一种结合阻力辨识的管网泄漏检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及管网泄漏检测方法。
【背景技术】
[0002] 管道泄漏检测方法可分为两个大类，即被动检漏法和主动检漏法。被动检漏法比 较直接，多数需要利用具有一定检测功能的仪器、设备进行泄漏检测的手段；而主动检漏法 主要依靠管网日常监测数据，并利用有效的分析方法进行泄漏检测。
[0003] 被动检漏法主要有人工巡检法、隔离法、听声法和测温法等。人工巡检法需要组织 专门的队伍对管道进行巡检，这依赖于人员的敏感性、经验和责任心，并且只能发现一些较 大的泄漏。隔离法是关闭相应的阀门，使部分管段从管网中隔离出来，通过观察补水量和被 隔离管段水压的变化排查待测管段是否泄漏。该方法需要预先大致确定泄漏点位置，并且 会使大量用户受到影响。听声法是采用的仪器为听漏仪和听漏棒在井室附近的阀门处或者 沿着管道在地面上监听泄漏声音信号，以确定漏点位置的方法。该方法也需要预先大致确 定泄漏点位置，否则测试工作量会显著增加。随着测试仪器的不断发展，基于硬件的直接观 测方法中的测温法得到了比较广泛的应用，尤其是对于热力管网泄漏检测效果更好。该方 法采用手持非接触式红外线热像仪沿着管道步行，检测管道上方的地面温度，并检测管道 附近其他市政管道井室内的温度，检查是否有温度异常。如有异常，便可以列入泄漏重点可 疑区域。
[0004] 主动检漏法方面采用较多的研究思路是测量管网中的压力值及其变化量，建立管 网系统的基本状态方程式，然后推导出管网运行中出现流量扰动引起水压状态变化的基本 关系式，用来分析管内压力变化与泄漏的位置及漏水量之间的关系，从而实现泄漏检测。 Liggett等研究提出了基于压力和流量的反分析法。研究表明，泄漏诊断结果主要取决于 观测点的数目，当观测点较多时，成为超定问题，可以得到较好的结果，而当监测点较少时， 则成为欠定问题，难以得到理想结果。其中，利用优化算法处理管网泄漏诊断问题，可以克 服可观测量数量较少的限制。由于其具有适应性强，需要确知的参数较少等优点，受到研究 者的关注。应用于管网检漏的主要有遗传算法、神经网络方法以及粒子群算法等。基本模 型是利用管网中压力和流量观测值作为已知条件，把泄漏信息作为待优化参数，进行优化 分析。通过极小化计算量与观测量之差，实现管网泄漏点的定位和量化。赵新华等提出利 用管网压力和流量观测数据，结合神经网络模型进行泄漏点定位研究。研究中利用数值模 拟计算数据建立数据库，并作为样本训练神经网络，并以此为基础开发硬件系统已实现上 述功能。梁建文等提出了通过管网有限压力观测值的变化，利用人工神经网络技术来进行 泄漏点定位及量化，得到了比较满意的结果。但由于人工神经网络方法需要大量的观测数 据进行训练，样本数量不大会造成优化结果的偏差较大，使上述方法在实际管网中的应用 受到很大的限制。路文丽等利用管网漏失量和管网压力间关系的经验公式，将漏水量的计 算问题转换为如何判断两个变量的线性相关性问题，从而求解出给水管网的漏水量数学模 型，具有较高精度的模型。但在管网基础数据不全面、水力计算模型不精确的情况下，模型 精确度会受到影响。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决被动检漏法主要需要大量仪器设备和人力、难以与自动监控系统 结合的问题和人工神经网络方法存在的样本数量不大会造成优化结果有较大偏差和耗时 较长的问题。
