专利名称：城市供水管网漏失监测点优化布设方法
技术领域：
本发明涉及一种简单、高效的管网漏失监测点优化布设方法，特别是指针对城市 供水管网的漏失监测点布设方法。
背景技术：
城市供水管网是城市的“生命线”，是城市基础设施的重要组成部分。随着城市数 量及规模的不断扩大，由于规划、设计、管理、技术上的一些原因，管网漏失监测与控制成为 国内外普遍面临的重大工程技术难题。对城市供水管网进行系统、全面、高效的漏失监测是 快速、准确的进行漏失查找、定位，即时地进行抢修、维护的最直接、有效的措施。近年来，国内外开发了基于漏失声音信号检测的漏失记录仪。漏失记录仪(如 permalog)的工作原理是记录仪放置在被检测的管道上，通过定时采集管道上漏失噪声的 带宽信号，分析噪声的强度在所采集强度信号上的正态分布，判断管道是否漏水。在适当 的位置放置记录仪就可以监控相应管段的运行情况，而噪声的传播距离由于管材和管径有 关。因此，漏失记录仪有一个特定的有效监测范围，若超出此范围则难以做出正确的判断。 但另一方面，对于庞大的城市供水管网系统，若漏失记录仪布设过密集，则所需要的漏失记 录仪数量庞大，将大大增加设备投资成本和人工操作成本。因此，在确保有效覆盖管网范围 的前提上，尽可能提高漏失记录仪利用效率、并减少记录仪数量，这对于大规模开展漏失检 测具有重要意义，而对记录仪进行优化布设解决上述问题的重要途径。因此，在复杂的管网系统上科学地设计布设方案，合理地安装漏失监测记录仪，是 开展漏失监测的重要基础，直接影响区域漏失监测的整体效率。目前，考虑到城市管网系统 的庞大复杂性，尚无一个可推广性强，能够适用于各种管网系统的快速、有效的监测布设方 法。本发明针对上述技术需求，提出了一种基于管网地理信息系统(GIS)的漏失记录仪监 测点优化布设方法。
发明内容
本发明针对复杂的城市供水管网，提供了一种管网漏失监测点优化布设方法。本 发明的技术原理是集合管网和管网附属设施(如检查井、消火栓、排气门、阀门、闸门等)， 建立以管网代表路径和管网附属设施代表节点的拓扑网络。其中，网络路的属性表征的是 其对应的管段上漏失记录仪的有效检测距离。节点的属性是适宜安置漏失记录仪的位置。 利用拓扑网络进行计算原理与方法是随机选取某个节点为初始点作为漏失记录仪的布设 地点，以漏失记录仪的有效检测距离为标准，计算所有联通路径上有效可达范围，确定在这 个可达范围内距离初始节点最远的节点为新的漏失记录仪布设位置。再以新确定的节点为 初始点，重新开始上述分析过程，直到整个区域的路径(管线)都计算分析完，最后确定所 有是适合布设漏失记录仪的节点位置，即完成漏失监测点的优化布设。具体技术方案1、针对需要进行漏失监测的管网区域范围，在GIS平台上提取管网管线及其附属设施的矢量图(如shp格式)。其中，管网附属设施包括检查井、消防栓、排气门、阀门、闸门 等中的任意一种。2、确定漏失记录仪布设原则。针对不同管径与管道材质特征的管线，推荐布设距 离如下对于直径是75mm 200mm的铸铁管、球墨铸铁管和/或不锈钢管材，漏失记录仪布 设距离在150m 200m之间；对于直径是75mm 200mm的预应力管，漏失记录仪布设距离 在IOOm 150m之间；对于直径是200 400mm的铸铁管、球墨铸铁管和/或不锈钢管材， 漏失记录仪布设距离在IOOm 150m之间；对于直径是200 400mm的预应力管，漏失记录 仪布设距离在60m左右；对于直径大于400mm的铸铁管、球墨铸铁管和不锈钢管材，漏失记 录仪布设距离在60m IOOm之间；对于直径大于400mm的预应力管，漏失记录仪布设距离 在30m左右。漏失记录仪应布设在管道附属构筑物上，附属构筑物指的是检查井、消防栓、 排气门、阀门、闸门等中的任意一种。按照上述布设原则设置网络分析参数。3、针对管网管线和附属设施矢量图，以GIS为平台，构建管网网络拓扑关系，为后 续网络路径分析可达性分析提供基础。网络结构图包括图形数据和属性数据，管线代表网 络路径，附属设施代表网络节点。属性表(图(1))表征每个路径的连通成本(cost属性 列)，这个属性值根据漏失检测仪漏失监测仪布设原则按照如下方法换算而得出来的以 漏失监测仪在某一管道上的有效检测距离为基准确定连通成本系数(coefficient)，并计 算连通成本(cost)。其中，连通成本为连通成本系数和管段长(shape leng)的乘积。例如， 以漏失监测仪在某管径为75mm (管段长为1. 