（农业水土工程专业论文）城镇供水管网模拟与监控模型研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑i 垦盔些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 王坪签字日期：细年莎月右日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑墨鱼盔些盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇垦盔些本堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： i 平 导师签名： 签字日期：如f 年6 月留e t 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 月否日 摘要 1 1 1 1 1111 11 1 1i i1 1 1 11 111i y 18 9 7 4 6 7 随着社会生产力的提高，人口的不断增加，以及人民生活水平的不断改善，城镇 化的速度和规模也越来越快，使得城镇用水量不断的递增。城市供水管网是城镇基础 设施的重要组成部分。供水管网运行的安全性直接影响到城镇供水安全性，也影响着 城市的社会和经济发展。因此，建立和完善供水管网安全与管理体系，实现城市供水 管网实时监控及模拟，是提高城市供水企业现代化管理、降低供水成本、提高经济效 益的必由之路。对供水管网系统进行统一监控、合理布局、合理优化和管理，来达到 节约能源和保证安全供水的目的，对提高供水系统的经济效益和社会效益有着重要的 意义。本文主要分为两个部分：供水管网摩阻系数c 值的反演，并通过实验加以验 证；回归模型的三种模拟方法在实际管网中的应用，并得出基于支持向量机的的算法 最准确。 1 介绍了混合粒子群优化( h p s o ) 算法的基本原理以及实现，给出基于h p s o 算 法的摩阻系数反演方法。 2 以一个实际的2 5 m x 2 5 m 的微型简化管网为基础，对摩阻系数的反演和节点 水压值的计算加以验证。 3 对某管网的宏观回归模型进行模拟，首先以管网中各节点一天的流量随时间变 化情况为基础数据。分别采用基于最小二乘法、b p 神经网络、支持向量机的方法对 这个实际管网的基础数据进行模拟。经过分析比较得出：基于支持向量机的模拟方法 能更好的模拟管网的运行状态。 关键词：供水管网；h p s o ；模型；最小二乘法；b p 神经网络；支持向量机 t h es t u d yo nu r b a nw a t e rs u p p l yn e t w o r ks i m u l a t i o na n dm o n i t o r i n gm o d e a u t l l o r = w a n gy a n g s u p e r v i s o r ：q i ez h i h o n g m a j o r ：w a t e rr e s o u r c e sa n dh y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g a b s t r a e t w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es o c i a l p r o d u c t i v i t y , t h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h e p o p u l a t i o no fl i v i n gs t a n d a r d s ，t h es p e e da n ds c a l eo fu r b a n i z a t i o na l s ob e c o m e sf a s t e ra n d f a s t e r , m a k et h ec o n t i n u o u si n c r e a s eo fu r b a nw a t e rc o n s u m p t i o n t h ep i p en e t w o r ko f c i t y sw a t e rs u p p l yi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ei n f r a s t r u c t u r e n o to n l yt h es e c u r i t yo fw a t e r s u p p l yp i p en e t w o r kd i r e c t l ya f f e c t st h