（环境工程专业论文）供水信息系统模型化设计与应用研究.pdf

摘要 本文深入地研究了供水信息模型的建模方法和实际应用，并采用面向对象方 法，对供水管网的模拟仿真系统进行系统分析，将管网构筑物划分为节点、水源、 水池、管段、阀门、泵等六种逻辑对象，该逻辑对象具有三种属性，即：属性、 事件和数据属性。建立了供水数据与供水模型的信息接1 2 1 。在此基础上，针对给 水管网中水质组分随时间变化以及在空间分布上的复杂性，以化学性指标为主， 应用反应动力学等理论，研究了供水管网的管线和节点的水质微观模型。建立了 供水管网水质变化的一维单组分水质模型。 通过上述研究，建立了供水管网水力、水质的模拟仿真系统，仿真系统采用 时间步长方式进行连续周期的模拟，水力模型的数值解法采用牛顿一拉普森法， 水质模型的数值解法采用拉格朗日一事件驱动法。 结合某区的具体实例，对上述模型进行了测试和验证。从验证的结果看，所 建立韵供水管网的模拟仿真系统，实测值与预测值的吻合较好，同时能很好的实 现信息编辑、查询、统计、分析以及可视化图形显示等功能；对供水管网的改扩 建和整体优化工作以及管网的实际运行和维护，具有十分重要的指导意义和实用 价值。1 关键词：供水管网、水质模型、模拟仿真， a b s t r a c t t h i sp a d e rh a sm a d ead e e p e rr e s e a r c hi n t ot h em o d e l i n gm e t h o da n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o ft h ew a t e rs u p p l yi n f o r m a t i o nm o d e l i na d d i t i o n t h eo b j e c t o r i e n t e d m e t h o di sa d o p t e dt os y s t e m a t i c a l l ya n a l y z et h es i m u l a t i o ns y s t e mo fw a t e rs u p p l yp i p e n e t w o r k ，a n dd i v i d et h en e t w o r kc o m p o n e n ti n t os i xt y p e so fl o g i c a lo b j e c t sw h i c ha r e n o d e ，r e s e r v o i r s ，t a n k ，p i p e ，v a l v ea n dp u m p t h e s el o g i c a lo b j e c th a v e t h r e e p r o p e r t i e s ： p r o p e r t y ，e v e n ta n dd a t a t h e nt h el o g i c a lm o d e la n dd a t am o d e lo fw a t e rs u p p l y i n f o r i n a t i o na r ee s t a b l i s h b a s e do nt h em e t h o d s a i m e da tt h ec o m p l e x i t yo fp l a c e d i s t r i b u t i o na n dt h e c h a n g eo fw a t e rq u a l i t yi n g r e d i e n t s f o l l o w e dt i m e ，p r i m a r i l y a l l o w e df o rt h ec h e m i c a lc r i t e r i a ，t h ep a d e rf o c u s e so nt h es t u d yo fw a t e rq u a l i t ym o d e l o fw a t e r s u p p l yp i p en e t w o r kb ya p p l y i n gr e a c t i o nk i n e t i c sa n ds o m e o t h e rt h e o