基于scada系统的供水管网检漏检爆 74页

'西安建筑科技大学硕士学位论文基于SCADA系统的供水管网检漏检爆专业：市政工程研究生：李凌峰导师：黄廷林教授摘要长期以来，管网漏水一直是影响水司产销差的最大问题，而缩短漏水反应时间并控制漏水刚是提高管网运行效率的最关键一步。在对供水管道漏水认识的基础上，各匡l先后研究了一些检漏方法，也研制了一些仪器。例如，在德国、英国等经济发达的国家通常采用的检漏方法有；音昕检漏法，相关检漏法，漏水声自动监测法、区域检漏法和主动检测法等。本文首先对管网中发生异常时的水力条件进行分析，得虱了永力异常时节点水压变化的特征，并据此提出了爆管特征值的概念。通过管网中由测压点实时传回的压力数据，对管网进行较高精确度的状态估计，并在此基础上对管两的进行了分析研究，从而得到合理的管网大流量变化时的压力变化情况。在供水管网实时传会测压点压力的基础上，利用多个连续的管网运行状态模拟结果，对节点水压的变化特征进行分析，从而找出可能的突然出流点，再根据该点以往的用水特点，判断该点是否是爆管点。实际计算表明，该方法对较大的突发出流量有较高的判断正确率。同时，该方法还能在一定的精度上估计测压点周围的漏失水量，对于加强漏失控制管理，提高水司的供水效率，降低供水产销差有一定的帮助。本文还在以上研究的基础上对以往的研究工作进彳亍了总结，并开发了可视化的管网检漏检爆集成系统，使得研究工作得以提高效率。同时，还针对AutoCAD迸}gY--次开发，使得计算的输出结果不仅仅以简单的数据文件出现，而且还可以采用AutoCAD的格式输出。由于软件采用了友好的界面和仿AutoCAD的操作方式，因而软件易学易懂，方便用户的使用。以上研究为市政管网的漏失检测和控制工作提出了实际可行的方法，并为管网的下一步研究工作提供了～定的理论基础和可用的软件工具。关键词：检漏检爆：可视化；市政管网；SCADA基金项目陕西省自然科学研究项目(E0806)：西安市城乡建设委员会计划研究项目 两安建筑科技大学硕士学位论文TheDetectionofPipeLeakageandBreakBasedORtheSCADASystemWaterSupplyDistributionSystemSpecialty：MunicipalengineeringGraduate：LingfengLiProfessor：TinglinHuangAbstractSincelongago，thewaterleakageofdistributionsystemisthemostsignificantproblemwhichaffectsthewaterdepartmentproductionandmarketingdifference．Atthesametime，itisthemostessentialwaytoenhancethedistributionsystemoperatingefficiencybyreducingthewaterleakagereactiontimeandcontrollinglossofwater．Groundingontheknowledgeoftheleakage，severalcountriesdevelopedsomeleakagecontrolwaysandinventedsomemstmmemstofindtheleakageplaceonebyone．Forexample，themethodstodetectleakagewhichareusedbythedevelopedcountrysuchasGermany,EnglandandSOonareregularsounding，detectionbyleaknoisecorreiator,wastemetering，combineddistrictandWastemetering，activeleakagecontrolmadSOon．Firstly,byanalyzingtheabnormalhydraulicpressuredingingindistributionsystem，thecharacteristicofhydraulicpressureisget。Accordingtothis，thepipebreakcharacteristicisobtainedaboutthedistributionsystem．TheestimationofdistributionsystemisdoneinaH曲precisioninthisarticlebyusingthedatawhichiscarriedbackimmediatelyfromthepressureinspector．Onthebasisofthis，theanalysisandtheresearcharedoneonthedistributionsystem．AndthenthereasonableresultaboutthepressurechangecapacityisobtainedwhichwilltakeplacewhenalargeoutflowOccursinthedistributionsystem．