基于SCADA数据和实时模型的城市供水管网爆管在线定位方法与流程

本发明属于城市供水管网领域，涉及供水管网的爆管异常定位，具体是一种基于SCADA数据和实时模型的城市供水管网爆管在线定位方法。
背景技术：
：爆管漏水在供水管网中普遍存在，具有突发性，会导致供水系统运行异常，影响居民生活和企业生产，甚至会危害人身安全。然而，爆管侦测与定位较为复杂，涉及爆管发生时管网系统动态状况，受到测点少、测量精度低、采集传输实时性差、水力模型不可靠等因素影响。目前管网爆管定位方法主要有基于在线数据分析（如瞬变流逆分析等）方法和基于微观模型（如离线模型异常校核）方法，前一类方法基于在线数据，可一定程度上实现爆管流量初步估计和爆管点区域划定，但易受管网噪声影响，易漏诊，且定位误差大；后一类方法虽可在理论上实现精确定位，但离线模型往往精度较低，存在固有误差源，同时，由于爆管会对管网系统产生破环性影响，直接影响管网各个区域压力态势，同时会对入水口水压造成波动，传统离线模型忽略这部分变化，易产生较大定位误差。技术实现要素：有鉴于此，本发明针对供水管网在线定位的需要，提出了一种基于SCADA数据和实时模型的城市供水管网爆管在线定位方法。为实现上述目的，本发明采取以下步骤：步骤1、监测压力波谷，确定疑似爆管时间边界和校核测点根据各测压点在爆管发生前后的压力变化的先后顺序和压力波谷，得出测点压力因爆管发生变化的起始时间、截止时间，从而获得用于实时模型优化校核的起始时间，持续时间T以及有压力值反馈的时刻k，选择负压波变化比较明显的测点作为校核测点，设其个数为m。步骤2、初步定位爆管发生前后，测点与水源压差的比值（压降比）反映了爆管发生后测点附近的流量异常情况，用公式表示为：其中，表示管网中各测点在爆管发生后时刻时附近区域的流量异常率，表示爆管发生起始时刻，表示爆管发生后时刻测点与水源水头的压差，表示时刻测点与水源水头的压差。根据每次爆管发生后测点的流量异常率变化，选择测点当中异常率变化明显的测点，按照它们所在位置，划定矩形区域，作为实时优化校核模型搜索爆管点的初始区域。步骤3、精确定位目标函数以连续时间内压力测点的压力模拟值和实际值、流量测点的模拟值与实际值之间的差值绝对值之和作为评价标准，迭代求解最小值，获得最可能的爆管节点和爆管流量。具体为：其中，为压力测点在时刻的优化模拟值，为压力测点SCADA监测值；为测流管线的优化模拟值，为测流管线的SCADA监测值，T为优化校核时间段，为由步骤1选定的压力测点数目，n为供水管网中管线流量测点数目，、是分配的权重系数，具体由管网实际情况经验值给定。通过模型模拟某节点的流量大幅度变化来模拟爆管现象，以节点位置以及节点漏失量作为优化过程的自变量。通过遗传算法优化求解。设定遗传算法参数，包括种群规模、进化代数、选择、交叉、变异方法、交叉概率、变异概率；确定染色体编码方式，以空间自然搜索的方式编码染色体，即将节点的二维坐标，连续时间区间的爆管流量作为染色体基因位，具体如下表1所示：表1…每个节点对应一个二维坐标，反之，每个二维坐标可映射到一个距离其最近的节点。在搜索时，改变二维坐标大小，即可改变目标节点。代表优化校核第一个时刻的节点爆管流量大小，则代表下一时刻，后面同理。确定基于压力和流量拟合误差最小化的目标函数，利用获取的管网边界数据建立实时模型，迭代进化模拟优化实时模型，求得精确的爆管点和爆管漏损量。本发明的有益效果：本发明能实现对爆管等异常事件的高精度快速侦测定位，降低爆管对供水管网系统造成的危害。附图说明图1为S市小型DMA管网；图2为14个测点的压力曲线图；图3为14个测点异常率变化曲线图；图4为爆管定位具体方案流程图。具体实施方式为使本发明的技术易于理解，下面结合附图给出一个实例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。S市供水公司于2015年4月3日上午9点到12点，做了5次模拟爆管实验。本实例以该S市做爆管实验的小型DMA管网为研究对象，如图1所示，该管网包含5293个普通用水节点，5415条管道，14个内部压力监测点，18个大表流量测点，2条内部测流管线，图中标注的41922、26124和26125为管网中的3个入水口，压力和流量均有测量。已知左侧矩形方框区域曾发生过一次爆管事件，左侧粗原点标记的节点为内部压力测点，中间圆圈圈起来的两条管线是内部测流管线。步骤1、监测压力波谷，确定疑似爆管时间边界和校核测点根据SCADA系统获取爆管发生的大致时间段和压力数据，绘制爆管发生时间段内14个测点的压力曲线图，如图2所示，确定14个测点压力普遍开始下降的起始时间、降幅较大的主要节点、下降到压力波波谷的平均时间。分析图2可知，14个测点压力普遍开始下降的时间是第4分钟开始，第8分钟普遍下降到压力波波谷。其中，测点25727、23770、1193、32048下降幅度较大，下降速度也较快，其余测点之间压力变化大致相同，且降幅较小。根据14个测压点的时间边界，确定实时模型起始时间=4，连续校核时间区间T=4，选择25727、23770、1193、32048作为校核目标测点，测点数目m=4，忽略其他变化不明显的压力测点。