es e c u r i t yo fc i t yw a t e rs u p p l y , b u ta l s oa f f e c t st h e c i t y ss o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t h ee s t a b l i s h m e n ta n di m p r o v e m e n to f w a t e rs u p p l yn e t w o r ks e c u r i t ya n dm a n a g e m e n ts y s t e m ，r e a l t i m em o n i t o r i n go fu r b a n w a t e rs u p p l yn e t w o r ka n ds i m u l a t i o n ，i m p r o v i n gt h em o d e me n t e r p r i s em a n a g e m e n to f u r b a nw a t e rs u p p l y , r e d u c i n gs u p p l yc o s t si st h eo n l yw a yt oi n c r e a s ee c o n o m i ce f f i c i e n c y e x p l o r i n gh o w t om a k eau n i f i e dw a t e rs u p p l ys y s t e mf o rm o n i t o r i n g ，r a t i o n a ld i s t r i b u t i o n ， o p t i m i z ea n dm a n a g e ，t oc o n s e r v ee n e r g ya n dt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fe n s u r i n gs a f ew a t e r s u p p l y , w a t e rs u p p l ys y s t e m st oi m p r o v et h ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sa r eag r e a t s i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ei sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r ki n v e r s i o no ft h e f r i c t i o nf a c t o rc ，a c c o r d i n gt ot h en e t w o r ko ft h em i c r o s c o p i cm o d e lt ov e i l f y ；t h r e e s i m u l a t i o nw a y s c o m p a r i s o na m o n gt h ea c t u a lp i p en e t w o r k ；e s t a b l i s h m e n tt h es i m u l a t i o n m o d e li sb a s e do ns v m a l g o r i t h m 1 i n t r o d u c e dt h eh y b r i dp a r t i c l es w a r l t lo p t i m i z a t i o n ( h p s o ) a l g o r i t h m st h eb a s i c p r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o n a n dt h e ni tg i v e sb a s e do nh p s oa l g o r i t h mi n v e r s i o np r o c e s so f t h ef r i c t i o nf a c t o r , a n dt h en o d ep r e s s u r em e t h o dc a l c u l a t e sp r e s s u r ev a l u e so f e a c hn o d e 2 b a s e do nt h en e t w o r ko far e a lm i n i a t u r e2 5 m 2 5 ms i m p l i f yv e r i f i e st h