r i e s b ym e a n so ft h e a b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h e s t h eh v d r a u l i ca n dw a t e rq u a l i t y s i m u l a t i o ns y s t e mo ft h ew a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ka r ee s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o n s y s t e mt a k ec o n t i n u o u ss t i m u l a t i o nb ya d o p t i n gt h et i m e p a c em e t h o d h y d r a u l i c s s i m u l a t o ru s ea n e w t o n - r a p h s o na p p r o a c h a n dw a t e r q u a l i t y s i m u l a t o ru s ea l a g r a n g i a nt i m ed r i v e na p p r o a c h c o m b i n e dw i t ha n e x a m p l e i nac e r t a i na r e a t ot e s ta n dv a l i d a t et h e a b o v e m e n t i o n e dm o d e l s b yt 1 1 er e s u l to f t e s t n ee s t a b l i s h e ds i m u l a t i o ns y s t e mo f t h e w a t e rs u p p l yp i p en e t w o r kc a ns u p p l yt h ep r a c t i c a lv a l u ei na c c o r dw i t l lt h ec a l c u l a t e v a l u e a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mi sc a p a b l eo f e d i t i n g ，q u e r y ，s t a t i s t i c a lc a l c u l a t i o n ， a n a l y s e s g r a p hv i s u a l i z a t i o na n do t h e rf u n c t i o n s t h es y s t e mi sq u i t ei m p o r t a n ti n g u i d i n ga n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o rt h er e b u i l d i n ga n de x t e n s i o no ft h ew a t e rs u p p l y p i p en e t w o r k ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h ew h o l es y s t e ma n dt h ep r a c t i c a lr u n n i n ga n d m a i n t e n a n c eo f t h e p i p en e t w o r k k e y w o r d s ：w a t e r s u p p l yp i p en e t w o r k w a t e r q u a l i t y m o d e ls i m u l a t i o n 第一章前言 第一章前言 1 1 课题的提出及研究意义 随着计算机技术的发展，知识存储和大量复杂的运算逐渐被计算机所取代。 信息系统已经从单纯进行数据处理发展到集数据处理、事务管理与决策支持为 一体的新型信息系统，而这种新型的信息系统是以模型为基础，以信息管理和 辅助决策为目的，因此模型在今天的信息系统中有着不可替代的地位。 