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物联网环境下市政给水管线压力监测点优化布置及运行系统研究

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物联网环境下市政给水管线压力监测点优化布置及运行系统研究

作者：张兆祥安徽建筑大学

学位级别：硕士

在日常生活中,用水问题直接影响到人们的生活品质和身体健康。作为市政服务设施的一部分,给水管线是连接水处理构筑物和居民住宅的重要纽带,保障了居民用水的安全性与可靠性。但是,当下市政给水管线系统依然存在漏损、爆管等事故发生率... 详细信息

在日常生活中,用水问题直接影响到人们的生活品质和身体健康。作为市政服务设施的一部分,给水管线是连接水处理构筑物和居民住宅的重要纽带,保障了居民用水的安全性与可靠性。但是,当下市政给水管线系统依然存在漏损、爆管等事故发生率高,监控不到位、管理水平低下等问题。随着物联网技术与计算机科学的不断进步,通过对给水管线的在线监测,可以进一步掌握给水管线的运行状态。压力作为管线的重要参数之一,可以直接反映市政给水管线的运行状态。为了实时掌握给水管线的压力分布,需要在管线中布置压力监测点。然而,压力监测点数量过多,经济上会付出太大的代价;数量过少,无法最大程度反映管线的运行状态以及压力的实时变化情况。针对上述问题,本文首先研究了给水管线水力模型的建立过程。在给水管线相关理论的基础上,从管线数据的收集、给水管线拓扑结构的建立和简化、给水管线参数设置再到水力计算等几个步骤,基于EPANET软件完成水力模型的构建。然后,在建立给水管线水力模型的基础上,提出一种给水管线压力监测点的优化布置方法。本文将DBSCAN算法与节点的空间属性和非空间属性相结合,选取节点的坐标、影响度和压力的标准差作为构建节点特征矩阵的特征属性,并采用DBSCAN算法对节点空间特征矩阵进行聚类分析,根据聚类结果最终确定给水管线压力监测点的位置和数量。实验结果表明,与仅依据节点压力变化相似程度进行分析相比,本文提出的给水管线压力监测点优化布置方法计算得出压力监测点的位置和数量,确保聚类后归属同一类的节点构成了区域的节点集,有效地反映了管线压力的区域分布情况。该方法用于压力监测点布置合理可行,可以全面地监测整个管线的压力状态,在实际的给水管线中有较好的应用前景。最后,本文设计了一种基于物联网的给水管线运行系统,从应用层、数据层、传输层和感知层四个方面详细阐述了系统的架构和流程,并在EPANET仿真的基础上实现了对给水管线运行数据的采集和分析,能够满足对给水管线运行状态的监测要求,在实际应用中具有重要的意义。

关键词：给水管线压力监测点布置特征聚类水力模型物联网

基于压力敏感区域方法的供水管网漏失区域定位研究

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水电能源科学 2022年第1期40卷 132-136页

作者：王彤鞠彩尚渝钧杨军长安大学建筑工程学院陕西西安710054 长安大学住房与城乡建设部给水排水重点实验室陕西西安710054 上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司安徽合肥230031

为有效降低城市供水漏损率,快速、准确定位漏失位置,基于压力敏感区域方法,以A市为研究区域对供水管网漏失区域定位进行研究,以压力监测设备与节点漏失之间的水力关联特性对供水管网进行区域划分,建立管网漏失敏感区域,当某处发生漏失时... 详细信息

为有效降低城市供水漏损率,快速、准确定位漏失位置,基于压力敏感区域方法,以A市为研究区域对供水管网漏失区域定位进行研究,以压力监测设备与节点漏失之间的水力关联特性对供水管网进行区域划分,建立管网漏失敏感区域,当某处发生漏失时,可立即定位到漏失区域。结果表明,当漏失响应阈值为97%时,覆盖节点数量最多,敏感区域划分最为准确,且漏失点离压力监测点仅200 m左右,定位效果明显。相较于常规的漏失检测方法,该方法能有效缩小检漏范围,提高检漏效率。

关键词：供水管网管网漏损压力监测点布置漏失区域定位

城市供水管网漏失信号识别及区域定位方法研究

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城市供水管网漏失信号识别及区域定位方法研究

作者：杨军长安大学

学位级别：硕士

我国水资源地区分布不均,淡水资源匮乏,水环境污染严重,同时城市供水系统漏损严重,尚未得到有效的解决。在城市化进程大规模推进的情况下,如何去保障城市供水系统运行的安全可靠性、降低供水的漏损率、提高供水效率,已经成为社会经济可... 详细信息