Bemgbasedupontheirdbrmationcarriedbackbypressureinspectors，tousetheresultswhicharegetbyaserialofcontinuousestimationaboutdistribution,theanalysisisdone011changecharacteristicinthepointsofknotpressure，lossofpipeandSOon．Then，theabruptlypossibleoutflowwillbeguessout．Atlast，wecalljudgetheplaceisanormalfloworbreakleakagebythecharacteristicinitshistory．Infact，themethodhasahighprecisiontojudgetheabruptoutflow．Atthesametime，itstillhasareasonableprecisiononestimatingtheJossofthewaterinaareawhichincludesthepressureinspector．ItisalsousefultOenhanceleakagecontrolandreduce leakagepercentage．Secondly,onthebasisofsummarizingresearchaboutformerandme，softwareofdistributionsystemisdevelopedwhichwillgivethestudyahighefficiency．Atthesametime．AutoCADisredevelopedfortheresearchresdt．ItsinterfaceislikeAutoCAD，SOitiseasetostudymadbeused．Thestudygivesanewfeasiblewayincontrolanddetectioninwatersupplydistributionsystem，andprovidesausefultoolforthenextstepofresearch．Keyword：theDetectionofLeakagebreal【，Visualtool，MunicipalDistributionsystem，SCADA 声明本人郑重声明我所呈关键所在论文是在导师指导下进行的研究二r．作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：和叩日期：矽弓，∥．，乡关于论文使用授权的说明本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。(保密的论文在论文解密后应遵守此规定)⋯一彩野导1≯9孓。6．15÷ 西安建筑科技大学硕士学位论文1．1给水管网研究现状1绪论随着国民经济的发展和城市规模的小断扩大，作为城市基础设施的供水系统，本着超前规划、优先发展的思想，其规模将越来越大，在经济发展和人民生活中的地位出将越来越重要。配水管网是城市供水系统的组成部分，担负着向用户输送、分配水的任务，以满足用户对水量、水压的需求。由于供水管网的分布面JI‘，距离长，材质要求高，因而它在给水系统中所占的投资比例高，一般来说，给水管网占总投资的60％80％，在投资决策中有着举足轻重的作用。据统计，1995年底全国640座城市口径75mm以上的给水管道总长达到9．9万krn，因而在输配水过种中消耗大量的能量，供水企业的能耗90％用于一、二级泵站水力提升，这部分能耗占制水成本的30％～40％。1．1．1给水管网的分析方法给水管网是一个复杂的系统，其结构是以节点、管段为基本单元组成的网络，用来表达其结构的有图形和参数两种手段，图形描述基本单元之间的连接关系，参数描述基本单元的特性，如管径、管长、糙率、节点高程、水源特性。管网运行状态为‘个非稳态的水力系统，之所以为一个非稳态的系统是由于用户用水量的时变性、不确定性引起的。由于非稳态过程的复杂性，而且实际应用中也不需要对非稳态过程进行连续的描述，故将其运行中的某一个时刻作为稳态进行研究。管网运行状态与管网结构是密不可分的。描述管网运行状态的参数有：节点流量、水源供水量、管段流量、节点水压、管段水头损失等。管阐研究的最主要目的是使管网获得一个良好的运行状态，而运行状态又与很多因素有关，且关系复杂，只有通过一定的数学手段，建立这些因素之间的关系即数学模型，然后借助计算机等工具对管网的运行状态进行推演，以找到良好运行状态的实现条件。目前应用的数学模型主要有三种类型：微观模型、宏观模型、集结模型。微观模型是一个理论模型，它用经典的流体力学理论，具体考察管嘲巾每个变微观模型是一个理论模型，它用经典的流体力学理论，具体考察管网巾每个变 西安建筑科技大学硕上学位论文嚣之间的关系，建立变量之间的基本关系式，即节点连续方程、能量方程、管路方陧，这三类方程是用微观分析方法对管网进行研究的基础。通过这三类方程可在已知。鄙分变量的情况下求解剩余的变量，称之为管网平差。管网平差方法有能量方程法(HardyCross法)、节点水压法，管段方程法、特征线法。这方面的研究已比较成熟，在此不再赘述。微观模型由于考虑了所有变量之间的关系，因而能比较准确地反映管网的实际情况，但需要的变量较多，而这些变量的准确值又难以获得，使得分析计算难以进行工精度降低。