er e s u l t s o fi n v e r s i o no ff r i c t i o nf a c t o ra n dt h en o d ew a t e rp r e s s u r e sc a l c u l a t i o n ，a n da c h i e v e st h e d e s i r e 3 s i m u l a t i n gt ot h ea c t u a lp i p en e t w o r ko far e g i o n a lm a c r or e g r e s s i o nm o d e l ，f i r s to f a l lt h eb a s i so fo n e d a y o fe a c hn o d ei nt h en e t w o r k sb a s e d - d a t ac h a n g e sb e t w e e nt i m ea n d f l o w i n d i v i d u a l l yi n t r o d u c et ob a s e do nl e a s ts q u a r e sm e t h o d ，b pn e u r a ln e t w o r k s ，s u p p o r t v e c t o rm a c h i n em e t h o ds i m u l a t et h eb a s i sd a t ao ft h ea c t u a lp i p en e t w o r k t h es i m u l a t i o n m e t h o d sb a s e do ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n et os i m u l a t et h eo p e r a t i o n a ls t a t u so ft h en e t w o r k b e t t e rt h a no t h e r s k e yw o r d s ：s u p p l yw a t e rn e t w o r k ；h p s o ；m o d e l ；l e a s ts q u a r em e t h o d ；b pn e u r a ln e t w o r k ； s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e s 目录 1 弓l 言1 1 1 论文研究背景及意义l 1 2 研究现状及问题l 1 2 1 我国供水系统管理现状l 1 2 2 国内外管网监测的研究现状3 1 3 本文的主要研究过程_ 4 1 4 本文的研究目标4 2 管网模型摩阻系数的反分析6 2 1 基于h p s o 算法的摩阻系数反演6 2 1 1h p s o 算法原理以及实现。6 2 1 2 基于h p s o 算法的摩阻系数反演流程7 2 2 管网的水力计算o 8 2 2 1 水力计算方法8 2 2 2 节点方程9 2 2 3 回路方程9 2 2 4 压降方程9 3 供水管网水力参数反演模型1 0 3 1 管网的信息收集1 0 3 1 1 管网静态信息。l o 3 1 2 管网动态信息一l o 3 2 实例1 1 3 2 1 管网建模的意义：l1 3 2 2 供水管网系统的简化1 2 3 2 3 非管道特性系统组件的处理一1 2 3 3 室内管网模型1 4 3 3 1 模型求解与分析1 4 3 3 2 监测数据的归一化处理1 5 3 3 3 目标函数1 5 3 4 摩阻系数的反演j 1 5 3 5 小结1 7 4 供水管网水力监测的宏观模耙1 9 4 1 宏观模型及其在管网中的应用1 9 4 1 1 概述19 4 1 2 同归模型19 4 1 3 回归模型在管网中的应刚。1 9 4 2 实际管网的模拟模型1 9 4 2 1 管网模型的选取1 9 4 2 2 节点流量监测2 0 4 3 三种模拟方法的分析2l 4 3 1 基于最小二乘法的监测模型2 1 4 3 2 基于b p 神经网络的监测模型2 4 4 3 3 基于支持向量机( s v m ) 的监测点模拟2 7 4 3 4 小结3 0 5 结论与建议3 1 5 1 结论3l 5 2 建议31 参考文献3 3 翌i 【谢一3 6 城镇供水管网模拟! j 监控模型研究 1 1 论文研究背景及意义 1 引言 供水管网系统是一个城镇的重要基础设施，是宇十会经济发展和人民生活的重要保障，在经济 建设中发挥着重要的作用。随着社会生产力的提高，人口的不断增加，以及人氏生活水平的不断 改善，人们对供水系统的要求也越来越高；供水系统的规模不断扩大，复杂性也随之提高。