我国水资源地区分布不均,淡水资源匮乏,水环境污染严重,同时城市供水系统漏损严重,尚未得到有效的解决。在城市化进程大规模推进的情况下,如何去保障城市供水系统运行的安全可靠性、降低供水的漏损率、提高供水效率,已经成为社会经济可持续发展的科学问题,同时也是科研工作者所奋斗和解决的目标。本文主要研究城市供水管网漏失识别区域定位模型,以提高城市供水系统运行安全性及漏损管理水平。首先,构建城市管网水力模型。校核准确的水力模型是压力监测点优化布置、漏失信号识别及漏失区域定位的基础。本文以建立A市管网水力模型为例,其校核结果显示,压力误差范围≤4m的百分比为100%,误差范围≤2m的百分比为94%;流量误差显示,两个水厂流量相对误差值均在2.5%以下,因此该水力模型可运用于管网仿真模拟计算。其次,针对供水管网运行现状,提出压力监测点优化布置方法。先构建管网节点压力影响系数矩阵,再采用粒子群优化模糊C均值聚类算法求解矩阵得出监测点最优位置。粒子群算法优化避免了FCM聚类算法在初始值选取不当容易陷入局部最优的缺点,提高了压力监测点覆盖节点的精度。结合算例分析,结果表明,压力监测点布置合理,且均匀分布于管网,同时提供新增压力监测点布置方法,为管网漏失识别定位奠定基础。再次,收集供水管网SCADA监测系统压力值历史数据,构建粒子群算法优化LSSVM的时序预测模型,利用预测模型预测压力监测点下一时刻压力值,采用SPSS软件分析计算出各压力监测点在每个时刻的阈值。通过实时远传监测点压力值与预测值作差得出残差值,当残差值位于压力监测点阈值内,属于正常工况;一旦残差值超出阈值,属于异常工况即漏失事件或爆管事故。结合模型分析,结果表明,改进的时序预测模型预测精度较高,可确定各压力监测点阈值,识别管网漏失事故。最后,提出两种漏失区域定位方法,一种计算供水管网各压力监测点残差值大小,当发生漏失时,其残差值变化程度偏大的监测点位置构成漏失区域;另一种以压力监测设备与节点漏失之间的水力关联特性对供水管网进行区域划分建立管网漏失敏感区域。本文对研究片区建立水力模型,进行漏失区域定位效果分析。结果表明,前者实际漏失点与监测点最近相距300m左右,最远相距620m左右;后者分析对比三种漏失响应阈值得出阈值为97%时,覆盖节点数量最多,敏感区域划分最为准确,且漏失点离压力监测点可达200m左右,定位效果明显,可缩短检漏时间,提高检漏效率。

关键词：供水管网水力模型压力监测点布置漏失信号识别漏失区域定位

基于智能算法的供水管网水力参数反演与设计优化

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基于智能算法的供水管网水力参数反演与设计优化

作者：刘成荣河北农业大学

学位级别：硕士

随着乡村振兴战略的实施和城乡一体化建设的推进,目前中国农村集中供水率达到88%,供水管网成为广大农村的生命线工程。除了基本的水质水量保证外,中央文件对农村供水保证和供水管网管理提出了更高要求。本文首先对农村供水管网现状进行... 详细信息

