一种城市供水管网DMA实时建模方法与流程

本发明属于城市供水管网领域，涉及供水管网DMA(District Metering Area，独立计量区域，DMA)实时建模，具体是一种基于供水管网SCADA(Supervisory Control And Data Acqusition，监视控制和数据采集系统，SCADA)在线数据的实时建模方法。

背景技术：

供水管网规模庞大，结构复杂。受用户用水随机变化、人工调度等影响，管网系统存在诸多动态不确定性。不仅如此，受自然爆管、水泵机械故障、水源污染等影响，管网的动态不确定性进一步增强。传统管网离线模型虽能反映管网平均工况，但脱离实际工况运行，不能反映管网动态不确定性，不具备实时性，模拟精度较低，仅用于规划设计和计划调度。虽已有少数文献提出利用SCADA、GIS和营收系统，建立在线模型来改善模型动态特性，但实质上，其中的GIS和营收系统只用在离线建模阶段，且SCADA系统仅仅更新部分节点的流量值。事实上，管网短时间内的水源水压波动、阀门状态变化、水泵的启停等等对管网运行波动的影响，远大于节点流量对管网运行波动的影响,若建模过程中忽略这些动态参数，则其模型实质上不具备全局实时性，直接导致模型精度不高。

国内尚无实质性的实时建模应用实例，国外仅辛辛那提大学供水管网实时建模研究小组提出EPANET-RTX实时建模开源框架^[1]，该框架具备全局实时性，但尚存在以下问题：未连接GIS(Geographic Information System，地理信息系统，GIS)和营收系统，无法反映管网拓扑结构、用户日用水量和用水模式的变化；节点需水量估计过于平滑，使得模型存在较大拟合偏差；阀门状态未反馈，无法贴合实际。

参考文献：

[1]James G.Uber,DominicBoccelli,HyoungminWoo,Yuan Su,Sam Hatchett.Real-Time Network Hydraulic Modeling:Data Transformation,Model Calibration,and Simulation Accuracy[R].National Institute of Hometown Security,US.October2013。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出了一种供水管网DMA实时建模方法。

本发明方法具体过程如下：

1.构建DMA管网模型及出入口边界处理

针对特定供水管网DMA区域，以常规的水力平差建模技术构建DMA模型，即构造满足微观管网的基本质能守恒方程：

质量平衡方程：

∑q(i,j)+Q_i＝0 (1)

能量平衡方程

H_i-H_j＝h_k (2)

其中，q(i,j)表示与节点i相关联的节点j之间的管道流量；Q_i表示节点i的节点流量；H_i和H_j表示节点i和节点j的水头，h_k表示节点i和节点j之间的管道k的压降。

具体可通过EPANET、WaterGEMS等软件辅助建立管网模型，并可显示、操作。

然后对DMA管网模型进行如下出入口边界处理：

①在出入水口边界节点外均添加一个节点作为虚设节点(虚节点)，将这些虚节点基本用水量初始值设为0，其它基本属性(如标高等)与出入水口节点属性设为完全一致；

②在每个入口虚节点外添加水库作为虚设水库(虚水库)，添加管段，将入、出口节点与对应虚节点连接、将入口虚节点与对应虚水库连接，连接采用理想无阻力管道(指管长极短、管径极大和摩阻系数极小的管道，三个参数值参考值可为0.00001、10000和0.00001)。

2.管网模型连接GIS和营收系统

以OPC(OLE for Process Control,用于过程控制的OLE)方式将管网模型与GIS和营收系统连接，其中，GIS数据负责动态更新模型基础信息，营收数据负责动态更新节点日基本用水量信息。按月动态更新管网模型节点基本用水量，具体做法是：对于任意的节点i，其包含r类用户，每类用户个数为n(i,r)。

累计营收系统中节点i每类用户的前一个月的月用水总量D(i,r)：

$D(i,r)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{n(i,r)}d(i,r,m)---\left(3\right)$

其中d(i,r m)表示节点i中的第r类中的第m个用户的月用水总量，节点i的r类用户的日用水模式序列为P(i,r,1),P(i,r,2),…,P(i,r,L)，L是用水模式序列长度值，若某用水类型长度为l，若l<L，则P(i,j,k)＝0(l<k<L)。然后可以得到节点i的r类用户的日基本需水量更新值Base(i,r)：

$Base(i,r)=\frac{D(i,r)}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^{L}P(i,r,k)}---\left(4\right)$