对于 城市来说，供水企业是耗能人户，平均电耗鼙i ! i 制水成本的2 0 3 0 ，而传统的经验调度方式 能耗浪费甚大，己不能适应现代社会的发展需要。此外，管道材质、管道接口质量、防腐老化问 题、管道施上质量、管道运行管理不当等其他原冈也会造成管网的漏火消耗。如果对模型进行t 况模拟，就能了解各种下况下各用水户的的川水情况，进而为以后各川水户的事故 ：况提供数据 支持，而且能使供水系统在满足供水要求的前提下运行更为合理。 供水系统经过模拟、优化后就可以安全可靠地将符合水乐和水质要求的水送往每个用户，并 最大限度地降低供水系统的运行成本。如何实现供水系统的安全监测一直是城市供水行业重要的 研究课题。供水系统的监测模拟分为三个发展阶段：人工经验模拟、计算机辅助优化监测、全自 动优化实时监控与分析。实行用水户水压流量的控制、白动化和智能化管网实时监测系统与供水 企业管理系统的一体化是供水监控问题的发展方向拉西1 。二十世纪科学技术的不断发展有力地促进 了大型系统的监控模拟和管理水平的提高，国外很多城市已实现了供水系统的计算机监控模拟的 调度管理；我国很多城市已设有城市管网监控、采集系统( s c a d a 系统) 和城市供水管网地理信 息系统( g i s 系统) ，进行了计算机辅助优化监控管理的尝试。 因此，建立和完善供水管网安全管理体系，实现城市供水管网实时监控，是提高城市供水企 业现代化管理、降低供水成本、提高经济效益的必由之路。城市供水管网问题作为城市供水中一 个频繁发生的不安全因素，目前的对策是只有在事故发生后进行抢修。在事故发生到发现再到抢 修结束，这个过程给生产生活都带来极大的不便，另外还会给供水企业带来一定的经济效益和社 会效益上的损失。所以说，建立城镇供水管网监控系统对供水管网具有很强的现实意义。 1 2 研究现状及问题 1 2 1 我国供水系统管理现状 从1 8 8 1 年在中国旅顺铺设第一根供水管道至今我国的供水管道已有百余年的历史，目前在 我国九百六十万平方公里的土地上，仅在城市就已经埋设了2 0 余万公里的供水管线。近些年来， 尽管根据城镇发展需要改扩和新建了许多供水管线，但仍存在为数不少的应当退役的管线在运行 中。由于供水设施陈旧、技术水平较低、管理体制不完善等诸多原因使我国城市供水漏损现象严 重哺1 。目前我国城市供水行业存在的问题主要有： 1 供水量不足 根据最新资料显示，我国水资源总量为2 8 1 2 4 亿m 3 ，河川多年平均径流量为2 6 2 1 0 1 2 m 3 ， 位居世界第六位。但是由于人口众多，我国人均占有水资源鹫仅为2 3 9 2 m 3 a ，约为世界人均i i 有 量的1 4 ，是美国的1 5 ，加拿大的1 5 0 ，居世界第l l o 位，被列入世界1 3 个贫水国家名单1 。 】 河北农业人学硕十学位( 毕业) 论文 加之我国水资源主要米源- 丁降水，而降水遭受人气环流，海陆位置以及地形、地势等冈素的影响， 在地区分布上很不均匀，总体格局是南方多，北方少，东南多，两北少。在时间分布上更显不平 衡，人多数降水集中于夏季7 ，8 ，9 三个月份。我国两北、华北以及某些沿海地区受水资源缺乏 的影响，使这些地区的国吣经济发展受剑严重的制约。 根据统计，2 0 0 6 年在我国的6 6 6 个城市中，有3 3 0 个不同科度缺水，其中严重缺水的达1 0 8 个；在3 2 个白万人口以上的特人城市中，有3 0 个城市k 期受缺水的困扰。在我国经济比较发达 的城市，水的供需矛盾尤为突山。在国家大力提倡“开源：1 了流并重，资源合理配置”的方针指引 下，全国各级政府主管部门的重视和全民节水意识加强，每年已肖约川水2 6 亿吨，但全国城市 日缺水量仍在1 6 0 0 万吨以上。据报道，由丁供水不足，城市j ：业每年的经济损失达剑2 3 0 0 亿元。 缺水的同时给城市居民生活造成了许多凼难和不便，成为城市社会的一种隐患，关系剑社会的稳 出盯i 匕 o 2 水源污染的日益严重 最近十儿年来，全国水污染早发展趋势，丁：业发达地区水域污染尤为严重。我国8 0 的水域、 4 5 的地卜水受到污染和9 0 以上的城市水源严重污染。据对7 人水系和内陆河流的l1 0 个重点河 段统计，符合“地面水环境质量标准”i ，i i 类水体的占3 2 ，i i i 类的占2 9 n , 6 ，其它的占3 9 0 , 6 。与 此同时，城市内及其附近的湖泊己普遍严重富营养化。此外，全国以地下水源为主的城市，地下 水几乎全部受到不同程度的污染。水源污染不但影响剑人们的健康和一r 农业生产，而且使有限的 水资源遭到破坏，对城市供水造成严重危害。 3 漏失率大 水厂和管网随着时间的不断改扩建，会导致漏损水量的与日增剧。如果单从平均损失率上来 看，我国的输配水管道远比发达国家短，即漏水几率远比发达国家低。