同理，微观模型的求解需要较长的计算时间，对大型管网的实时模拟和优化调度往往在时间上满足不了要求。随差管网管理水平的不断提高、微观分析方法的改进、计算机技术的发展，微观分析方法将会有更加广阔的应用空间。宏观模型主要是基于管网的实时优化调度而提出的一种模拟方式，它无需了解管网结构、用户水量等参数，只需要以往的运行数据，借助统计回归方法建立部分管网变量之间的关系。然后将这一关系移植到后续的管网运行中，指导管网的运行调度。宏观模型往往建立的是监测点的测压与各水源供水量之间的关系，因而用宏观模型对管网模拟的输出量也只有相应节点的水压，无法了解其它节点水压，而且管网运行的不确定性也使得模型的可移植性不强，这使得模拟的结果与实际性况有较大的出入。目前的研究在加强模型约束、模型的在线学习方面做了一些工作。“管网集结”是一种简化网络结构的近似方法，它把整个配水管网划分为若干个区域，使管网中每个节点仅属于一个区域。划分的原则是：同一区域内的各节点压力大致相等，用水规律相仿。将每个区域内的所有节点集结在一起而形成一个虚拟节点，虚拟节点间用虚拟管段边拉。这样，原来的管网模型就简化成一个新的管网模型，称之为集结模型。模型的集结必须在微观的基础上进行，集结后管网的变量大幅度减少，缩短了计算时间。集结模型纵使了微观模型和宏观模型的优点，适用性更强。1．1．2给水管网的优化管网优化设计是在管网平面布局和节点流量确定的情况下，优化管段流量及管径，使得管网的年费用(管网投资年折算费用和运行费)最省。很多研究表明，对环状网来说，没有最优的流量分配，如果对管径和流量没有下限约束，则优化结果使某些管段的流量为零，因而管径和为零，因为按照水源以最短的距离向切点供水的原则，水流自然不会舍近求远流经那些仅为加强干管之间联系而设置的连接管。这样会致使环状网退化为树状网，从而降低供水的可靠性。 西安建筑科技大学硕士学位论文1．1．3给水管网的信息管理管网的信息包括图形信息和数据信息，图形信息是指给水系统的平面结构、边接点详图、用户分布等；数据信息包括节点参数、管段参数、仪器设备信息、水源参数、用水量信息、用户档案等。～个完整的管网信息系统对于管网的研究、改扩建、维护运行都有着重要的意义。1．1．4给水管网的模拟给水管网的模拟是指用一系列数据、数学模型来模拟管网的结构、运行状态，并用计算机进行模拟仿真。模拟又分为静态模拟和动态模拟，静态模拟往往是对管网运行的某些特殊的运行状态(如最高日最高时、最大转输时、消防时、事故时)进行模拟仿真，常用于管网设计、供水能力的复核、运行状态调查。动态模拟是实时地模拟管网运行的任意状态，又称为在线模拟，常用于了解管网运行状态，配合管网的优化调度。管网模拟有基于管网平差的水力模型法和状态估计法，水力模型法是收集管网平差所需的管网结构参数、切点流量、水源供水量，经管网平差求得管网运行状态参数。这种模拟方法技术成熟，计算量小，但数据的准备工作量大，且节点流量是由以往的用水资料推求得到的，而不是实时的用水量，因而这种模拟并非真正意义卜的实时模拟。状态估计法是利用从管网在线实测的少量数据来估计管网所有的运行参数和结构参数，由于采用了实测数据，因面模拟结果更接近实际的运行状态，但这种方法的计算量较大，用于实时模拟时需要在管网中安装实时监测传输设备。1．1．5给水管网的优化调度优化调度就是寻求一个最优的开泵、开阀供水方案，以保证供水压力，降低供水成本。因此优化调度是一个多目标规划问题，其目标函数中包括供水压力项和供水成本项。对管网的优化可以针对管网设计运行的不固时期，有针对设计时期的管网优化设计，如郑毅的《给水管网调整规划的优化研究》，从全局的观点出发，寻求设计年限肉的运行和基建的最小费用“。1；有针对泵特性鲢线对管网影响方面的理论。1；人工智能在优化方面也有了很大的发展，且取得了良好的效果，对多约束的处理优 西安建筑科技大学硕士学位论文越性很是明显【4～1。1．2给水管网的漏失及研究现状1．2．1给水管网的漏失状况广义的说，水资源是人类生产和生活中不可缺少的自然资源，也是我们赖以生存的环境资源。水资源问题不仅可能影响并制约现代社会的可持续发展，而且将成为2l世纪全球资源环境的首要问题。狭义的说，输配水系统中水的漏失，不仅增加了水处理方面的费用，而且还额外地增大了管网及其构筑物的投资和运行费用。同时，水是都市生活及工业生产不可或缺的重要资源。随着社会的快速发展，水的供需矛盾日益突出，且供水的有效性是衡量一个供水企业管理水平的关键要素。因此解决供水管网的漏水问题，切实减低供水企业产销差、保护水资源己迫在眉睫。1990年，我国413个城市中，最高漏失率约为50％，平均漏失率虽7．08％，但据权威估测，实际漏失率约为12％。据统计，1997年德国供水系统中，进入输配水系统的水量为56．6亿立方米，实际销售49．65亿立方米，自用水3亿立方米，实际水量流失3．94亿立方米。如以进入输配水系统的水量为基数，则全德国实际平均漏失率为6．96％。英国最古老的西北水务的统计数据显示，其日均供水量约为230万立方米，向680万户用户供水，而供水管网长度约达4万公里。在96年4月97年3月期问，共修漏l万5千处，如把用户宅基管计算在内，则超过5万6千处。约有180名员工从事检漏工作，每周300人次从事修漏工作。通过每年约700公里的用塑料管代替维多利亚时代的铸铁管及建立1550个计量区域，漏水水平呈现显著下降趋势：92—93年度漏失水量为94．