基于低偏差序列的矿井供水管网可靠性-论文.pdf 6页

'第45卷第5期中南大学学报(自然科学版)Vb1．45No．52014年5月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Mav2014基于低偏差序列的矿井供水管网可靠性蒋仲安，王佩，施蕾蕾，谭聪(北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083)摘要：综合考虑管网水力可靠性的影响因素，结合节点和管网整体2个方面确定管段管径、管长、故障率、修复时间以及节点用水量作为评价指标，建立矿井供水管网可靠性评价模型。运用管网平差软件EPANETH进行水力模拟得到各管段故障情况下的节点实际可用水量，然后采用低偏差序列代替伪随机序列的拟蒙特卡罗法仿真模拟求得各节点的可靠度，再以节点需水量占管网总流量的LL4Y~J为权值，求得整个管网的水力可靠度。研究结果表明：采用该评价模型可确定管网中可靠性较低的节点和对管网水力可靠性影响较大的管段，该计算方法可作为管网优化设计的参考。关键词：矿井供水管网；水力可靠性；拟蒙特卡罗法；Sobol序列；EPANETH中图分类号：TD218文献标志码：A文章编号：1672—7207(2014)05—1686-06MinewatersupplynetworkreliabilitybasedonlowdeviationsequenceJIANGZhongan，WANGPei，SHILeilei，TANCong(TheKeyLaboratoryofMinistryofEducationforHighEficiencyExploitationandSafetyofMetalMine，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083，China)Abstract：Consideringthereliabilityofthehydraulicimpactfactors，combinedwithtwoaspectsofnodeandthenetworkasawhole，thesectionpipediameter,pipelength，nodefailurerate，repairtimeandwaterconsumptionaredeterminedasevaluationindexes，andthenminewatersupplypipenetworkhydraulicreliabilityevaluationmodelwasestablished．EPANETHwasusedforhydraulicsimulationforeachsectionofthenodeactualwateravailabilityunderthecircumstanceofpipefault，andthenquasiMonte-Carlomethodofthelowerdeviationinsteadofpseudorandomsequenceswasusedforsimulationforreliabilityofeachnode，theentirepipenetworkhydraulicreliabilitywasobtainedaccordingtonodedemandratioforweightsofnetworkwaterdemand．Theresultsshowthatthelowreliabilitynodeandagreaterinfluenceonthereliabilityofthehydraulicsectioncanbedeterminedforthenetwork，SOthatthecalculationmethodCanbeusedaspipenetworkoptimizationdesignreference．keywords：minewatersupplynetwork；hydraulicreliability；QuasiMonte-Carlo；Sobol；EPANETH矿井供水管网作为矿山安全避险六大系统之供水管网的可靠性进行研究非常必要。国内对城市供一，其可靠稳定运行是保证综合防尘效果的重要基础。水管网可靠性研究较多，方法也众多。而矿井供水管一个完善可靠的防尘供水系统能够维持矿山正常的采网研究较少卜引，主要分析方法有故障树分析法和掘工作，保证矿工具有安全的工作环境，同时供水管GO、法【】。针对传统蒙特卡罗’法【收敛速度较慢以网是防治井下粉尘危害的重要设施，因此对矿井防尘及计算结果不够稳定的问题们，本文作者采用拟蒙特收稿日期：2013—05-07；修回日期：2013—07—30基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项~(20110006110014)通信作者：王佩(1987-)，女，湖北武汉人，博士研究生，从事矿井供水管网研究；电话：010—62313972；E-mail：wangpei17@sina．