随着国家的发展以及人民生活水平的提高，尤其进入w t o 后，我国各个 领域已经或正在与国际接轨。我国正处在一个新的发展时期，产业的重新调整 与布局使得供水行业在需水量和供水区域等方面正在逐年发展，为了适应这种 发展，供水企业不仅要对老管道进行改造同时还要铺设新的管道。由于水资源 的同益缺乏，尤其是京津地区正在对用水量进行严格的控制，这就要求供水企 业提高和增强对用水量的检测手段和方法。正如城市供水行业2 0 1 0 年规划 中提到的“根据已奠定的基础，面临的新形势要求以及国际供水事业发展趋势， 提出今后十年主攻是水质；关键是保证供水；核心则是提高水质，保证供水的 前提下，以相对少的投资和相对低的成本完成这些任务”，根据这一要求，就需 要有一套完善的管理机制和决策职能。为了更好地达到这些要求，就要有一套 完善的计算机信息系统。虽然信息系统在供水行业经历了历年的开发和建设， 并且逐步由单机单用户扩大到网络化；从局部发展到全局，从单个部门扩大到 多个部门以至整个企业；从功能单一信息系统发展到m i s 、g i s 、s c a d a 等整 合的大型信息系统。信息系统的规模和功能也在不断的扩大，不单纯是某个部 门，而是整个企业内部各部门的信息相互共享共同使用，同时对相应的应用程 序的要求就越来越高。这样就暴露出了以往编程方式的弊端，诸如需求不明、 相关功能复用率低、开发周期长、灵活性差等问题。为了解决这些弊端，更好 地建立一套适用的信息系统，就需要对企业进行详细的需求分析，运用计算机 技术、管理学、统计学、数学建模等相关学科相结合，利用面向对象技术对信 息系统进行设计、建模。本文将通过管网模拟仿真的实例，对相关技术的使用 进行一些探讨。 依据实际供水系统合理简化和缩小比例的物理模型用于模拟试验时，除了 第一章前言 需要投入大量的人力、物力、财力外，在技术上也有很大的局限，近三十年来， 国际上普遍重视利用数学模型进行模拟。通过对供水信息模型化的研究，采用 成熟的供水模型，建立计算机模型以及计算机程序使用供水模型的方法，对管 网的水力、水质等特性进行连续周期的模拟，从而为决策者和设计者提供对管 网的状态特性、加氯点的布置以及供水管网改扩建提供可参考的依据以及可使 用的计算机工具。 l - 2 国内9 f - 硼：究动态 数学建模理论在管网水力分析中的应用最早要追溯到1 9 3 6 年，c r o s sh 在 分析管道和排水管水力问题时，首先使用了数学建模的方法，其数值解法采用 迭代方法，便于手工计算。1 9 4 0 年，应第二次世界大战的需要而开发的第一台 计算机问世，1 9 4 5 年冯诺依曼博士在计算机科学史上发表了最具影响力的论 文，在其论文中首次使用了术语“自动计算系统”，就是我们现在的计算机系统， 在它的理论指导下使得计算机技术得以广泛的应用。六十年代初供水行业开始 使用计算机对管网进行水力分析，七十年代的十年旱管网分析得到巨大的发展， 首先e p p 和f o w l e r 以及w o o d 和c h a r l e s 增强算法，然后j e p p s o n 和d a v i s 对模型进行扩展，使其适用于管网中的设备( 如水泵，阀门等) ，到了七十年代 后期，由单时周期( s i m p l e t i m e p e r i o d ) 模拟发展到连续周期( e x t e n d e dp e r i o d ) 模拟，同时水力模型被用于稳态或非稳态( 水量与操作条件随时问变化) 的系 统分析，水力模型也由稳态模型，发展为e p s ( e x t e n d e dp e r i o ds i m u l a t i o n ) 模 型。为了解决水流连续性以及水头损失平衡问题，1 9 8 7 年t o d i n i & p i l a t i 以及 次年s a l g a d o 研究了“梯度法”，其方法是描述某一时刻给定点的管网水力状态 特征的混合节点环( n o d e l o o p ) 方法，该方法与19 7 1 年h a m a m & b r a m e l l e r 的混 合方法( h y b r i dm e t h o d ) 以及1 9 8 7 年o s i a d a c z 的牛顿环节点( 1 0 0 p n o d e ) 方 法很相似，唯一不同是这些方法是先计算节点水压，然后计算管段流量。