城市供水管网漏失智能分析定位技术研究 108页

' Classifiedindex：I必垫LL—UDC：——DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONINTELLIGENTLEAKAGEANALYSISANDPoSITIoNINGTECHNoLOGY0FURBANWATERSUPPLYNETWoRKCandidate：ShengZebinSupervisor：ProfLvMouAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngmeefingSpecialt)：MunicipalEngineeringDateofOralExamination：June2012University．：QingdaoTechnologicalUniversity 硕士学位论文城市供水管网漏失智能分析定位技术研究学位论文答辩日期：!Q12生竖目指导撕释迄匪答辩委员会成员签字： 青岛理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究__=作及取得的研宄成果。尽我所知，陈了文中特别加咀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．也不包含为获得青岛理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：醚日期：业青岛理工大学学位论文使用授权声明青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、CDMD和DMD有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制于段保存论文。术人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外允许论文被查词和借阅．可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权青岛理工大学研究生处办理⋯签名越新签名蹲期：业 i岛理工x字二字碗：学位论i摘要Abs们cl目录IJJ第1章绪论11I课题背景和研究意义1i2国内外研究现状及发展动态313研究内容和研究目标⋯6131研究内容613．2研究目标814研究方案及可行性分析⋯8141研究方案8142技术路线915论文创新点及主要成果9第2蠢管道漏失成因分析及状态模拟⋯112I漏失成圜分析112．2水流模拟装置及实验方案设计．1222】水流模拟实验装置122．22土壤介质的选择132．23实验方案1423水流模拟实验结果分析152．3I±壤A、B渗透系数⋯⋯⋯152．32不同孔径无覆土孔口出流对比172,33孔口m-2cm时覆土壤A与无覆土出流对比192．34孔口女-2cm时覆土壤A与土壤B出流对比212．35孔口女=lcm时覆土壤B与无覆土出流对比⋯232．36孔口m=2em时覆土壤B与无覆土出流对比252．37孔口覆土壤B时十=lcm与十=2cm出流对比．．272．4本章小结29第3蕈基于漏失量变化的供水管网压力变化特性研究3】3I供水管嘲仿真模拟实验一r台31311供水管网仿真模拟实验平台开发的背景312仿真模拟实验平台的组成3232仿真管网水力建模34 毒岛月工z学I{Ⅲ：学位论i3．21微观模型简介343,22基于EPA水力建模353．3基于模型需要的压力监测点优化布置3631管网压力监测点的优化布置3732给定删点位置时测点所示区域的确定383．33给定测点所示区域时测点位置的确定393．34测点数给定时初始测点的确定403．35给定测点数时测点的优化布置403,36给定精度时测点的优化布置423．4多工况模型校核433．5管网漏失模拟与分析“351单点漏失分析443．52两点漏失分析463．6本章小结47第4章基于遗传算法的反问题漏失定位研究494】水力瞬变流反问题分析方法494l1管道瞬变流数学模型49412系统辩识反问趔504】3水力瞬变反问题分析504．2基于智能寻优的反问题漏失定位模型构建5】4．3智能化遗传算法524．3l遗传算法的基本原理524．32遗传算法的基本实现技术544．33约束条件的处理574_反问题铺失定位智能优化实践结果5845本章小结63第5章基于MATLAB-BP阿络的管网漏失状态判别与定位研究6451神经网络基本理论64s11神经觏络的基本概念645l2BP神经网络665．2宴验方案及神经网绍各部分参数确定745．21实验方案745．22神经嘲络各部分参数确定745．3基于MATLAB-BP神经网络的管网漏失研究765．31神经网络的训练及输出775．4本章小结79 弯BⅢIz#I字∞=字t诧i结论与展望参考文献攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作致谢 肆岛ⅢI女学工李碗=学位诧定摘要漏失是供水行业普遍存在的现象．世界各国都把供水管网的漏失控制作为一项重要课题来研究。而要想从根本上解决漏失问题．应对漏失原幽及漏失机理进行分析，研究、开发有效的漏失定位及管理控制技术．从而为提出科学台理的具有针对性的漏失控制措施提供重要依据。本文针对目前供水管网漏失定位分析与控制管理等技术研究过程中存在的问题．展开丁城市供水管阿龋失成因分析与仿真模拟试验、基于漏失量变化的供水管网压力变化特性分析、基于遗传算法的管网漏失点定位与漏夫量优化反问题计算、基于BP神经网络的供水管网漏失状态判别与谓失点定位等方面的研究，使得城市供水管网漏失智能分析定位技术能够更好的应用于实践中。目前大多对管道漏失量与压力关系的研究，都以传统的孔口出流计算公式为基础，并末考忠实际管道漏失过程中外界环境的影响，存在一定的局限性。本文对管道漏失时孔口及管道外土壤对水流的协同作用进行了研究，针对两种围票的影响因子比重进行分类，研究不同类型状态F管道漏失量和管道水头的函数关系．建立了相应的分析模型。为进⋯步研究管网漏失工况下的压力变化特性．建立了供水管网仿真模拟实验平台．并采用EPANET实现了该平台的微观仿真建模：根据漏失水量及管同压力变化的实时监删数据，开展了基于漏失壁变化的供水管网压力变化特性仿真试验．掌握了供水管网在单点漏失及多点漏失工况下的节点压力变化规律，为供水管网漏失点定位技术的实现提供了重要的理论依据。通过上述研究．采用所建立的微观仿真模型，以漏失点所在管硎中的位置厦漏失点相应的漏失水量为变量，以漏失发生时管网压力监测点的监测值与模拟值的差值最小为目标，建立了基于遗传算法的供水管嘲反问题漏失定位模型：通过三种漏失工况下的漏失定位优化试验，验证了所构建的漏失定位方法的台理性和有效性。为进一步提高供水管网反问题漏失定位模型的精度，在管网压力在线监测数据的基础上，通过对漏失工况模型进行灵敏度分析研究，提山了精确性和实用性 胥岛口Ix孛=孛∞I学位论立更高的基于BP神经网络的供水管网漏失状态判别及漏失点定位技术；并结台试验研究对优化计算结果加以验证，为实现及时、快速的诊断管网漏失、爆管等故障位置，有效的减少管网漏失水晕提供了有力的技术支持。关键词供水管网：覆土fLu出流：漏失状态判别：反问题分析：漏失点定位寻优 青马瑶Iz字二学磺=掌t论XAbstractNetworkleakageisacomInonphenomenoninthewatersupplyinduslryAllcountriesintheworldregardtheleakagecontrolofthewateFsupplynetworkasallimportantsubject10studyInordertoresolvetheproblemradicallythereasonandmechanismofthenetworkleakageshouldbeanalysisedandeffectivetechnologytocutandcontroltheleakageshouldberesearchedanddevelopedsoasIoprovideimportantbasisforpultthgforwardscientificandreasonablemeathodsofleakagecontrolAccordingtothepresentproblemintheresearchonleakagelocationanalysisandcontrolmanagememofwatersupplyoe“vorktheresearchesarecarriedoutmthisarticleasfollows：causeanalysisandsimulationexperimemofurbanwalersupplynetworkleakagepressurevariationcharacteristicsanalysisbasedonleakagevolumechange，inversecalculationofleakagelocatinnandoptimizationbasedongeneticalgorithm．andleakagestaleidentificationandlocationofwatersupplynetak／orkbas酣ontheBPneuralnetworkBasedon山eaboveresearchesthehitelligentleakageanalysisandpositioningtechnologyCallbeappliedinpracticeperfectlyMostofthestudiesontherelationshipbe“veenleakageandpressureofwatersupplynetworkarebasedonthetraditionalorificeflowcalculationformula，inwhichtheinfluenceofexternalenvironmentintheactualleakagehasnotbeentakenintoaccountThereforetherearelimitationsinClllTenIresearchThispaperstudiesonthesynergisticeffectofthesoiloutsideoftheorificeandpipeonleakageThroughclassifyingtheproponionofthe1woinfluencingfactors，thefunctionalrelationshipsbetweennetworkleakageandpipeheadunderdifferentstatesarestudied．