因此若按单位长度( 或单 位管道表面积) 单位时间内的的漏失率统计，我国的漏失率则为它们的5 1 0 倍口1 。根据2 0 0 4 年城 市供水统计年鉴，我国5 6 1 个城市的漏失率平均为1 3 ， 5 4 9 个城市的单位管长漏失率平均为 3 2 m 3 k m h 。 4 建设资金短缺 现在随着我国改革开放的不断深入，经济建设的迅速发展，人民生活水平的不断提高，城市 用水需求量大幅度增加。为满足这种增长的需要，水厂建设规模就越来越大，引水距离越来越远。 目前，我国城市的市政工程设施仍处于滞后状态。供水工程是一项系统工程，一般工程量大，施 工复杂，建设周期长，相对投资比较大，而且长期以来一直未能把供水行业当成企业，给人以“城 市自来水是社会福利事业”的概念，使其在市场经济的机制中无力立足。造成不少城市供水行业 长期处于亏损状态，靠国家财政补贴运营，完全失去了企业的生存活力。逐渐形成了今天城市供 水工程建设重视不够、建设资金严重短缺的现状，不少城市的供水不能适应用水发展的需要哺1 。 5 管网布局不合理，负荷不均匀。 经济的迅猛发展，过快的增长速度也造成了我国供水管网系统布局和规划有欠科学的不利影 响。长期以来，管网大多凭经验运行、人为决策，使得管网系统改扩建缺乏科学依据。过分注重 管网系统的发展，而忽略供水系统的科学布局和规划；过分强调供水可靠性，致使管线连接复杂、 铺设繁琐，导致管网优化运行决策难度人。 6 供水体系管理科学性不强 2 “ 城镇供水管网模拟与：监控模型研究 我国供水行业的管理同发达国家相比较，尚在一些方面有很人的差距。当然加强管理是一项 复杂的工作，不仅受到现行给水政策的制约，而且也与现有的技术水平和运行设备关系密切。对 丁我国这样的发展中国家来肓，实行刚水科学管理、节约用水，更是解决水资源短缺刻不容缓的 _ j ：作。 供水管网普遍具有以下特点：复杂性，供水管网年代久远、错综复杂；随意性，城市建设不 断得改造和扩建管网，使得管网的铺设具有极强的随意性、隐敝性；管网理入地卜，年深日久， 无法直观地判断和分析都造成了维护、维修的不可预见性和急迫性。现在，我国的城市h j 水管理 状况基本上仍处丁强化管理阶段。迫切需要转向科学化的管理体制、管理机构、政策机构、政策 法规、管理技术手段、基础i ：作、研究 ：作等等。人们对城市水资源的价值观念等都不能完全适 应节约用水+ i ：作发展的要求。 建立合理的供水管网监控体制是促进城市水资源合理开发利刖的基本、有效、简便的途径。 同时，要考虑应用采川新的技术和方法米提高供水管网的运作水平，改善供水系统服务质量并提 高管网自身运作效率，向着自动化、科学化、实用化发展。加快供水管网的微机化管理；建立合 理、科学的管理信息系统；模拟出切实可行的控制漏损的监控预测模型。这样对丁提前改造和扩 建 ：程及供水管网的安全可靠性是十分必要的，不仅可以加强管理科学性，而且对丁管理者而言 可以更加清楚的进行管理。 1 2 2 国内外管网监测的研究现状 一 在管网事故规律和预测模拟模型方面，国外已有不少研究成果。m a k a r ，j m 提出铸铁管的 破坏模式，并分析了其破坏的过程，提出了通过非破坏性测试能够消除处于破坏过程的管道； g e n e v i e v ep e l l e t i e r 、a l a i nm a i lh o t 和j e a n p i v i l l e n e u v e 提出了利用生存分析法进行爆管分析； s h a m i r 和h o w a r d 利用回归分析得出爆管次数与管龄的指数关系，建立了确定性统计爆管预测模 型。r a j a n i ，z h a n 和k u r a o k a 建立的管道和土壤作用分析模型，用来计算管道内外压力和温度变 化造成的纵向影响。 近年来，国内也有一些研究成果。天津大学郑毅博+ 应用g i s 技术建立供水管网事故状态调 度决策支持系统；赵乱成则通过管道破坏的资料和实例对爆管事故的成冈进行分析研究，并提出 了对策；何芳、刘遂庆等学者分析管网事故产生的原因，总结突发事故的规律，提出的管网流量 与水压关系的预测模型协1 4 ，。 我国自8 0 年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，同时引进了成套的水厂 现代化监控仪表与设备。目前，g i s 在国内供水系统中的应用集中在输配水管网的日常管理中， 如上海、深圳、唐山等城市。天津大学环境工程系也曾根据供水企业的要求，先后以北京大学的 c i t y s t a r 和中国地质大学( 武汉) 的m a p g i s 为软件开发平台，建立了城市供水管网模拟预测系统， 实现了供水管网图形数据和属性数据的计算机录入、修改；对管线及各种设施进行属性查询、空 间定位以及定性、定量的统计、分析；对各类图形( 包括管线的横断面图和纵断面图) 及统计分析 报表显示和输出；除此之外，还为爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方案及相关信息，从而 基本实现了供水管网基础数据的信息化管理。 