8万立方米／日，93—94年度为89．9万立方米／日，94—95年度为87．7万立方米／日，95—96年度为78．9万立方米／日，96—97年度为66．6万立方米／日，现状实际漏失率达到35—40％左右。同样在英国，作为英格兰和威尔士最大的ANGLIAN水务公司，其日供水量达到121万立方米，而管网长度达到3、5万公里。它的漏失水平是英国最低的，95—96年度的漏失率为21．3％，目前的漏失水平控制在5、8立方米／公里／日。而英国十大水务公司的均值为11．2立方米／公里／日。目前日内瓦的漏失率则仅为5％。4 西安建筑科技大学硕卜学位论文根据资料，1997年国际自来水平均漏失率为17％。1．2．2给水管网检漏的研究状况1．2．2．1灞失原因分析等管网漏失的原因分为以下几个方面，即管网材质、工程漏、施工质量、爆管漏失(1)管网材质问题①灰铸铁管因其生产工艺本身的缺陷和问题，含碳量较高、金属基体组织和石墨形态不理想、管体截面不均匀、铁水易于吸取气体、管壁孔气难于消除等方面的问题，造成灰铸铁管脆性大、强度低，残余应力大，成为管道爆管和暗漏的主要隐患。②镀锌钢管埋设在地下，没有进行防腐处理，年久内外腐蚀，造成漏水。③个别管段的产品质量问题，往往会引起管道的特殊漏渗。部分混凝土管道因出厂质量存在隐患，管壁有小小不易察觉的裂缝和卷焊钢管焊缝有气孔、砂眼等，往往造成爆管事故和暗渗损失。(21工程漏①外部工程野蛮施工，对供水管网千百万磕碰硌压，导致漏水。②工程施工不符合设计规范，没有按照国家建设标准规范管网间距，间距过小，导致地面振动等原因，致使管网漏水。③切改管网过多，“几”字型管道增多，使管网内水流状态发生变化，情况发生。由于施工导致爆管(3)施工质量问题①大管径管道经过软土地基时。软土天然含水量大、可压缩性高、承载能力低，当软地基压缩沉降、或管体上部受覆土、车辆荷载及土体侧向位移时，产生纵向弯曲，导致管道失稳，在接口、腐蚀点等最薄弱处产生破裂而漏水。一般发生以下几种损坏情况：a、发生胶圈挤脱、水泥承口松脱而发生漏水；b、接口处(承插口、伸缩节、法兰接连接点等)发生断裂、爆裂，经常在普通铸铁管和水泥管接口处出现；c、在有局部坚石相接触处，由于没有处理好基础垫层从而引起普通铸铁管、 西安建筑科技大学硕上学位论文UPVC管发生断裂；②水泥管、铸铁管中大部份是因地基下沉，管体挪位造成承插口爆裂，管道安装时没有严格按照规范要求到填杂砂石所致。③接口质量不好，尤其是刚性接口。④腐蚀问题。管道防腐措旌不当。(4)爆管发生导致管网漏失①外力破坏。如开路面开挖后又重压旌工。②各种管道纵向交叉间距过小。管道随路面下沉后变形，相互碰压而硌裂。③个别碰头水处，如由于管网改道后水流状态不合理，在出厂于管之间发生的碰头水造成的瞬问水锤，管内压力过高引起爆管。④其它不明原因，或发生在水压调整时段，或发生于用水高峰段的压力不稳定时。1．2．2。2捡漏方法和技术由于人类对供水管道漏水的共识，先后研究了一些检漏方法，也研制了一些仪器。例如，在德国、英国等经济发达的国家通常采用的检漏方法有：音听检漏法，相关检漏法，漏水声自动监测法和分区检漏法等。前三种检漏是靠漏口产生的声音来探测漏点的，这对无声的泄漏就没有办法了。而分区检漏法是通过计量管道流量及压力来判别有无漏水存在，就是所谓的最小流量法。①音昕检漏法171【8】音听检漏法分为阀栓听音和地面昕音两种，前者用于查找漏水的线索和范围，简称漏点预定位；后者用于确定漏水点位置，简称漏点精确定位。a、阀栓听音法阀栓跌间法是用听漏棒或电子放大昕漏仪直接在管道暴露点(如消火检、阀门及暴露的管道等)昕测由漏水点产生的漏水声，从而确定漏水管道，缩小漏水检测范围。(见图1．1)金属管道漏水声频率一般在300～2500Hz之间，而非金属管道 西安建筑科技大学硕上学位论文漏水卢频率在100～700Hz之问。昕测点距漏水点位置越近，听测到漏水卢越大；反之，越小。图1．1阀栓昕音法图b、地面听音法当通过预定位方法确定漏水管段后，用电子放大听漏仪在地面昕测地下管道的漏水点，并进行精确定位。(见图1．2)听测方式为沿着漏水管道走向以一定间距逐点听测比较，当地面拾音器靠近漏水点时，听测到的漏水声越强，在漏水点在上方达到最大。图1．2地面听音法图②相关检漏法【9J【10】相关检漏法是第三代技术，是世界上包括中国用的最多的先进、有效的一种精确确定漏点的检漏方法，特别适用于环境干扰噪声大、管道埋设深或不适宜用地面听漏法的区域。用相关仪可快速准确地测出地下管道漏水点的准确位置。其工作原理为：当管道漏水时，在漏口处会产生漏水声波，并沿管道向远方传播，当把传感器放在管道或连接件的不同位置时，相关仪主机可测出由漏口产生的漏水声波传播到不同传感器的时间差乃，只要给定两个传感器之间管道的实际长度三和声波在该管道的传播速度以漏水点的位置L就可按下式计算出来。 西安建筑科技大学硕士学位论文Lx=(|，一px。i?djK2式中的V取决于管材、管径和管道中的介质，单位为m／ms，并全部存入相关仪芏机中。③漏水声自动记录监测法以德国SEBA泄漏噪声自动记录仪为例，德国SEBA的GPL99是由多台数据记录仪和一台控制器组成的整体化声波接收系统。当装有专用软件的计算机对数据记录仪进行编程后，只要将记录仪放在管网的不同位置，如消火检、阀门及其他管道暴露点等，按预设时间(如深义2：oo～4：00)同时自动开K关记录仪，可记录管道各处的漏水声信号，该信号经数字化后自动存入记录仪中，并通过专用软件在计算机上进行处理，从而快速探测装有记录仪的管网区域内是否存在漏水。