一种基于可视化模式供热管网当量区识别方法与流程

本发明涉及一种供热管网当量区识别方法，涉及供热管网可靠性分析
技术领域：
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背景技术：
：随着我国经济的迅速发展，基础设施迎来新的建设高潮，人们对生活质量的追求提高，使得集中供热管网的规模不断扩大、管网结构愈加复杂，也导致了供热事故率的急速上升，因此对供热管网可靠性的研究意义重大。对供热管网可靠性的研究，国内外都有多年的研究，也有较成熟的研究理论。然而，随着管网规模的增大、既有管网的老化和新旧管网的改造等因素使得供热管网可靠性的分析在实践中实施的难度愈加增大，因此提高供热管网可靠性分析效率变得尤为重要。供热管网可靠性分析理论的研究正日益成熟，其中包含评价供热管网可靠性指标的计算方法、提高可靠性指标的措施等研究。对供热管网可靠性研究，传统的分析方法在规模越来越庞大的管网中显得效率较低，可行性也受到很大的限制。而供热管网可靠性分析又是迫切需要进行的，并且在能源环保和经济性方面有着重要研究价值，对于提高人们生活质量和社会发展有着深远的意义。在此研究背景下，着力于高效的供热管网靠性分析方法，从供热管网可靠性分析方法上进行开拓，并对分析方法本身进行优化改善，从而为后续供热管网可靠性的分析研究奠定基础。在前人对供热管网可靠性理论研究的基础上，以当量区的形式对供热管网可靠性进行分析，在我国，基于当量区对供热管网可靠性分析理论正日益成熟，其中包括供热管网当量区划分原则的确立，基于当量区可靠性各类指标的计算方法，事故工况下故障区域的判定等。基于上述分析以及对计算机辅助系统设计方法的研究，通过计算机辅助系统来实现当量区的划分可以大大提高计算供热管网可靠性各类指标的效率和准确性。以当量区的划分原则设计合理的算法，本发明中给出了算法的设计和优化过程，并通过实例验证了程序的准确性和实用性。技术实现要素：本发明为了解决现有的供热管网因其结构复杂、规模庞大，从而在实践中可靠性分析难度较大，可行性较低的问题。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于可视化模式供热管网当量区识别方法，所述方法的实现过程：步骤一、供热管网图的重构：在AutoCAD环境中打开dwg格式供热管网图纸，锁定原有的全部图层，新建图层并在新建图层上重绘供热管网所有元部件；调用供热管网元部件模型，该供热管网元部件模型主要包括管段、阀门、热用户、热源和补偿器；调用供热管网元部件模型时首先应该调用管段模型，阀门、热用户、热源和补偿器均依附在管段元件上；步骤二、供热管网信息录入：供热管网信息录入是在步骤一获得重绘的图形上对各元部件的类别属性、在管网中所处位置以及连接关系的分类统计并保存至数据库，将供热管网中的节点信息也保存至所述数据库，通过数据库对管网图信息的管理将各元部件进行分类和定位；步骤三、供热管网元部件数据填充，进行参数设定：供热管网元部件数据填充是在重绘的图形上对各元部件的数据进行设定，点击各元部件并输入显示属性命令，即可显示各元部件的属性面板，在属性面板中对各项参数进行设置；各项参数是指：管段长度、阀门类别、热用户的热负荷、热源的热负荷和补偿器的类别；至此完成dwg格式供热管网图纸的重构以及图形和数据相互表达的统一，通过数据库中供热管网信息对该管网进行可视化表达；步骤四、供热管网当量区的识别，具体过程如下：步骤四一、当量区数据据填充：将所有管段存储为集合A，判定集合A是否为空，如果是，则释放集合A资源，结束当量区数据据填充；否则新建当量区实体，取出第一个管段加入当量区数据集；依次遍历与管段相连的非阀门元件，将元件加入当量区数据集合，并从集合A中删除遍历到的管段；步骤四二、当量区划分步骤依次为：遍历供热管网、合并管段、标记管段流向、区分单向管段与双向管段、区分单向阀门与双向阀门、合并当量区。