（环境工程专业论文）给水管网故障点定位的研究.pdf

摘要本课题以城市供水管网的爆管定位为核心研究内容，在针对该问题的研究过程中，进行了供水管网的爆管模拟试验，并建立了爆管检测定位的神经网络模型。以期达到故障点的快速定位。首先，作者从国内供水管网爆管定位的方法及影响因素出发，对现有的爆管定位方法作了简单介绍，指出了其存在的问题，并针对我国管网的实际状况，提出了基于神经网络的爆管定位思想。其次，在实验室模拟管网故障中，本文进行了基于压力分布的监测点布置。先计算出了水量极值矩阵，再根据标准化方法对矩阵进行了标准化，得到了模糊相似矩阵，最后使用编网法得到了模糊等价矩阵。实现了所有节点的分类。再次，对于试验得到的数据，运用神经网络对数据进行处理，并对虚拟爆管事件进行预测。将“某点爆管”与实时运行工况的隐含关系映射出来。然后将实时运行的工况进行加噪处理，输入已训练好的神经网络中，试验神经网络的正确性。最后，编制了管网故障点定位的软件。实现了神经网络计算，手动预测，参数修改，系统设置等功能，并且可以实现在线监测和人工监测的切换。对于其他的神经网络，为了能使本软件具有广泛性，还设置了对于其他神经网络的预测功能，并用一组数据进行了处理，结果令人满意。关键词：供水管网爆管定位监测点布置神经网络故障报警软件a b s t r a c tt h i st o p i c sc o r er e s e a r c hc o n t e n tw a st h el o c a l i z a t i o no ft h ep i p ee x p l o s i o no ft h eu r b a n w a t e rs u p p l yn e t w o r k d u r i n gt h er e s e a r c hp r o c e s s ，w eh a v e d o n et h es i m u l a t i n ge x p e r i m e n to ft h ep i p ee x p l o s i o no ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k a tt h es a m et i m e ，w ee s t a b l i s h e dt h en e u t r a ln e t w o r km o d e lo ft h ed e t e c t i o na n dl o c a l i z a t i o no ft h ep i p ee x p l o s i o ni no r d e rt oa c h i e v e t h eg o a lo ft h eq u i c kl o c a l i z a t i o no ff a u l t t h ef i r s t ，t h ea u t h o rd i ds o m es i m p l ei n t r o d u c t i o no ft h en o w a d a y sl o c a l i z a t i o no ft h ep i p ee x p l o s i o na c c o r d i n gt ot h en a t i o n a lm e t h o da n di n f l u e n c i n gf a c t o ro ft h el o c a l i z a t i o no ft h ep i p ee x p l o s i o n t h ea u t h o ra l s op o i n t e do u tt h ee x i s t i n gp r o b l e ma n dp u tf o r w a r dt h et h o u g h to ft h el o c a l i z a t i o no ft h ep i p ee x p l o s i o nb a s e do nn e u t r a ln e t w o r k t h es e c o n d ，d u r i n gt h es i m u l a t i o no ft h el o c a l i z a t i o no ff a u l ti nt h el a b ，w eh a v ed o n et h el a y o u to ft h es u p e r v i s i o np o i n tb a s e do nt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n w ec a l c u l a t ew a t e rp e a km a t r i x ，t h e nw es t a n d a r d i z et h em a t r i xa c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d i z a t i o nm e t h o da n dg o tt h ef u z z ys i m i l a rm a t r i x a tl a s t ，w eu s e dm i n n o wn e tm e t h o dt oo b t a i nt h ef u