人耳通常能听到30dB以上的漏水声，而泄漏噪声自动记录仪可探测到10dB咀上的漏水声。判别漏水的依据是：每个漏水点会产生一个持续的漏水声，根据记录仪记录的噪声强度和频繁度来判断在记录仪附近是否有漏水的存在，计算机软件自动识别并作二维或三维图。④分区检漏法[11-13】在管道听测漏水声时，一般说来，漏点大产生的漏水声比漏点小产生的漏水声要人⋯声，但漏点大到一定程度漏水声反而小了，因此，我们不能认为听到的漏水声大，其漏水量就大，有时实际情况正好相反。分区检漏法使漏水点按漏水量大小分烦恼成为可能，并因此能做到：控制大的漏水点并首先被排除掉。所谓分区检漏法是：是主要应用流量计测漏。首先关闭与该区相连的阀门，使该区与其他区分离，然后用一条消防水带一端接在被隔离区的消火栓上，另一端接到流量计的测试装置上；再将第二条消防水带一端接在其他区的消火栓上，另一端接流量计的测试装置上，最后开启消火栓，向被隔离区管网供水。借助于流量计，测量该区的流量，可得到某一压力下的漏水量。如果有漏水，可通过依此关K开该区的阀门，可发现哪一段管道漏水。德国SEBA的流量计TDMl0．60正是为分区检漏而设计的。采用分区检漏法检漏的优点：(1)能迅速排除大的漏水点；(2)系统地测试，可进行管网状况分析；(3)用所测流量与正常流量比较，可以发现漏水的早期迹象。其不足之处就是可能会影响部分居民用水。另它装载在车上操作起来方便。⑤区域泄漏普查系统法 西安建筑科技大学硕士学位论文区域泄漏普查系统法是一种目前最新型的，经过实践证明实用有效的一种方法。它存方法和技术上主要是集了上述2，3，4三种方法的优点，并应用了目前声学，电子，软件，通讯，信号处理，数字化处理等综合技术。1．2。2．3探测设备根上述技术和方法，各国也研制了相应的探测设备，常见的有：听音棒、漏水探测仪、相关仪、区域泄漏普查系统(以下简称多探头相关仪)、探地雷达等。①听音捧听音棒的使用历史较长，俗称“听漏器”。其构造是在棒的一端带有振动板而没有电动增幅的一种“听音棒”，使用方法简便，将昕音棒的一端置于水表或水管、阀fj上，通过棒传来的声音使振动板共振，用耳朵捕捉，判别漏水的有无。听漏棒分木棒和金属棒两种。木棒直径较粗，不便钻孔触管听漏，加之听音较小，贴耳感觉不好，目前已较少使用：金属棒借助振动板可将声音放大数倍，使用灵活，便于钻孔听音，长度可调整，至今仍为广大检漏人员所广泛使用。②漏水探测仪探测仪由耳机、放大器、滤波器、拾音器(探头)组成。它具有选择接受各种不同频率声音，捕捉放大漏水声的能力，其原理是将探头置于地面、消火栓、管道上(包括其附属设施)把漏水点发出的漏水振动音，通过主机将信号增幅传上耳机依然是用耳朵捕捉；也可根据指针所示幅值的大小来显示漏水的有无。该议器因车辆、行人、机械等噪音干扰，所以多在深夜外界干扰较少的情况下使用，并且探测仪的使用同听漏棒一样，都要求有相当的实践经验。新一代漏水探测仪将增加声波分析，抗干扰的能力，成为地下管网漏水探测的主导工具之一。③相关仪相关仪是通过装设在泄漏管线硒端的传感器接受漏水所产生的连续的不规则振动音，根据两传感器间的距离、声音到达的时间羞、振动音传播速度等数据进行相关计算，求得漏水点的位置。相关仪的运用具有以下优点：a、在困难环境中的作业能力较强，如大口径管道，噪音充斥，深度理设的管线等都可进行作业；b、比—殴的音响探测法灵敏度高；c、在单一的调查中可以发现数个泄漏；d、容易操作，不须过于依赖操作者的技巧。操作中也有一些限制：适用于寻找疑难漏水点，而不适用于巡查漏水：对被查管道在有效检漏长度内两端要有外露的水管和附件，若没有则要定位钻孔，将钢纤接触管线并将传感器放置在钢纤上。有效检漏长度也有一 西安建筑科技大学硕j￡学位论文定要求：金管不宜超过200m；非金管则更短。对于环状断裂并错位的漏水不容易检出。④多探头相关仪多探头相关仪，顾名恩义多探头，从2个探头开始，最多可配置到192个探头；以实现区域漏水声音的记录。普通相关仪则是我们已熟知的，其原理是根据漏水声沿管道传播到传感器的时间差来确定漏点位置的，而多探头相关仪有强大的软件支持，可反复利用在测试中收集到的大量相关测漏数据来验证检测结果，因此大大提高了检测的效率和准确度。多探头相关仪的记录仪(简称探头)具有防水功能，不用无线发射，可排除无线干扰和盲区，区域泄漏普查系统可对PVC管和水泥管进行检漏。测试时间不受限制(从10秒～3小时)，可在白天或夜间测试，避免了其它产品只能在夜间测试的局限性。多探头相关仪既应用了世界的领先技术，也充分反映了实用性：可自动生成模拟管网图。⑤探地雷达探地雷达是最新的也是最有发展前途的检漏仪器，它利用发射电磁波的反向收集，对地下管线进行测定，可以精确地绘制出地下管线的横断面图，并可根据水管周围的图像判断是否有漏水。探地雷达所能收集的资料非常丰富，除可探测出地下供水管道、煤气管、下水道、电缆等位置及地下地壤情况；也可检测难以发现的管道泄漏，管道的不均匀沉降等资料；还能用于预防性的测量，发现隐患，提高漏损的控制水平。目前探地雷达已进入实用阶段，有实力的水露已着手这方面研究工作，以希能为检漏工作提供一种更为先进的实用方法。1．2．2．4袭国检漏研究和实践现状水是宝贵的自然资源。