基于節(jié)點能量冗余度的城市供水管網DMA自動分區(qū)研究.pdf

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

2、法進行模型的求解，從而完成DMA邊界的劃分。為了保證管網壓力均衡性，降低管網漏失，本文以壓力標準差和管網漏失量為優(yōu)化目標，以管網水力模型為基礎，建立DMA進水管選擇模型，并采用遍歷法對該模型進行求解，完成DMA進水管的選擇。為了評價分區(qū)效果，利用管網評價指標分別對分區(qū)前后的管網進行校核、可靠性評價和水質評價。
　　首先，建立DMA邊界劃分模型并完成求解。為了保證管網的水力可靠性，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、了管網節(jié)點間能量冗余差與抗故障能力之間的關系，兩節(jié)點間的能量冗余差越小，其抗故障能力越強。從熵的原理出發(fā)，各節(jié)點間的抗故障能力（反映管網水力可靠性）分布較均勻時，管網整體的抗故障能力最強。因此，本文從保障管網整體水力可靠性的角度出發(fā)進行管網DMA分區(qū)時，盡可能減小DMA分區(qū)內部各節(jié)點之間的能量冗余差，而分區(qū)間各節(jié)點的能量冗余差則相對較大，從整體上保障甚至提高管網的水力可靠性。基于此建立管網各節(jié)點間的相似度矩陣來表示管網各節(jié)點間的水力可靠

4、性，此時DMA邊界劃分模型建立。結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，同時可以保證類內相似度最大，而類間相似度最小的特點，本課題選擇譜聚類算法對該模型進行求解，從而完成DMA邊界劃分。
　　其次，建立進水管選擇模型并完成求解。為了保證分區(qū)后管網的正常運行，本課題從兩方面對管網性能進行優(yōu)化。一方面，管網壓力分布不均時會形成高壓和低壓區(qū)域，高壓區(qū)易發(fā)生管網漏損和爆管等問題，影響供水性能，為了提高供水性能，需

5、要優(yōu)化管網壓力均衡性；另一方面，從定量角度控制管網物理漏失量，從而降低管網漏失。故本課題以管網分區(qū)壓力標準差和管網物理漏失水量為優(yōu)化目標，以管網水力平衡條件和節(jié)點壓力限制條件為約束，建立DMA進水管選擇模型。由于安裝進水管和閥門的數量較少，本課題采用遍歷法對該模型進行求解，得到進水管選擇方案。
　　接著，介紹供水管網評價體系中的相關評價指標。本課題主要從三個方面對分區(qū)前后的管網進行評價。其一是管網設計校核，包括消防時校核和事故時校

6、核。該校核是分區(qū)后管網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。其二是管網水力可靠性校核，選擇間接可靠性評價指標對管網進行評價。分區(qū)后管網的環(huán)狀連接變少，管網的水力可靠性可能下降，因此對管網進行水力可靠性評價。其三是管網水質評價，分區(qū)后，管網末端可能出現死水區(qū)，導致管網水質惡化。而水齡是可以有效地衡量管網水質的好壞，因此選擇水齡作為管網水質評價的指標。
　　最后，為驗證該本文所提出的DMA自動分區(qū)方法，以T