本发明的有益效果是：本发明建立dwg格式的图纸与数据库的联系，通过数据库对管网图上信息的读取和保存来实现图形和计算分析的统一。在很大程度上可以提高供热管网相关计算分析的准确性、高效性，并且使得基于图形上的计算分析过程显得更加直观。本发明方法的使用提高了现有的供热管网可靠性分析效率。附图说明图1是本发明的系统功能模块图，图2是系统架构设计方案框图，图3是管网当量区划分结果图(图中；1-热源、2-管段、3-热用户、4-单向阀门、5-双向阀门)，图4是当量区数据填充流程图，图5是划分当量区算法流程图，图6是环状管网当量区划分图。具体实施方式具体实施方式一：如图1至6所示，本实施方式给出基于可视化模式供热管网当量区识别方法来开发系统的过程：1、基于可视化模式供热管网当量区识别方法为：步骤一、供热管网图的重构：在AutoCAD环境中打开dwg格式供热管网图纸，锁定原有的全部图层，新建图层并在新建图层上重绘供热管网所有元部件；调用供热管网元部件模型，该供热管网元部件模型主要包括管段、阀门、热用户、热源和补偿器；调用供热管网元部件模型时首先应该调用管段模型，阀门、热用户、热源和补偿器均依附在管段元件上；步骤二、供热管网信息录入：供热管网信息录入是在步骤一获得重绘的图形上对各元部件的类别属性、在管网中所处位置以及连接关系的分类统计并保存至数据库，将供热管网中的节点信息也保存至所述数据库，通过数据库对管网图信息的管理将各元部件进行分类和定位；步骤三、供热管网元部件数据填充，进行参数设定：供热管网元部件数据填充是在重绘的图形上对各元部件的数据进行设定，点击各元部件并输入显示属性命令，即可显示各元部件的属性面板，在属性面板中对各项参数进行设置；各项参数是指：管段长度、阀门类别、热用户的热负荷、热源的热负荷和补偿器的类别；至此完成dwg格式供热管网图纸的重构以及图形和数据相互表达的统一，通过数据库中供热管网信息对该管网进行可视化表达；步骤四、供热管网当量区的识别，具体过程如下：步骤四一、当量区数据据填充：将所有管段存储为集合A，判定集合A是否为空，如果是，则释放集合A资源，结束当量区数据据填充；否则新建当量区实体，取出第一个管段加入当量区数据集；依次遍历与管段相连的非阀门元件，将元件加入当量区数据集合，并从集合A中删除遍历到的管段；步骤四二、当量区划分步骤依次为：遍历供热管网、合并管段、标记管段流向、区分单向管段与双向管段、区分单向阀门与双向阀门、合并当量区。在当量区划分步骤中，遍历供热管网、合并管段的过程为：按节点遍历管网，合并管段，将连接节点两侧的分段管段合并为一个逻辑管段，需记录管段组合关系。在当量区划分步骤中，标记管段流向的过程为：以热源为起点，遍历管网，标记管段流向，采用图的深度优先遍历算法，在邻接表中标记所有经过的管段。在当量区划分步骤中，区分单向管段与双向管段的过程为：找出单向管段与双向管段，根据邻接表中的标记信息区分出单向与双向管段，单向阀门标出流向。在当量区划分步骤中，区分单向阀门与双向阀门的过程为：找出单向阀门与双向阀门，与单向管段相连的阀门为单向阀门，与双向管段相连的阀门为双向阀门。在当量区划分步骤中，合并当量区的过程为：遍历整个管网，对指定管段建立相应的当量区列表，将指定管段加入列表；沿该指定管段检查其两端连接情况，若连接为阀门则检测终止；若连接为管段节点，则沿节点继续遍历直到指定管段四周的阀门都遍历完。