3.管网模型连接SCADA系统

以ODBC方式连接SCADA系统数据库，将SCADA在线数据作为模型运行的边界条件和状态参数。边界条件包括入水口压力及流量、出水口流量；状态参数包括水箱水位、水泵流量及转速，阀门压力及流量、测量管道流量、测量点压力等。根据模型元素与SCADA数据库的映射关系获取在线的时间采样序列q₁,q₂,q₃,…,q_t。

4.数据在线预处理

获取到的时间序列由于仪器等原因，需要进行预处理后才能反馈回模型。其中处理方式包括：重采样、差分、插值、移动平滑、数据转换等。其中重采样是去除冗余值及采样时间标准化，得到重采样后的数据q₁′,q₂′,q₃′,…,q_t′；针对累计值，需要对重采样的数据进行一阶差分；对于采样时间间隔T，出现缺值时需要进行线性插值；使用移动平滑的方法去除时间序列中的噪声；对于双向或环流管道测量，需要确定流向后进行转换。

5.实时模拟

①首先进行节点的需水量分配，令t时刻节点i的基本需水量为：

$Dbase(i,t)=\underset{s=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}\left(base\right(i,s)\&times;\mathrm{\&theta;}(s,t\left)\right)---\left(5\right)$

其中base(i,j)表示节点i的第s种预分配需水量模式，K表示节点的需水量模式s的总长度，θ(s,t)表示当前时刻t对应的用水量模式乘子，由下式获得：

$\mathrm{\&theta;}(s,t)=(\frac{t-t_0+pst}{step}+1)\%K---\left(6\right)$

t₀表示实时模型的运行初始时间，pst实时模型的模式起始时间，step表示需水量模式时间步长。

②清除反馈点模式，并将当前时刻的边界条件和状态参数更新到反馈点。其中对于虚节点，入水口虚节点需水量大小等于对应入水口管线流量测量值大小，值设为负；出水口虚节点需水量等于对应出水口管线流量值，若出水口管线流量流向是流出方向，则虚节点流量设为正，否则设为负。

③执行水力模型，并将结果存入模拟结果数据库。需要时，可以实时显示及回顾。

本发明的有益效果：本发明可完整地建立DMA实时模型，该模型可以充分反映供水管网动态特性，降低模型不确定度，从而大幅度提高模拟精度和动态跟踪性能。同时，以此方法为基础，可逐步建立整个城市供水管网实时模型，用于异常跟踪和定位等。

附图说明

图1：DMA管网示例。

具体实施方式

下面给出一个例子，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。本例对象为供水管网中一个小型DMA，包含28个节点，2个水库，1个水箱，1处泵站，1个减压阀，34条管段，如图1所示。为便于说明，本例选择EPANET作为辅助软件，具体实施过程如下：

1.建立DMA管网模型

在EPANET中绘制管网，并保证管网模型满足基本质能守恒方程。然后在每个外部节点旁分别添加一个节点，作为虚节点，这里分别为A1、B1、C1和D1，设定虚节点基本需水量为0，其它基本属性(坐标、标高)与A、B、C和D对应相同；其次，在入水口虚结点A1、B1外，各添加一个水库，分别为R1，R2，基本属性(坐标)与A、B对应相同；最后，用无阻力管道(管长、管径、粗糙度分别设为0.00001、10000和0.00001)连接外部节点与对应虚节点、虚节点与虚水库，得到DMA管网模型。

2.管网模型连接GIS和营收系统

以OPC(OLE for Process Control,用于过程控制的OLE，OPC)方式将管网模型与GIS和营收系统连接。假设最新一次的GIS数据变动是，DMA管网增加了一个节点J_N和管道P_N，已知P_N与新增节点J_N和管网内原有节点J_P相连，设计方向是至J_P流向节点J_N，并删除了内部一个节点J_DE，该节点与DMA中的管道P_DE相连。利用EPANET操作DMA管网模型文件，动态更新数据到模型，具体操作是：

①新增节点J_N，编辑管网模型文件的节点，在“JUNCTIONS”(EPANET节点)末尾处添加描述新增节点J_N的属性语句，分别是:标号、高度、基本需水量和需水量模式信息；在“COORDINATES”(EPANET坐标)中末尾处添加新增节点J_N的坐标属性，分别是标号、X坐标、Y坐标信息；

②删除节点J_DE，在“JUNCTIONS”部分，检索唯一节点标号“J_DE”并删除该节点，同样，在“COORDINATES”部分，检索并删除节点标号“J_DE”；在“PIPES”(EPANET管段)中检索唯一管段标号“PDE”所在行，删除改行；