andtheanalysismodelisbuiltcorrespondinglyThesimulationexperimentalplatformofwatcrsupplynetworkisestablishedFurdaermoremepressurevariationcharacteristicunderleakageslateinwatersupplynetworkisstudiedThehydraulicsimulationmodeloftheplatformisbuiltbyn【 i目Ⅷ一z{一字∞=字Ⅲ*xEPANETAccordingtothereal-timemonitoringdataofnetworkleakageandpressurethesimulationexperimentsofthepressurevariarioncharacteristicinwatersupplynetworkaredonebasedontheleakagevolumechange、inordertomasterthepressurevariationlawinwatersupplynetworkundertheconditionofoneormoreleakagepoints，andprovideimportanttheoreticalbasisfortheimplementationofwmersupplynetworklocationleehnologyBasedontheresearchesaboveusingthehydraulicsimulationmodelthewlltersupplynetworkinverseproblemmodelofleakagelocationissetupbasedonthegenetic出goritimawhichtakestheleakagelocationandvolumeinthenetwork85thevariables，andtakestheminimumdifferencebetweenmoimormgemdsimulationvaluesofthepressuremonitoringpointsastheobjectiveTherationalityandeffectivenessoftheleakagelocationmethodaJ_everifiedthoughexperimentsunderthreeleakageconditionsInordertoimprovetheprecisionoftheinverseproblemleakagelocmionmodeltheleakagestateidentificationandlocationtechnologyofwatersupplynetworkisputfonvardbasedontheBPneuralnetworkThroughthesensitivityanalysisoftheleakagemodel．theaccuracyandpracticabilityofthetechnology&reimprovedonthebasisofon—linemonitoringdataInaddition，theoptimizationresultsareverifiedbymeansofexperimenlsTheresearchesaboveprovidestrongtechnicalsupportfordiagnosingleakageortubeexplosiontimelyandreducingtheleakagevolumeeffectivelyinwatersupplynetworkKeywords：Watersupplynetwork：Orificeoutfiowcoveringsoil；Leakagestalediscrimination：Inversetransientanalysis：Leakagelocationoptimizmmn 胃‰ⅢIx孝I学礞I学＆论i第1章绪论1．1课题背景和研究意义水是人类生存的基础和城市的血脉，地球上淡水资源非常有限，真正可供人类使甩、易于取到的淡水仅占地球水资源的O26％。并且水资源分布很不均衡，1977年3月联台国用永会议曾发出警告说：“水不久将成为一个深刻的社会危机．石油危机之后的下一个危机便是水”。我国人均占有水资源量仅2340m1，约为世界人均占有量的1H，近年来．全国水污染仍呈发展趋势，工业发达地区水域污染尤为严重”1。目前我国的水资源状况迫切需要全面节水的意识。缺水问题己成为我国城市开发建设的中心问题和经济发展的制约因素，并且关系到社会的稳定。加强科学管理，优化资源配置，调整产业结构，依靠科技进步合理用水己十分迫切。其中供水行业中供水管网的漏失问题亟待解决。城市供水管网是城币供水的重要基础设施．在保障人民生活和经济建设中发挥着重要的作用．对城市发展具有全局性和先导性的影响，我国从1881年在旅顺铺设第一根供水管道至夸己有百余年的历史，在九百六十万平方公里的土地上，仅城市就敷设了20多万公里的供水管线。近十几年来，尽管根据城市发展需要改扩和新建了许多供水管阿．更换了大量的老化管线，但仍有为数极多的应该退役的管线在运行。由于供水设施陈旧、技术水平提高缓慢等诸多问题·使我国城市供水漏失现象相当严重．管网单位管长单位时间的漏失量平均达到：2865m3／f陆h1，而日本为O62na3／(hnh)．丹麦主要城市平均为0245m3吖bh)日本的漏失调查专家高桥键一认为，中国现在管网漏失情况相当于日本20世纪70年代的水平。日本供水行业不断完善漏失控制技术．在漏失控制方面进行了卓有成效的工作．有效供水率逐年提高，南1975年的811％提高到1995年的903％吐供水系统的漏夫分为帐面漏失和物理漏失。帐面漏失是指由于用户水表计量不准确，收费或财务上的错误，未经授权的非法用水等给水公司带来经济上损失的部分水量，选部分漏失主要是因为管理等方面因素造成的， 5BⅢIz掌I#顿I学《镕i物理墉失是指通过系统输配水管网及城市蓄水设备渗漏、流失及溢流到外界的部分水量，本文研究的就是返部分蒲失控制、削减问题(以下“物理漏失”简称：“漏失’)，漏失能够造成宝贵水资源的严重浪费，直接影响供水企业的经济教益：而且能危害城市安全，造成道路、地基下沉，甚至影响建筑物的质量和置全另外它还是影响供水水质．造成水质污染，危害群众健康的重要因素。随着水赍源不足的日益严重、制水成本的不断提高和能源紧张，城市供水管网漏失及其控制问题己成为供水行业的一项重要课题。它已成为整个供水事业一个重要组成部分。英国水研究中心(wRcl专门靛表报告，论述漏失控制工作的内容、方法和对策，美国供水协会(AWWA)在1976年成立了漏失检测和水计量委员会(LDWAC)，并于t997年指出应将来计量水率降低至10％以下；日本水遒协会(JWWA)专门对漏失控制进行了研究，日本健康及福利部(MinistryofHealthandWeffare)相当关注日本的供水事业，并丁t976年发出一十行政指示，每个供水公司均应在晟短时间内．将有效供水率提高至90％以上；并在20世纪90年代实现了这目标．目前正在向更高目标币懈的努力。随着市场经济的建立和完善供水行业的垄断局面逐步被打破。经营资本结构发生变化，外资渗入、供水企业多元化经营水商品的格局逐步形成。这些变化促使供水血世在考虑社会效盏的同刚更注重经济效益。目前各水司对更新设备降低成本、节能增效等方面颇为重视，但对加强漏失控制却重视不够。有效、合理及科学地控制、削减管网漏失，首先在节水方面具有举足轻重的意义，比如象郑州这样的缺水城市，200多万人口，曰供水量仅为87万立方米，但目前管网老化加剧，漏失翠日益增加。到2000年，每天所塥失的水接近10万立方米。相当于一个中型水厂的日供水生产量。而南方城市，漏失率则更高．几乎都超过了20％。据湖南省供水企业协会统计，全省城镇供水管网漏失率平均达26％以上．长沙市供水管网一天漏失达15万吨。这些漏失的水可以满足一个35万人口的城市供水，可谓触目惊心。另外加强漏失控制对提高管网水质、避免二次污染、为饮用水提供水质安全保障、延缓给水工程建设投资等都具有显著效果．瞩失是供水行业普遍存在的现象．供水管同漏失问题应是标本兼治，并以治本为目标t而要想从根本上解硖漏失问题．应从漏失原因上和漏失机理上进行分 膏岛理工x掌=李砸=学t培立析．研究、开发有敬的削减、控制管理技术．从而为提出科学台理的漏失控制并采取针对性措施提供依据。1．2国内外研究现状及发展动态世界各国都把供水行业的漏失控制作为项重要课胚来研究，它己成为整个供水事业的一个重要组成部分。同际供水仂会召开的每届国际会议E都把漏失问题列为一个重要的专题：发选国家非常重视有关漏失的研究工作，根早开展了漏失检测技术及设备的研究、开发工作．并成立了相关学术研究机构。供水管网漏失控制的一个重要方式是有效检漏，主要有被动检漏法、机载红外线法、封入气体压力检测法、音听检漏法、相关分析检漏法、区域检漏法、雷达检漏法、氢气捡漏法、新型负压波检漏技术等等。目前音听法是确定漏失地点的最有效手段。随着新技术的开发．微电子技术发展和器件成本的降低，仪器装备成本也会r降。但是，由于音听法的测试范围小+所以要全面检查一个区。需要时间较长．人工费用昂贵。负压波法是近儿年来国际上颇受重视的管道漏失检测方法，它利用管道突然漏失时．