[发明专利]一种供水管网中节点流量的监控方法

说明书

技术领域

本发明涉及城市给排水领域，具体涉及一种供水管网中节点流量的监控方法。

背景技术

我国城市中的供水管网、石油炼化企业的原油管网、农田水力管网、供汽管网、供热管网等非常发达，而且这些管网的规模都很大，管网的节点压力、流体成份等是管网日常维护中必须掌控的运行参数。

准确实时地分析模拟这些运行参数是所有管网维护面临的共性问题，解决该共性问题的关键是流体管网力学及成份高效实时动态仿真技术，这些技术的应用可以为管网的日常维护提供提前规划、实时动态管理、事后应急、安全控制、节能减排等功能。

目前流体管网的管理主要采用以下方式：

第一类是人工设计计算，基于人工采样和手工计算。这种方式较为落后，效率很低，手工计算繁琐，错误率高，而且只能计算小范围的管网，无法对大范围的管网进行统一的计算，通常会导致顾此失彼，难以做到统筹兼顾。

第二类是应用计算机进行管网的设计计算，这也是目前应用最为广泛的方式。但这种方式目前也存在一个较大的问题，就是当管网规模较大的时候，运行速度不尽如人意，严重影响了管网数据的分析速度，随着管网规模的扩大，管网力学、成份的实时动态模拟几乎不可能，例如一般4000个节点的管网力学模拟计算需要12G的内存以及大约30分钟的迭代逼近才能够比较准确地模拟实际情况。

导致运行速度慢的原因主要有两个，第一就是目前大多数方法在解大规模方程组的时候，迭代次数太多，有时候甚至根本无法收敛；第二就是受限于目前CPU的运行速度，使得计算速度无法再进行提升，因此如何找到解决这两个问题的技术方案，并将其应用于实际工程中，就变得至关重要。

目前已经有很多水力水质分析的软件，它们大多运用了上面提到的技术，这些软件都可以解决成千上万根管段的水力计算问题。由美国环境保护总署国家风险管理研究实验室开发，主要应用于有压管网系统的水力和水质分析的软件，具有管网平差、运行模拟、信息管理、运行管理等方面的功能。它基于解节点方程的方法，可对管网不经过简化处理直接建模，减少了计算所需要的时间和存储单元，基于其应用的方便性和直观性被越来越广泛地应用于有压管网系统的平差计算。

SynerGEE Gas可以对管网、调压器、阀门、压缩机、储气田和集气井进行仿真建模和分析，SynerGEE Gas作为一种通用型管网仿真工具，适用于天然气、丙烷、蒸汽、氧气、二氧化碳、氮气、氯气和空气，并且不仅限于此。SynerGEE Gas提供了最先进的商业化管道仿真器所具有的功能，并可在简易而熟悉的windows操作系统上运行。

目前上述系统在应用于巨型管网的模拟仿真方面都存在速度太慢，效率太低的问题。未来的面向管网的仿真软件的发展方向是：通过并行运算提高模拟仿真的速度和效率，增强软件在实时动态仿真巨型管网的各种力学以及成分的能力，为提前规划、事前预警、动态监测、安全应急等应用提供及时高效的软件支撑。

发明内容

本发明提供了一种供水管网中节点流量的监控方法，利用矩阵分解来充分利用计算机GPU的超强并行计算能力，加快供水管网中节点流量计算时的迭代收敛速度，得到节点流量的实时数据，实现对节点流量的监控。

一种供水管网中节点流量的监控方法，包括以下步骤：

(1)根据供水管网的流量和水头的损失关系，构建供水管网的原始系统方程组。

根据实际数据构建给定时间点，供水管网的水力状态的流量连续性方程和水头损失原始系统方程组，所述原始系统方程组为：

AH＝F

式中：A为N×N的雅可比矩阵；H为N×1的供水管网中未知节点水头的向量矩阵；F为N×1的常数项向量矩阵，N为连接节点的总数；

所述雅可比矩阵的对角线元素为：A_ii＝∑_jP_ij；

所述雅可比矩阵的非零且非对角线元素为A_ij＝-P_ij；

式中：P_ij表示节点i和节点j之间管段水头损失对于流量求导的倒数，对于节点i和节点j之间的管道：

式中：r为阻力系数；Q_ij为节点i到节点j的流量；n为流量指数；m为局部损失系数；

对于节点i和节点j之间的水泵：

式中：ω为水泵的相对转速；Q_ij为节点i到节点j的流量；s和t表示水泵的曲线系数；

常数项向量矩阵F中的各项元素为：