由于淡水资源的贫乏和高昂的制水成本，世界各国尤其是发达国家都非常重视供水节水的管理工作。很早就开展了漏损控制技术及设备的研究、开发工作。80年代初，英、美、法、日相继开发成功了相关检漏仪，90年代初又研究了利用水传声的相关检漏仪，提高了检漏的正确性。美国、日本在80年代中期还开发了探地雷达，利用电磁波对漏水情况进行检漏，并以图象显示漏水孔周围的情况，实现对漏水点的精确定位。由于疆方国家的经济实力，重视程度和技术水平等方面的优势，根据有关资料统计，英国的管网漏失率为18．69％，美国为8％以下，日本lO％以下，法国9．5％，德国4．9％，其漏失率远低于亚洲国家。10 西安建筑科技大学硕士学位论文我国自1897年旅顺建成第一个供水设施，已有100多年的历史，各地供水企业在技术管理上积累了丰富的经验。改革开放以来，各地水司重视运用先进管理手段，加火肘管网管理投入，在提高供水效率上取得显著的成效。但由于城市基础设施久账太多，供水设备的更新，技术水平提高缓慢，加之管理体制落后于不断发展的形势，使管网漏损率均未达到《城市供水2000年技术进步发展规划》所规定的目标，大多数城市供水漏失率多在25—30％。与发达国家比较还有很大的差距。多年来，各地水司以管线事故抢修为主，漏水调查为辅，多数单位管线处于被动检漏状况，效果不好。随着国内市场环境的改善，国家有关用水节水政策措施的颁布，漏损控制逐步受到各水司的重视，相继弓l进了不少先进的漏水检测设备，如美国、日本、英国、德国等国家的听漏仪、相关检漏仪、探地雷达等。各大中型水司根据实际情况也成立了相应的检漏队伍，取得了一定的效果。但从总体看与发达国家比较还有相当大的差距，普遍存在着检漏技术人员较少、专业技术素质差、对先进设备的使用方法理解不深，造成一定程度上的浪费。由此可见，我国供水漏损控制工作是任重道远，要达到10％以内漏控目标还有相当长的一段路要走。1．3SCADA技术在供水调度中的应用1．3．1SCADA系统简介SCADA系统是英文SupervisionControlAndDataAcquisition的简称，即监控和数据采集系统。SCADA系统又称计算机四遥(遥调、遥控、遥测、遥信)系统，在给排水行业已经得到广泛的应用，取得了良好的经济效益和社会效益，其应用价值已经得到了全行业的广泛认可。SCADA技术是建立在3C+S的基础上的，即计算机技术(Computer)、通讯技术(Communication)、控制技术(Contr01)和传感技术fSensor)，这四项技术在近年来的快速发展为SCADA技术的产业化应用提供了良好的硬件和软件平台，使SCADA系统呈现出更优更新和易用性更强的功能特点。1"3．2SCADA在供水行业中的应用随着现代城市建设规模的日益发展，城市供水区域和供水管网规模也随之急剧扩大，迫切需要纳入监控，旧的管理手段已不能适应，必须引入先进的管理方式，利用先进的计算机技术和通信技术，使分布在广阔区域内的各种供水设施相互协 西安建筑科技大学硕士学位论文润、安全可靠、高效经济地运行，并及时准确地反馈各种信息，这一问题的提出，使得SCADA系统，即监控和数据采集系统，应用于供水行业，具体就是城市供水调度系统——指采用计算机、通信、控制、显示等技术，结合给水工艺、数理统计、现代控制等理论，应用各种设各对城市供水体系进行数据采集及处理，并实施控制、以达到保障供水、优化调度的智能化计算机应用系统。国外SCADA系统技术应用较早，水平也较高，系统功能强大，软硬件的智能化、标准化程度较高，设备稳定可靠，以DCS或PLC系统为基础，采用网络结构，配备调度决策系统，在供水调度系统中已基本取代人工调度方式。国内调度系统的应用始于80年代初期，采用数字式分散型远动设备，功能单一。80年代中期以后，随着计算机和通信技术的发展，以及国产设备性能、可靠性和国内软件开发水平的提高，国内多家供水企业开发了新一代分布式SCADA系统，但在实际应用中还存在许多问题，尚待改进。1t33SCADA系统存在的问题①系统功能不强，远未达到智能化目前国内供水企业的SCADA系统大多只能实现实时监测(遥测、遥信)，监测生产和管网状况，进行基本的数据处理、存储、显示、画曲线和汇成报表，只有少数具有数据统计分析、优化调度辅助、供水量预测以及最简单的遥控功能，而完善的SCADA系统功能应包括智能分析、调度决策、远程遥控，得出最优调度方案并付诸实施，涉及复杂的软硬件技术。缺乏行业技术人员参与软硬件开发研制，使系统不能融汇供水技术和运行经验，加上控制设备的稳定性和可靠性达不到要求，使得系统未能达到预期效果。②系统基础数据欠准确传感器仪表是系统配套使用的重要组成部分，国内大多数仪表厂家生产的产品基本可以满足行业需求，但较多的仪表质量不稳定，维护校验工作也跟不上，数据失准。加上远程传送质量的问题，造成掉数据，影响了系统性能。⑧系统不开放系统的软硬件供货商、生产厂家之间是封闭的、技术上互不开放，而供水企业之间又是地域性的，相互之间缺乏竞争和交流，推动系统技术规范化、标准化的市场并未形成。系统不开放，通信协议、设备接口不标准等，使得用户不能随意自己选购设备，作出比较，提高系统性能，这些都制约了系统技术的发展。各企业使用的设备有国产的、进口的，规格标准都不尽相同，而SCADA系统又很多都是在现 西安建筑科技大学硕士学位论文有设备基础L开发的，实际应用过程中有很多困难，使系统难以发挥最佳效用。