一种考虑动态变化的供水管网水质监测综合评估方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑动态变化的供水管网水质监测综合评估方法。本发明专利技术首次提出了鲁棒性综合评估指标与方法，涵盖了多个优化目标以及平均指标和极端事件指标，能够对水质监测方案进行更加全面的评估，该方法能够根据具体工程需求选用不同的目标函数、目标权重对水质监测方案进行评估，灵活简单，可用性强，能够有效解决传统方法中目标单一的问题。同时，本发明专利技术首次提出了考虑供水管网系统动态变化的水质监测方案评估方法，能够根据城市规划、节水技术发展等未来变化对水质监测方案进行近期和远期评估，对水质监测方案进行合理的布置和规划以应对系统的变化，克服了现有静态方法中忽视供水管网规模发展的不足之处。忽视供水管网规模发展的不足之处。忽视供水管网规模发展的不足之处。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑动态变化的供水管网水质监测综合评估方法


[0001]本专利技术涉及市政工程和城市供水管网领域，具体涉及一种考虑系统动态变化的供水管网水质监测方案评估方法。

技术介绍

[0002]供水管网用于将水厂处理后的饮用水输送至各个用水点，是城市基础建设的重要组成部分，关乎城市经济发展和居民生活的重要保障。然而，供水管网极易受到包括人为污染和意外污染物等污染入侵事件的影响，影响水安全和公众健康。为此，通常在供水管网内部署水质传感器以形成水质监测系统，实现入侵污染物的监测和警报，提高供水安全性。
[0003]水质传感器的数量及空间分布会显著影响监测性能。理想情况下，在每个节点都部署一个传感器可以极大地提高水质监测系统的监测能力，但是受到预算、拓扑结构等因素的限制，这通常是不可行的。因此，需要对水质监测方案进行优化布置研究。目前水质监测方案的优化布置研究主要涉及两个方面：(1)指定合适的目标函数(例如，最小化监测用时、最大化监测概率、最小化受影响人口等)，实现水质监测系统性能最优化；(2)使用优化算法(例如，混合整数规划、遗传算法等)，实现对目标函数的高效求解。
[0004]基于水质监测方案的优化布置方案，建立水质监测系统，能够高效地监测污染物入侵事件。然而，评估水质监测系统对污染事件(污染入侵事件)的监测能力，除了在固定系统下使用单一目标函数考虑水质监测点的优化布置之外，还应综合考虑多个目标函数和供水管网的动态变化。具体而言，不同的目标函数具有不同的偏向，将导致不同的水质监测方案评估结果，只依赖单个目标函数所得到的评估结果是片面的，例如，Ostfeld A,Uber J G,Salomons E,et al.The battle of the water sensor networks (BWSN):A design challenge for engineers and algorithms[J].Journal of water resourcesplanning and management,2008,134(6):556
‑
568.这篇文献给出了4个目标函数，并且分别进行了评估和比较，得到结论：传感器放置问题是多目标的，单目标的评估所得到的结果只能是一部分；此外，受到城市化发展、节水措施推广等因素影响，供水管网的节点需水量、拓扑结构也将发生动态变化，水质监测方案的性能优劣也会随之改变。因此，对于一个给定的水质监测方案，非常有必要了解其在供水系统动态变化情况下的鲁棒性综合评估，即水质监测方案在系统的节点需水量、拓扑结构等发生动态变化后对污染入侵事件的监测能力，从而为降低供水系统的水质风险提供重要指导。但是，目前缺少针对供水系统动态变化的水质监测方案性能评估方法。为弥补该空白，本专利技术首次提出了一种考虑系统动态变化的供水管网水质监测方案鲁棒性综合评估方法，旨在最大程度了解监测方案在系统变化情况下的综合鲁棒性，解决传统评估方法目标单一的缺点和现有静态方法忽视供水管网动态发展的不足，进而为降低供水系统的水质安全风险提供依据和支撑。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题：提出了一种考虑动态变化的供水管网水质监测综合
评估方法，在供水系统动态变化情况下对水质监测方案进行鲁棒性综合评估，综合多个评估目标的同时考虑供水系统动态变化，最大程度降低供水系统的水质安全风险，保障供水安全。
[0006]本专利技术具体采用的技术方案如下：
[0007]一种考虑系统动态变化的供水管网水质监测方案鲁棒性综合评估方法，其步骤如下：
[0008]S1：建立鲁棒性综合评估指标函数，具体公式如下：
[0009][0010]R(f)＝rank(f),f∈{f
t
,f
p
,f
w
,f
r
,f
a
}
ꢀꢀꢀ1‑2[0011]式中，R为鲁棒性综合评估指标，R的值越小说明该水质监测方案在所有水质监测方案中的排名越前，综合鲁棒性越好；B为考虑的目标函数总数量；R
b
(f)为第b个 (b＝1，2，
…
，B)目标函数f下该水质监测方案的性能在所有水质监测方案中的排名(详见公式1
‑
2)；k
b
为第b个目标函数f在鲁棒性综合评估指标中所占的权重，权重越大说明该目标函数对鲁棒性综合评价指标的影响越大，可根据不同的实际问题选取合适的权重值；R(f)为在目标函数f下该水质监测方案的性能在所有水质监测方案中的排名，R(f)的值越小说明在该水质监测方案在目标函数f方面的排名越靠前，性能越好；rank(f)表示根据目标函数f的具体数值对多个水质监测方案中进行性能优劣排序，其中，f包括f