z z ye q u i v a l e n c em a t r i x s ow eh a v ec l a s s i f i e da l lt h en o d a lp o i n t s t h et h i r d ，w eu s e dn e u t r a ln e tt od e a lw i t ht h ed a t at h a tw eo b t a i n e df r o mt h ee x p e r i m e n t a l s o ，w ep r e d i c t e dt h ev i r t u a lp i p ee x p l o s i o n a n d ，t h ei m p l i c a t i o nr e l a t i o no f p i p ee x p l o s i o no fa n yp o i n t ”a n dr e a l t i m eo p e r a t i o nm o d eh a db e e nr e f l e c t e d t h e n ，w ea d ds o m eb u z zi n t od a t aw h i c hw a sg o tf r o mt h er e a l t i m eo p e r a t i o nm o d e a f t e rt h a t ，w ei n p u tt h ed a t ai n t ot h en e u t r a ln e tw eh a dt r a i n e db e f o r et ov e r i f yt h ea c c u r a t eo fi t t h el a s t ，w ec o m p i l e dt h es o f t w a r eo ft h el o c a l i z a t i o no ft h ep i p ee x p l o s i o n t h ef u n c t i o n so fn e u t r a ln e tc a l c u l a t i o n ，m a n u a lp r e d i c t i o n ，m o d i f i c a t i o no fp a r a m e t e r s ，s y s t e mc o n f i g u r a t i o na n de r e h a db e e na c c o m p l i s h e d a l s o ，t h ef u n c t i o no fs w i t c h i n go n - l i n es u p e r v i s i o na n dm a n u a ls u p e r v i s i o ni sa l s ob e e nd e s i g n e d f o rt h ee x t e n s i v eu s eo ft h es o f t w a r e ，w ea l s oi n s t a l l e dt h ef u n c t i o no ft h ep r e d i c t i o no ft h eo t h e rn e u t r a ln e ta c c o r d i n gt oo t h e rn e u t r a ln e t w eh a do n eg r o u po fd a t at ot e s tt h em o d u l e ，t h er e s u l tw a ss a t i s f a c t i o n k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k ，l o c a l i z a t i o no f p i p ee x p l o s i o n ，l a y o u to f t h es u p e r v i s i o np o i n t ，n e u t r a ln e t ，s o f t w a r eo ft h el o c a l i z a t i o no ft h ep i p ee x p l o s i o n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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞盗盘堂或其它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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：到、彤签字同期：洳7 年厂月，占日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨鲞蠢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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：剖畅签字同期：d 唧年，月，6 同导师签名：专锄刁签字f i 期- h 7 钆月夕同第一章绪论第一章绪论1 1 课题的提出及研究意义1 1 1 水资源现状地球上的水，尽管数量巨大，而能直接被人们生产和生活利用的，却少得可怜。