5m)的铸铁管上有效监测距离是200m为基准， 那么该管段对应路径的连通成本系数(coefficient)设为1，则该管段的连通成本(cost) 为1. 5。对于其他管材的路径属性设置，除了连通成本系数是漏失记录仪在该种管材的有效 监测距离除以基准值200的商，连通成本的计算方法和上面的相同。4、完成上述网络拓扑关系建立后，进行网络路径分析。随机选取任何一个网络节 点作为第一个漏失记录仪的布设点，以该节点为第一级布设初始点(漏失记录仪布设的初 始点)，进行网络可达性分析。根据漏失监测仪布设原则所表达的路径连通成本(cost)，计 算距离初始点连通成本为200的可达范围，在这个可达范围内，确定距离初始点最远的节 点为基于第一级初始节点的漏失记录仪最优布设点；进一步分别以上述方法获得的最优布 设点为第二级初始点，重复上述重复计算过程，从而获得基于第二级初始节点的漏失记录 仪最优布设点下一批最优的漏失记录仪布设节点位置。按照上述方法重复进行计算，直至 覆盖所有需要进行漏失监测的管网区域范围。“覆盖所有区域”的定量判断依据任何连通成 本cost为200的管段路径上都至少有2个节点来安装漏失监测仪。至此，漏失记录仪监测 点优化布设工作完成。
图1为本发明管网漏失监测点优化布设方法的技术流程结构示意图。本发明的优点是:本发明突破了传统的费时、准确性低的漏失监测仪手动布设方法，通过与GIS平 台结合，可以实现简单、快速、精确的漏失监测仪的布设，为高效、准确的漏失监测提供切实 的保障。同时，本发明也为大尺度上的管网漏失预警、预测的模拟模型研究提供基础支持。
具体实施例方式为进一步公开本发明的技术方案，下面结合实施例进行详细描述。本实例为某大型城市市区供水范围，包含管段数十万条之多。1，根据供水管网部门提供的基础数据，进一步处理和提取所需要的相关信息(gis 格式)，管网分布图和可以安放漏失监测记录仪的水工设施图(检查井、消火栓、排气门、阀 门和闸门)。管网分布图的属性信息包括管段ID，管径、管材和管长；水工设施图的属性包 括ID号和类型。2，建立网络结构图。以管网矢量图和水工设施图为基础，建立网络拓扑关系。生 产路径(管网)_节点(水工设施)联通的网络结构图。设置参数属性。路径的属性包括 “联通成本标准”、“联通成本”、“路径折算系数”。例如，针对某一段管径为75mm，长度为1. 5m 的管道，“联通成本标准”设置为200m(这个是根据选定的漏失记录仪permalog监测有效范 围设定的)，“路径折算系数”设置为1，“联通成本”为1. 5 (为管段长1. 5 X路径折算系数 1获得的)。对于莫一管径为300mm，长度为56. 6m的管道，“联通成本标准”设置为150m， “路径折算系数”设置为1. 33(为150/200)，“联通成本”为1. 5 (为管段长56. 6 X路径折算 系数1.33获得的)。根据上述方法，对每个管道的相关属性进行设置和计算。完成网络结 构设置。3，开始优化布点工作。随机选取任何一个网络节点作为初始布设节点(如 图_(2))，开始计算和寻找距离该节点，联通成本为200以内的最远可达节点，该最远可达 节点即为最优化的漏失记录仪布设点(如图_(3)、(4))。再以新确定的节点为初始点，继 续开始网络计算，寻找下一批最优化节点(如图_(5-7))，直到完成整个区域的最优化节点 搜索(如图-(10))。
权利要求
1.一种管网漏失监测点优化布设方法，其特征在于利用管网地理信息系统(GIS)平 台，结合漏失记录仪布设原则，应用网络可达分析方法进行管网漏失监测优化布设。
2.根据权利要求1所述的管网地理信息系统(GIS)，其特征在于包涵以管网为路径和 以可安置漏失记录仪的水工设施(检查井、消火栓、排气门、阀门和闸门)为节点的网络等fn息ο