2系统总体分析与设计2.1系统需求分析本系统的功能包含以下几方面：(1)基于AutoCAD为操作平台对管网图进行操作，识别图形中的点及各种连通的线，通过对管网图的重构判定管网连接的完整性，减少前期处理图纸的工作量。(2)信息编辑录入。供热管网的拓扑结构可通过AutoCAD的读图功能建立，供热系统热源、热用户、管段等元部件的属性可通过录入实现；信息编辑——修改已录入的信息，并实现参数驱动；信息输出——计算结果列表及图形输出。(3)对管网图进行当量区划分与标定。遍历整个供热管网图，根据供热管网当量区划分原则实现当量区的划分，以不同的颜色区分不同的当量区。2.2功能结构设计基于系统的需求分析，将本系统功能划分为4大功能模块，如图1所示。(1)管网图处理模块处理dwg格式的管网拓扑图，建立图形与数据库的联系，在AutoCAD界面中进行管网图的重构、判定管网图的连接完整性，并且将管网图进行处理的信息保存至数据库中。(2)管网信息编辑模块将供热管网中各元部件的数据信息录入、补全，对数据进行编辑管理。(3)当量区处理模块遍历整个供热管网，判断各元部件当量区归属，以元部件信息为信息源对供热管网进行当量区数据填充，通过对填充数据的整合实现当量区的划分。2.3系统架构设计本系统采用分层分模块的设计方法，架构方案如图2所示。业务层：与用户交互的页面及简单的业务处理，包含管网信息编辑、管网评价、事故处理等业务功能。逻辑层：实现系统核心算法的逻辑模块，主要为当量区划分的方法和故障分析处理方法。数据层：处理系统的基本数据。数据源包含两部分，分别是dwg文件和数据库，所以本层包含分别处理这两种数据的接口模块。2.4系统运行环境将本软件系统所有文件复制到以下配置环境，执行可执行文件即可启动并运行该软件。表1系统运行配置表操作系统WindowsXP、Windows7、Windows8磁盘空间要求本软件安装所需空间10M，推荐剩余空间不少于10G。CPU最低2GHz以上内存最低2G以上显示器SuperVGA(1024×768)或更高分辨率的视频适配器和监视器。3供热管网当量区划分当供热管网结构上具有一定逻辑关系的某些元部件发生故障时会造成相同的热用户停止供热，则这些元部件构成了一个具有相同功能质量状态的区域，称为故障分析当量区，简称当量区。3.1当量区划分原则在上述当量区的定义中我们可以看出，可以划分到一个当量区的各种元部件之间存在一定的逻辑关系。我们假设某一元部件故障，如果由于该元部件故障导致其他一个或一些元部件停止工作，则故障元部件与这些停止工作的元部件为串联关系；如果该故障元部件的故障对一些元部件没有影响，则故障元部件与这些不受影响的元部件为并联关系。根据当量区定义得出，构成当量区的元部件满足每个当量区内所有元部件为串联的逻辑关系；当量区内的每一个元部件故障造成的停止供热热用户相同，即停止供热量相同；当量区之间是并联的逻辑关系。供热管网按照结构形式可以分为枝状管网和环状管网，下面以环状管网为例介绍当量区的划分原则，枝状管网可以看成是环状管网的特例。按照如下步骤进行当量区划分：1)从热源出口管段关断阀开始，沿管段截止于各个方向的分段阀，选择其中干线管段上所有节点连接的所有二级管段，截止于每一个二级管段的第一个阀门，划分为一个当量区。2)从上一当量区截止的分段阀开始，沿管段截止于各个方向的下一个分段阀，选择其中干线管段上节点连接的所有二级管段，截止于每一个二级管段的第一个阀门，划分为一个当量区。3)每一个分段阀为一个独立当量区。4)按上述步骤划分干线上所有当量区。