梯度 法比这些方法要简单且易于计算机计算。1 9 9 7 年，p a u lf 提出了应用于管网水 力模型的一个简单而精确的计算消火栓流量的研究方法。近年来，国外管网水 力分析模型已从模型的研究转向模型的使用和校验。己将研究重点转向与物理、 化学、生物指标有关的水质模型上。 供水管网水质模型是由研究泥浆流的w o o d 于1 9 8 0 年提出的，其分析了稳 第一章前言 态下，管网中的水质分配问题，八十年代至九十年代初，其它的研究者对稳态 下的水质模型进行了扩充，直至动态水质模型开始使用。美国环保署正在研究 供水管网中消毒副产物三卤甲烷( t h m s ) 和卤乙酸( h a a s ) 的多组分水质模 型。在水质模拟上，有关于法国管网设置传感器和追加氯剂处理的调查，意大 利利用剩余余氯浓度预测模型，设计配水系统等。世界各国现在十分关注配水 系统内的水质问题。配水系统模拟和监测系统结合运用是今后水质管理的最佳 手段。 世界发达国家先后建立了供水试验基地，作为理论基地的美国水工业协会 研究基地( a w w a r f ) ，正在进行应用于储水池的多用途模型，该模型包括9 种不同类型的模型供选择，5 种用于f i l l e d a n d d r a w n ，4 种用于同时进出水 ( i n l e t o u t l e t ) ，分为系统模型( m u l t i e o m p a r t m e n tm o d e l s ) 和c f d 模型 ( c o m p u t a t i o n a lf 1 u i dd y n a m i c s ) ；作为试验与应用基地的美国环保署( e p a ) 建立了两套输配水模拟器d s s ，用于管网水力、水质模型的研究 ( h t t p ：w w w e p a g o v ) ，并发布了供水模型e p a n e t ，该模型已被国外公用事 业领域以及私营领域广泛使用，同时进行了大范围的模型参数校验工作，并提 出了模型校验参照标准： 建议误差( 模拟值与实测值，单位为p s i ：磅平方英寸) 1 好：压力绝对误差平均值2 2 p s i ，且最大值7 3 p s i ： 2 差：压力绝对误差平均值- - + 4 3 p s i ，且最大值1 4 2 p s i ： 3 建议值：5 p s i 1 0 p s i 。 供水模型的应用规模也在不断扩大，管网的节点数从几十个扩大到1 5 0 0 0 个左右。随着模型的不断更新和完善，相关领域的软件商丁f 在进行对它的集成 和开发工作，如d h i 公司的m i k e n e t ，h a e s t a d 公司的w a t e r c a d 等水行业的商 业软件。 我国于7 0 年代后期开始研究管网的电算问题，主要集中在高等院校，本课 题组于8 0 年代初期，开始对此进行研究，到目前为止，已研究了多种不同的算 法，并得到了实际验证。纵观国内研究概况，对于水力计算的理论研究较多， 而相应的实际应用和校验则报道较少，计算程序较多( 仅给排水在线就有好几 个) ，但就程序的用户友好性以及进行连续周期的模拟距国外软件尚有一定的差 距，同时也未形成适合于我国国情的统一的数学模型。对于水质模型的研究仅 限于管网的二次污染问题，管网的水质微观模型的研究尚在起步阶段。 第一章前言 近年来，由于计算机技术的发展以及计算流体力学在工程上的不断应用， 流体力学虚拟仿真软件越来越好，如a e a t 公司c f x 已被从事计算流体力学的 科研单位、大专院校等逐渐重视，其实用价值也被不断证明，广大用户开始使 用c f x 商用软件开展课题研究，完成生产任务。( h t t p ：w w w a e a t c f x c o m c n ) 另外，有些有关水质的数学模型虽然已经相当完善，如著名的河流q u a l 一2 e 水质模型，全面考虑了影响水质的各种因素，但用其模拟一条河流的水质变化 过程需要多种多样、连续多年、详细的监测数据和实际调查资料。对于作为发 展中国家的我国，要取得全套必需的数据资料是很困难的。因此，仅采用先进、 完善的模型而没有相应的配套的完整的原始数据和资料积累，要作出符合实际 的模拟仿真结果是不大可能的。所以，要积极地去运用供水模型的模拟仿真手 段，又要了解其局限性，才能客观地应用模拟结果并据此作出正确的评价。 