[发明专利]一种市政管网水力模型构建方法

摘要

一种市政管网水力模型构建方法，涉及市政工程信息技术领域，具体涉及管网水力模型构建方法。本发明为了解决现有的管网水力模型构建方法存在的计算耗时长、结果误差难于估计的问题。本发明通过获取管网系统设计资料建立管网静态数据库；并根据管网流量方程和管网能量方程，确定最少观测点数目；采集多工况下的节点压力和管段流量观测数据；确定各个管段中的流量方向表达流量方向有向图；然后提取出各个管段阻力数，将管段阻力数数值赋予前述有向图，完成管网水力模型构建并验证管网水力模型可信度，直至得到满足管网分析需要的管网水力模型；本发明适用于市政工程信息技术领域中的管网水力的模型。

主权项

一种市政管网水力模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、通过获取管网系统设计资料获取管网系统的管网拓扑结构、节点管段标高、水泵性能曲线及阀门开度信息，建立管网静态数据库；所述的拓扑结构包括节点和管段信息；对节点和管段依次进行编号，并录入计算机；利用无向图表达管网中节点和管段的连接关系及节点信息，完成管网静态数据库录入；步骤2、根据管网流量方程和管网能量方程，确定最少观测点数目；设管段数目为b，独立节点数目为n；水力工况数目为m，流量观测点数目为x，压力观测点数目为y；根据式(1)和(3)所组成的方程组，使方程数目大于或等于未知量数目，即x_min≥b‑n；y_min≥n‑(m‑1)·b/m，x_min和y_min均取整数，最小取1；管网流量方程如公式(1)所示：$A_{ug}{G}_u^{\left(k\right)}=-A_{kg}{G}_k^{\left(k\right)}+Q^{\left(k\right)}---\left(1\right)$式中，A_ug为与不可观测流量管段相对应的基本关联矩阵子矩阵；A_kg为与可观测流量管段相对应的基本关联矩阵子矩阵；G_u为与不可观测流量值列向量；G_k为与可观测流量值列向量；Q为管网节点出流量列向量；参数上标(k)为水力工况序号，k取不同数值时，表示不同水力工况；Q^(k)分别表示水力工况序号为k时对应的G_u、G_k、Q；联立不同水力工况对应的管网流量方程，构成流量方程组；将流量列向量转化为对角矩阵形式，具体见式(2)；$G_{diag}^{\left(k\right)}=diag\left(\left[\begin{array}{c}{G}_k^{\left(k\right)}\\ G_u^{\left(k\right)}\end{array}\right]\right)---\left(2\right)$式中，为管网各管段流量值对角矩阵；其中，每个元素与流量列向量中的每个元素一一对应；diag(·)为将列向量转化为对角矩阵的矩阵函数；利用管网能量方程表达管网阻力数、节点压力和管段流量间的关系；针对m个水力工况，以各管段阻力数和不可观测节点压力为未知量的方程组，构成管网能量方程组；管网能量方程组如公式(3)所示：$\left[\begin{array}{cccccc}abs\left(G_{diag}^{\left(1\right)}\right)\·G_{diag}^{\left(1\right)}& -A_{up}^T& O& ...& ...& O\\ abs\left(G_{diag}^{\left(2\right)}\right)\·G_{diag}^{\left(2\right)}& O& -A_{up}^T& O& ...& O\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ \·& \·& \·& \·& \·& \·\\ abs\left(G_{diag}^{\left(m\right)}\right)\·G_{diag}^{\left(m\right)}& O& ...& ...& O& -A_{up}^T\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}S\\ P_u^{\left(1\right)}\\ P_u^{\left(2\right)}\\ \·\\ \·\\ P_u^{\left(m\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{A}_{kp}^T{P}_k^{\left(1\right)}-A^{T}Z-{\mathrm{DH}}^{\left(1\right)}\\ A_{kp}^T{P}_k^{\left(2\right)}-A^{T}Z-{\mathrm{DH}}^{\left(2\right)}\\ \·\\ \·\\ A_{kp}^T{P}_k^{\left(m\right)}-A^{T}Z-{\mathrm{DH}}^{\left(m\right)}\end{array}\right]---\left(3\right)$式中，A为管网基本关联矩阵，A_up为不可观测压力节点所对应的基本关联矩阵子矩阵，A_kp为可观测压力节点所对应的基本关联矩阵子矩阵；S为管网各个管段阻力数列向量；P_u为不可观测压力节点压力值列向量，P_k为可观测压力节点压力值列向量；Z为节点标高列向量；DH为管段包含水泵扬程列向量；abs(·)为变量绝对值函数；参数上标(1)，(2)，…，(m)表示该参数为对应水力工况下的参数；步骤3、采集多工况下的节点压力和管段流量观测数据；步骤4、将一定数目的水力工况条件下采集的管段流量观测值代入式(1)，求解其对应方程组的广义逆解，以该解作为各对应水力工况不可观测管段的流量值，依据所得到的流量值确定各个管段中的流量方向，将前述表达管网拓扑结构的无向图补充为可表达流量方向有向图；步骤5、将不同水力工况条件下可采集的节点压力观测值以及步骤4的得到的管段流量值及流量方向代入式(3)，求解其对应方程组的广义逆解，从该解中提取出各个管段阻力数；将管段阻力数数值赋予前述有向图，完成管网水力模型构建；步骤6、管网水力模型构建完成后，利用管网运行参数观测数据中其他水力工况条件下的管网运行参数观测数据，将观测值与依据水力模型计算值进行比对；如果其间总体偏差小于设定值ε，认为步骤5中所构建水力模型可以满足水力工况分析需要；否则，利用其他水力工况观测数据重复步骤3‑5，直至得到满足管网分析需要的管网水力模型。