在管网模型模拟方面，r e d d y 等人在1 9 9 6 年提山了状态估计的w l s 模型，它是目前较为成 3 河北农业人学硕f ：学位( 毕业) 论文 熟的理论模型，采州高斯牛顿法进行求解，计算过程稳定、效果良好。国内率先由杨钦、陈霖庆 提出灵敏系数的概念，刚以求解最小二乘模型； 函数，刚变量轮换法求解收敛速度较慢的问题， 1 3 本文的主要研究过程 路琦提出以被估计量的相对调整量平方和为目标 等等。 1 4 本文的研究目标 管网监测模型是管网监控体系的基础和前提，它的准确度直接影响到监控运行的可靠性及实 用性。数据采集工作是通过程序进行的采集与模拟，更接近实际情况。建立与实际系统的微观特 征相吻合的模型是科学地进行供水监控体系的保证，即进行模拟计算时通过加部分噪声计算出指 定点的水压及流量值，进一步得到整个管网的水力状态数据，继而建立能够详细反映整个给水管 网结构及信息的供水系统网络模拟模型。本文通过以上大量的数据建立了一个简化的城镇管网用 水模型。 本文的第二个环节就是对实验模裂的状态模拟度进行分析。首先，通过三种模拟方法在某地 区实际管网中的应用，得出支持向量机算法是最适合本文所建的管网模型。然后得出：采用基于 支持向量机的模型对于管网监测点的模拟效果最优。 最后再对发生模拟情况进行总结与分析，得出一系列较为完善的模拟定位理论。并通过水压、 流量的时刻变化，对数据进行定性和定量的分析。这一切最终的目的也就是使这种模型在满足系 统约束的前提下，运行费刚减少到最小，使供水系统更加的健康稳定。 本课题研究要求达到以下目标： 1 基于t t p s o 算法对摩阻系数进行反演，反复修改使得以此为基础的预测1 ：况与计算i ：况下 的水压值误差不人，使得摩阻系数最合适。 4 城镇供水管网模拟与监控模型研究 2 通过对管网模型实例的验证，进一步说明反演方法的可行性。 3 针对建立的实际管网，也根据模拟的各1 了点流苗数据，得出基丁由支持向量机算法的同i 门 模犁具有最好的监测效果，比最小二二乘法和b p 神经网络方法更具有可信度。 5 河北农、业人学硕十学位( 毕业) 论文 2 管网模型摩阻系数的反分析 2 1 基于h p s o 算法的摩阻系数反演 供水管网的水力模犁可川丁管网规划、调皮以及管道改扩建l ：科的模拟运行，模型的精确与 否直接关系到与实际管网水力运行状态的拟合程度。冈此，合适的管网模拟也是建立管网模型的 一个很关键的步骤。影响管网模卫4 准确性的参数有：管径、管长、阀i j 开启状况、一1 了点流量、摩 阻系数、管网简化程度等。其中，1 了点流量、摩阻系数的确定人为冈素干预较人，冈此人们往往 希望通过调整这两个参数米达剑校l l ：模型的目的，但随着管网基本数据的日趋完善，一1 了点流量的 估计趋于准确，摩阻系数的校正就成为研究的重点。本章就是以胯阻系数c 的反演和校止为目的 进行计算的。 2 1 1h p s o 算法原理以及实现 混合粒子群模型( h p s o ) 是将基本的粒子群算法( p s o ) 和l 选择机制相结合而得到的。h p s o 模 型的原理是将每次迭代产生的新的粒予群根据适应函数进行选择，j h j 适应度较高的一半粒子的位 置和速度欠量取代适应度较低的一半粒子的相应欠量，而保持后者个体极值不变。这样的h p s o 模型在提高收敛速度的同畴保证了一定的全局搜索能力。 l o v b j e r g ，r a s m u w s e n 和硒i l l 【于2 0 0 0 年提出将进化算法( 遗传算法) 中的交义操作引入h p s o 模型。交叉机制首先以一定的交叉概率从所有粒子中选择待交叉的粒子，然后两两随机组合进行 交义操作产生后代粒子n 引。 h p s o 算法首先生成一个随机微粒群( 随机解) ，每个微粒在其多维解空间中飞行( 寻优) ，飞 行速度根据其自身的和其它微粒的飞行状况及经验进行动态调整。设在d 维空间中有n 个微粒， 经历的历史最好位置为气。 子代粒子的位置和速度矢量如下所示： i ( f + 1 ) = 多i o ) + ( 1 0 一声) i o ) ( 1 ) j i 2 0 + 1 ) = 芦x 2 ( t ) + ( 1 0 一声) x 2 ( t ) ( 2 ) 其中i ( f ) 和x 2 ( t ) 分别是d 维的两个父代的位置向量；i o + 1 ) 和五( t + 1 ) 分别是d 维的两个子 代的位置向量；多是d 维均匀分布的随机数向量，芦的每个分量都在【o ，l 】取值。 