5)从二级支路管段初始阀门开始，沿管段截止于下一个分段阀，选择该管段上节点连接的所有下一级管段，截止于下一级管段的第一个阀门，划分为一个当量区。6)按照步骤5)划分支路管段当量区，直至热用户为止。3.2当量区划分实例以图3为例，对照上述步骤，首先划定环型干线上阀门间具有串联逻辑关系的故障元件的当量区。原则是从环网上热源出口管段的关断阀开始，设定供水介质流向，截止于所有可能流通的各环型干线上的分段阀，形成第一个当量区；将当量区终止的分段阀按顺序依次作为下一个当量区的起始阀门，根据上述原则依次确定各自的当量区，直至所有的分段阀均被划分。在此过程中所有的分段阀均不包含在各当量区之中。当量区划分结果如图3所示。4供热管网数据可视化操作4.1调用供热管网元部件模型首次使用本系统时，需要输入netload命令加载dll动态链接库。在AutoCAD中打开dwg格式供热管网图纸，锁定原有的全部图层，新建图层并在新建图层上重绘供热管网所有元部件。本系统设定了管段、阀门、热用户、热源和补偿器等供热管网上的主要元部件模型，均有相应的调用命令。在图纸重绘过程中，必须调用程序所设定的元部件模型，这样才能将重新绘制的管网信息保存至数据库，从而建立数据库与供热管网图的联系。在新建图层上重新绘制的供热管网图首先由程序储存在内存中，输入保存至数据库中的命令后方可保存至数据库中。数据库兼备数据储存和恢复功能，本系统中主要应用其数据恢复功能，由于在调用供热管网元部件模型进行图纸重绘是一个复杂、耗时的过程，因此在完成第一次管网图重绘后及时保存至数据库中可方便于多次重复利用，可以大大提高后续对供热管网图数据多次处理分析的效率。调用供热管网元部件模型时首先应该调用管段模型，其他的元部件均依附在管段元件上。依次完成管网图的管段、阀门等元部件的绘制后，首先保存该图纸，此时整个管网图的信息仅存储在程序所运行的内存中，若程序关闭则管网图的信息便全部丢失，因此还需将整个管网图的信息保存至数据库中。当元部件绘制错误时不能使用AutoCAD内置删除命令，因为管网图绘制过程中管网的信息均同步到了内存，而内存对每一个绘制命令都有记忆性，即每一个绘制命令所对应的元部件信息都会迅速存储在内存中，重绘的图纸不仅具有图形可视化表达功能还具有数据存储(便于后续数据分析计算)功能，因此在删除绘制错误的元部件时需要调用程序中设定的删除命令。采用错误的命令(AutoCAD内置删除命令)删除了管网图中某元部件时会导致AutoCAD界面中的管网图与内存中的存储的元部件信息不匹配，这样会导致后续的数据计算分析出错。如果不慎进行了上述操作，可以采用恢复命令来恢复图纸。上述操作过程的目的是建立dwg格式的图纸与数据库的联系，通过数据库对管网图上信息的读取和保存来实现图形和计算分析的统一。在很大程度上可以提高供热管网相关计算分析的准确性、高效性，并且使得基于图形上的计算分析过程显得更加直观。4.2供热管网信息录入供热管网信息录入是在重绘的图形上对各元部件的类别属性、在管网中所处位置以及连接关系的分类统计，在完成dwg格式图纸的重绘后，将重绘的图形保存至数据库，数据库便会对管网各元部件的上述信心进行记录并给予相应的编号，以便于后续对管网进行当量区划分。数据库中会对每一类元部件信息进行独立统计，并且通过供热管网图形的表达识别元部件个体和类别间的联系；元部件之间的关联是通过节点建立起来的，数据库表中给出了每个元部件位置坐标、元部件编号以及节点关联元部件序号。数据库完全读取供热管网图所有元部件以及相应节点信息后，可具备图形恢复功能，即从数据库中读取管网信息并且表达在dwg格式面板上。