在6 0 年代，可重用的软件部件是过程和函数库，到了6 0 年代后期，s i m u l a 6 7 引入了对象，类和继承，并产生了类库这种可重用部件。无论是过程还是类 库都主要集中在代码的重用上。然而，从经济角度讲，设计的重用更有效，这 是因为设计是软件开发中的主要智力活动，它比编码更难创建和再创建。数据 和操作集成为对象和类提高了软件的重用。多个类被打包成类库。通过继承， 类库被进一步组织以有助于现有类的特殊化。类库比传统的过程库提供了更多 的重用。然而类库并没有提供足够的重用，软件开发者还必须提供许多应用代 码。类库重用的局限性在于： 复杂性：在大型复杂系统中，类层次结构很容易使人迷惑。如果开发者 不阅读详细的文档，他很难了解类层次设计者的意图。 需要付出加倍的努力：类库允许不同的开发者以不同的方式使用类库中 的类。结果可能是对同一种问题有不同的解决办法，从而可能导致维护 问题。 控制流：应用开发中重用类时，程序仍然需要负责控制流，比如需要控 制从类库中创建的对象的交互。由于开发者仍然需要决定对象和操作以 什么顺序执行，错误就可能产生。 解决上述问题的努力以及对设计重用的期望导致了设计模式和框架技术的 产生。设计模式是面向对象设计经验的记录，它识别、命名与抽象面向对象设 4 第一章前言 计中的共同主题及反复出现的设计结构，描述特定的软件设计方面、设计的应 用环境与相应的设计约束，以及对整个软件系统所造成的影响与得失。设计模 式大大提高了软件的适应性和重用性。框架是一个应用系统或子系统的一个可 重用设计，它通过一系列抽象类和它们之间的交互方式来表现。框架描画出了 一个待建应用系统的主要结构。框架大大提高了软件的可重用性、可扩展性、 可维护性等等。可以看出设计模式和框架对软件的质量有了很大的提高。 l - 3 主要研究内容 根据目前国内供水模型研究的状况和发展态势，笔者通过对现有供水模型 及其相关信息的分析，借助于系统工程、管理工程、化学工程以及计算机工程 的理论和方法，结合专业知识以及课题组的技术和经验，对供水信息系统的分 析、建模以及数据可视化做深入研究，并结合工程实例对模型进行检验。如无 特别声明本论文使用国际单位制( s i ) 。 1 笔者运用的面向对象技术，对供水信息进行分析，进行供水信息系统的 总体结构和功能设计；建立逻辑模型和数据模型： 2 结合供水管网的特点，进行供水数据和供水模型设计； 3 定义接口参数，实现供水数据和供水模型衔接； 4 对水质模型进行研究； 5 结合具体管网进行测试，并对其进行验证； 第二二章信息系统分析与建模 第二章信息系统分析与设计 2 1 系统分析 一、系统背景 供水企业的运营主要围绕水从水源、水厂经过输配管网到达最终用户的生产 消费链而进行的。 厨一一，虐j ! j = ：i ：i - 窜 企业首理 萼i ：i 一一一自i 。_ 。：营 i 、 - 、 首阿管理、- 、 营业霰费 崮一物i 渤：磷 爪樨 水广输配曹阿 用水户 图2 - 1 供水企业运营关系图 7 客户服务 卅 生产调度通过s c a d a 系统实时采集水源和水厂的变电设备、电器开关、 加压泵等设备运行参数和流量、出水口压力、余氯等控制参数，以及输配网上 压力监测点和水库水位监测点的控制参数，动态自动控制水源、水厂设备的启 停和运行，使整个输配网上的水压保持最佳的分布和平稳状态，从而为用户提 供高质量的供水服务，减少输配过程中水的损失，最大限度延长管网的使用寿 命，最终提高水厂的运营效益。 6 第二章信息系统分析与建模 管网管理主要实现输配水管网信息管理，管网的新建、维护和改造以及用 户的管理。它必须能够保证管网信息的准确、全面和现状，满足管网规划、设 计、施工和维护的要求。 营业收费完成用户用水量的验抄、统计，根据用户性质和收费项目的规定 进行计费收费。 客户服务是近年来炒的比较热的话题，其模式一般分为外包和内建两种模 式。对于供水行业来说，由于其专业性较强，一般采用内建模式。它的主要任 务是完成用户的新装，接待和解答用户的来访来电，承接故障报修等；同时完 成相关报表的统计汇总工作。在市场化的今天，客户服务中心起着越来越重要 的作用。 公司将综合生产调度、管网管理、营业收费等各种信息，结合公司的营业 策略，对整个企业的运营进行科学合理的决策，从整体上实现对公司营业的宏 观管理。 