首先，海水又咸又苦，不能饮用，不能浇地，也难以用于工业。其次，地球的淡水资源仅占其总水量的2 5 ，而在这极少的淡水资源中，又有7 0 以上被冻结在南极和北极的冰盖中，加上难以利用的高山冰川和永冻积雪，有8 7 的淡水资源难以利用。人类真正能够利用的淡水资源是江河湖泊和地下水中的一部分，约占地球总水量的0 2 6 。全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡。按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果等9 个国家的淡水资源占了世界淡水资源的6 0 。约占世界人口总数4 0 的8 0 个国家和地区严重缺水。目前，全球8 0 多个国家的约1 5 亿人口面临淡水不足，其中2 6 个国家的3 亿人口完全生活在缺水状态。预计到2 0 2 5 年，全世界将有3 0 亿人口缺水，涉及的国家和地区达4 0 多个。2 1 世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题【l 】。中国水资源总量为2 8 万亿m 3 。其中地表水2 7 万亿m 3 ，地下水0 8 3 万亿m 3 ，由于地表水与地下水相互转换、互为补给，扣除两者重复计算量0 7 3 万亿m 3 ，与河川径流不重复的地下水资源量约为0 1 万亿m 3 。按照国际公认的标准，人均水资源低于3 0 0 0m 3 为轻度缺水；人均水资源低于2 0 0 0m 3 为中度缺水；人均水资源低于1 0 0 0m 3 为重度缺水；人均水资源低于5 0 0m 3 为极度缺水。中国目前有1 6 个省( 区、市) 人均水资源量( 不包括过境水) 低于严重缺水线，有6 个省、区( 宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏) 人均水资源量低于5 0 0 m 3 。【2 】我国水资源目前主要特点是：总量并不丰富，人均占有量更低。中国水资源总量居世界第六位，人均占有量为2 2 4 0m 3 ，约为世界人均的1 4 ，在世界银行连续统计的1 5 3 个国家中居第8 8 位。地区分布不均，水土资源不相匹配。长江流域及其以南地区国土面积只占全国的3 6 5 ，其水资源量占全国的8 1 ；淮河流域及其以北地区的国土面积占全国的6 3 5 ，其水资源量仅占全国水资源总量的1 9 。年内年际分配不匀，早涝灾害频繁【3 】。大部分地区年内连续四个月降水第一章绪论量占全年的7 0 以上，连续丰水或连续枯水年较为常见。水是生命之源，在外星探测中，科学家判定一个星球是否具有生命的重要依据是看是否有水的存在。水是地球上最丰富的资源，覆盖地球表面7 l 的面积，但是，人类在现有条件下可以利用的淡水资源仅占全球水资源总量的0 0 0 30 6 4 1 。本世纪以来，随着人口膨胀与工农业生产规模的迅速扩大，全球淡水用量飞快增长。从1 9 0 0 1 9 7 5 年，世界农业量增加了7 倍，工业用水量增加了2 0 倍，并且近几十年来，用水量正以每年4 一8 的速度持续增加，淡水供需矛盾日益突出，“水资源短缺”已不是神话。陆地淡水资源主要来自降雨，由于地球水资源分布在时间和空间上不均衡，使得有的国家洪灾不断，有的却干旱无雨。世界上至少有8 0 个国家属于干旱半干旱国家，约4 0 的世界人口受到同期性干旱的影响。大气变暖加剧了干旱的程序，而干旱使越来越多的人离开祖辈繁衍生息的地方，成为“环境难民”。在水资源短缺越发突出的同时，人们又在大规模污染水源，导致水质恶化。水资源污染主要来自人类所有制造排放的废水、废气和废渣。回顾历史，是水养育了人类，造就了文明。两河流域兴起了古巴比伦文明，尼罗河创造了古埃及文明，黄河是中华文明的发源地，海洋使古希腊文明一度辉煌。但今天，水却成为人类生存的障碍。1 9 7 7 年，联合国警告全世界：“水不久将成为一项严重的社会危机，石油危机之后的下一个危机是水”。【6 】1 1 2 爆管事故的危害及研究意义世界城市发展的一般规律表明，人均g d p 超过1 0 0 0 美元时，城市化进程进入成长期，当人均g d p 超过3 0 0 0 美元时，城市化进程进入高速成长期。一个国家和地区的人均g d p 处于1 0 0 0 美元一3 0 0 0 美元的发展阶段时，就进入“非稳定状态的危机频发期【l 】。进入新世纪以来，我国的人均g d p 突破1 0 0 0 美元，相当数量的大城市人均g d p 已经达到或超过3 0 0 0 美元，这标志着我国城市进入快速建设期和发展期，我国大中城市也同时迈入了“非稳定状态”的危机频发期。据统计，2 0 世纪九十年代的中国，各类灾害损失占到全球损失的近1 4 ，而其中有近8 0 发生在城市及其社区中【7 】。城市安全是指城市在生态环境、经济、社会、文化、人身健康、资源供给等方面保持的一种动态稳定与协调状态，以及对自然灾害和社会与经济异常或突发事件干扰的一种抵御能力。中国城市“十一五”核心问题研究报告指出，“十一五”时期，我国将进入突发性事件高发期，尤以城市安全问题最为突出。