基于此功能，可以通过管网数据完整表达图形，使得对官网数据分析处理时能够直观地对应于管网图形，能够确保每一步的数据分析都对应着管网中相应位置，提高了管网图数据分析的准确性。供热管网信息录入是为了通过数据库对管网图信息的管理将各元部件进行分类和定位，为后续供热管网当量区划分和可靠性指标计算做准备。4.3供热管网元部件数据填充供热管网元部件数据填充是在重绘的图形上对各元部件的数据进行设定，点击各元部件并输入显示属性命令，即可显示各元部件的属性面板，在属性面板中对各项参数进行设置。由于此时管网图已经与数据库建立对应的关系，在图形中修改数据会同步更新到数据库，同样在数据库中修改的数据也会同步更新到管网图中；由于管网图在数据输入方面具有更好的直观性且便于对比查找，因此选择从管网图中对各元部件数据填充的方式。本系统是基于当量区的形式对供热管网进行研究分析，因此在完成管网图各元部件信息填充后，还需以当量区为单位对供热管网信息进行整合，在此之前首先需要进行当量区的识别，当量区的识别根据特定的算法和流程进行，下一节将给出详细论述。实现当量区识别机制后，需要对各当量区进行数据填充，当量区包含相应的元部件，因此当量区的数据填充实质是对其所含元部件的数据进行整合，该部分工作有程序自动完成。本节中数据填充包含管网元部件数据填充和管网当量区数据填充两个过程，当量区的数据填充是基于元部件数据的整合，因此完成元部件的数据填充便可实现数据库对管网图信息的完全承载。至此本系统实现了dwg格式图纸的重绘以及图形和数据相互表达的统一，在后续对供热管网数据分析处理时，可通过数据库中供热管网信息对该管网进行可视化表达。5供热管网划分当量区的实现5.1划分当量区算法分析本系统中划分当量区为核心算法，当量区的划分过程如下：首先，对供热管网管段及阀门单双向进行判断，从热源出口管段开始遍历整个管网，用0/2/3分别标定未流进未流出管段、单向管段和双向管段。通常有几个热源就需要遍历管网几次，对于多热源环状管网，从热源出口管段若检测到所有流向均有双向阀(分段阀)，则不需要进行二次遍历。完成了对整个管网的管段及阀门的流向进行判断后，遍历整个管网，对指定管段建立相应的当量区列表，将指定管段加入列表；沿该管段检查其两端连接情况，若连接为阀门则检测终止；若连接为管段节点，则沿节点继续遍历直到管段的端点连接为阀门为止，直到指定管段四周的阀门都遍历完；将沿指定管段遍历的所有管段和阀门不断加入当量区列表，并且删除所遍历双向阀门，则包含指定管段的当量区填充完毕。当完成一个当量区的划分后，将录入该当量区管段和阀门删除；然后进行下一个当量区的填充和信息录入。遍历管网重发上述过程，则能够完成整个管网的当量区划分，并将管网的管段和阀门的信息以当量区为单位录入，建立相应的数据库。另外，对热媒在阀门中的流动方向进行判断时，对于有双向流动的阀门(分段阀)不录入相应当量区信息中。后续工作中关于可靠性指标的计算，分段阀的不可靠性投入单独计算。5.2当量区数据填充设计流程实现当量区划分后需要对当量区进行数据填充，当量区内包含各类元部件，统计当量区内元部件的故障流参数并且计算元部件故障时的关断热负荷。当量区数据填充流程图如图4所示：(1)以热源为起点，采用图的深度优先遍历算法遍历管网，标记管段流向。根据节点判断管段的组合关系，以管段为媒介确定其他元部件当量区归属。(2)由遍历的起点确定第一个管段的当量区属性，根据当量区划分原则判断属于同一个当量区的元部件，并将这些元部件信息填充至该当量区。(3)依次遍历管网，完成一个当量区数据填充后，从管段集合中删除该管段及与其同属当量区的元部件，进行下一个当量区的数据填充，直到整个管网中所有当量区均完成数据填充。