供水系统主要任务是保证水量、水压和水质，水力学分析以及水质的保证 又是此任务的前提和基础。 二、系统分析 系统分析既包含着对信息和功能两个方面的分析，也包含着两者相互关系 的分析。在进行系统分析时，有人采用面向功能的方法，也有人采用面向数据 的方法，现在则提倡采用面向对象的方法。 1 面向功能的方法 面向功能的方法，又称功能分析法，此法基于功能是实现目标的手段。分 析时，首先进行“目标一功能一过程”转换，由目标引导出功能，把总体功能 逐层分解和细化，自上向下设计出功能体系模型和过程集；然后通过“功能一 信息”分析由过程导出数据类，得出与每项功能相关的信息，设计出信息体系 模型和数据类；最后再进行相关分析，构成数据流程总图和总体的逻辑结构。 由于企业的机构常常是基于功能划分的，所以传统的方法大都采用基于功 能模型的结构化设计方法。但是由于企业管理工作不可避免地要发生变化，特 别在体制调整和改革阶段，变化更是频繁。因而对已开发的系统不断提出新的 功能要求，经常需要增加、减少或修改某些部分。这样，如果系统的体系结构 只是基于功能模型时，就会是修改频繁发生，不利于系统长期稳定地运行。这 种方法是传统采用的方法，现在还在广泛使用。 2 面向数据的方法 第二章信息系统分析与建模 面向数据的方法，又称数据规划方法。此法强调数据的独立性，业务变化 时数据相对稳定。分析时，首先进行数据总体规划，确定数据类：然后由数据 导出过程：最后进行相关分析，构成数据流程总图和总体的逻辑结构。 由于信息系统中的处理功能是基于数据的，系统对象中最基本的因素是数 据，系统中的数据相对稳定，所以这种方法强调信息系统的体系结构应基于数 据结构。这种方法比前一种有进步，受用户重视，但是它片面强调数据的独立 性，对功能的作用有所忽视，而且在实践中数据也不是绝对不变，总体规划有 一定难度。 3 面向对象的方法 面向对象的方法，是近年来发展的新方法，最值得称道的是它避免了前两 种方法的片面性。 这种方法认为，应将需要处理的问题视为一个完整的对象，对象包括功能 和数据，是两者的有机统一体，不能相互分离，而且两者在系统的各个层次上 都要保持这种完整性。前面所述的各业务项，便是我们系统分析时要面向的对 象模块。分析时，首先将对象模块中的数据抽象出数据类，以数据类作为模块 化设计的基础，构造出符合对象性能要求的功能模块。分析出各个对象模块所 需要的信息和功能，也就是分析出系统中信息单元和功能单元汇总，并进行适 当地合并、调整，按目标体系进行归纳，便形成了系统的信息体系和功能体系， 也称为信息模型或功能模型。这些信息单元和功能单元，便是构成新系统的基 础。新系统就是在这个基础上组成的。 系统分析工作步骤如下： 1 1 对前面系统调查中得到的情况进行深入的分析，理清各部门的管理职能 和业务流程，以及各部门的原始数据和对数据的处理功能要求。 2 ) 根据目标对象的要求，参照信息调查的结果，对业务项中的原始数据进 行分析、归纳，抽象出逻辑上相对独立的各个数据主题，得到各个数据类。 3 ) 以数据类为基础，导出对应的功能模块，参照功能调查的结果，得到处 理“过程”。 4 ) 经过数据类与过程的相关分析，得出系统的总体数据流程图和总体逻辑 结构。由相关性功能模块组合成逻辑子系统，由关系紧密的逻辑子系统构成各 功能分系统，形成全系统的体系结构。 针对一个管网模拟仿真软件来说，采用自上而下的分析方法，其框图如图 2 - 2 所示。 第二章信息系统分析与建模 节点 节点 | 水源 1 水塔 供水管网模拟仿真】 图2 - 2 系统分析图 | s 盎ih i i i s j、j 【 管网图的计算机处理是实现管网模拟仿真的基础，实现图形处理与数据处理 之间的有机联系是实现有关分析、计算、决策的核心。由于城市管网管线众多， 管网图的选取采用管网平差的方法加以简化。首先，将管网图分为管网系统和 g u i 图形界面，g u i 图形界面建立坐标系以备放置管网系统的设备；然后将管 网系统分为节点、管段和监测点三种类型。其中节点包括节点、水源及水池： 管段包括管段、泵和阀门：监测点包括压力和水量监测点。这些管网设备将视 作对象来考虑，作为对象其具有属性和事件，属性包含管网设备的相关数据， 可即时输入或从数据库中读取；事件将控制管网设备在管网图中的显示，如水 流方向，阀门的起闭等。 供水模型是管网模拟仿真的关键。