④应用水平不高行业内对供水调度系统应用并无统一标准，加上各企业都是依据自身实际开发系统，规模不同、生产工艺不同、机构职自＆不同造成了系统功能划定不同，使用人员要求不同。不利于专业人员的交流、培养，提高专业素质，限制了使用人员发现问题，完善改进系统功能。各企业对系统的重视和投入不同，配合系统制定相应的管理制度不同，并未就如何发挥系统功能形成一个统一的标准，也是造成应用水平不高的原因。系统的改进是要用户和开发商共同努力、相互配合的，应用水平不高使得开发商难以得到好的反馈意见。1．3．4SCADA系统在供水行业的应用近年来，SCADA系统在供水彳亍业的应用虽然受到种种因素的影响、制约，但发展还是比较快的，特别是软件技术方面比较突出，表现在：①增强了数据分析能力，有辅助决策功能。已经有个别企业引进国外综合软件系统或与国内有关科研部门合作开发调度决策分析系统，使系统向智能化方向发展。虽然功能还未能得到很好的发挥，还需要时间的实践和检验，但与早期的只能提供实时信息相比已经有了很大的发展。②采用了开放式网络体系结构，数据共享、多系统配合、图形技术和多媒体技术的应用增强了系统功能。③系统更具开放性和扩充性，一级端站和软件可灵活组态。有的系统已经分了几级调度，子站下属还有分子站。DCS系统和PLC系统的使用更使维护方便、扩充容易、可靠性更高。软件模块化、按国际标准编写，用户不需改动源程序，按功能设计就可灵活修改界面、图形、表格、数据文件，生成适合自己的系统软件。④远程通信技术灵活多样、可靠。系统的远程通信主要还是用无线数传电台构成专用通信网，但有线阿通讯技术技术的研究也有突破性的进展，特别是INTERNET的发展使有线网的应用向更深层次发展，可利用率更高，有较好的发展前景。由于电台设备的更新和传输协议中数据传输检错、纠错能力的提高，无线通信也更加可靠和更高效。 西安建筑科技大学硕士学位论义1．4研究方法从水力学角度看，管网的爆管可看作一个突然增大的出流量，该流量的突然发牛必然引起管网运行状态的变化，使得节点水压、管段流量、管段水头损失等一系歹0管网状态变量改变。反过来，如果连续不断地监测管网的状态变量参数，实时掌握管网运行状态，了解节点流量、节点水压、管段流量、管段水头损失等运行变量，分析运行状态的动态变化过程，就有可能发现其中反常的状态变化，侦察出爆管的发生，找出爆管区域或爆管点，缩短爆管反应时间。管网状态监测的变量有节点水压、管段流量、水源供水流量等，管网监测数据可通过有线或无线实时传送到控制室供分析使用。但由于投资和管理费用的关系，监测点不能太多，因此，应合理地布置监测点位置，利用有限的监测点，尽可能获得较全面、客观的管网运行信息。本研究拟对管网监测点进行优化布置，以便更好地为管网捡漏检爆服务。监测点实测数据占管网运行状态变量的比例很小，要从少量的数据分析管网运行状态及其变化，并找出爆管点是很困难的。因此，希望先利用监测点数据推知整个管网的运行状态，即管网的状态模拟，再从模拟的结果中分析寻找爆管点。本研究拟采用状态估计方法模拟管网的运行状态。该方法利用少量从SCADA系统传回的实测节点水压或管段流量、各水源供水量，以及管网硬件参数(管长、管径)，估计出管网所有节点流量、管段流量、管段水头损失，从而模拟出全面的管网运行状态。这一模拟过程尽管不是一个精确模拟，但在监测数据达到一定比例的条件下，模拟能够达到一定的精度。利用多个连续的管网运行状态模拟结果，对节点水压、管段水头损失等的变化特性进行分析，找出可能的突然出流量点，再根据该点以往的用水特点，判断该点是否是爆管点。1．5研究内蜜本文的研究目的是利用从SCADA传输回的管网监测数据和管网的已知信息，对管网进行状态估计和分析，从而获得管网中爆管发生时的管段和流量。(1)管网的检漏检爆在已知管网测压点压力和水厂供水信息的情况下，对管网进行状态估计，针对前后两次的管网信息变化，用模糊方法判断出可能的事故发生点。 西安建筑科技大学硕E学位论文(2)系统集成和可视化众多的管网计算和估计的程序在进行计算时，需要准备大最基本信息，且需要按一定的格式和一定的规律输入，增加了错误的可能。同时不易察错。通过将各种程序集成和可视化，提高了程序的应用方便性，同时为厉继的工作提供了方便的软件资源。 西安建筑科技大学硕士学位论文2管网运行状态监测管网中的测压点应分布均匀且具有代表性，并能反应整个管网供水压力的全貌。当出现管网压力分布不合理时，能及时调度各水厂的供水量和扬程，经济有效地调整供水压力分布。也只有这样布置的测压点，才有助于提高管网调度的业务质量，使管网压力能够适应用户的需要，不致压力过高或过低，造成供水量不足或浪费供水电耗。城市管网中的控测点应设测压点。所测压力通常是用水高峰时水量调度的重要指标，累积这些数据又是给水系统改造和扩建的必需资料。2．1监测方法和注意事项国内常用的测压方式可归纳为三种。第一种是将自动水压记录仪设在测压点上，连续记录该测点的水压，每天定时调换水压记录纸，根据各测压点的连续水压记录，整理统计出全市的水压分布情况。第二种是将测压点的水压用有线或无线的方式及时和连续地传至调度中心，作为水量调度和机泵开停的主要参考依据。以上两种测压方式多用在永久性测点上。大、中型自来水公司基本上都采用第二种方式且采用微机调控。第三种是人工量测的方式。工人用压力表在规定时间内测定指定的消火栓内的瞬时水压，有时也可测定用户水龙头上的水压作为该点附近的水压参考资料。