在此时期，我国城市基础设施建设的重点将转向环境与生态安全，高度重视城市基础设施的安全功能，在继续完善水、电、气等服务设施的安全保障的同时，加强地2第一章绪论震、火灾、风灾、洪水、地质破坏、传染病及其它新城市灾害的防灾减灾设施和系统的建设。城市供水管网系统是城市重要的基础设施之一，是当前城市基础设施建设的重点领域。近2 0 年来，我国供水行业经过迅速发展，城市供水普及率己达到9 5 ，城市供水能力和用水量分别增长了4 0 和2 5 倍，已基本地满足了城市发展和提高居民生活水平的需求。在此期间，根据城市发展需求还改扩和新建了许多供水管网，据 2 0 0 4 年城市供水统计年鉴，全国5 9 3 个城市中，供水管道总长度( d n 7 5 m m 以上) 为2 2 3 3 8 0 0 4k m ，平均日供水总量达7 2 3 5 2 7 万m 3 d 引。但是，目前普遍存在的问题是：我国各城市现役供水系统管网日益老化，管网更新改造速度相对较慢、更新改造的技术水平和管网管理水平较低，以及各种环境因素或人为因素对管网造成的破坏性影响，导致管网漏损和爆管事故率高，事故规模扩大，危害程度加剧的发展趋势。日前，对于管网爆管尚缺乏有效的安全保障技术和事故快速处理能力，己成为日益突出的供水安全问题，并直接影响城市公共安全。1 1 2 1 爆管事故的危害由于供水管网系统分布于整个城市，系统庞大且隐蔽性强、外部干扰因素多，且管道自身材料质量和安装质量差异较大，容易发生爆管事故。近年来，我国各地供水管道爆管事故带来的各种直接或间接损失触目惊心。例如，北京市自来水公司于1 9 7 4 1 9 7 5 年间敷设的d n l 2 0 0 m m 连续灰铸铁管5 8 4 3 m ，由于在施工试压时发生多次爆管，达不到设计和使用标准，结果全线拆除，换用钢管，损失3 5 0 万元【9 】；天津市自来水公司1 9 8 7 年黑牛城道的d n l 2 0 0 r a m 连续灰铸铁管，一次爆管淹没农田赔偿达3 0 万元，后因多次爆管被迫改为钢管【m 】；上海四平路的d n l 5 0 0 m m 的灰铸铁管，1 9 7 7 年投产通水后，在1 9 8 2 、1 9 8 5 、1 9 8 6 年前后，连续三次发生特大爆管，共有1 6 4 3 户居民进水受淹，一批工厂停产，马路积水及膝，交通中断，直接经济损失近8 0 0 万元【1 1 】；2 0 0 3 年8 月1 6 日，哈尔滨市“人和世纪广场”地下工程由于水管爆裂发生塌方事故，造成1 3 人死亡，8 人受伤；南京中华门内西干长巷地下一直径近1 0 0 0 m m 的自来水总管突然爆裂，强大的水流冲塌民房4 间，6 人受伤，几户居民的家产冲入3 0 多米外的护城河内，同时造成该路段交通瘫痪，等等。其次，供水管道爆管事故也是供水水质不安全因素之一。爆管事故可能首先导致管网局部水质降低，如不迅速加以有效控制，不符合水质标准的水经过管网转输作用，水质污染范围迅速扩大，最终可能导致大范围的水致疾病的爆发。据资料显示，在过去的十几年中，美国2 4 的水致疾病爆发与水处理过程无关，而第一章绪论与供水管网系统的水质污染有关。例如，在m i s s o u r i 州的c a b o o l 区，在1 9 8 9 年1 2 月到1 9 9 0 年的1 月2 0 日间，居民和旅游者中发生了2 4 0 例痢疾，6 例死亡，其原因就是管道爆裂和水表更换引起的管网水质污【1 2 】。总结爆管事故带来的众多危害，可以分为以下两种：( 1 ) 直接危害1 ) 直接危害包括：服务区断水；给人们的生产生活带来不便；2 ) 大量的水溢流到路面，既造成水资源的浪费，也影响正常的生产和生活，例如影响交通；有压的水流可能涌入民居、厂房、仓库或地下室等，造成经济财产损失，甚至危害人身安全；3 ) 造成管网局部水质降低。( 2 ) 间接危害间接危害包括：1 ) 溢出的水流浸泡管道基础、建筑物地基或地下工程设施，形成事故隐患，可能造成重大事故，导致生命财产的重大损失；2 ) 由于事故断水导致重要用户的停水，例如医院或其他重要生产部门，间接导致生命财产损失；3 ) f l t 管网爆管带来的各种损失，要求供水部门给予赔偿或向保险公司索赔，亦可能会导致社会纠纷。1 1 2 2 爆管事故研究的目的和意义我国政府和供水企业十分重视城市供水安全工作，中华人民共和国建设部建城 2 0 0 3 1 7 1 号文件“关于进一步加强城市节约用水和保证供水安全工作的通知”明确提出要加快供水管网改造、要加强城市供水安全保障及应急系统建设、要加强对城市节水和供水安全工作的领导。供水管网爆管分析及预防关键技术研究以提高现有管网系统安全运行管理水平为目标，是供水管网安全运行管理的重要基础。本课题研究目的在于通过供水管网爆管事故分析与预防关键技术的研究，探索爆管分析的方法，揭示爆管发生的内在规律，为提高供水管网爆管事故的预测、预防和快速反应及事故处理能力，有效降低爆管事故发生率和事故损失，提供可靠依据及技术支持；对采用信息化技术加强管网运行管理，建立供水管网安全运行预等系统，实现供水管网安全信息化管理、提高供水安全水平提供思路。供水管网爆管事故研究对有效预防和消除管网爆管事故的发生，加强供水管网运行安全可靠性将发挥重要作用。有效的爆管分析可以为管网管理、维护和更新改造优化方案提供可靠依据，具有重要的社会效益、环境效益和经济效益。4第一章绪论1 2 国内外研究现状1 2 1 国内研究现状加快供水管网现代化管理技术发展，提高供水水质安全、设施运行安全和防灾技术水平己经成为我国城市供水管理部门及科研单位研究的重要研究内容。