基于節(jié)點(diǎn)能量冗余度的城市供水管網(wǎng)DMA自動(dòng)分區(qū)研究.pdf

1、隨著城市化進(jìn)程的加快，城市供水管網(wǎng)的復(fù)雜性大大提高，給管網(wǎng)的運(yùn)行和管理帶來了諸多問題，如管網(wǎng)布局不合理、管網(wǎng)漏失嚴(yán)重、二次污染問題。為了提高供水管網(wǎng)的管理水平，獨(dú)立計(jì)量分區(qū)（District Metered Areas）的管理模式在國內(nèi)外給水管網(wǎng)的管理中逐漸被嘗試，但對(duì)DMA分區(qū)方法的研究尚不成熟。為了自動(dòng)完成DMA分區(qū)，同時(shí)保證分區(qū)后供水管網(wǎng)的水力可靠性，本文提出了能量冗余差的概念，并以此為基礎(chǔ)建立管網(wǎng)DMA邊界劃分模型，利用譜聚類算

2、法進(jìn)行模型的求解，從而完成DMA邊界的劃分。為了保證管網(wǎng)壓力均衡性，降低管網(wǎng)漏失，本文以壓力標(biāo)準(zhǔn)差和管網(wǎng)漏失量為優(yōu)化目標(biāo)，以管網(wǎng)水力模型為基礎(chǔ)，建立DMA進(jìn)水管選擇模型，并采用遍歷法對(duì)該模型進(jìn)行求解，完成DMA進(jìn)水管的選擇。為了評(píng)價(jià)分區(qū)效果，利用管網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別對(duì)分區(qū)前后的管網(wǎng)進(jìn)行校核、可靠性評(píng)價(jià)和水質(zhì)評(píng)價(jià)。
　　首先，建立DMA邊界劃分模型并完成求解。為了保證管網(wǎng)的水力可靠性，從能量冗余的角度出發(fā)，提出了能量冗余差的概念，并分析

3、了管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間能量冗余差與抗故障能力之間的關(guān)系，兩節(jié)點(diǎn)間的能量冗余差越小，其抗故障能力越強(qiáng)。從熵的原理出發(fā)，各節(jié)點(diǎn)間的抗故障能力（反映管網(wǎng)水力可靠性）分布較均勻時(shí)，管網(wǎng)整體的抗故障能力最強(qiáng)。因此，本文從保障管網(wǎng)整體水力可靠性的角度出發(fā)進(jìn)行管網(wǎng)DMA分區(qū)時(shí)，盡可能減小DMA分區(qū)內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)之間的能量冗余差，而分區(qū)間各節(jié)點(diǎn)的能量冗余差則相對(duì)較大，從整體上保障甚至提高管網(wǎng)的水力可靠性。基于此建立管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)間的相似度矩陣來表示管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)間的水力可靠

4、性，此時(shí)DMA邊界劃分模型建立。結(jié)合譜聚類算法的可以在任意形狀的樣本空間上聚類且收斂于全局最優(yōu)解，同時(shí)可以保證類內(nèi)相似度最大，而類間相似度最小的特點(diǎn)，本課題選擇譜聚類算法對(duì)該模型進(jìn)行求解，從而完成DMA邊界劃分。
　　其次，建立進(jìn)水管選擇模型并完成求解。為了保證分區(qū)后管網(wǎng)的正常運(yùn)行，本課題從兩方面對(duì)管網(wǎng)性能進(jìn)行優(yōu)化。一方面，管網(wǎng)壓力分布不均時(shí)會(huì)形成高壓和低壓區(qū)域，高壓區(qū)易發(fā)生管網(wǎng)漏損和爆管等問題，影響供水性能，為了提高供水性能，需

5、要優(yōu)化管網(wǎng)壓力均衡性；另一方面，從定量角度控制管網(wǎng)物理漏失量，從而降低管網(wǎng)漏失。故本課題以管網(wǎng)分區(qū)壓力標(biāo)準(zhǔn)差和管網(wǎng)物理漏失水量為優(yōu)化目標(biāo)，以管網(wǎng)水力平衡條件和節(jié)點(diǎn)壓力限制條件為約束，建立DMA進(jìn)水管選擇模型。由于安裝進(jìn)水管和閥門的數(shù)量較少，本課題采用遍歷法對(duì)該模型進(jìn)行求解，得到進(jìn)水管選擇方案。
　　接著，介紹供水管網(wǎng)評(píng)價(jià)體系中的相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。本課題主要從三個(gè)方面對(duì)分區(qū)前后的管網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其一是管網(wǎng)設(shè)計(jì)校核，包括消防時(shí)校核和事故時(shí)校

6、核。該校核是分區(qū)后管網(wǎng)能否在不利情況下滿足最基本供水要求的保證，因此該校核是必不可少的。其二是管網(wǎng)水力可靠性校核，選擇間接可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。分區(qū)后管網(wǎng)的環(huán)狀連接變少，管網(wǎng)的水力可靠性可能下降，因此對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行水力可靠性評(píng)價(jià)。其三是管網(wǎng)水質(zhì)評(píng)價(jià)，分區(qū)后，管網(wǎng)末端可能出現(xiàn)死水區(qū)，導(dǎo)致管網(wǎng)水質(zhì)惡化。而水齡是可以有效地衡量管網(wǎng)水質(zhì)的好壞，因此選擇水齡作為管網(wǎng)水質(zhì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)。
　　最后，為驗(yàn)證該本文所提出的DMA自動(dòng)分區(qū)方法，以T