会引发在流体中传播的瞬态负压波，通过捕捉负压渡到上、下游的时间差来定位。基于负压波的传播理泛，提出了两种定位方法：第一．设计了一种能够快速捕捉负压波前峰到达压力监测点的波形特征点的微分算法，并基于此种算法进行漏失点定位：第二．将极性相关引八漏失点定位技术．通过确定相关函数峰值点的方法，进行漏失点定位。这两种定位方法是对漏失时的压力时间序列分别从微分和积分，从瞬态和稳态两方面进行处理一提取特征值，这两种方法配合使用，相互参照．能够提高漏失点定位的准确度””1。检漏需要较多的人力物力资源，检漏周期存在经济长度的问题·而且仅仅依靠检测漏失点所获得的数据和对数据进行分析．还不能准确合理地于面测管网的漏失程度和漏失风险．因此，国内外越来越多地针对漏失模型展开深入研究，从被动处理向主动控制发展，对此世界各国进行了大量研究．并结合各国特点进行了漏失理论及控制机理的探讨．Walski建立了供水管道漏失随管道使用年限变化的回归预测微观模型㈣．Enrique等建立了供水管网漏失随管网使用年限变化的回归预测宏观模型。但是由于管道使用年限只是漏失影响因素之一””t因此漏失与管道使用年限之间并不总是存在着必然的芙系㈣，JanHS利用虚拟变形模型t i岛aIx字二字硫i学n论文在一定假设条件下建立了供水管网漏失模拟理论模型【171，但由于边界条件苛刻，计算难度大，还只是处在理论撵讨阶段．由于供水管网的复杂性，在许多情况下对漏失与其众多影响因素之间的关系进行量化分析，是十分困难的。近些年，幽外在漏失管理策略上进行7Tr多有益的探索m”】．并利用GIS基础．通过在线与离线数据的结合应用．进行了漏失控制与管理的尝试，取得了一定成果口01．但由于投入很大，需要大量基础工作，较难实现。AOLambert等对漏失的影响田素进行了系统的分析，探讨了漏失控制的经济性问题，为实现经济可行的漏失挣制策略进行了有意的探索Ⅲl；对供水管阿漏失控制的方法目前主要分：f1)通过供水管网，设施的改造、惟护和抢修等．应急或定期更换损坏的管道，控制管网的漏失量，这是降低管阿漏失的重要措施，中国城镇供水协会主编的城市供水管嘲漏失控制及评定标准中对城市供水管网的改造工作做了规定；(2)通过供水管网压力控制减少漏失。由于漏失水量与压力呈指数关系，园此可以通过调整管阿整体或局部区域压力来降低谝失水量。管同压力控制不仅可以降低漏失水量，还可以减少新发生漏失及爆管的概率，实现安全供水。由于大多数供水管阿没有实施压力控制措施，园此通过压力控制来降低漏失具有广阔的前景=有关研究表明，通过优化控制供水管网的供压，减压装置的位置和开启度等能够大大降低供水管网的漏失，是一种经挤可行的漏失控制方法。随着将供水管网划分为若干个压力管理区域(PressureManagemenlArea)井设置更多的压力和流量监测点，以及为若干个压力管理区域安置更多的匝力和流量监测点坟匪力控制阀门．可为实现压力优化控制创造良好的条件，PaulWJowitl阐述了通过设置流量控制阀以减少谝失的算法．建立了阀门控制的优化模型．调整阀门开启度以最大限度的降低管网漏失水量田1。ChangChaoxu等提出阀门和变速泵的在线优化控制模型，虬降低漏失和提高供水安全性删。L．FRReis等利用遗传算法优化管网中控制阀门的位置[24】。但由于供水管同的复杂性及监测数据的误差及不确定性因素等，使模型的精度和适用性受到很大限制。另外，很多文献也对供水管网中控制阀门的设置以及阀门的管理方寰进行7W,讨，以期降低管啊瞩失量。 j目ⅡIx{I{*={m话R以供水管同水力计算模型为基础，分析供水压力与漏失量的关系发现，通过在线监测数据的统计分析．不仅可以进行压力控制．达到减少漏失的目的．还可以通过模拟计算．监测并定位漏失量和墉失位置．达到漏失控制和维扩管理的目的，园此越来越受到人们的广泛关注。国外学者对此进行了一些有益的尝试[2””。2002年Thornton通过理论分析和试验模拟．提出压力控制不仅可以减少漏失量而且还能减少新的漏失口”。将供水管网分R域管理可以有敬地提高供水系统管理水平和经济效益，有效地控制漏失．实现供水系统管理的科学化和现代化。区域划分的规模确定应从水压平衡、适应己敷设管道的能力、便于漏失检查等方面考虑；区域边界的确定应考虑现有水厂的供水能力、用户用水类型、地形和地面标高、压力分界线等．并通过水力模拟计算确定口q，将管同区域化管理，尽量使漏失检查区域与分区管理区域保持一致+可以更好地控制管网漏失。以前的研究大多基于确定性水力模型进行分析的[蜘．但实际运行的供水管阿，往往运行数据不能保障全部的精确性，且还存在监测数据的遗失等，因此目前还只是在实验室的理想状态下直用。90年代起．八们开始逐步尝试采用人工智能知识进行供水系统的分析．通过建立学习模型，识别实时供水系统状态及异常状态口”并在简荦的供水管阿中进行了一些尝试，但对于不确定性数据等问题仍然难以处理。我国在供水管网漏失方面的研究起步较晚，通过对管网漏失的原因和机理进{j研究和分析，赵洪宾等㈣根据实际供水管网的漏失数据，建立了供水管网漏失预测的线性指数平滑模型和二次曲线平滑模型．张宏伟等应用多元线性回归分析理论，对供水管道投^使用后产生漏失的初始时间进行了预测．建立了供水管道漏失预测模型删。近几年同内部分城市开始配备一定数量的管网检漏设备．加大了管线的检测力度．变被动检漏为主动检漏，对提高供水效率取得了一定的效果。随着我国对安全问题的日益关注．科技部门目前对于重大安全事故的研究日益增加，如对供水管网突发的重大漏失、爆管等事故的预警处理等展开了一些研究-然而时至今日我国对供水管网的漏失问题还驶少深入系统的研究，特别是对于漏失的机理、削减及控制管理几乎还处于空白状态，由于缺少技术支持-大多数供水企业漏失检测仍以被动检漏法为主．致使漏失控制处于较低的管理水平c 青岛№工^学I字碗±学位谑文1．3研究内容和研究目标本课题源于国家白然科学基金项目“基于智能分析的供水网络物理漏失变化建模及削减技术研究(50878108)”。1．3．1研究内容在收集国内外漏失统计资料、实际调查及试验资料的基础上，分析骺戍漏失的成心．研究其水量、水压变化规律，建立供水管道及营网漏失模拟模型。利用智能分析技术，探讨常规状态下，漏失定量定位的分析模型、计算手段及漏失状态判别=主要研究内容如下：1311管道漏失成园分析及状态模拟供水管网的瞩失和供水管线的材质、施工水平、年代、维护水平、管同的压力、流量、流速等有关，在供水管阿现状硬件条件己定的前提下．管网的漏失和管阿的压力水平及压力分布有着直接关系。目前大多对管道中漏失的研究．以孔口出流计算公式(Q。=z％。)为基础．采用以指数形式的经验公式表达．然后通过统计分析或经验方式确定指数值，由于实际供水管网中．管道埋于地下，漏失出流的水量不是直接与大气接触，而是进入土壤介质中，因此萁后的流动规律^应满足达西定律．即：Q=KA(=})．固此仅以孔口计算公式隶解具有很大局限L性．其误差将直接影响到研究模型的合理性和分析结果的准确性。所以，拟在大量统计分析的基础上，全面了解我国供水管阿中管线的工作状况，研究管道漏失时孔口大小及管道外土壤对水流的协同作用，针对这两种因素的影响困子比重进行分类t通过试验研究不同豢型状态下管道漏失量和管道水头的函数关系，并推求最优系数及指数。13l2供水管网漏失工况模拟及分析a)建立漏失工况模拟方程针对供水管阿系统的运行工况．以管同能量万程和质量方程为基础．通过计算机模拟其水量水压关系。由于供水管网漏失的存在．管网中真实的节点流量不能直接得到t利用1．3I】中的成果，叫知管道漏失量和用户节点用水量变化规 青岛aIz字I字确：学t论文律不同．因此需增加桶失量作为求解变量．由于未知量的增加，利用原来的基础方程无法求解：则可在供水管阿模型实验的基础上，利用管网中安装的在线监测设备．获取流量及水压实测值．并代八基础方程．以实捌值与计算值吻台程度最好为目标，建立忧化模型，通过优化技术求解漏失量度漏失点位。b1采用BP神经网络分析进行管网漏失状态判别在漏失工况模拟计算的基础上．针对漏失计算的模糊特性，拟采用神经网络进行漏失状态分析，因为根据实际情况的不确定性，模拟模型的讣算结果是一个可能的范围．而不是个确定值。刚进行漏失状态判别时拟采用BP神经网络分析．划定多级漏失等级，进行漏失状态模拟。通过试验数据及模拟计算训练神经网络系统，进而验证神经网络删漏的准确率．并校正。c1模拟试验利用现有实验基础．通过调节阀门的组合万式进行漏失模拟．检验漏失工况模拟的合理性。I3l3基于智能寻优的反问题漏失定位研究a1基于模型校核需要的压力监测点优化布置针对管网漏失定位的水压校核要求，为保证漏失变化及时有效地在压力监测点的观测值中反映出来．在管网水力模拟模型的基础上．通过灵敏度分析·寻找水头受漏失量影响最大的N个节点作为压力监测点。以期提高漏失定位计算的准确率b1基于节点漏失模型的漏失定位方法依据前面建立的管道漏失模拟模型及供水管网水力计算基础方程，拟通过将压力计算与监测点观测值的吻台度建立适应度函数，计算以节点漏失量为待求变量，构建供水管网漏失定位的反问题计算方法cc1反问题漏失定位智能优化实践在“供水管网仿真模拟实验平台”上进行试验．在管网节点激发低强度瞬变流动．测试盟测点的压力响应值．建立并校核管网水力仿真模型。以管网监测点的压力吻台度为目标．利用反问题计算方法．提出求解寻优模型，利用遗传算法 E3日I亢字二掌Ⅲ±学t*i进行决策变量编码，并结台漏失定位特点设计交叉算子，辨识系统的漏失定位．通过寻优计算验证方法的准确度，并进行模型校正：1．3．2研究目标1、通过研究漏失形成机理及流动过程．建立管道漏失苣水流模拟模型，并明确其适应条件及参数确定：2、提出供水管网谝失定位的反问题计算方法，建立可实现基于遗传算法的漏失定位寻优模型。3、以实验为基础，建立定量化漏失模拟数学模型及误差计算方法，构建基于BP神经网络分析的供水管网漏失状态判别方法：1．4研究方案及可行性分析1．4．1研究方案通过理论分析、计算仿真、实验模拟相结合的方法．针对研究对象的试验及模拟仿真．咀建模、模型校核，参数估计及优化为手段．以实现供水管网漏失控制为目标．