对供水管网爆管规律的掌握和深入的爆管机理分析研究是解决爆管问题的前提，是提高管网安全可靠性的关键，我国研究者己经在该方向上开展了不少研究工作，取得了一些成果。上海市自来水公司曹增万【9 】等在上世纪九十年代初，收集了上海地区1 9 8 4 1 9 8 6 年及1 9 8 8 1 9 9 1 年的爆管统计资料，并根据我国其它城市的调研情况，对爆管统计规律及爆管原因进行了比较详细的分析和论述，从供水管材的选用、铸铁管接口的改进、管道工程设计等方面提出预防爆管的对策。西北建筑工程学院赵乱成【1 2 】分析归纳了爆管事故的若干原因( 重点论述了温变应力导致的爆管事故) ，解释了爆管发生的一些统计规律，并提出了相应的预防对策。上海原水股份有限公司沈之基【1 3 】提出埋设铸铁管受力一般包括受内压引起的环向拉应力、外压引起的环向弯曲应力、温度变化引起的纵向拉应力、管基不均匀沉降或土体位移引起的纵向弯曲应力或承口开裂应力，并认为可以通过分析和计算来确定管线的薄弱环节，从而判定管线是否有爆裂危险及危险程度。余承烈等【l ，归纳总结了爆管发生的内因和外因，认为水锤是引起爆管主要内因，管材质量是导致爆管的主要外因。清华大学土木系朱东海【1 4 】基于人工神经元网络原理，结合城市给水管网室内模型试验研究，通过b p 神经网络模型的模式分类和辨别功能，对城市给水管网爆管点的动态定位进行了研究。武汉水务集团有限公司王萍【9 】等从管道维护记录中分析管道爆裂的统计规律，为管道的更新改造提供依据。当前，我国的部分供水企业己经建立或者正在建立供水管网信息管理系统，例如沈阳市供水管网地理信息系统、南京供水管网地理信息管理系统、广州市供水管网地理信息系统等，已不同程度地实现了对管网进行信息化管理的一些基本功能，如实现综合管网普查结果的图形数据和属性数据快速入库、图形数据分层等g i s 数据库建立及维护功能、管网用户管理功能、管网工况模拟功能、管网规划功能、管网辅助设计功能等。已经建成或正在构建的供水管网信息管理系统大多数是通过g i s 的集成，使管网图形库、属性数据库融为一体，不仅图文并茂、准确高效，而且易于动态更新，从而提高了管网管理工作的效率和质量，初步实现了供水管网的信息化管理。然而，对于供水管网维护和事故分析及处理功能还很不完善，一般只是停留在建立管网维护记录数据库，不具备对已有的维护数据第一章绪论进行分析和利用的功能；在已知爆管管段或漏水地点的情况下，能实现迅速、合理地确定关阀方案，并生成受影响用户报表，若某个应关阀门出现故障无法关闭，可迅速制订出二级关阀方案，使爆管造成的用水影响降低到最小。实际上，只是简单地实现了数据存储功能和事故后的处理功能，而通过对管网事故历史数据分析实现预警的功能，建立管网管理决策支持系统，并利用该决策系统制定相应的控制方案和预防爆管事故发生的功能尚不具备。在国内，不论从理论研究还是从实践工作来看，在爆管分析研究方面开展的深层次研究相对较少，理论深度不够，对爆管统计规律的认识比较有限，对管网运行管理实践工作缺乏有效的理论指导，难以有针对性的提出有效的预防爆管对策。以管道事故分析结论为依据对管网状态进行现状评价，建立管网修复更新的费用效益分析经济模型，制定有效的管网修复更新计划以及对修复更新计划的方案优化更有待进一步的研究。1 2 2 国外研究现状国外发达国家城市管理和供水部门较早开展供水管网系统经济安全运行研究和技术开发与应用，针对城市供水系统安全运行保障需求，开展了比较全面的运行安全管理理论与技术研究。国外研究者从供水管网维护数据记录中挖掘爆管统计规律，并辅以大量的现场实测与实验对爆管事故进行物理原因分析，再利用可靠性分析理论、经济漏损函数等，将可靠性的评价与优化模型相结合，用以预测在紧急情况下的运行情况。国外研究部门在爆管预测、管网资产模拟、管网维护决策系统方面的研究己经取得了较为丰富的成果，建立爆管预测的统计模型、物理模型、管网资产风险评价模型等，且开发了相关计算机软件，在生产实践中得到了初步应用。1 2 2 1 数据挖掘技术在爆管中的应用国外研究者利用数据挖掘技术建立管道风险模型，从而建立管网维护决策系统，为管网维护优化方案的制定提供依据，投资必要的维护费用对管网进行有效的维护，使管网设施能最大限度地发挥功能。例如，丹麦的v l a d a nb a b o v i c 1 5 】等学者认为管道材料和爆管频率之间的关系采用线性统计分析还不够准确，有必要采用另外一种更严谨的方法，即数据挖掘技术。一他们利用数据挖掘技术建立了分数模型和贝叶斯模型，分数模型属于数据驱动技术，而贝叶斯网络则是确定性模型和数据挖掘技术的结合，可以对不确定事务进行评价。v l a d a nb a b o v i c 等学者还对这两种模型的结果进行了对比，认为可将数据挖掘技术应用于给水管网的资产模拟。6第一章绪论( 1 ) 分数模型分数模型是数据挖掘方法的一种，它是建立影响因素与预测结果之间的关系，从而达到能模拟不同管段状态的目的。它适用于地下资产的结构风险分析，原因是地下资产的信息量少，而且信息的质量较低。在供水管网中，分数模型可以把情况相似的管道集中起来。首先对每个管道进行评分( 分数值在0 到1 0 0 之间) ，然后把分数相近的管道归在一组。