tom 第5期蒋仲安，等：基于低偏差序列的矿井供水管网可靠性l687卡罗法对矿井供水管网水力可靠性进行研究。该方法比伪随机序列的快【l4】。采用Sobol序列进行抽样替换了传统蒙特卡罗法的伪由于Sobol序列较其他序列收敛效果好，计算精随机数，加快了收敛速度，提高了仿真结果的稳定性。确，本文首次采用Sobol序列用于矿井防尘供水管网在对管网进行分析的过程中，将综合考虑机械故障和的可靠性计算。Sobol序列的产生方法如下【】：水力条件变化对管网可靠性的影响，并运用Sobol序列是基于一组叫做“直接数”的数v而EPANETH管网平差软件进行水力模拟，以模拟结果构造的。设mf是小于的正奇数，则v=m／2。为基础值代入水力可靠性分析模型进行计算。v的生成借助于系数只为0或1的本原多项式，EPANET管网平差软件是美国环保局开发的一款免费多项式可表示为软件，它可以通过自带组件绘制管网模型，还包含强厂(z)=zp+c1zp一+⋯+cp一1Z+Cp(5)大的水质、水力模拟能力，而EPANETH是其汉化版。对于i>p，存在递归公式：1拟蒙特卡罗法=ClVi—lC2Vi～20⋯CpVi—0[—p／2p](6)p式中：0为二进制按位异或运算符。拟蒙特卡罗法(OMC)是基于蒙特卡罗法的一种改对于任何一个十进制整数，可以唯一表示成与进方法，采用在采样空间分布更加均匀的拟随机数代数基b=2有关的式子替传统蒙特卡罗法中的伪随机数。拟随机数一般由低k偏差序列通过某种变换得到。拟蒙特卡罗法计算的收，2=∑口2(7)敛速度和结果的准确性主要取决于偏差。偏差用来度=1量点列在函数域上分布的均匀程度，偏差越小，点列式中：k为大于等于log2的最小整数，aj取0或1。分布越均匀，收敛速度就变快，波动也随之减小，计则Sobol序列的第个元素为：算准确度就相应地提l1]。=alv10a2v20⋯0akVk(8)根据Kokama．Hlawka定理[】，低偏差序列M用于蒙特卡罗积分时具有确定的误差上界。因此拟蒙特为了加快序列的产生速度，Antonov和Saleev[】卡罗法的计算误差可由Kokama—Hlawka不等式给出：提出了Graycode法，可将式(17)修正为：Jl寺，∑N厂()一』)drl≤()()(1)+1=vi(9)i=1[o，)l式中：i为满足0的最d"l~j。式中：d和Ⅳ为序列元素的维数和个数；(厂)为Hardy．Krause意义下的有界变分；Dl‘v(M)为星偏差，2矿井供水管网水力可靠性计算可用如下定义【l3】：()=sup(2)2．1供水管网水力可靠性评价模型建立xe[0，1)在分析矿井防尘供水管网水力可靠性时，由于要建立数学模型，因此必须对一些参数进行界定。首先，AN([0，)，=Z1)()界定管网组件只有正常与故障2种状态，而供水节点有正常、失效以及非正常3种状态，并且在所有管网一。c组件中，只考虑管段故障对供水管网可靠性的影响；其次，管网组件的故障率和修复时间均为常数，式中：Ⅳ([0，)，)为序列MeF的Ⅳ个样本在区间[0且组件或系统的故障和修复相互独立。中的数量。在分析整个管网可靠度之前，从管网中各节点着可见：偏差DN‘(M)越小，样本序列分布越均手。节点流量与水头之间的关系可用下式表示】：匀，当DN‘(M)=0时，序列的分布完全均匀。低偏，、1，”=“+==>Qf=《(一研)／Ki)(10)差序列的误差收敛阶为O(N-(In加，而伪随机序列的误差收敛阶为O(N-“)，可见拟随机序列的收敛速度式中：为节点i的水压；日为节点i要求的最小 1688中南大学学报(自然科学版)第45卷水压；QI为节点i的流量；为节点i的阻力系数；n为节点i的阻力指数。一‘I365×24]J节点需水量和节点所需水压的关系可表示为：式中：m为管网管段数；为管段J的修复时间；=((H／req—m)／K(11)为管段，发生故障的次数，其值通过拟蒙特卡罗法抽式中：为节点i的需水量；日为节点i所需水样确定。压。为了体现每个节点对整个供水管网的影响程度，由式(10)和(11)可得：以节点需水量占管网总流量的比例为权值，对整个管网进行综合评价，建立如下数学模型：劳=(J一=∑(Q／reRf)／∑(17)i=1i=1式中：R为管网水力可靠度；n为管网节点数；Qr。q为[节点i的需水量；为节点i的概率可靠度。尺和R分别从局部和整体2个方面反映了管网的可靠性。从式(10)可看出：节点流量与节点水压之间满足通过以上分析可知：用于研究矿井防尘供水管网指数关系，因此在挑选评价指标时可只选1个指标，的可靠性评价的指标有管段管径、管长、故障率、修本文选择节点水量作为评价指标之一。节点可用水量复时间以及节点用水量。可用下式表示：2．2矿井供水管网可靠性评价模型求解流程0，Hi≥基于拟蒙特卡罗法的矿井供水管网可靠性评价基,Hreq~Hi本步骤为：=(13)—Qi，Hmm