展开如下工作：1、首先针对管道漏失点水流模拟分析，并变化试验条件(以改变土壤与孔口产生水头损失的比重)，统计分析并推求管道漏失点水流计算模型：并根据应用需要，进行模型变换，通过试验数据拟合，优化系数及指数。2、通过节点流量控制．模拟管网节点漏失动态水力特征，利目供水管网基础方程和供水管网中监测点的监测数据，以实测值与计算值吻台程度最好为日标．建立漏失工况计算方程。3、采用已建的供水管网试验模型，根据已有基础参数，优化确定可用压力监测点设置：控制各节点流量变化，试验激发低强度瞬变流．观察删压点的压力响应值t构建供水管网漏失定位的反问题计算方法，以管网监测点的匝力1奶台度为目标，采用遗传算法确定捐失点位置，通过改进遗传算法进行{兜策变量编码，并设计基于漏失定位寻优的特色交叉算子．保证计算方法的精确性。 青岛建工x学二享硕=学位诧X4、利用漏夫工况计算方程．根据监测点观测值误差范围，通过灵敏度分析进行求解变量的误差计算。以此为基础．根据供水管网试验模拟划分浦失等级建立基于BP神经网络的漏失状态判断模型；1．4．2技术路线固1—1技术路线图1．5论文创新点及主要成果1、改变了传统单纯依照孔口出流模式确定漏失公式的方法．根据实际管道埋设环境模拟．建立了适于管网漏失分析的管道漏失点水流计算方法：2、依据管道漏失模拟模型及压力监测点的优化布置t建立了与实际漏失工况具有更高吻合度且能对漏失事件及时反应的供水管网漏失定位反问题计算模型，通过针对性决策变量编码及交叉算子设计，构建了更科学合理的可实现遗传算法漏失定位寻优方法： 青岛ⅢIx学=掌硕i学t诧女3、在能量方程和质量方程的基础上．利用匝力监测点数据的校准作用采用优化技术建立漏失工况模型，并依据实际供水系统监测点数据的误差因素．对漏失工况模型进行灵敏度分析，建立了基于BP神经网络的漏失状态判断模型： 鼍岛Ⅲ工^孝二字硕=拳《诧i第2章管道漏失成因分析及状态模拟2．1漏失成因分析引起管网漏失的具体原因很多，例如管网内部压力分布不均、管道服役时问过长、地震等灾难性地质变化、外部荷载的突然变化等。管道服役时间过长在一些城市的老城区尤为严重．很多供水管网敷设时问在50年以上．管材质量差、长期超限运行、年久失修，老化严重，已经不能承受管冈的水压．造成爆管以及各种形式的鹎漏、略漏。营材是漏失的又一个重要影响因誊。现有供水管网中．灰口铸铁管占较大的比重．人多数城市达50％以上．个别城市甚至达90％以上：大多数安装时间较长的荻口铸铁管的质量已不符台国家规范的要求．灰口铸铁管抗压强度低，加之管网配件质量荤．接口技术落后，导致菅网抗腐蚀强度低：此外．材质茬、抗冲击和抗腐蚀能力差的普通水泥管和镀锌管也占有相当比例。因此．逐渐改造和取代低品质管材是控制漏失的有敬方式a地震等灾难性地质变化是造成管网大面的突发性破坏的另一原因。我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧业地震带之间．受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，中国地震活动频度高、强度大、震源浅．分布广，是一个震灾严重的国家。地震发生后+受到损坏的供水管网具有整体变形严重、修复困难等特点．供水管阿的清失和供水管线的材质、施工水平、年代、维护水平，管网的压力、流量、流速等有关，在供水管网现状硬件条件已定的前提下，管网的漏失和管网的压力水平及压力分布有若直接关系。目前大多对管道中漏失的研究-以孔口出流计算公式(Q．=舳孔4)为基础，采用以指数形式的经验公式表选·然后通过统计分析或经验方式确定指数值，由于实际供水管网中，管道埋于地下t漏失出流的水量不是直接与大气接触，而是进入土壤介质中，因此其后的流动规律 鼍岛理工K学二々∞I掌t诒女应满足达西定律．即：p：KA{生1’因此仅以孔口计算公式求解具有很大局限性．L其误差将直接影响到研究模型的合理性和分析结果的准确性：在对我国供水管网中管线的工作状况进行垒面了解及统计分析的基础上，本章对管道漏失时孔口大小及管道外土壤对水流的协同作用进行了研究，针对这两种因素的影响园子比重进行分类，通过试验研究不同类型状态下管道漏失量和管道水头的函数关系。2．2水流模拟装置及实验方案设计2．2．1水流模拟实验装置由于实际供水管网中-管道埋于地下．漏失出流的水量不是直接与大气接触而是进入土壤介质中，为了模拟地下水流流态．制作了如下图2-1所示实验装置——∞∞一———L}一～l镕I“I2w"2I譬一一§箱底平面jII‘■tⅢi■橘E"一z*5tF¨⋯t-；“：⋯“^)m’j帅■‘】00m㈣岫l㈨t“‘_#目^∞5女■■嗍^{■l、¨tlH目¨^t圈2-1地下水流模拟实验装置装置尺寸为2m+2m‘2m，底部为方格网装结构．箱体设置活动密封盖板，便于更换土壤介质，箱体两侧靠近底部各设置一个600+500ram的洞口，洞口设置活动密封盖板，便于取出土壤介质a装置进水管上设置I台在线的一体型电磁流 目＆月Ix字I字日：字Ⅲkx量计(型号·SE205MM)、一个在线的高精度扩散硅压力变送器【型号：PR一33X)．水游由实验室内“供水管网仿真模拟实验平台”的变频水泵提供，实验平台的在线数据采集系统同时采集流量计与压力变送器的同步数据。2．2．2土壤介质的选择该实验装置主要由钢板制作，具有一定的承压能力．通过在箱体内填充不同的土壤介质+摸拟城市道路下不同土壤的路基管道漏共时钟水流状态。水在土壤扎隙中的流动．是极不规则的迂回曲折运动．要详细考察每一孔隙中的流动状况是非常困难的．一般也无此必要。工程中斩关心的主要是宏观的平均效果。城市道路下压力管道发生漏失时漏失水量进^土壤介质中．其后的流动规律应满足达西定律．即：0，：崩(—hiJ，由于不同的土壤有不同的渗透系数K，渗透系数K是反映土壤透水性的一十综合指标，其值受多种因素的影响．例如土壤颗粒的大小、形状、均匀程度以及水的温度、地质构造等．渗透系数可用下述方法之一确定．1、经验公式估算。这些公式中往往包含着上述影响K值的园索，大多带有经验性．有其局限性．只能作为粗略估算刷。2、宴验室测定法。实验室中测定渗透系散的方法常用恒定水位注和变水位法．此法多用于测细颗粒土壤中较小的渗透系数值=3、现场测定注。此法虽不如实验室测定法简便易行．但却可使土壤结构保持鹰状，1：受取土样的干扰．因此所测出的渗透系数值更接近于真实值．多用于重要的大型工程．各类土壤的渗透系数的参考值，见表2-1= t岛ⅨIx掌I孝《=#t镕x表2-1土壤的渗透系数参考值．。湾运系数“md粘土<0005<6×IO。亚粘土0005～0l6x10．6～Ix104轻亚粘土00】～05Ix10-4～6×104黄土0．25～053xID4～6x10。糟砂0．5～1．06。10q～lx】0’纽砂1．0～501¨0-3～6x10。中砂5O～2006×】0_3～!×10。均质中砂35～504×】O．2～6×IO!m砂20～502⋯1026xlOo均质租砂60～757⋯102¨102圆砾50～1006x10．2～Ix101卵石100～5001x10-I一6xI一无填充物卵石500～10006⋯10l1，lO稍有裂缝岩石20～602×10-2～7¨0．2裂隙多得岩石>60孙10：为了研究地下管道漏失在不同土壤中的漏失状态．选用两种不同的土壤进行模拟实验．土壤编号分别为A、B。2．2．3实验方案为了能定量漏失孔口的面积，模拟地下管道漏失的孔口选用规则的圆形孔口．孔口直径分别为lcm、2cm。1、分别测出土壤A、土壤B的渗透系数： 鼍岛目I≯掌工学硕=学位诧i2、分别测出l锄、2cm孔径的孔口在无覆土条件下自由出流的流量与压力关系，通过调节加压水泵的工作频宰与阀门的开启度采变换出不同的运行工况，并通过数据采集系统分别记录不同工况下的管道的压力、流量数据；3、在装置中填充土壤A．为比较真实模拟地下压力管道漏失水流状态．将填充的土壤进行压实，模拟道路下压实的路基，测出三种不同工况下直径为2cm孔口漏失的流量与压力的数据；4，在装置中填充土壤B，同样将填充的十壤进行压实，分别测出三种不同工况下直径为lem、2em孔口漏失的流量与压力的数据。2．3水流模拟实验结果分析2．3．1土壤A、B渗透系数2．3lj渗透系数测定原理渗透系数在10。÷～1酽cm／s范围的，采用常水头方式测定：在104～109cm／s范围的．采用降水头方式测定。待测土质的土壤的渗透系数参考值见表2-】，根据查找经验值，最终确定：砂土采用常水头方式：粘土采用变水头法测定。测定原理：达西定律，表示液体在层流状况下，在多孔介质中单位流量与水力梯度的比例关系。常水头往：在整个试验过程中保持水头为一常数，从而水头差也为常数。如图2-2：试验时，在透明塑料筒中装填截面为A．长鏖为L的饱和试样．打开恒流泵．使水自上而下流经试样．并自出水口处排出。待水头差山和渗出流量Q稳定后．量洲经过一定时间1内流经试样的水量V，则k=viJ(2-1)式中旷断面平均流速，aA：k一漕透系数：J一两断面间水力坡腹，△hn： EEⅢIx±二字碗=!·j《1目≈生板柏FI扩图2-2常水头法圈2-3变水头法变水头法：试验过程中水头差一直随时间而变化．其装置如圈2-3。水从一报直立的带有刻度的玻璃管和U形管自下而上流经土样。试验时，将玻璃管充水至需要高度后，开动秒表．测记起始水头差△hl，经时间1后．再测记终了水头差△h2，通过建立瞬时达西定律，即可推出渗透系数k的表达式。耳=23(“／At)log(她，地)(2．2)式中：a一删压管横截面积：L一土柱长度：A一土柱横截面积：t一测压管液面高度变化所用时间：幽．一起始水头差；地一终了水头差。2．312渗透系数测定结果 青岛Ⅱ二^事!字Ⅲ：掌t论文2．3．2不同孔径无覆土孔口出流对比圈24表示的是孔径0=Icm、0=2cm的孔口在管网水泵50Hz调阀运行时无覆土情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比：图2-5表示的是孔径$-]cm、十=2cm的孔口在管网水泵40l-lz调阀运行时无覆土情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比：图2-6表示的是孔径十=Icm、十=2cm的孔口存管叫水泵50～25Hz变频运行工况时无覆土情况下出流流量与压力的拟台曲线对比．