3.根据权利要求1所述的漏失记录仪布设原则，其特征在于对于直径是75mm 200mm 的铸铁管、球墨铸铁管和不锈钢管材，漏失记录仪布设距离在150m 200m之间；对于直径 是75mm 200mm的预应力管，漏失记录仪布设距离在IOOm 150m之间；对于直径是200 400mm的铸铁管、球墨铸铁管和不锈钢管材，漏失记录仪布设距离在IOOm 150m之间；对 于直径是200 400mm的预应力管，漏失记录仪布设距离在60m左右；对于直径大于400mm 的铸铁管、球墨铸铁管和不锈钢管材，漏失记录仪布设距离在60m IOOm之间；对于直径大 于400mm的预应力管，漏失记录仪布设距离在30m左右。漏失记录仪应布设在管道附属构 筑物上，附属构筑物指的是检查井、消防栓、排气门、阀门、闸门等中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的网络可达性分析方法，其特征在于，根据如下步骤进行操作i.针对需要监测的目标区域管网范围，以GIS为平台，提取管网管线及其附属设施的 矢量图。其中，管网附属设施包括检查井、消防栓、排气门、阀门、闸门等中的任意一种。ii.构建管网网络拓扑关系，生成以管网为路径和以水工设施为节点的网络连通图。网 络连通图包括图形数据和属性数据，管线代表网络路径，附属设施代表网络节点。iii.计算每个路径的连通成本系数与连通成本。其中，连通成本系数为不同管网路径 上漏失噪声信号传播的阻尼特征。按照如下方法计算而得根据权利3所述的漏失记录仪 布设原则，以直径是75mm 200mm的铸铁管、球墨铸铁管和不锈钢管材为基准对象，漏失记 录仪在该特征管材上的最大有效布设距离在200m为连通成本的阻尼特征，其对应的连通 成本系数设为1。连通成本为不同管网路径上漏失噪声信号传播的距离。按照如下方法计 算而得每条路径的物理长度和其对应的连通成本系数之积。iv.进行网络参数设置，建立网络拓扑关系。其中，网络参数包括“连通成本标准”、 “连通成本”、“连通成本系数”。其中，“连通成本标准”基于漏失记录仪布设原则，如直径是 75mm 200mm的铸铁管、球墨铸铁管和不锈钢管材，漏失记录仪布设距离在150m 200m之 间；对于直径是75mm 200mm的预应力管，漏失记录仪布设距离在IOOm 150m之间；对于 直径是200 400mm的铸铁管、球墨铸铁管和不锈钢管材，漏失记录仪布设距离在IOOm 150m之间；对于直径是200 400mm的预应力管，漏失记录仪布设距离在60m左右；对于直 径大于400mm的铸铁管、球墨铸铁管和不锈钢管材，漏失记录仪布设距离在60m IOOm之 间；对于直径大于400mm的预应力管，漏失记录仪布设距离在30m左右。“连通成本”和“连 通成本系数”如权利3-iii所述计算方法获得。v.进行网络可达性分析。具体方法如下随机选取任何一个网络节点作为第一个漏失 记录仪的布设点，以该节点为第一级布设初始点(漏失记录仪布设的初始点)，进行网络可 达性分析。根据漏失监测仪布设原则所表达的路径连通成本(cost)，计算距离初始点连通 成本为200的可达范围，在这个可达范围内，确定距离初始点最远的节点为为基于第一级 初始节点的漏失记录仪最优布设点；进一步分别以上述方法获得的最优布设点为第二级初 始点，重复上述重复计算过程，从而获得基于第二级初始节点的漏失记录仪最优布设点下一批最优的漏失记录仪布设节点位置。按照上述方法重复进行计算，直至覆盖所有需要进 行漏失监测的管网区域范围。“覆盖所有区域”的定量判断依据任何连通成本cost为200 的管段路径上都至少有2个节点来安装漏失监测仪。
5.根据权利要求1和4所述的网络可达性分析方法，其特征在于根据网络结构图，随 机选取任何一个网络节点作为初始布设节点，开始计算和寻找距离该节点，连通成本为200 以内的最远可达节点，该最远可达节点即为最优化的漏失记录仪布设点。再以新确定的节 点为初始点，开始新的搜索，以此反复，直到完成管网区域的节点筛选。
全文摘要
本发明属于管网漏失监测领域，特别涉及一种利用漏失记录仪进行漏失监测过程中应用的简单高效的漏失监测点优化布设方法。本发明利用管网地理信息系统(GIS)平台，结合漏失记录仪有效监测范围，提出了基于网络分析的管网漏失监测优化布点方法。采用该方法可自动快速地优化确定目标区域管网范围内漏失记录仪布设位置，能确保目标区域管网完全覆盖且不存在重复覆盖，避免了传统手动布设方法的主观性，充分发挥所有记录仪的监测能力，提高记录仪利用效率。本发明可大大提高漏失监测效率，提高管网运行管理水平。本发明不仅适用于城市供水管网的漏失监测，还可用于中水管网、热力管道、油气管道等管道的漏失监测。
文档编号F17D5/00GK102072404SQ20091023822
公开日2011年5月25日 申请日期2009年11月23日 优先权日2009年11月23日
发明者刘阔, 张孟涛, 徐强, 徐维浩, 李伟峰, 陈德明 申请人:中国科学院生态环境研究中心, 北京市自来水集团有限责任公司