访( f + 1 ) = f v i l ( ；t 丽) + v 2 ( t ) 。l e ( f ) i ( 3 ) 砭( f + 1 ) 2 网v l ( t ) + v 2 ( t ) 恤) i ( 4 ) 其中蟊( f ) 和v 2 ( t ) 分别是d 维的两个父代的位置向量；e ( f + 1 ) 和v 2 ( t + 1 ) 分别是d 维的两个子 代的速度向量。 每一个微粒都有与优化目标函数脚相对应的适应值，一般以优化函数作为适应值函 数。整个种群中微粒所经历过的具有最好适应值的位置为： 城镇供水管网模拟与j | 矗控模型研究 = ( g i ，9 2 ，g d ) 函数： ( 。，) = m i n 厂( f ) ) 幔( f ) ) ，( ( f ) ) ) ( 5 ) 表示侧的全局最优解。此外，微粒的速度巧铍一个最人速度。所限制。如果当前对微粒的 加速导致它在某维的速度m d 超过该维的最人速度。d ，则该维的速度被限制为该维最人速度 。d 。h p s o 算法迭代终i 卜条件一般为最人迭代次数或微粒群迄今为j 卜搜索到的最优位置的适 鹿值，满足预定的最小适应度阂值。由丁所有微粒都根据臼身经验和群体经验不断向最优解的方 向靠近，当所有微粒趋向同一点时，即认为达剑了最优位置| - “。 2 1 2 基于h p s o 算法的摩阻系数反演流程 ( 1 ) 将摩阻系数c 随机初始化，结果作为第一代粒子群的起始位置誓。 ( 2 ) 给定实际管网监测1 ，点水压初值乓0 ( i = l ，2 ，聊) ，并将薯。代入海曾一威廉斯 ( h a z e n w i l l i a m s ) 公式： g ：竺坚笔鲨堂撕，j 毫，棚) 邛) g = 恙r 上l ，( i ，= 1 ，2 ，腕) ( 6 ) 勺 列出各管段流量q 与管端节点水压e 之间的关系式，其中，管段水头损失红，= e e ，i ， j 为节点编号，m 为管网节点数，z 、d 分别为管长( m ) ，管径( m ) 。 ( 3 ) 由节点流量连续性方程得山 z = o i c q + q ，( 江1 ，2 ，朋) ( 7 ) e 算t f , ( f = l ，2 ，m ) ，若所有节点i 均有iz o l ( 为所需精度) ，则耳o 为所求； 否则，令迭代次数k 乍k + 1 ，做下一步； ( z 为节点i 处的流量闭合差，q 为流出：肖点i 的 流量，q 为流入节点i 的流量，吼为节点流量) ( 4 ) 由式( 6 ) 、( 7 ) 顺序求解可以依次得出水头的每一个校正值叫”( f = l ，2 ，朋) ，并求出局 新的近似值譬“d = 譬”+ 叫，( f = 1 ，2 ，研) 。 羞= 口蒿肾耵撕：l ，2 川 毒2 - a & r l e , 吲m 加劫删 盟：0 a e j ，= ( 厶) 。= 甄 o e t 鲠 瑟t 讥 o e , 甄 a e 、 识 a e 、 弧 o e ， ( 节点f 与，不相邻) ( 8 ) 7 盟晖盟氓；盟峨 河北农业人学硕十学位( 毕业) 论文 a e 。a ) 石似 爿 ： i ：；! ：、 0 0 ) ( 5 ) 由公式( 1 ) 和( 2 ) 就可以计算得知f ”即为所求解，否则令k 仁k + 1 ，返同步骤( 4 ) 继续。 ( 6 ) 将管网模型实际监测的1 了点水压值e da = 1 ，2 ，研) 与计算水压巨之著作为适应值，并 评价其适廊度。若满足i 巨。一ei 0 是一个常数，它控制对错分 样本惩罚的程度。广义最优分类面的对偶问题与线性可分情况下几乎完全相同，只是将第二个条 件式变为：0 口，c ，( f = 1 ，2 ，行) 2 非线性支持向量机 对于n 维空间中的线性函数，其v c 维为n + i ，在i 缈l a 的约束下其v c 维可能大大减小， 即使在十分高维的空间中也可以得到较小v c 维的函数集，以保证有较好的推广性。同时我们看 到，通过把原问题转化为对偶问题，计算的复杂度不再取决于空间维数，而是取决于样本数，尤 其是样本中的支持向鼙数。但是注意到，在上面的对偶问题中，不论是寻优函数还是分类函数都 只涉及训练样本之间的内积运算( x i 掌x i ) 。这样，在高维空间实际上只需进行内积运算，而这种内， 积运算是可以_ h j 原空间中的函数实现的，我们甚至没有必要知道变换的形式根据泛函的有关理 2 9 河北农业人学硕十学位( 毕业) 论文 论，只要一种核函数k ( x i ，x j ) 满足m e r c e r 条件，它就对戍某一变换空间中的内积。闪此，在最 优分类面中采川适当的内积函数k ( x i ，x j ) 就可以实现某一1 卜线性变换后的线性分类，而计算复杂 度却没有增加，此时目标 函数变为：q ( 甜) = q 一去口，a j y ，y j k ( x j ，x ) ，而相对麻的复杂性的分类函数也变为： i = l 二f = l r 。