t
,f
p
,f
w
,f
r
,f
a
五个不同的目标函数，具体定义如下：
[0012][0013]式中，f
t
为水质监测方案对M个污染入侵事件的平均监测用时；M为污染入侵事件总数量；f
t
的值越小说明监测方案的性能越好；t
i
为第i个(i＝1，2，
…
，M) 污染入侵事件所需的监测用时。
[0014][0015]式中，f
p
为水质监测方案对M个污染入侵事件的监测概率，f
p
的值越大说明监测方案的性能越好；其中，λ
i
为指示函数，当第i个污染入侵事件能够被水质监测点监测到时，其值为1，否则为0。
[0016][0017][0018]式中，f
w
为水质监测方案实施状态下M个污染入侵事件的受污染水平均消耗量占
用水总量的百分比，f
w
的值越小说明监测方案的性能越好；V
i
为第i个污染入侵事件中受污染水平均消耗量占用水总量的百分比；N为用水节点总数量；q
j
(i)为第i个污染入侵事件中节点j(j＝1，2，
…
，N)的受污染水消耗量；DM
j
(RT
i
)为第i个污染入侵事件中节点j的用水总量；其中，RT
i
为第i个污染入侵事件中污染物在系统中的停留时间。
[0019][0020]式中，f
r
为水质监测方案实施状态下供水系统中的污染物最长停留时间，f
r
的值越小说明监测方案的性能越好；Ω为污染物停留时间最长的一组极端事件；E
r
为选取的极端事件Ω的数量；RT
e
为选取的第e个(e＝1，2，
…
，E
r
)极端事件的污染物停留时间。
[0021][0022][0023][0024][0025]式中，A
i
为第i个污染入侵事件中的患病人口数量；H
j
(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑动态变化的供水管网水质监测综合评估方法，其特征在于，步骤如下：S1：建立鲁棒性综合评估指标函数，具体公式如下：R(f)＝rank(f),f∈{f
t
,f
p
,f
w
,f
r
,f
a
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1‑
2式中，R为鲁棒性综合评估指标，R的值越小说明该水质监测方案在所有水质监测方案中的排名越前，综合鲁棒性越好；B为考虑的目标函数总数量；R
b
(f)为第b个(b＝1，2，
…
，B)目标函数f下该水质监测方案的性能在所有水质监测方案中的排名(详见公式1
‑
2)；k
b
为第b个目标函数f在鲁棒性综合评估指标中所占的权重，权重越大说明该目标函数对鲁棒性综合评价指标的影响越大，可根据不同的实际问题选取合适的权重值；R(f)为在目标函数f下该水质监测方案的性能在所有水质监测方案中的排名，R(f)的值越小说明在该水质监测方案在目标函数f方面的排名越靠前，性能越好；rank(f)表示根据目标函数f的具体数值对多个水质监测方案中进行性能优劣排序，其中，f包括f
t
,f
p
,f
w
,f
r
,f
a
五个不同的目标函数，具体定义如下：式中，f
t
为水质监测方案对M个污染入侵事件的平均监测用时；M为污染入侵事件总数量；f
t
的值越小说明监测方案的性能越好；t
i
为第i个(i＝1，2，
…
，M)污染入侵事件所需的监测用时；式中，f
p
为水质监测方案对M个污染入侵事件的监测概率，f
p
的值越大说明监测方案的性能越好；其中，λ
i
为指示函数，当第i个污染入侵事件能够被水质监测点监测到时，其值为1，否则为0；否则为0；式中，f
w
为水质监测方案实施状态下M个污染入侵事件的受污染水平均消耗量占用水总量的百分比，f
w
的值越小说明监测方案的性能越好；V
i
为第i个污染入侵事件中受污染水平均消耗量占用水总量的百分比；N为用水节点总数量；q
j
(i)为第i个污染入侵事件中节点j(j＝1，2，
…
，N)的受污染水消耗量；DM
j
(RT
i
)为第i个污染入侵事件中节点j的用水总量；其中，RT
i
为第i个污染入侵事件中污染物在系统中的停留时间；
式中，f
r
为水质监测方案实施状态下供水系统中的污染物最长停留时间，f
r
的值越小说明监测方案的性能越好；Ω为污染物停留时间最长的一组极端事件；E
r
为选取的极端事件Ω的数量；RT
e
为选取的第e个(e＝1，2，
…
，E
r
)极端事件的污染物停留时间；)极端事件的污染物停留时间；)极端事件的污染物停留时间；)极端事件的污染物停留时间；式中，A
i
为第i个污染入侵事件中的患病人口数量；H
j
(i)为第i个污染入侵事件中节点j处受污染水导致的患病概率；NP
j
为节点j处的人口数量，由节点需水量D
j
除以人均日用水量φ得到；Φ表示标准正态累积分布函数；β和D
50
分别是Probit斜率参数(无单位)和导致感染或出现症状的概率为0.5的剂量(mg/kg)；c
j
(i)为第i个污染入侵事件下节点j处水中的污染物浓度(kg/L)；W为假定的平均体重(kg/人)；f
a
为水质监测方案实施状态下的极端情况患病人口数量，f
a
的值越小说明监测方案的性能越好；Ψ为患病人口数量最大的一组极端事件；E
a
为选取的极端事件Ψ的数量；A
e

【专利技术属性】
技术研发人员：郑飞飞，郑子萱，毕薇薇，马一祎，韩万玉，周华，申屠华斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：