：468o●n17h’益鳇曲线圈2450Hz调阀运行孔口出流流量与压力拟台曲线 青岛RIx学I学《=事m诧女1qI：10：81=642舍曲墟——$。lcm拟台曲缠图2-540Hz调阀运行fL口出流流量与压力拟台曲线468(_『】Ⅳhi——十；2cm拟台曲线——十lcm封台曲缱图2650～25Hz变频运行≠L口出流流量与压力拟台曲线ph图2-4、图2-5、图2-6拟台曲线总结如下公式：Q=yAH4(2-3孔口孔径0=lcm时，A=314X104mz50Hz：旦=1156561AH““5二40Hz：O=1125350AH。””242．5专 E墨l!_字二字K=芋t诧X变频：9=1037197AH””2l2-6)2、孔口孔径$=2cm时50Hz：O=823057AH““6(2—7)40Hz：Q=806720AH⋯(2-8)变频：Q=872197A／／。””(2-9)由以上公式可知．无覆土情况下，各种孔径的出流流量与压力的关系基本符台g=FAH”的关系．在薄壁的条件下，这种对应关系不因孔口的孔径大小不同而改变二2．3．3孔口由=2era时疆土壤A与无覆土出流对比图2—7表示的是孔径d)-2cmtl勺孑Ltz在管网水泵50Hz调阀运行时覆士壤A与无覆土情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比；图2-5表示的是孔径÷-2cm的孔口在管同水泵40Hz调阀运行时程土壤A与尢覆土情况下的出流流量与压力的拟合曲线对比：图2-6表示的是孔径÷-2cm的孔口在管网水泵50～35Hz变频运行工况时覆土壤A与无覆土陪况下出流流量与压力的拟台曲线对比：‘6U1111。h图2-750Hz调阀运行孔口出流蒲量与压力拟台曲线 ☆B日二T掌二i《=掌￡谚Zi；8兰琶≥名‘：⋯∥譬=1答i1：专!参么l一覆笔魏鼗／‘／i8V。。紫／／图2-950～35Hz变频运行fL口出流流量与压力拟合曲线由图2-7、图2-8、图2-9拟合曲线总结如下公式孔口孔径十=2cm，A=314。10。m，无覆土时50Hz：Q=823057AH“2”40Hz：口=806720AHo跏o(2-7(2-8 青岛理Iz掌工学萌=掌垃培支2、覆土壤A时变频：O：872197AH““150Hz．O=346656AH。“8840Hz：0=462420AH。Ⅵ62．102．1l变频：0=36789BAHo蚴(2-12)由以上公式可知，孔口出流在无覆土自由出流与有覆土情况下，出流流量与压力的关系有明显的不同，城市供水管网管道发生漏失时，漏失的漏夫流量与压力不满足9=yAH”2的关系．与管道敷设的土壤环境有直接关系。2．3．4孔口由=2em时疆土壤A与土壤B出流对比图2-10表示的是孔径m=2cm(]"3-YL口在管网水泵50Hz调阀运行时覆土壤A与覆土壤B情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比圉2-1】表示的是孔径十=2cm的孔口在管嗣水泵40Hz调阀运行时覆土壤A与覆土壤B情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比：图2-12表示的是孔径m=2cm的孔口在管网水泵50425Hz变颉运行工况时覆土壤A与覆土壤B情况下出流流量与压力的拟台曲线对比。1614121018Z6d，‘台曲线——————坐!!土·一图2-1O50Hz调阍运行7LEl出流流量与压力拟台曲线 j墨ⅢI^字二掌∞=≠t*i图2-¨40Hz调阀运行fL口出流流I-5E2拟台曲线1s16143．2：10岳86420v=O271xI’“舍曲缱台曲续0246s1012uI]11h’图2-1250～35Hz变频运行孔口出流流量与压力拟合曲线由图2-10、图2-11、图2．12拟台曲线总结如下公式：孔口孔径÷=2cm，A=314x104m，覆土壤A时50Hz’Q：346656AH。“。‘2-10卫 i鸟Ⅲ二，字二i酿=￡￡论i2、覆土壤B时401-1z：Q-462420AH⋯“变频：0=367898AH“”350Hz：o=659777AHo5“’40HzO=6196I8AHo6：5。2-112-122-132一】4变频：0=6762IOAH”76’(2-15)由班上公式可知，孔口出流在覆土不同的隋况下出流流量与压力的羌系有明显的不同．供水管道周边的土壤对孔口的漏失有比较大得影响。2．3．5孔口由=lcnl时疆土壤B与无疆土出流对比图2一13表示的是孔径m-lcm的孔口在管网水泵50Hz调阀运行时覆土壤B与无覆土情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比：国2一14表示的是孔径m=lcm的孔口在管网水泵40Hz调阀运行时覆土壤B与无覆土情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比：图2-15表示的是孔径÷=lcm的孔口在管网水泵50～25Hz变频运行工况时覆土壤B与无覆土情况下出流流量与压力的丰虬合曲线对比：2015iZ10502I4ull¨】‘’图2-1350Hz调阀运行孔口出流流量与压力拟台曲线 青岛Ⅲ二x学二孝碾=学t论文．40HZJ-⋯J。。i1§ol23』5u一·业，图2-1550～35Hz变频运行孔口出流流量与压力拟台曲线由图2-13、图2-】4、图2-15拟台曲线总结如下公式孔口孔径m=lcm，A=314x10。m’时覆土壤B50Hz：Q=849809AH。“”40Hz：坌=860764AH。加’2．】6 鼍岛厝工x掌二学礤=学＆堙支变频：g=867643AH。⋯t2—18)2、不覆土50Hz：p=1156561AH⋯2(2-4)40Hz：Q=1125350AH⋯(2-5)变频：p=1037197AH””2(2-6)由以上盆式可知，可得出与2．33节同样的结论。2．3．6孔口垂=2era时疆土壤B与无覆土出流对比图2．16表示的是孔径m=2cm的孔口在管阿水泵50Hz调阀运行时覆土壤B与无覆土情况下的出流流量与压力的拟合曲线对比；图2·17表示的是孔径m=2cm的孔口在管嘲水泵40Hz调瞬运行时覆土壤B与无覆土情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比：图2-18表示的是孔径÷-2cm的孔u在管网水泵50～25Hz变频运行工况时覆土壤B与无覆土情况下出流流量与压力的拟台曲线对比。o02468加I?L__|jl：11’图2-1650Hz调阀运行孔口出流流量与压力拟台曲线 {§g二-#二±∞=it口i图2-1740Hz调阀运行}L口出流流量与压力拟台曲线1412一10Z8妻彩‘疆土8，／．一不覆土扭舍益线／——疆土B扭舍曲蛙／7；嶙。／‘‘。。。4R二=09992——————————～——————————3579儿。～——望““4图2～1850～35Hz变频运行≠L口出流流量与压力拟合曲线由图2-16、圈2-17、图2-18拟合曲线总结如下公式qLn孔径m=2cm，A=314x]04吖覆土壤B时50Hz：g=659777AH”％‘40Hz：口=619618AH㈣5‘2-13 *毒&二_{二{+i=；ttz2、无覆上时变频：0=676210AH。””(2．1550HzO=823057AH㈣”40Hz：O=806720AH。“oo变频：9=872197AH“”由以上公式可知．可得出与2．33节同样的结论2．3．7孔口覆土壤B时巾=lcm与由=2cm出流对比2-72．8图2．19表示的是孔径m=lena、=2cm的孔口在管网水泵50Hz调阀运行时援土壤B情况下的出流流量与压力的拟台曲线对比：图2—20表示的是孔径十=lcm、m=2cm的孔口在管嘲水泵40Hz调阀运行时覆土壤B情况下的出流流量与压力的拟合曲线对比：图2—2】表示的是孔径十=lena、m=2cm的孔口在管网水泵50—25Hz变频运行工况时覆土壤B情况下出流流量与压力的拟台曲线对比。25501-1Z【舭qIJJ。『20V；lS2468uIm‘hl台曲线固2一{950Hz调阀运行孔口出流流量与压力拙合曲线 膏B礓Iz孛二{日=学Ⅲ☆I181614vl’-ioZ86d／甏熟裂0o2463lOLl【Ⅲ1hl图2—2040Hz调阀运{7：／L口出流流量与压力拟台曲线2550}lz。251-1Z：4．iaf151Z105”。少／／．嚣：／一m：2cm拟台曲线一m=lcm拟台曲线d68OlⅢ‘】lJ图2—2150～35Hz变频运行孔口出流流量与压力拟台曲线由图2-19、图2-20、图2-21拟合曲线总结如下公式}L口覆土壤B孔13孔径m-Icm，A=3】4x10。m750Hz：9=849809AH””840Hz：坌=860764AH”61：’2．16)2．】7) 鼻岛aIz掌二孝∞±掌t馆i变频：Q=867643AH。⋯(2-18)2、孔口孔径$=2cm，A=314×104m2501iz：9=659777AH””(2·13)40Hz：Q=61961BAH*“7(2-14)变频：口=6762IOAHo5”(2-15)由以上公式可知，在同一敷设土壤条件下，不同孔径的漏失流量与压力关系式中d取值相近，2．4本章小结本章对敷设于城市道路下的城市供水管阿管道漏失的状态进行了模拟与分析．首先总结了管网漏失的成困，阐明了在建立管网漏失模型时仅以孔口自由出流计算公式求解具有很大局限性，由于实际供水管网中，管道埋于地下，漏失出流的水量不是直接与大气接触，而是进入道路路基的土壤介质中，因此其后的流动规律应满足达西定律，即：Q=脚(也／￡)．在此基础上，确定了实验方案-设计了模拟地F供水管道漏失的实验装置．对孔口孔径十=Icm、÷=2cm的两种管道自由出流、覆土A与覆土B三种状态进行了模拟与对比分析，得出以下结论：1、压力管道孔口漏失在自由出流状态下，各种孔径薄壁孔口的出流流量与压力的关系基本符台Q=川封”的关系，这种对应关系不园孔口的孔径大小的不同而改变；2、孔口出流在自由出流与有覆土情况下，出流流量与压力的关系有明显的不同．司知城市供水管阿管道发生漏失时．