随着乡村振兴战略的实施和城乡一体化建设的推进,目前中国农村集中供水率达到88%,供水管网成为广大农村的生命线工程。除了基本的水质水量保证外,中央文件对农村供水保证和供水管网管理提出了更高要求。本文首先对农村供水管网现状进行了分析,指出了农村供水管网目前存在的主要问题,进一步提出将智能优化算法应用于管网水压监测点布置、水力模型参数校核、水质优化和水量调度,为实现农村供水管网的智能化管理提供理论和应用基础。摩阻因数是管网水力模型计算的基础,随着管道运行时间增加,按照摩阻因数设计值进行压力平差会出现误差,因此本文提出了基于监测点实测水压值反演管段摩阻因数的方法。考虑到农村管网监测数据较少的现实情况,为通过较少的监测点数据获得较准确的反演结果,首先要进行压力监测点优选。本文用节点压力对摩阻因数的偏导数来表示节点灵敏度函数,适应度函数为监测点处灵敏度函数之和,以全局适应度函数值最高为目标,通过改进遗传算法进行水压监测点优化选取,为验证监测点选取不同对摩阻因数反演结果的影响,定量对比分析了不同监测点布置方案的管段摩阻因数反演结果。在确定最优监测点基础上,进一步以监测点处水压值为基础,将节点水压法编程写入适应度函数中,以监测点处水压平均二乘误差最小为目标,通过动态搜索烟花算法对供水管网管道摩阻因数进行反演,对比分析了动态搜索烟花算法与粒子群算法在管网摩阻因数反演结果的效率和准确性。水塔建设费用和运行费用同样是农村供水管网管理需要考虑的因素。本文以多水塔供水管网为例,通过均匀设计实验得到不同水塔直径组合下的特征节点水龄和综合费用作为训练集和测试集。分别通过BP神经网络和SVM建立了水塔直径和特征节点水龄,费用之间的关系,采用五折交叉验证划分合适的训练集和测试集,并对两种方法的结果进行了比较。将训练结果代入多目标遗传算法中,以水龄最小和费用最低为目标,提出供水管网水塔改造设计方案。结果表明:1、改进后的遗传算法适用于监测点优化等组合优化问题,监测点优化布置前后管网中管道的摩阻因数反演值的最大相对误差分别为17.7%和0.711%,说明监测点的优化布置提高了摩阻因数反演结果的准确性。2、与PSO反演摩阻因数结果相比,动态搜索烟花算法收敛快,在农村供水管网参数反演的过程中表现出了较强的寻优能力,为管网摩阻因数反演提供了一种可行的方法。3、在数据量小,计算过程复杂的问题中SVM与BP神经网络学习效果均表现出色,SVM 比BP泛化能力更强。经过多目标遗传算法优化选取后的水塔设计方案与现状方案相比,在节点水龄和费用方面均有提升。

关键词：智能优化算法农村供水管网压力监测点布置摩阻因数反演水塔设计优化

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油田注水系统仿真模拟与智能诊断评价

油田注水系统仿真模拟与智能诊断评价

作者：吴磊东北石油大学

学位级别：硕士

油田注水管网系统主要由注水站、注水泵、配水间和注水井构成,通过管线进行连接组成了一个庞大复杂的网络系统,系统中的节点单元与管线单元不是孤立存在的,它们之间相互关联,相互影响。为了监控整个注水系统的运行状态,需要对运行数据... 详细信息

油田注水管网系统主要由注水站、注水泵、配水间和注水井构成,通过管线进行连接组成了一个庞大复杂的网络系统,系统中的节点单元与管线单元不是孤立存在的,它们之间相互关联,相互影响。为了监控整个注水系统的运行状态,需要对运行数据进行采集,仅通过站、井等节点的数据不足以评价整个管网的运行效果。由于绝大多数的注水管线均埋于地下,难以掌握整个注水管网系统的运行水力状况。另一方面,注水管网长时间的运行,难免会出现结垢、爆管以及漏损等情况。由于管网埋于地下且结构复杂、规模较大,当发生漏损突发事故时,难以快速响应进行补救,造成资源浪费,环境污染的后果。因此,针对上述这些问题,本文在借鉴传统管网研究方法的同时,立足于人工智能和大数据原理等技术对注水管网运行及数字化管理进行理论研究,主要研究内容如下:针对油田注水管网仿真计算等问题,建立了管网节点单元、管段单元、附属单元以及整体数学模型,对大型非线性方程组主要采用简单迭代方法进行求解。同时将相关的理论方法进行转换,编译油田注水管网仿真模拟软件,包含管网结构建模、运行数据提取以及仿真水力计算等功能,基本满足实际工程要求,便于对注水管网运行时水力状况的掌握及分析。借鉴城市供水管网压力监测点布置经验方法,提出更适用于注水管网的压力监测点布置方案。整个注水管网按注水半径范围划分成若干个子区域,分别研究各区域压力监测点的合适位置,并对特殊点位置进行调整。理论结合经验,为注水管网实时监控以及智能化诊断提供重要支持。针对管网漏损及突发状况难以定位的问题。搭建三层BP神经网络结构,采用贝叶斯正则化优化手段,将漏损时节点压力变化数据作学习训练参数,利用训练好的神经网络模型对试验管网进行检测,从而判定出漏损节点或漏损区域,避免复杂计算,检测迅速,适用于大型管网进行漏损定位。利用数据可视化手段,借助大屏技术,搭建注水管网可视化平台。运用Echarts图表展示技术将管网运行参数进行展示,便于管网维护操作人员对管网的整体把握,为决策者对管网进行优化改造提供理论参考,同时也为油田数字化转型奠定了基础。

关键词：注水管网仿真计算压力监测点布置注水半径管网漏损定位 BP神经网络数据可视化技术