5.3当量区划分设计流程在实现供热管网当量区划分过程中，最主要的两个步骤为：一、区分单双向管段及单双向阀门(假定成单向阀门为关断阀，双向阀门为间断阀)；二、完成当量区内数据填充及当量区合并。当量区划分算法的设计流程图如图5所示：(1)按节点遍历管网，合并管段。将连接节点两侧的分段管段合并为一个逻辑管段，需记录管段组合关系。(2)以热源为起点，遍历管网，标记管段流向。采用图的深度优先遍历算法，在邻接表中标记所有经过的管段。(3)找出单向管段与双向管段。根据邻接表中的标记信息区分出单向与双向管段，单向阀门标出流向。(4)找出单向阀门与双向阀门。与单向管段相连的阀门为单向阀门，与双向管段相连的阀门为双向阀门。(5)每个管段为一个当量区，与其连接的阀门判别出是控制阀或影响阀；分支节点连接的当量区合并为一个当量区。控制阀合并，如有一个为流入关断阀则为唯一控制阀，否则原有双向阀的并集都是控制阀；影响阀合并，原有影响阀的并集是新的影响阀集合。6系统实现与测试将该供热管网当量区识别系统对实例管网进行研究分析，上文给出了根据当量区划分原则人工进行当量区划分的结果示意图，现在应用该系统对同样的实例供热管网进行当量区划分。首先对dwg格式图纸进行重绘，判断重绘的管网图连接完整性，然后进行当量区数据填充并实现当量区划分。通过调用程序中设定的元部件模型对该算例管网图进行重构，确保管网图中每个元部件及节点连接完整。对管网中各元部件进行数据填充，建立管网图与数据库的联系，并通过数据库实现图形操作与数据分析的统一。根据当量区画分原则对管网图数据进行整合，完成当量区数据填充，实现当量区的划分，并将当量区划分结果显示在操作界面。管网当量区划分结果如图6所示，图中不同颜色代表不同的当量区，颜色较深的阀门为双向阀门、颜色较浅的阀门为单向阀门。7系统贡献与应用前景供热管网当量区识别系统利用计算机图形学、图像处理、用户界面、人机交互等技术，形象、直观地显示科学计算的中间结果和最终结果并进行交互处理。供热管网当量区识别系统以人们惯于接受的表格、图形、图像等方法并辅以信息处理技术将客观事物及其内在的联系进行表现，可视化结果便于人的记忆和理解。本系统对高维数据进行全方面分析，利用计算机的强大计算能力对数据进行挖掘与描述，是对供热管网当量区实现的新角度和新方法。本系统的主要贡献如下：(1)该系统提供了较强的人机交互功能，用户可以在该系统上进行图形操作和数据分析，实现图形绘制与数据处理的统一，由于图形与数据具有意义对应的关系，因此用户对图形数据分析处理有着较好的直观理解，提高了实际工程项目中方案确定的效率。(2)把所需的各种功能，信息和元素集成到该系统中。该系统实现了高维数据面向对象的供热管网信息表示，针对不同方法的特定优化算法，且结合模式识别的特点实现了从特征提取到特征优化最后进行分类的一体化算法，丰富且易于操作的界面为研究人员的操作使用提供了很大的方便。(3)对于目前国内针对基于计算机辅助设计实现供热管网当量区方法的研究较少，该系统提供了国内首个对可视化从表示到数据分析处理以及结果展示的一体化系统。该系统易于扩充升级，既能满足当前的需求，又为今后的扩充留有空间。本系统的实现，极大地提高了当量区划分的效率，为供热管网可靠性分析领域的研究提供了一个强有力的工具。通过提供对数据信息的可视化建立用户与数据系统交互的良好沟通渠道，可以利用专业知识和模式识别能力评估和提高挖掘出的结果模式的有效性，提供对挖掘结果的可视化显示，使用户对结果能够有深刻直观的理解。由于用户对数据直观的分析与理解，面对后续的模型建立与分类识别，能更好的做出决策和判断。因此，供热管网当量区识别系统必将有广泛的应用前景。当前第1页1 2 3