漏失的漏失流量与压力并不满足Q=，4—2的关系，这种对应关系与管道敷设的土壤环境有关·在建立昔阿漏失模型时．敷设管道的土壤的渗透系数也应该作为重点调膏的基础数据输入模型·以期提高模型的精度。 鸯丑日I^掌=掌∞=学位诧文3、土壤A渗透系数为286xt04Ⅱ“s，属于粘性土壤：土壤B渗透系数为4239x101cm／s，属于沙性土壤同一口径的孔口在两种不同的土壤敷设的耳，境下漏失流量与压力关系分别为：g=yA哦””、g=y』矿m。．口取值分别为“一208099，吩206030。由于城市道路路基用土的要求，城市道路再土的渗透系数大致介于4．239x10。～286×I—cm／s之间．因此建议口的取值范围为：0∞～O81。4、两种小同孔径的孔口在同一敷设条件(土壤B)下，漏失流量与压力关系棚近：孔口孔径÷-Icm、÷=2cm时漏失流量与压力关系分别为：鸟=7A—田¨。、岛=7,4研“”，口取均值接近于0．606。5、在对1i同孔径在自由出流放不同覆土出流的对比分析基础上可知，城市供水管道敷设的土壤环境对孔口漏失的状态的影响比孔口孔径的影响大，管道敷设环境对孔口出流的影响直接反映在土壤的渗透系数上。 胥岛月工x学j掌顿±学Ⅱ谵i第3章基于漏失量变化的供水管网压力变化特性研究城市供水管网漏失是国内外供水行业普遍存在的问题，漏失不仅浪费了宝贵的水资源，又给供水企业造成巨大的经济损失．同时对道路的安全也造成了一定影响。因此，减少及控制供水管阿漏失具有重要的意义。而管网漏表情况下供水管同压力变化特性研究．是管网漏失点定位与控制技术研究的重要环节。Goodwin等发现管网漏失与服务醯力有直接关系oq．漏失水量随服务压力增大而增大。江朝元菩130采用负压波传播到￡下游的时闭差和管内压力渡的传播速度并结台流量检测法进行漏失点定位，王俊岭[3”提出考虑到测压点位置压力的代表性，采用图论理论对供永管阿测压点进行优化布置的方法。马涛m嗵过微观模型的水力计算．分析管网压力被动敏感区、以及管阿低压和管网不利点的压力变化情况．发现管网压力变化显著点及区域压力代表性点．进而确定压力监测点。本章通过测量供水管道内的水压及其变化量．建立供水管同系统的基本状态方程式．研究丁管网运行过程中流量扰动与水压状态变化的相关性．进而舒析管网内水压变化与漏失点的位置、漏失量之间的关系，利用在线监测系统测出管网压力变化值．进而为构建基于智能寻优的供水管网漏失定位反问题计算方法奠定了基础，3．1供水管网仿真模拟实验平台3．1．1供水管霸仿真模拟实验平台开发的背景现有对城市供水管网的研究思路为：根据研究的需要，收集城市供水管网的基础资料．在所收集资料的基础上建立管网的模型+通过管网的运行情况的数据来棱核模型，在枝核好的模型巾对管网进行分析研究。由于供水管网基础资料的不完整性，造成基础资料的收集工作需要耗费大量的人力物力，同时基础资料的不完争准确性的限制．管网模型的精度与实际管网存在不同程度的误差+无法准确的反映管网的状态。 毒岛月Ix学二字m=孝t诧ⅡI 胃岛Ⅲ工x聿I字*±孛t论文管网系统中设有2个供水水箱，2台加压水泵，4个进水点及数十个控制阀门，17个在线压力传感器、5个在线流量传感器、2个余氯在线监测仅、2个浊度在线监测仪。图3-1b数据采集系统在线数据采集系统采集17个压力传感器、5个流量传感器、2个余氯监测仪2个浊度监测仪的信号信息，并预留备用容量与通道。图3-1c监测控制与管理运行系统 §自EIr}二々*=享t诧x监测控制与管理运行系统可以实现对管网中两台水泵无级变频的控制．并将在线数据采集系统的所采集的数据宴时的以数字及益线的形式显示。通过调节管网系统中的阀门+可以组成任意需要的管网拓扑结构．通过控制系统的设置．可方便的进行该平台运行工况的监测与控制，同时对水泵的变频调速控制．最终实现多种拓扑结构、多水源、多工况的供水管网的水力与水质实验：3．2仿真管网水力建模3．2．1微观模鲕介国外自70年代就开始了管阿的微观模型研究，配水管网的微观模型，是在尽口能普虑管阿拓扑结构及管网各元素问的水力关系的基础上．建立起的管呵仿真模拟模型。建立管网微观模型常用的方法有解节点方程法、解管段方程洼和解_Ef=方程法。前者是根据质量守恒定律．对于管网系统中任一节点，流进该节点的流量之和等于流出该节点的流量之和．后者足指根据能量守恒定律，对管网系统中的任一环+所有组成谚环的管段压降代数和为零。微观模型能给出整个管阿内部的工作状况，直观性强，但是建立微观模型的前提是：管网拓扑结构比较清楚，各工况参数较易取得，并且管阿规模较小，可以满足计算要求13”。对于完整的供水系统，其微观模型可描述如下：节点方程：A》1(3．1)回路方程：面=0f3-2)压降方程：h=S口(3·3)由于根据连续性方程和能量方程求解系统工况，须已知的参数较多，如管网拓扑结构、管径、管长、管材及节点流量等参数，其计算结果可得到所有节点和管段的全部信息，所以称为微观模型法。一个好的供水管阿微观水力模型不仅可以用来分析管网的运行工况，也可以作为扩建、改造、维护、调查出入口和预算花费等活动的重要依据。目前进行管网状态模拟，主要困难在于城市供水系统存在着大量的不确定性园素．因此很难描述各娄因素对供水系统的影响结果，有些影响因素如气候等不 ■岛Ⅲ二x字二字∞±掌t诧i易量化．也就是系统中的部分信息是未知的。对于这些不确定或未知的，现在水力计算是无法考虑在内的。此外．还有以下多种不确定的信息使水力计算遇到困难：(1)管道敷设年代跨度大．腐蚀程度备小相同．造成管道的内部摩阻系数相差悬殊：再者．管道的断面减少程度也有昕不同．这些因素使工况分析难度更大。用普通的水力计算，很难得出符台实际的结果：(2)由于城市发展的不均匀性，致使城市供水系统的建设往往不能按照规划进行，随意性报大．所以使本来己十分复杂的供水内部连接方式更趋复杂，对水力计算也造成一定的困难；f3)当然．水力计算的最重要的缺陷是静态和事后性，难以照顾到分层，如快变层或者说是整个系统的瞬间波动情况：(4)从全局上讲，整个供水系统为开放式的复杂巨系统．其总体拓扑址于时变状态=开放复杂的巨系统特征，是供水工程存在的本质。像以前我们所进行的水力计算．基本上还是一种封闭系统的处理方法．3．2．2基于EPA水力建模在管网仿真模拟实验平台中．通过关闭部分管段上的阀门，将管网组合为如图3之所示的拓扑结构．形成由12十主供水环组成的仿真管同，并采用EPA建立该管同的水力仿真模型。 目日镕Ix字二；6币=字t％x|I产—rI—早—]童—岛：_J。{一i．r干—"}———≯——≯——々’。j_。一JI，jL壁兰三=毒——三__鼍=：≤圣==兰：‘=#2L——————』—————————￡—J——jL———‘。一·=——————————————————E———————————————————．‰图3-2EPA水力模型E述水力模型规模见表3一至!：!竺!蔓型璺壁晕小管径节点蕾道营道总长水采进水u压力监测点表3-2部分管道阻力系数管逆直经‘mmJ5070100150Ⅲ山景赶8090851303．3基于模型需要的压力监测点优化布置针对管网漏失定位的水压校核要求，为保证漏失变化及时有效地在压力监测点的观测值中反映出来．在管阿水力模拟模型的基础上．寻找水头受漏失量影响最大的几个节点作为压力监测点．以期提高漏失定位计算的准确率。_广一 青岛理工女掌工学碾!学位论文3．3．1管网压力监测点的优化布置为校核管网模型，需在管网中布置一定数量的监测点，获取菅网系统的运行监测信息。Walski首先提出管阿模型校核时的测点布置．认为压力监测点应布置在主要管线的末端，且远离水源：Lee和Deiaiger将测点布置问题转化为整型规划优化问题，认山监测点赢布置在那些最易反映系统现状、最敏感的地方：Bush和Uber基于灵敏度分析提出三种监测点布置方法，最终形成D优化问题(最小化参数的置信区间)．由于问题的复杂性．没有直接求解，而是求解了三个模型并选择最优者作为D优化问题的解。POler等以最小化状态矢量估计中的测量误差为目标函数，以雅可比矩阵满秩为约束条件，采用贪婪算法求解测点布置问题。但贪婪算法总是在假设前n个监测点布置已优化的前提下．求解”+1个监测点的优化布置方案，这假设不一定成立：Schaetzen等提出三种新的测点布置方法，前两种基于最短路径法，最后一种以最大化Shannon熵采解优化问题，墒函数基于灵敏度分析推导，将费抖j当作日标函数或约束条件，使用遗传算法求解：Ahmed等提出一个基于灵敏度分析的启笈式算法，考虑了不确定性对模型参数以及模型状态变量的影响：Nagar和pow盯同叫考虑参数和监测量的不确定性提出测点布置方法：Liggett提出在最灵敏的地方布置测点用于非稳态下的管网模型校核：俞国平将测量仪表的布置问题归结为一个寻求估计精度和测量成本的多目标优化问题，使用状态变量的协方差矩阵的动态分析和决策树技术确定测量仪表的数量及其在管阿中的住置。但随着通讯技术的发展(如虚拟同等)．距离不再是约束监测点布置的经济因素且采用状态估计确定测点位置，而状态估计的准确性依靠于测点布置方案。tiJII惶和Ferrefi等提出在灵敏度分析的基础上，赢媚系统聚类分析的方法．将节点水头按变化规律分组，应用影响度与被影响度的概念选择压力监测点。fR灵敏度分析的准确性取决于测点布置方案．且工程界关心某一运行负荷下测点压力是否能反映整个营阿压力分布情况．另外．对丈规模供水管网系统求其灵敏度矩眸时，计算量较大．难以实用。陈森发等将测点方法的选择归结于式f3_41所示的优化问题，其中W为权系数：zk为第k个测压点所代表区域：n为A的集台：N．为允许布置的最大删压点数目：P。为第k个中心点 爵岛瑶I^学工学碗!学啦洁R的水压：p为第J个节点的水压。采用一维寻优计算的裴被那契法(FibonacciMethod)刘变量N直接进行寻优计算咀确定测点数目+再确定优化的测点布置．其目标函数如式(3—41㈣。mhaBrnin{[m。‘搿IP,-P,^I)IⅢ】000N：}‘Ⅲ≤N，(3-4)但陈森发等未考虑工程要求也没有对zk的确定进行讨论，且目标函数的两项晕纲不一致，因此优化结果受权值的影响根大。耍际32程界希望管喇铡压点所代表区域内的压力偏差在币大于给定精度的Ij口提下，确定测点数目、测点位置和测点所示区域。