③新增管道P_N，在“PIPES”末尾处添加描述新增管段的属性语句，分别是标号、起始节点、终止节点，管道的长度、直径、粗糙度、损失系数和状态参数。其中，根据设计方向，起始节点与终止节点分别是是在J_P和J_N；

上述对GIS数据变动的操作方法仅作为简单示例，对于其他诸如水库、水箱等元素信息和诸如“选项”和“时间”等仿真信息的动态更新，方法与此类似，不再一一描述。

使用营收系统动态更新管网模型节点基本需水量，

每月共更新28个节点基础需水量。这里举例更新节点C，其余节点更新方法与此类似：节点C共包含3种用户的用水量信息，这3类用户的用户个数分别为n(C,1)，n(C,2)和n(C,3)。3类用户对应的3种用水模式，用水模式序列每15分钟一次，一天24小时共计96次，第α类用户的用水模式序列表示为P(C,α,1),P(C,α,2),…,P(C,α,96)，0<α<3。

根据水表记录，第α类用户该月总用水量为：

$D(C,\mathrm{\&alpha;})={\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^{n(C,\mathrm{\&alpha;})}d(C,\mathrm{\&alpha;},m)$

节点C的第α类基本用水量更新值为：

$Base(C,\mathrm{\&alpha;})=\frac{D(C,\mathrm{\&alpha;})}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^{96}P(C,\mathrm{\&alpha;},k)}$

3.管网模型连接SCADA系统

所要采样的在线时间序列包括：水库的压力(对于DMA，是入口阀门的阀后压力)，流出流量；水箱的水位，流出流量；水泵的运行时间、转速，和流出流量等；阀门的阀前、阀后压力(这里仅考虑减压阀)，阀门状态；管线，边界测量管线流量和状态，中间测量管线状态；测量节点的需水量。

确定以下采样时间序列的远程SCADA标号：

水库A，B的前后压力p_A1，p_A2和p_B1，p_B2及流出流量f_A和f_B；

水箱的水位l_tank及流出流量f_tank；

水泵运行时间t_pump、转速v_pump、泵站流出流量f_pump；

阀门的前、后压力p_v1和p_v2以及阀门状态s_v；

边界测量管线L1、L2、L3、L4流量：f_L1、f_L2、f_L3、f_L4；

中间测量管线P₁，P₂的状态s_p1和s_p2；

中间测量节点J₁，J₂的用水量f_J1和f_J2。

4.数据在线预处理

对p_A1、p_A2、p_B1、p_B2、f_A、f_B、l_tank、f_tank、t_pump、v_pump、p_v1、p_v2、f_L1、f_L2、f_L3、f_L4、s_p1、s_p2、f_J1、f_J2时间序列进行重采样；

对水库A、B流出累计流量f_A、f_B、水箱流出累计流量f_tank、水泵运行时间t_pump和累计流量f_pump以及边界测量管线的累计流量f_L1、f_L2、f_L3、f_L4线性差分。

对除管道和水泵状态的其余时间序列进行线性插值并对插值后数据进行移动平滑去噪。

管网中管道L3涉及到双向流量，测量值包含双向测量分量，流出和流入DMA的测量值分别为f₁和f₂，则管道流量值为f₁-f₂若DMA模型中管线的L3设计方向是由DMA向外为正方向(若管道流量值为负表示与设计方向相反)。

5.实时模拟

①更新所有未测量节点的需水量，以节点J_E为例，已知J_E包含3类需水量模式，3类模式对应三个子基本需水量base(J_E，1)，base(J_E，2)和base(J_E，3)，对应3个用水量乘子序列为θ(1,1)、θ(1,2)、…、θ(1,96)，θ(2,1)、θ(2,2)、…、θ(2,96)和θ(3,1)、θ(3,2)、…、θ(3,96)，24小时内包含96个乘子，即每15分钟更新一次乘子。则t时刻节点J_E的基本需水量为：

$Dbase(J_E,t)=\underset{s=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}\left(base\right(J_E,s)\&times;\mathrm{\&theta;}(s,t\left)\right)$

②清除反馈点模式，在EPANET中使用ENsetcontrol和ENsettimeparam等函数实现，并将当前时刻的边界条件和状态参数使用ENsetnodevalue函数更新到反馈点。其中对于虚节点，入水口虚节点需水量大小等于对应入水口管线流量测量值大小，值设为负；出水口虚节点需水量等于对应出水口管线流量值，若出水口管线流量流向是流出方向，则虚节点流量设为正，否则设为负。

③调用EPANET计算引擎，执行水力模型，并将结果存入模拟结果数据库。需要时，可以实时显示及回顾。