分数可以用以下数学方程：分数_ f ( 输入参数)分组质量可以通过c o c ( c o e f f i c i e n to fc o n c o r d a n c e ) 参数来评价。c o c 计算“好”管段分数高于“不好”管段在所有管段中的百分比。最简单的情况就是只考虑两种状况：管道状态“好 ，表示管道不爆管；管道状态“不好，表示管道会爆管。用c o c 表示模型分级和数据顺序之间的合理性水平。在理想的模型中，所有的“好”管段的分数都高于“不好”管段，这种情况下，c o c 的值是1 0 0 。最差的模型的c o c 值是5 0 ，当c o c 的值小于5 0 时，表示数据顺序颠倒了。v l a d a nb a b o v i c 的研究数据包括1 9 9 5 年的管道图表，以及从1 9 2 8 年9 月2 5日到1 9 9 5 年1 月1 7 日间的3 1 7 5 次维修记录。原始数据库包括6 6 8 4 个管道记录，通过数据清理后，包括5 9 9 8 个管道记录。爆管事件记录仅占所有数据记录的0 8 6 ，说明爆管是极少发生的，所以应建立一个具有可以区分爆管管道和未爆管管道的模型。建立分数模型的过程包括两个阶段，如图2 1 所示。图1 1 分数模型的建模策略第一个模型从可能爆管或不爆管的管段中区分出爆管率极低、几乎不爆管的管段；7第一章绪论第二个模型对不确定爆管管段进行危险等级分类。分数模型的优点在于它可以在不明确的变量之间建立关系。例如，爆管率与用户数量之间没有明显的联系。分数模型被认为是一个从数据中挖掘信息和具有良好预测能力的工具。分数模型的预测结果完全取决于使用的数据质量。( 2 ) 贝叶斯模型贝叶斯模型也考虑了不确定性因素，它是对确定性模型的一种扩展。模型的输入量和输出量不是固定的，而是采用了某种概率分布。当地下管道资产的准确信息不易获得时，这一点对进行地下管道资产的评价是很重要的。在供水管网应用中，贝叶斯可以包含关于某些问题的知识，因此可以使一个通用的模型适用于多个管网。贝叶斯网络模型的缺点是模型的建立非常复杂，其维护也非常困难。贝叶斯网络模型类似于人工智能自学习，所以也有可能学习到错误的知识。贝叶斯网络模型的潜力很大，但要得到可靠模拟结果必须十分谨慎。建立贝叶斯模型所需要的资源包括：数据，一般就是用统计结果；文献，关于一些已经建立的模型和方程；专家，有相关领域的经验。( 3 ) 空问数据挖掘国外的爆管分析还将空间数据挖掘的方法引入了爆管分析，例如在g i s 的平台下进行爆管的空间分布的聚集性分析。爆管的空间分析得到的是关于爆管空间分布规律，可做为爆管预测模型中的协变量进入模型，从而提高模型预测的准确性。1 2 2 2 计算机软件开发及应用目前，许多城市的供水管道已经或正在到达它们的服务年限，老化速度也在加快。管道爆裂、漏水、水力性能不足、用户对水质问题抱怨和服务可靠性问题正在增加。国外学者己经开发出诸多相关的决策支持软件，决策何时、何地、如何维护供水管网，才能够使供水服务维持在一个可以接受的水平。( 1 ) 管网维护决策支持系统软件u t i l n e t s t l 6 】u t i l n e t s 是供水部门用于进行地下管线优化维护和更新改造计划制定的决策支持系统。该决策系统以管道寿命预测为基础，计算管网的可靠性，可在忽略时间影响的条件下，评价更新改造方案的效果，并可得到优化的改造更新方案。1 ) u t i l n e t s 组成u t i l n e t s 可以适用于多种管材，它包括以下部分：概率模型，可以计算管道的结构寿命，以及对未来几年管道的水力、水第一章绪论质和服务可靠性预测；对不同的更新改造计划效果进行数量和质量评价；为每一条事故管道选择最优的修复方案；对管道结构、水力、水质和服务水平的概况描述，可对所需的修复资金评价；从水量和供水节点连通性方面评价管网的可靠性；为供水部门提供了一个复杂的默认值管理功能，在管网的状态信息不完整的情况下，也可得到可靠的预测结果。2 ) u t i l n e t s 可以解决的问题预测每段管道的使用寿命；预测管段末端节点压力在将来3 年内满足要求的可能性；预测可能产生水质问题的管段；优化某根管段的更新计划；估计管道修复投资；提供5 1 0 年内的修复预算。3 ) u t i l n e t s 的模型u t i l n e t s 是基于管道老化过程的物理模型，这些模型采用工程上的方程估计管道结构状况。u t i l n e t s 可以分析所有重要的环境因素和已经或将要影响管道寿命的荷载的因素。模型可以分为3 大类：分析模型夺结构分析模型水力分析模型水质分析模型令服务可靠性模型优化模型干管更新改造投资模型事故结果非量化模型( 风险模型)夺干管更新改造优先次序的制定背景信息管网可靠性模型4 ) u t i l n e t s 的应用因为现有的u t i l n e t s 版本还不够灵活，它不仅要求数据数量大而且复杂，有些数据的获得甚至是难以支付得起的，u t i l n e t s 现有的版本还不能被所有供水部门所采用。欧洲各国正在开发商业化的版本。9第一章绪论( 2 ) c a r e w 决策软件包【1 7 1欧盟支持下的“研究和发展第五框架项目中的c a r e w ( c o m p u t e r a i d e dr e h a b i l i m t i o no f w a t e rn e t w o r k s ) ，即“供水管网更新计算机辅助决策”研究课题，是一个针对不同地区的供水系统、管网运行部门、投资决策部门提高供水安全性而开发的通用决策支持软件包。