出于经济方面的考虑，人们总是希望布置的测压点应尽可能的少；同时叉希望布置的删压点尽可能的具有代表性，即每～个监测点所代表的管阿区域尽可能的大。因此，测压点的布置应包括以下几方面(1)测压点数目的确定；(2)测压点位置的确定：(3)测压点所代表区域的确定。本文根据图论以及聚粪分析中的一些算法求解上述问题：3．3．2给定测点位置时测点所示区域的确定用测点的压力监测值表示测点所在区域的压力而不产生过大的偏差．这是工程界迫切需要解决的问题。对管同中任意两节点i，j，定义水头损失为它们之问的距离，d(L，)=I她J=旧～H，I(3-5)设某一测点Ck所代表的区域为Ak(k：1，⋯M，M为测压点数目)．区域Ak内节点i与测点Ck的最大压差为S(Ak)．则：s(4)=M‘))．则测点,ax(d(i昕代表区域的确定问题可转化为式(3．6)的优化问题：。Mi：{№Hs(A(堋}(3-6)如能求出测点tc"G，至管网中每个节点的最短路以及相应的距离d(t．J)+再找出C满足式(3—7)，则节点j应归八到测点C所代表的区域。d(C·7)：㈦Mi。ndC}m)(3-7) i目理工x掌工掌城I学位论z修改图论中的Djks仃a最短路算法求解式(3．7)．步骤如下：(1)将管网中昕有节点的l临时标号赋为T，所有测点‘．‘．G，的标号值E，=0，其它节点J的标号值Ej=∞：(2)找出T标号的节点r|1E，最小者的节点L将标号改为P。如果所有节点的标号均为P．则结束(3]对所有与节点L相邻的有T标号的节点．将其T标号值修政为埘，t巨．‘+d(L『){：(4)返回第2步：(5)确定每个节点属于哪个删点所代表的区域。3．3．3给定测点所示区域时测点位置的确定当区域Ak给定时，可以选定区域的中心点为测点所在位置。但随供水时段的变化．节点流量和水源供水压力与流量的变化，将影响测压点的压力变化。因此．测点应选择在变化最灵敏的节点。区域内管网基本方程可表示为：f(H。皿9、)=0(3-8)式中N一除水源以及边界节点以外的节点数：S一水源节点数与边界节点数之和。将式(3．8)在H?4Ⅳr1口?’进行泰勒展开见式(3-9】，可简化为式(3-10)；朋乳艰鲫，+毒b“w+毒L、Ⅲs+岳卜鲸～B，，AH。=PA0^+GAH：(3-10)E=∑p，，g?(3-11)式中；p。一灵敏度矩阵P中的元素；q?一节点j的单位流量变化：矿一被影响度．为区域内节点流量变化对节点i的水头的影响之和在所分成的各个节点组内．取被影响度最火的节点作为压力监测点。 青岛Ⅲ工★掌I孛W±字位论R3．3．4测点数给定时初始测点的确定警弼中布置的测点数目给；：i三(无精度要求)时．初始测点的布置问题可通过聚樊分析(chqerAnalysisl中的箍短距离法求解。计算过程可以分为两个阶段，一是寻求晟小支撑树．一是确定区域。寻求最小支撑树时．采用避罔法，步骤如下：(1)任取一节点81，找与其相关联的最短边记为e】，该边的另一节点为a2i(2)找出与(al，a2)相连的最短边．笈为e2，该边的另一端点为a3：(3)拄出与(a1a2a3)相连的最短边设为e3，泼边的另一端点为a4：(4)构成鹾短边的过程(不能构成回路)直至e】．瞳，e3”em-1条边为止：(5)由e1，e2，e3·em-1条边构I夔的管网图就是某一运行工况下的最小支撑树。最小支撑树已知时，确定区域的过程如下：(I)将e1，e2，e3⋯em．1条边按山大到小的顺序排列：(2)在最小支撑柯上去掉n．1条边(n为测压点数)，别管网图形成了互不相连的n个区域，这是聚类分析的最短距离洁所确定的最优区域：(3)按测点所示区域给定时，选择测点位置的方法布置测压点，寻求位置点Vk：3．3．5给定测点数时测点的优化布置对某一测点布置方案n，目标函数的最优值为967)．见式(3—12)，则最优的测点布置方案m应满足(3．13)。晟理想情况为“_)=o，即每一个节点均设有测压点．则m)=M／一{一犍!铲^)】}(”。)g(≠)=Mir《g(r1)．_∈n}(3．13)式中：n一所有可能的测点布置方案之集舍。测点数给定(无精度要求)时测点的布置问题可描述为式0．14)。MH{烈H)，q∈n}(3-141 毒B瑶Ix学工学界!学位诧i武中：M一方案中布置的测点数：N一允许布置的测点数目，式(3-11)的求解过程如下：(1)选定初始测压点(方法见测点数给定时．初始测点的确定)：(2)确定各测压点y(女)⋯所代表的区域一(女)”(方法见给定测点位置时测点所示区域的确定)，求取相应的测点所示区域最大误差g⋯=似口牡(』(女)]}々=lM：(3)确定』(女)‘的测点位置(方法见测点所示区域给定时，测点位置的确定)，作为新的测压点位置P(女r”，如果P(女)⋯=y(女)““．则转至第5步：(4)若憎“一g““1|>￡则f卜r+1-转至第2步；(5)以y(女)7为最优解，丰日应的目标函数为g。上述测压点优化布置的过程可见流程图3-3． iB《ix孛二￡∞={i镕i图3-3测压点数给定时测压点优化布置流程3．3．6给定精度时测点的优化布置精度给定(测点数目不定)时，铡点的布置问题可描述为式(3-151。MHg(々)7∈n}s‘g(哪sH”C3-zs) E3镕I^学I学碾±学位诧X求解式(3．15)的问题，可以按蛤定测点数目为N．求解式(3—14)的方法计葬．如果得到的g(_pH”，则可增加测压点数目：如果g【_)!H斛rⅢ0减少测匝点的数目：重复上述过程，直至测匝点数目恰好满足上述精度一3．4多工况模型校核在对主要供水管道阻力系数及水泵特性曲线等进行测试的基础上，采用遗传算法对管网参数进行了校核，在不同水量负荷]_况下对所构建模型的精度进行了验证．分别见表3-2、3-3。表3-2总流量2633m3／h时模型误差删生，IYLIYL2YL3YL4YL9YLl0YLll宴删值(m14134124114153,953．993．91模拟值(m)4144l341341441141I相对谩茸0．0015000160．00460．00140,03900．02900．0500测Ⅲ点YLXIYLX2YLx3YLX4YLx5YLX6实测篮(m14．023．98441023．884．03模拟值【m)414419413395414相对谡差0．03000．05200．04800．02800,01800．0280表3-3总流量1092m3／h时模型误差删雁点YLIYL2YL3yk4YL9YLIOYLll实洲值(m)7837．827．787．817．697．767．67模拟值忸1)7847．847847．847．83783相对昆羞000150．00310007800042001960．00850．0198测压点fmlYLXIyLX2yLX3YLX4YLX5YLX6实测值fm)7697,667．687307627．68模拟值(m17847857．857．84784相对误差0．0196002410．02180．01730．027800205 $岛目Ix学={硕=学位镕R由表3-2、表3-3结果分析得出，该水力模型两种工况模拟平均误差率分别为25％和15％，100％II,￡N0点的误差在025m以下，模拟误差远远低于美国ECAC标准㈣．模型精度高．满足模拟实验需求。3．5管网漏失模拟与分析3,5．1单点漏失分析假设在该管阿中USl6节点发生漏失．通过水力模拟分析计算，漏失量与管阿节点压力的变化关系曲线见图3-4。图3-4漏失量与压力关系曲线由曲线可知．漏失点压力降比其余点的压力降幅度大，但是随着离漏失点距离的增加．各点的压力曲线关系趋于相近，这是由于靠近漏失点的管段因为漏失点的漏失t管段流量增大，造成漏失点的压力降的幅度比周边点压力降的幅度偏犬t而随着离漏失点的距离越来越远．相应过流的管段增加，每根管段所分配的漏失流量相应减少，管段的流量、流速变化减小．所以离漏失点越远的压力降也趋于平缓a对漏失量与压力关系曲线进行拟合．相关性R2为1．可见节点压力与漏矢量呈现出较为明显的二次多项式关系。 毒岛ⅢIx字I字∞±学m论卫单点模拟渗漏发生时压力受影响堆显著的区域是“距离”其最近的区域，此处“距离”并不是指直线距离，而是由流线距离决定的。与该流线相连或并行的其他节点的压力变化则更人程度上受到管网拓扑结构的影响而被减弱。漏戋量增加量与王力降关系曲线漏失流量增加量fm，／h}图3-5漏失增加量与压力降关系曲线图3-5中USl6为漏失点，JDl8为漏失点附近节点。图3-5表示漏夫点的漏失增加量对漏失点USl6及节点JDl8压力降的影响，由曲线可知：漏失增加量与节点的压力降存在明显的二次曲线关系．且漏失点的曲线较其附近节点的曲线陡，压力降降幅较其附近节点大。㈣|三耋!Ⅲ瑚Ⅲ㈣㈨三一垃R目 iB《Iz±二孛《=字t诧j3．5．2两点漏失分析9S0850750苫650R目550450350漏失量变化与压力姜系曲线2。。7oo12oo摒戋点流量(mVhl图3—6a漏失量与压力关系曲线漏戋量变化与压力关系皓线2oo7oo12oo!!i翌!{型!图3-6b漏失量与压力关系曲线漏失点1-USl2在节点JD37下游1359m处．漏失点2-USl6在节电YD37下游1834m处，由图3-6a、3-6b可以看出．距离漏失点越远．管网节点的压力降趋势越趋于平缓．与单点漏失时结论相同，987654320三一R崩 毒岛理I五字I学礤=学《沦卫单点墉失工况下，当漏失量足够大时，管网会形成以漏失点为中心的漏斗状的压力降区域．同时．管网压力会整体相应下降：两点漏失工况下，当漏失点距离足够远且两点漏失流量足够大，管网会形成分别以两漏失点为中心的漏斗状的匝力降匡域．随着两漏失点间距的减小．两个漏斗状压力降匡域会趋r相交叠加直至同心圆重合．大中城市供水管网规模比较太，若两漏失点出现在同一个环的管段上或者在同一个环的同一报管段上．在进行反问题漏失定位计算时．可以将两漏失点流量加于一点上进行计算，寻找漏失的可能区域，进而锁定漏失的管段；以此类推，可以分析多点漏失产生的压力变化的情况。在进行实测与模型水力模拟时发现：漏失量增加导致管网压力不同程度降低的同时．当漏失点漏失量足够大时．管网的部分管段的水流会发生转向．因此，管段水流的转向可咀作为漏失的一个现象。