[0006] -种结合阻力辨识的管网泄漏检测方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1、获取拓扑结构：通过搜集供水或供气（供热）管网系统设计施工图纸等设 计资料，获取管网系统节点和管段信息，即拓扑结构；其中，涉及节点、管段和阻力特性系数 三个概念：节点是指管网分支处的连节点，节点所连接管段流量不相同；管段一般是指一 条管段，对于两条管段连接处实际存在分支但分支处没有泄流量，也就是说两条相连接且 流量始终相同的管段也视为同一管段；管段阻力特性系数是综合考虑各管段管径、管长、相 对粗糙度的特性参数，反映管段阻力情况，该参数不随管网水力工况的变化而变化；对节点 和管段依次进行编号，并录入计算机，表达管网拓扑结构模型；
[0008] 步骤2、在正常工况下，获取正常工况下的参数及阻力特性系数样本：以管段为单 位形成样本库，利用消防、夜间（2:00-3:00)及正常工况等不同工况下管网中节点和管段 处设置的压力和流量测试装置获取的压力和流量观测数据；利用上述观测数据作为计算已 知条件，建立包含阻力特性系数的方程组，借助广义逆解方法求解所构建方程组，从而计算 确定各管段阻力特性系数，记为设定值；
[0009] 步骤3、根据不同工况或不同时间段内管网的观测数，依据步骤2中确定各管段阻 力特性系数的方法辨识不同工况或不同时间段内管段阻力特性系数；
[0010] 疑似泄漏工况阻力特性表达：认为管网可能存在泄漏时，各节点压力及管段流量 均可能发生变化；但由于水管段内部流动仍处于阻力平方区，管段阻力特性系数在此过程 中不会发生变化；通过获取疑似泄漏工况条件下的压力和流量实时监测数据，并依据步骤 2中的方法由程序计算得到的方程组广义逆解表达辨识结果，从而计算确定该疑似泄漏工 况的各管段阻力特性系数；
[0011] 将此时的管段阻力特性系数与正常工况下的阻力特性系数样本进行比较，将不同 工况下管段阻力特性系数变化范围超出设定值的管段视为疑似泄漏管段；
[0012] 步骤4、区域划分及虚拟节点设置：通过在疑似泄漏管段上设置虚拟节点表达泄 漏，每个虚拟节点包含位置及泄流量两个参数；即虚拟节点位置表达疑似的泄漏位置，虚拟 泄流量表达泄流量；在可观测的节点或管段处分割管网，依据管网规模（管段数量）确定 划分区域数量，划分每一区域不多于30根管段，且每一区域最多包含一个疑似存在的泄漏 点；以每一区域作为泄漏诊断基本研究单元确定疑似泄漏的管段信息；对管网整体进行3 次以上不同的区域划分，汇总疑似泄漏管段信息，初步确定疑似泄漏的管段及具体泄漏位 置；
[0013] 步骤5、区域内泄漏诊断的优化实现：在步骤4划分的每个区域内（多次划分的所 有区域），设置虚拟节点，虚拟节点位置设置从该管段上游节点处开始，以Xm为步长依次 改变所设置的泄漏点位置；采用遗传算法进行优化计算，对疑似泄漏点进行定位并量化泄 流量；
[0014] 设置管段的泄流量的变化范围，下限为0,上限为该管段设计流量（每条管段均有 一个设计流量，表示正常工况条件下的理想数值）的50 %，遗传计算过程中，泄流量在该区 间内变化；另外，可以认为阻力系数与管长成正比例，一条管段（疑似泄漏管段）被疑似泄 漏点分为2部分后，两部分各自长度可以认为是已知量，两部分阻力特性系数可以根据整 体阻力特性系数按长度分配计算得到，是以虚拟节点参数为自变量的因变量；因此，区域内 各管段阻力特性系数可以作为优化计算已知条件；目标函数为压力和流量计算值与观测值 的方差和；调整优化虚拟节点参数，使该方差和最小，便可得到对应的优化结果；优化结果 中包含虚拟节点参数，即疑似泄漏点位置及泄流量（流量很小时认为不存在泄漏）；
[0015] 利用遗传算法完成优化计算，具体确定疑似泄漏位置并量化泄流量；其中，遗传算 法参数选取和遗传算法具体步骤如下：
[0016]
[0017]a)初始化：设置进化代数计数器t= 0,设置最大进化代数50-100,随机生成 600-1000个个体作为初始群体P(0)，即虚拟节点的不同位置和泄流量；
[0018] b)个体评价：计算群体P(t)(泛指优化过程中的任意一代）中各个个体的适应 度，此处选取压力和流量计算值与观测值的方差和的倒数表达适应度；
[0019] c)选择运算：将选择算