爆管发生后，测点采集到压力值的时刻k取值为：1，2，3，4，……，10。步骤2初步定位依据以下公式，求测点的流量异常率其中，表示管网中各测点在爆管发生后时刻时附近区域的流量异常率，表示爆管发生起始时刻，表示时刻测点与水源水头的压差，表示爆管发生后时刻测点与水源水头的压差。求得爆管发生后10分钟内流量异常率如下表2所示表2测点/异常率/时间123456789106051.001.131.271.471.401.491.471.491.381.348501.001.041.041.041.001.041.000.990.990.9911931.001.391.341.401.341.401.401.351.371.3012441.001.061.031.041.031.041.001.031.011.0131201.001.021.321.451.401.411.411.561.381.3234871.001.051.121.371.391.451.451.471.471.2956041.001.021.291.341.321.291.441.441.241.20237701.001.051.021.031.001.020.940.990.970.97255551.001.061.011.021.001.010.940.970.950.98257271.001.031.021.001.021.000.950.950.950.91271151.001.011.001.010.970.920.930.970.990.97282111.001.051.021.011.001.020.960.980.990.98320481.001.311.271.301.241.331.331.281.251.22400841.001.060.991.040.990.960.971.001.000.99绘制14个测点异常率变化曲线图，如图3所示。找出异常率变化较大的几个节点，作为初步搜索区域。统计得出异常率值较大，变化较明显的几个测点分别是：1193、32048、605、3487和3120。异常率值得分布区间是(1.2,1.6)。根据选取节点，在EPANET供水管网模型软件中获得其具体坐标。将异常率大于1的这几个主要测点，作为优化校核模型的初步搜索边界，也就是自变量中坐标参数的取值边界；具体是将异常率大于1的测点的节点坐标进行排序，选择X坐标中最小，最大值，Y坐标中最小、最大值作为优化校核模型的左右、下上四个搜索边界。爆管流量的初步取值范围依据历史压力异常率对应的爆管流量幅度区间经验确定。如下表3所示表3爆管序号/值/参数XminXmaxYminYmax爆管流量范围157,811.3959,674.4218,223.8720,246.660~1,000.00步骤3.精确定位依据步骤1和步骤2确定优化校核测点、优化校核时间区间、爆管搜索范围和爆管漏损量取值范围进行精确定位。采集第4分到第8分的SCADA数据，具体是出、入口压力数据、流量数据、优化目标测点的压力数据、管道状态数据、大表用户流量数据等。其中，入口压力数据在线更新为水库水头，大表流量数据直接更新为对应节点的需水量数据，依据管道的开度，直接更新对应管道为开或者关。以爆管发生时间段的测点实时模拟值与实测值之差，作为优化校核目标函数，具体为：,依据压力拟合差和流量拟合差的比值区间经验给定，该管网是1/10的关系，则设为1,为0.1，以平衡两者在误差累计中的权重，管网中有两条流量测点，故n=2。编码、选择、交叉和变异方法分别采用实数编码、轮盘赌选择、实数交叉和单点变异；进化代数；种群规模；交叉和变异概率分别为,。染色体的具体形式如表4所示表4X坐标Y坐标t时刻需水量t+1时刻需水量t+2时刻需水量…57,822.3959,624.42345.21452.12321.78…利用EPANET水力求解引擎将选取的SCADA在线数据按优化时间对应更新到管网模型上去，实现实时模拟。通过遗传算法迭代进化，改变染色体基因，评价适应度函数，实现实时校核，最终获得最好的染色体，从而得到最可能的爆管坐标和爆管流量，方案流程图如图4所示。利用EPANET获取所有DMA管网的节点坐标，求得与爆管坐标欧氏距离最近的节点坐标，确定该节点即为爆管节点。根据以上方法，求得5次爆管定位偏差见表5所示，求解得到的爆管漏损量见表6。表5求解爆管点与实际爆管点距离偏差实验序号/值/参数爆管求解点实际点欧式距离差值1167126551249.1096626182967573.93230837525575631.707141713731733478.9318255419925133997.32585表6最优解对应的爆管流量实验序号/值/参数最优解第1分钟第2分钟第3分钟11671166.186990358.4865810.982382618172.1317902185.5464160.795937511.6561966212.0656211.2689941713710.8648950313.4588212.0984255419910.83961735125.49610.37903当前第1页1 2 3