R(c)；



其中，R(c)为聚类c发生污染物入侵的风险等级，Di(t)为节点i在时刻t的需水量，i＝1,…,N(N为供水管网节点数量)，lij为节点j处发生污染对节点i造成的影响，如果有影响，则lij＝1，否则lij＝0；j＝1,…,nc，nc为聚类c的节点数量；为供水管网所有节点在整个模拟时间段内的总需水量。


3.如权利要求2所述的一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法，其特征在于：步骤(1.4)采用K-均值聚类将所有污染入侵节点划分为C个聚类，首先随机放置C个聚类中心，并计算各个污染入侵节点与各个聚类中心之间的欧式距离：
d(xi,xj)＝(|xi1-xj1|2+…|xin-xjn|2…+|xiN-xjN|2)1/2；
式中，d(xi,xj)表示污染入侵节点i与聚类中心j的欧式距离，xin表示节点i处发生污染物入侵对节点n的影响，N为管网节点数；
如果污染入侵节点i与聚类中心j的欧式距离d(xi,xj)最小，则将污染入侵节点i划分到聚类j，然后，将聚类内污染入侵节点的平均位置作为新的聚类中心，进行迭代得到新的聚类，重复该过程，直到中心位置没有变化，轮廓指数用于确定理想的聚类数目C，第i个污染入侵节点的轮廓指数为(S(k))；





4.如权利要求1所述的一种用于供水管网污染物入侵点识别的传感器优化布置方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括：
步骤(2.1)、考虑各个节点污染概率的变化，根据节点需求得到各个节点的污染概率，节点的需求越高，则该节点发生污染的概率越高，对于一个污染聚类，该聚类所包含的节点数越多，且这些节点的需求越高，则该污染聚类发生污染的概率越高，根据各个污染聚类所包含的节点以及这些节点的需求得到各个污染聚类发生污染的概率PD(c)；



式中，PD(c)为基于节点需求得到的聚类c的污染概率,i＝1,2,…,nc为污染聚类c所包含的节点(nc为聚类c的节点数)，N为供水管网节点总数；Di(t)为节点i在时刻t＝Δt；2Δt；…,AΔt的需水量，为污染聚类c中所有节点在整个时间段总需水量，是供水管网所有节点在整个时间段总需水量，一个污染聚类所包含的节点数越多，且这些节点的节点需求越高，则该污染聚类的污染概率越高；
步骤(2.2)、考虑各个节点污染概率的变化，根据与各个节点直接相连的管道长度得到各个节点的污染概率，与各个节点直接相连的管道长度越长，则该节点发生污染的概率越高，对于一个污染聚类，该聚类所包含的节点数越多，且直接与这些节点相连的管道长度越长，则该污染聚类的污染概率越高，根据各个污染聚类所包含的节点以及直接与这些节点相连的管道长度得到各个污染聚类发生污染的概率pL(c)；



式中，pL(c)是基于直接连接到节点的管道长度的聚类c的污染概率,i＝1,2,...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡祖康，陈文龙，陈蓓青，沈定涛，郑学东，叶松，王珺珂，夏煜，王莹，方喻弘，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42