它可对管网损坏过程的预测和管网修复更新计划效果的预测，使用具体的工具有漏水率预测、爆管率预测、修复费用预侧、更新费用预测、用户投诉次数预测、供水可靠性分析、管网更新计划方案比较等。c a i 也w 主要包括两个部分：管道老化过程预测和不同时段修复决策的效果预测。1 ) 建立c a r e w 决策软件包的步骤建立管网性能评价指标：用于定义管网现状和未来状态的参数，例如漏水率、爆管率、修复费用、改造费用、用户投诉量。其中有些参数是可预测的，例如管网更新改造和管网性能状态之间会有某种联系；确定采取的技术手段：对单个管段事故预测和供水可靠性预测的随机模型：确定年管网修复更新费用决策过程：决策过程要考虑随机预测模型和可靠性模型的预测结果以及考虑其它因素带来的其它费用。影响修复的不同因素都应被决策系统所考虑；制定投资和计划策略工具：这个工具将预测长期( 1 0 2 0 年) 管网投资计划的效果( 经济上的和非经济上的) 。管网性能状态指标的影响函数将被建立；。_形成软件雏形：该决策系统的雏形包括各种模型，它还要确定数据结构，包括整个系统所必须的数据以及每个工具得出一些结果数据；测试：所有的工具将会整合在一起，将被8 个欧洲国家的1 2 个供水部门在不同条件下试用；发布：最终交付的是一个包括软件、用户手册的管网维护决策支持系统软件。该软件和它的一些应用成果将会在各供水部门和国际会议上公布。十一所大学和研究机构( 约1 0 0 个研究人员) 参与了这个项目。另外1 2 个城市作为该软件最终用户进行测试。2 ) c a r e w 的模型在c a r e w 中有两类主要的模型工具，如表1 1 所示：第一类事故预测模型：包括5 个模型，可以利用统计的方法和物理的方法预测某一根管段或一组管道的事故；第二类水力可靠性模型：包括3 个模型，可以用来估计某一个管道或一l o第一章绪论组管道的水力服务可靠性；事故预测模型水力可靠性模型模f a i l n e t a s s e t m a p - 1a s s e t m a p 一2u n t i i n e t s、i n r o ba q u a r e lf a i l n e t -r e l n e t型s t a tr e l i a b名称研c e m ai n s a l y o ni n s a - l y o ns i n t e fn t n us 小t e fc e m a g r e fb r r l o 究g r e fu n i v e r s i t y部门表1 1c a r e w 模型表1 1 中所列模型己经在实际工作中进行了测试。有研究者根据输出结果和类型对预测模型进行了比较，通常w i n r o c ( r o s t u m ，2 0 0 0 ) 和f a i l s t a t ( l eg a t 等2 0 0 0 ) 对有长期维护记录和完整记录的预测十分有效，尽管它们对某些短期维护记录( 5 到1 0 年) 的应用上所得测试的结果也十分有效；a s s e t m a p 1 和a s s e t m a p 2在供水部门维护管理记录情况较差时采用，预测效果较好；其中a s s e t m a p 一1 适用于不完整数据，a s s e t m a p - 2 适用于维护记录较短的情况。u t i l n e t s ( 2 0 0 1 ) 不同于其它的任何一种，因为它不是基于历史维护记录，而是基于管道物理上的计算抗力。可靠性模型通常是基于水力模型。a q u a r e l 和r e l n e t 利用的是e p a n e t ，对每个闭合环和每对闭合环，a u u a r e l 定义了一个节点矩阵和压力类，还考虑了与m t t f ( 平均事故时间) 和t t r ( 修复时间) 相关的水池的容积。程序可以从统计意义上计算水的可用性和压力下降频率。f a i l n e t r e l i a b 利用的算法类似于c e m a g r e f 建立的p o r t e a u 的算法。在f a i l n e t r e l i a b 中定义了可靠性，这个可靠性可以为每个节点的可用水量与用水量需求之比。可用水量计算通过以压力水头的函数得到，并非从水力模型获得。可靠性函数还给出了每个管段发生爆管对节点的影响评价，或者是对一个区域或是整个管网的影响评价。每个节点的易损性和整个管网的可靠性指数也可以计算出来。r e l n e t 是基于随机原理的m o n t e c a r l o 方法。这个模型的目的是为了评价每个节点的供水可靠性和整个管网的可靠性。模型的结果输出是节点可靠性、管网总可靠性和每个管道对管网可靠性的影响程度。节点可靠性是基于每个节点的压第一章绪论力需求和管网模拟输入的任何状态( 拓扑结构、节点需求、摩阻等) 。因为c a r e w 中包括了若干模型，其中某些模型的结论是重复的，且针对不同的用户需求软件包应能选择不同的模型。所以还开发了一个用于选择模型的程序，目的就是为了软件的最终用户可以根据用户的要求和可用的数据情况采用最有效的模型。l3 ) c a r e w 软件包的应用c a r e w 软件包在十二个试用城市测试的结果将用来进一步改进模型。