在供水管网实际运营的过程中．通过对水梳转向管段附近的大用户的用水量进行分析．并结合管段水流方向关系，可咀大致确定出是否产生漏失和漏失的大致区域．3．6本章小结l、通过调整供水管网仿真模拟实验平台的控制阀门．组合成实验所需的管网拓扑结构并建立了相应的傲观水力模型：对模型需要的压力监测点进行了优化布置．以满足管网漏失定位的水压校核要求，保证漏失变化及时有效地在压力监测点的观测值中反映出来；采用遗传算法在多工况条件下对所构建的仿真模型参数进行了优化校正．校正后模型精度高．可满足实验需求：2、单点漏失工况下．漏失点压力降比其周边点的压力降幅度大，随着离漏失点距离的增加．节点的压力曲线关系趋于相近．在同一流线或并行的其他节点的压力变化则更大程度上受到管阿拓扑结构的影响而被减弱．节点压力与漏失量呈现出较为明显的二次多项式关系。3、两点漏失工况下，漏失点及周边节点压力变化呈现出与单点漏失工况下相同的变化规律．漏失点漏失量足够大时，部分管段的水流会发生转向·因而管段水流的转向可以作为漏失的一个判断条件： 鼍岛ⅢIx掌I孝碗m--掌Ⅲ瞎女4、通过基于漏失量变化的供水管冈压力变化特性仿真实验，掌握了供水管网在单点漏失及多点漏失工况下的节点压力变化规律，为基于压力变化规律分析的供水管阿漏失点定位技术的实现提供了重要的理论依据． 青岛理工^字工孛碗i学位诧义第4章基于遗传算法的反问题漏失定位研究管阿榍失是影响供水水质．造成水质污染，危害群众健康的重要园隶，因此必顽尽可自E地减少管嗍漏失。而漏失管理目前面临的一个关键问题就是如何在复杂且不直观的管网中快速定位漏失发生点。城市供水管网故障的实时诊断+通过实时监测供水管网中的水量、水压等变化．利用这些数据建立数学模型可以快速有效地诊断故障位置。常见的诊断方}去有水匿测量检漏．国外．Liggett等提出了基于压力和流量的逆分析法p“、瞬态分析与遗传算法．并进行了瞬态分析的最优监测研究‘”删。国内在基于压力和(或1流量分析的漏夫或漏失诊断方面还在试验与理论探索过程中．与国外相比差距较大，伍悦滨和刘天顺㈣采用瞬变反问题分析数值模拟来确定供水管网漏失点和漏失量：郭新蕾和杨开林【5”提出管道漏失检测的水力瞬变全频域数学模型，基于瞬变流和遗传算法的管道漏失辨识方法。需要指出的是．尽管这些研究均基于压力和流量的分析，在漏失诊断的速度和精度方面有显著提高，但仍然无法做到漏失实时(在线1诊断，本章通过对管网漏失量与压力变化的相关性分析．采用所建立的微观模型为基础水力分析模型，咀漏失点所在管网中的位胃及请失点相应的漏失水量为变量．以漏失发生时管阿压力监铡点的!盅测值与模拟值的差值最小为目标建立了基于遗传算法的供水管网反问题漏失定位模型。最后通过三种漏失工况的漏失定位智能优化实践．结果表明此模型能有效的实现管网漏失的定点及定量。4．1水力瞬变流反问题分析方法4．1．1瞥道瞬变流数学模型描述管道瞬变流的运动方程和连续方程可写为㈣型+!竺+二业1“：o女ga2妒r塑+塑-Vsin(z+竺旦：o4—21 膏BⅡ工x学!掌日：学Ⅲ馆X式中巾为沿管道中心线方向的距离；t一为时间H一为压头：v一为管道平均流速D一为管道直径：g一为重力加速度；f一为Darcy—weisbach摩阻系数：a一为水击波：a一为管道倾角：Ju一为非恒定摩阻。4．1．2系统辩识反问题当外部激励作用于系统时，系统因此而做出响应，通过分析其响应变化，确定系统的演化结构或固有参数．称为系统辨识反问题．如图4-l昕示。激励、响应及鞋系二者的传递模式为系统辨识过程的三要素，其中传递模式反映了系统特征。系统辨识包括模式识别和参数识别。模式识别是确定系统的演化结构．参数识别是在模式识别的基础上进一步确定包岔在演化结构中的一切固有参数删。激励输入M厂—]盆2l。厂—1q△i．VL—J＼J响应输出系统(横型)图4-1系统辨识4．1．3水力瞬变反问题分析水力瞬变流反问题分析指在系统中激发不会对系统本身产生任何危害的瞬变流动．同时选定系统中的测压点，通过宴时监测，获得这些测压点在瞬变过程中的压力响应值．札而辨识系缆的水力元件特性，如阀门工况、管道粗糙度和管道漏失等．而所有水力元件特性均反映在管网系统模型中。因此．基于瞬变反问 焉il二一#二=∞={t论R题分析的供水管网数值模拟，实质上就是求解系统辨识反问题进行参数识别过程⋯．漏失采用第二苹所建立的孔口出流模型进行模拟．即：92yAH8(4-3)反问题分析模型的数学表达式为：E(a)=赶群一F(n)]‘口(q坞R)8。f¨1式中：Ⅳ?一为第i个压力监测值：H(a)一为第i个压力计算值：a一为漏夫系数数组，即日．=(C×)。；N一为假设刈能存在的漏失点：M一为删压点数。即，包舍M个压力监测值("，i=1．，M)．建立一个含有N个未知系数(目，j=1．．N)的瞬变流反问题分析模型。以E最小为目标．确定a值．既确定漏失点的位置和漏失水量㈣．如今供水管网的在线监测系统可以便捷实时的从系统中提取大量的流量与压力等运行数据．这些数据可以用于对管网的瞬态分析计算。供水管网反问题漏失定位就是在管阿的瞬态水力模拟分析的基础上通过对管网实测值与模拟优化计算数值的对比分析柬确定供水管网的漏失点位置及漏失流量。4．2基于智能寻优的反问题漏失定位模型构建通过对营阿漏失量与压力变化的相关性分析，采用所建立的微观模型为基础水力分析模型+以漏失点所在管阿巾的位置及漏失点相应的漏失水量为变量，以漏失发生时管网压力监测点的监测值与模拟值的差值鼹小为目标，构建供水管网漏失定位反问题优化计算模型如下：⋯F=兰(1F。。一E。，．1·△矿)／H黼(4．5) 毒岛№I^学二孛《=学tt女A畔=1只＆。。一日，。_。I“，∈{^N，．M1。唧。sP，≤Q。式中：△彤一管网中各压力监测点的权重函数，由发生漏失前后监测点压力变化值确定；E《m一漏失时·第i个压力监测点的模拟计算值，m；只t_．一漏失时-第i个压力监测点的监测值，m；只∞剐一未发生漏失时，第i个压力监测点的监测值．m：Q．～漏失点J的漏失鳖，m3m：M一压力监测点个数。4．3智能化遗传算法4．3．1遗传算法的基本原理遗传算法(GeneticAlgorithm．简称GA)是一种新型的智能优化算洼．已成功应用于众多领域。遗传算法的全局寻优能力和隐含并行特性，使其特别适合于处理传统算法无法解决的复杂非线性问题．且可直接用于离散变量的计算mI，遗传算法(geneticalgodtlmas．简称GA)是JohnHHolland提出的基于自然选择和基固遗传学原理的随机优化搜索算法酬。根据进化论，生物的发展进化主要有三个原因，即选择、遗传和变异。这三者正对应着遗传算法的三个基本操作——选择、交叉和变异：遗传算法将“忧牲劣汰，适者牛存”的生物进化原理引入特优化参数形成的编码串群体中，按照一定的适值函数及系列遗传操作对各个体进行筛选，从而使适值高的个体被保留下来，组成新的群体。新群体包含L一代的大量信息-并且引入了新的优于r代的个体。这样周而复始．群体中鲁个个体的适应度不断提高，直至满足一定的极限条件。此时，群体中适值最高的个体即为待优化参数的最优解。遮传算法在计算机上模拟生物的进化过程和基园 胃岛理二^学二字砸=学位诧X操作，并不需要对象的特定知识，也不需要对象的搜索空间是连续可微的，具有_争局寻忧的能力：下露为遗传算法的运算过程示意图：图4-2遗传算法的运算过程示意图遗传算法提供了一种求解复杂系统优化问题的通用框架，它不依赖于问题的具体领域．因此可以广泛应用于函数优化、组合优化、生产调度和自动控制等领域。作为一种随机优化与搜索方法，遗传算注有如下特点””：(1)遗传算法的操作对象是一组可行解，而非单个可行解：搜索轨道有多条．而非单条．因而具有良好的并行性。(2)遗传算法只需利用目标函数的取值信息．而无需梯度等高阶信息，因而适用于大规模、高度非线性的不连续多峰函数的优化以及无解析表达式的目标函数的优化．具有很强的通用性。(3)遗传算法的择优机制是一种“软”决策．加上其良好的并行性·使它具有良好的全局优化性能和稳健性。 驾岛ⅧI女掌=字∞=#位诧女(4)遗传算法操作的可行解集是经过编码的，目标函数可解释为编码化个体(可行解)的适应值，因而具有良好的可操作性与简单性，应用遗传算法求解管网漏失点定位问题有以下几个优点‘5q：(I)遗传算法的寻优过程是一种随机寻优过程．最优解不会在狭窄区收敛，形成局部最优解：(2)易于处理离散变量函数的优化问题：4．3．2遗传算法的基本实现技术4．32，l编码在遗传算法中，把一个问题的可行解从其解空间转换到遗传算法所能处理的搜素空间的转换方法称为编码。在遗传算法的运算过程中，它不对昕求解问题的实际决策变量直接进行操作，而是对表示可行解的个体编码施加选择、交叉、变异等遗传运算，通过这种遗传操作来达到优化的目的．这是遗传算法的特点之一：迄今为止人们已经提出了许多种不同的编码方法。总的来说，这些编码方法可以分为三大类：二进制编码方法、浮点数编码方法和符号编码方法。二进制编码方j圭是遗传算法中最常用的种编码方法．其编码、解码操作简单易行．交叉、变异等遗传操作便于实现，便于利用模式定理剥算法进行理论分析。浮点数编码方法使用的是决策变量的真实值，适台于精度要求较高的遗传算法，便于遗传算法与经典优化方法的漏台使甩。符号编码方}圭是指个体染色体编码串中的基因值取自一个无数值舍义、而只有代码古义的符号集，符合有意义积木块编码原则m]，便于在遗传算法中利用所求解问题的专业知识。在本章节中，采用遗传算法进行漏失点定位及漏失量优化求解时．由于决策变量为漏失编号及漏失水量．故采用二进制编码与浮点数编码相结合的编码方{圭；4．322适应度函数遗传算法中使用适应度这个概念来度量群体中各个个体在优化计算中有可能选到或接近于或有助于找到最优解的优良程度。适应度高的个体遗传到下一代的概率就较大：而适应度较低的个体遗传到下一代的概率就相对小一些。 青岛疆工z学二字∞=掌t诧卫毋优化问题可分为两大类．一类为求目标雨数的全局晶大值，另一类为求目标函数的全局晶小值。(1)对于求最大值问题：刑叩。p船麓；：me，式中：(_。一一个适当地相对较小的数t(2)对于求晟小值问题：F㈣：厂nx一，(。)0r【工)0g一动量项因了，0(口