人工量测水压时，必须注意将消火栓内空气排尽。在量测时消火栓的支管上无用水或很少用水，压力表与消火栓的连接处不漏水，同时应注意压力表的压力单位、量程和精度级数，及时记录下量测者姓名、压力表编号、量测时间和地点等情况，以备查询。2．2监测点布置管网测压的目的是：利用有限的水压信息进行管网的状态估计，以获得管网全面的水压信息及管网的结构参数，为管网的改建提供基础资料，为管网的运行管理提供依据：利用有限的水压信息建立管网优化调度宏观模型，进行管网的优化调度；管网实测水压可以积累资料，校验管网微观分析的计算结果，合理进行管网的改造16 匿安建筑科技大学硕士学位论文和扩建。测压点为分临时测压点和永久测压点，l}每时测压点是在某一特殊时段布设的测压点，其设备简单、投资少，使用时间短，数据由现场人员记录：永久测压点是长期安装在管网中的连续测压装置，并带有连续自动记录仪或无线、有线数据传输装置，其投资较大，运行费用高。科学合理的测压点包括科学的测压点位置和合理的测压点数量两方面含义，这样的测压点既能较全面准确地反映管网的运行状态，又不至于投资过多。2．2．1经验布置方法基于以下目的，各水司都在管网系统中按经验布置了一部分的测压点：(1)掌握管网正常工作时的压力分布情况，管网的压力分布状况，是现有管网系统工作状况的反映，也影响管网漏失量；同时必须保证管网的服务水头。因此，各水司都迫切需要了解管网系统正常工作时的压力分布。(2)了解管网中的异常事故以及造成的后果，管网监测点的异常变化，都有可能是警网异常事故发生的征挑，通过观察监测点信息，可以推断事故发生情况。同时，可以了解非正常供水时的压力分布情况以及由此造成的影响。(3)获得管网工况的监测量，应用于管网的状态估计，管网模型建立后，水力模拟计算已经在给水管网的日常运行管理中得到应用，然而节点压力和管段流量可能与实际情况有差异；作为仪表监测值的节点压力、管段流量等虽有一定误差，但可靠得多。如何将这些监测数据应用予模型，把水力模拟计算与误差分析结合起来提供估计值的质量评判是布置监测点的目的之一。(4)测压点是辅助经验调度的需要，更是实现优化调度的需要。实现计算机模拟给水管网在线优化调度，首先应及时地为模型提供必要的运行状态数据。(5)测压点是漏失量控制的需要，如何有效地控制漏失量是各水司迫切需要解决的问题，利用测压点能有效地控制漏失量。但是，单纯的经验，很难使测压点的布置达到科学合理。经验布点主要遵循以下几个方面的原则：①测压点均布整个管网，测压点应代表整个管网的压力分布情况。②在大管径干管交点处，这些点基本控制整个管网的工作状况。⑨在控制点处应设测压点装置，因为控制点的水压是管网调度的重要指标；④在供水分界线附近设置测压点，以便反映供水分界线的移动，为合理调整供水分区提供依据；⑤结合模型校核时的实际情况，对压力变化比较敏感的节点布置测压点，以便考虑不同工况；7 ——西安建筑科技大学硕士学位论文!!鼍=苎罡!!!!!詈詈鼍詈鼍!!!曼曼基曼曾!!鼍!皇葛曼鼍舞曼鼍曼岂詈!!曼量!。!!烹!曼!岂!!。⑥为考察管网能力和校核管网微观分析结果，通过理论计算，在管网其它位置设置测压点，以便这些测压点反映整个管网的压力状况。2．2．2优化布置方法对管网的已知状态进行分析，得到影响系数，并对其用模糊聚类法对起进行节点聚类分组，对分析所得到的组内节点进行计算，得到两节点的相似关系。从而得到最优测压点。并对不同状态进行分析，得最有代表性的点。2．2．2．1影响系数的概念及求解一个确定的管网，在工作水泵高位水池高度、节点流量确定的情况下，具有确定的运行工况。由于外界因素的影响，会引起管网运行工况的变化。运行工况的变化主要表现在节点承压的变化，而最敏感的外界变化因素是节点流量。高管网有JD节点，在．i}节点外产生了△姨的节点流量变化值，则全管网节点水压都会受到大小不管的影响值△日，其中被考察点i的水压变化时为删，，后节点自身的水压变化最大，为△以。由于△也与△g的变化同步，由此选用硝。／△日。表示七节点流量变化对i节点水压的影响。其物理意义是：由于_i}节点流量变化，在七节点处产生单位水水压变化时水压变化值，记为如=A日，，△圾。对勰。和△域取微分得：‰：訾时吐23，⋯．．JD)施2面“乒刮一，，⋯‘’称z。为^节点对i节点的影响系数。2．2．2．2利用模糊聚类法进行节点分组(2—1)托个被考察对象一，，一。，⋯，An同时受到州个因素B，，马，⋯，曰。的影响，第个考察对象受到任一影响的程度可以量化，这样每个被考察的对象就会有一组历个这样的量化参数。为了评判任意两个被考察对象的囊，爿．的相似程度，需要比较它们对应的两组表示影响的量化参数，通过综合评判计算出表示它们相似程度的系数t．。根据所有被考察对象相似程度的大小，将具有相似性的对象划分为一组，这样可将被分类对像分为若干组。这一方法为模糊聚类方法。①X的标准化为了计算两两节点的相似程度系数％，需将工标准化，以便分析比较。采用 西安建筑科技大学硕士学位论文标准差标准化的方法，将所有的X的标准化矩阵Ⅳ。。②计算模糊相似矩阵采用欧氏距离法计算分析两两节点的相似关系。计算方法如下：丽(f，J=1,2，⋯，Jo)(2—2)‘．～i节点与f节点的欧氏距离。用距离的概念反映了i、-，节点的亲疏程度，矗越小，说明f、J的欧氏距离越近，两节点水压波动的程度也就越相似。足为对称矩阵，且主对角线元素为零，其余元素0