该软件包将在整个管网水平上用遗传算法预测事故，其基础是专家的判断和统计数据。不同模型潜在的能力和局限性将被描述成一个函数和其它的一些相关规则。每个管段对整个管网的影响程度和重要程度都可以用可靠性模型来建立。1 3 主要研究目标、内容、方法概述根据以上情况，本文以供水管网爆管的快速定位、管网爆管的控制问题为最终目标，着重对其实现时必须解决的一些问题进行了深入细致的研究。首先要进行一系列工作建立供水管网的水力学模型。第一步：利用计算机编程工具编写可视化的管网平差程序；第二步：根据管网压力监测数据以及管网水力平差程序，利用优化算法估算管网中各管段的粗糙度系数以及各节点水量；第三步：当各管段的粗糙度系数模拟精度达到所需要求时，利用得到的各管段的粗糙度系数对管网进行水力学计算，建立水力学模型，利用模糊聚类分析的方法确定监测点位置。其次，利用压差流量计测得流向，流量及水压等数据；然后利用b p 神经网络模型对管网进行跟踪分析，将“某点漏损严重”与“给水管网运行工况信息”之间的隐含关系映射出来，从而在管网运行实行监控中对爆管进行分析和定位。最后，运用可视化编程工具d e l p h i t l 8 - 2 0 1 结合微软的m s s q l 2 l2 2 1 数据库软件将上述算法、模型开发成可视化的、简单易用的计算机软件，使上述理论能够与s c a d a 在线监测系统结合用于实际。1 2第二章管网监测点的布置2 1 管网基础资料第二章管网监测点的布置要建立一个准确、可靠的泄漏定位模型，需要大量的、真实的供水管网在事故状态时的运行数据，而实际上，每一事故点的事故次数不可能足够多，而且已有的历史事故资料记录也不完备，导致其相应的数据量很少，自然也无法建模。因此，寻求适当的事故管网状态估计的方法也是本文所要研究的关键问题之一。目前，已有的研究方法分为两类：一是，在实验室建立物理模型，即建立管网实验室进行管网工况的研究，二是，采用数学模拟的方法，即按照管网计算理论【5 4 1 ，将实际管网图形合理简化形成模拟管网，然后再在计算机上对模拟管网进行仿真计算。具体地说，首先利用计算机对模拟管网的各种正常运行工况进行水力分析，获取包括节点流量、节点压力及各水厂供水量、供水压力等大量反映管网行为特征的数据；然后在模拟管网上构造因某一管段故障关闭相关阀门而形成的各种事故工况并进行水力分析。利用传统的管网分析方法进行爆管点动态定位误差较大，难以在工程实际中有效地应用。对一些新的理论或方法必须首先借助比较精确的室内模拟管网来进行验证，然后才能考虑在实际的城市给水管网中的推广应用。因此，本文介绍在室内模拟给水管网实践中得到的一些成果，并且对模拟试验的可行性提出了几点看法。根据相似准则，在室内设计了一个简单的包含7 个基环的模拟管网，如图2 1 所示。设计该给水管网室内模型的主要目的是为了在管网运行工况稳定的前提下，通过模拟试验对一些管网的控制系统理论进行验证和可行性分析。管网的基本情况介绍如下：( 1 ) 水源1 个为某加压泵，其供水能力为8 m 3 h ，通过供水节点号1 进入管网；( 2 ) 管网节点数2 l ，管段数2 6 ，管径d n 2 5 或者d n 3 2 ；管网中无蓄水池和水塔。( 3 ) 结合区域的具体情况，在管网上设置了4 个测压点，用于供水管网状态估计、压力控制方案制定。第二章管网监测点的布置锄图2 - 1 摸拟管网示意图1 4第二章管网监测点的布置2 2 概述管网水压不仅是直接反映城市供水服务质量的指标之一，也是全面掌握供水管网运行状态以及对整个供水系统实施正确调度的重要参数。所以管网水压监测点的布置，是影响本次试验成功与否的重要因素；另外，管网水压监测点的布置对于检查管网微观分析的结果、合理进行现有管网的扩建与改造，有着重大的实际意义。具体来说，在供水管网中布置压力监测点，其主要目的有【2 3 】：( 1 ) 掌握管网正常工作时的压力分布情况。管网的压力分布状况，是现有管网系统工作状况的反映，也是保证供水管网服务质量的重要信息。( 2 ) 管网监测点的数据异常变化，都有可能是管网异常事故发生的征兆，通过观察和分析监测到的压力数据，可以分析推断事故的发生情况以及由此造成的影响。( 3 ) 获得管网工况的监测量，作为供水管网状态估计，以及供水管网优化调度的基础数据。( 4 ) 管网压力监测也是对管网漏水量监控的需要，节点的水压值能有效地反映管网的漏水情况。如何在城市供水管网中选择压力监测点以达到上面所提出的目的呢? 概括起来主要解决下列三个方面的问题：确定压力监测点数目；确定压力监测点的位置；确定每一压力监测点所能监测到的区域。国内外对有关供水管网压力监测点的选址方法都做了些富有成效的研究，比较具有代表性的有聚类分析法【2 4 】和灵敏度法【2 5 】。聚类分析法( c l u s t e ra n a l y s i s ) ，其基本思想是将供水管网中具有性质相近的节点归结为一类，在每一类中设压力监测点。那么，用什么指标来度量供水管网节点性质相近呢?文献【2 6 】提出了以管网节点水压方程关于水压的j a c o b i 矩阵任意两行( i ，j )向量的夹角余弦作为两节点的距离r i j ：p ，ip 勺2 吉瓦万1 5( 2 1 )第二章管网监测点的布置式中p 豇为j a c o b i 矩阵的元素。定义距离硒相近的节点归成为一类，并定义了