1 厂( x ) = s g n a t ；y , k ( x f 石) + 矿 ，这就是支持向量机。概括地说，支持向鬣机就是首先通 li = 1j 过j | j 内积函数定义的1 卜线性变换将输入空间变换到一个高维空间，在这个空间中求( j “义) 最优分 类面s v m 分类形式上类似一个神经网络，输 l j 是中间1 ，点的线性组合，中问1 ，点对应支持向鲑， 如图4 1 5 所示 一 ， 一 图4 1 4 知识向量机示意图 f i 9 4 1 4k n o w l e d g ev e c t o rd i a g r a m s v m 方法是通过一个非线性映射p ，把样本空间映射到一个高维乃至无穷维的特征空间中 ( h i l b e r t 空间) ，使得在原来的样本空间中非线性可分的问题转化为在特征空间中的线性可分的问 题。 简单地说，就是升维和线性化。升维，就是把样本向高维空间做映射，一般情况下这会增加 计算的复杂性，甚至会引起“维数灾难”，因而人们很少问津。但是作为分类、同归等问题来说， 很可能在低维样本空间无法线性处理的样本集，在高维特征空间中却可以通过一个线性超平面实 现线性划分( 或同归) 。一般的升维都会带来计算的复杂化，s v m 方法巧妙地解决了这个难题： 应用核函数的展开定理，就不需要知道非线性映射的显式表达式；由于是在高维特征空间中建立 线性学习机，所以与线性模犁相比，不但儿乎不增加计算的复杂性，而且在某种程度上避免了“维 数灾难”。这一切要归功于核函数的展开和计算理论1 3 8 。4 3 1 。 下面采用知识向量机原理来介绍3 、l o 、1 2 节点流量与时间的变化问题。s v m 训练时把三 个节点的数据作为三维一组数进行运算，得到由预测值训练后的计算值，见图4 1 5 ，4 1 6 ，4 1 7 。 3 0 图4 1 53 节点的流量与时间关系图 f i 酣15 3 n o d et i m ea n d t h ef l o wd i a g r a m 图4 1 61 0 节点的流量与时间关系图 f i 9 4 i6 10n o d et i m ea n dt h ef l o wd i a g r a m 城镇供水管网模拟! 监控模型研究 图4 1 71 2 节点的流量与时间关系图 f i 9 4 1 7 1 2n o d et i m ea n dt h ef i o wd i a g r a m 上图中，x 轴为3 、1 0 、1 2 节点依次对应的2 4 小时的各时刻，y 轴为流量( 1 。s ) 。 由此可以看山，三个节点流量的预测值和计算值拟合的比较紧密，只是在个别的+ 1 y 点出现波 动。说明训练样本经过知识向量机的训练后基本能达到预期的目标。 表4 3 各节点预测结果的比较 4 3 4 小结 t a b 4 3 c o m p a r i s o no fp r e d i c t e dr e s u l t so fe a c hn o d e 通过上述三种方法的比较，可以得出：运用支持向量机得出3 、1 0 、1 2 节点的平均绝对误差 和均方误差分别为0 9 2 3 、1 2 7 1 和1 4 4 6 、1 4 2 7 以及1 5 3 1 、1 4 1 6 是三种优化方法中误差值最小 的。说明在采用同等：讧点流量数据的情况下，s v m 方法通过对数据的训练，能达到最好的各时 间点与对应流量的拟合。而且在流量变化范围内波动最小，最适合本次管网模拟监测优化的要求。 3 1 河北农业人学硕十学位( 毕业) 论文 5 1 结论 5 结论与建议 本文以城市供水管网的监测和模型的模拟研究为目标，在某地区实际管网以及管网微观实验 模硝的基础上，提出并建立了模拟管网运行的水力状态模拟模型。在某地区实际管网的模拟过程 中，采川最小二乘法、b p 神经网络、支持向量机的方法进行模拟。最后选取支持向鼙机来进行 更深入的模拟与研究。_ 并得出了管网监测模型。通过本文的i ：作，实现了预定的目标，得剑主要 结论如下： ( 1 ) 基于h p s o 算法的摩阻系数反演，在管网水力计算机模掣模拟的基础上进行了验证，= f ：达 到预期的结果。 ( 2 ) 采用基于m a t l a b 运行的最小二乘法，以各b e a u 的监测值为初始数据，得出运算流量计算 值的基本公式，最后求出不同监测点流量的监测值和计算值的对应关系；采川基于m a t l a b 而编写 的b p 神经网络，也能首先根据优化出的监测值和相对应的各时刻，以0 0 0 1 的精度为最终迭代误 差，画山两者的曲线，并得到每一个监测点的收敛曲线；采川基于m a t l a b 而编写的知识向龉机时， 把三个监测：肖点( 3 、1