供水模型分为微观和宏观两种模型，微观 模型一般为白箱模型，宏观模型则多为黑箱或灰箱模型。在模型选择上尽量选 择白箱模型。 初步分析得程序的简要过程如图2 3 。 9 第二章信息系统分析与建模 统 置 长度、管径、流量系数 标高、节点流量 总水头 始化 算 算 图2 - 3 简要过程流图 系统的功能： 1 数据的录入 录入项目相关信息； 建立管网拓扑图，由程序自动形成各拓扑元素的属性值： 录入各拓扑元素的数据或定义其数据来源； 录入逐时变化模式或定义其数据来源； 数据检验以及管网拓扑关系检验；管网拓扑关系按下式检验 p = n + m i 式中： p 管段数； n 节点数： m 环数。 数据修改：可选择若干节点或管段进行数据添加、替换和修改工作。 数据的录入的数据流图如下图所示： l o 第二章信息系统分析与建模 2 计算分析 选择模型：如水力模型、水质模型： 设置模型参数：如水头损失公式，迭代次数，运算精度等； 运行模型。 其数据流图如下： 3 统计分析系统 统计分析系统可分为现状显示和现状分析两大模块，并辅以动态显示功能。 ( 1 ) 现状显示：这一模块可以把地面高程、节点水量、水压分布，自由水 压、水量分布、管段流量、流速、单位水头损失、长度、口径、水质等 模型的计算结果显示出来。本部分充分利用计算机的可视化技术，将上 述供水管网特性以图形、颜色、大小等形式显示出来，笔者主要采用二 维图形，远期可采用三维图形，采用o p e n g l 、d i r e c t x 等技术加以实 现。 显示方式有以下几种： 数值显示：可将各对象的数值显示在相应的位置上； 颜色变化：通过对象的颜色事件所定义的变化，通过其数值变化显 示相应对象的颜色； 对象大小变化：其原理同颜色变化，不是改变颜色而是改变节点的 大小或管线的粗细： 等高线：通过数理统计的方法，可画出地面标高、流量分布、压力 分布、水质变化的等值线，用以辅助分析。 ( 2 ) 现状统计分析 塑三皇笪星墨竺坌堑量堡堕一一 水流方向：根据计算结果给出管线中的水力方向，以箭头方式表示。 时间系列：可根据连续周期模拟的结果，对若干节点或管线的压力，水 量，水质变化画出时间变化曲线。 校验分析：可对实测值与模拟值进行比较，并计算绝对误差、相对误差， 并画出对比曲线以及相关图。 方案比较：对两种方案进行比较。并以差值的方式在管网拓扑图上显示。 进一步作出统计分析报表。 ( 3 ) 报表输出 运行结果将存储到数据库当中，可根据使用者的要求全部或有选择地将 其打印出来或放到企业网页上供有关人员查看。报表的生成过程如下图所 示。 2 2 系统设计 一、设计的目标 无论采用何种系统设计方法，在系统设计阶段，都是根据系统的功能和性能 能够在正确的时间，将正确的信息提供给管理和决策人员，使他们能够及时地 了解管网运营的状况，并帮助他们作出有效的决策。 供水信息动态模拟仿真软件为了满足供水企业对管网的日常调度操作和改 扩建规划的需要，建立一套适应一般管理人员适用的模拟仿真软件。其分为管 网数据管理、管网计算和管网分析三大部分。应具有如下特性： 可靠性 主要是指正确性和鲁棒性的有机结合。正确性是软件产品具有精确执行规 格说明所定义的任务的能力。鲁棒性是软件系统对异常情况能采取适当的 反应的能力。鲁棒性是正确性的补充。系统的可靠性是指系统在运行过程 1 2 第二章信息系统分析与建模 中抵抗异常情况的干扰，保证系统正常工作的能力。因此，在系统设计时 应考虑以下问题： a ) 避免逻辑错误； b ) 设计人机接口时，对关键的输入信息应设计检错、纠错的功能； c ) 对可能的错误，应进行容错处理； d ) 设置必要的运行日志和信息跟踪； e ) 对关键的数据操作，设置安全性检验； 可复用性 丌发的软件元素应该可被其它供水信息系统应用，同时在开发软件时应 该存在大量的普遍目的的可重用的软件元素。 _ 扩展性 可扩展性指软件产品对需求规格的变动适应性。由于软件依赖于人类现 象甚至缺点，比如需求提出的不清楚以及管理机构变更等都导致它需要 经常被改动；而且，现代社会的变化节奏的加快，这种变动更快，所以 软件产品的可扩展性更重要了。 提高软件可扩展性的两个基本原则是： 设计的简单性：简单的体系结构比复杂的体系结构更易于适应系统的变 化。 分散化：模块越自治，一个简单的变动影响的模块越少；否则会导致系 统的一系列的变动。 模块性 模块性是指用一系列在很大的程度上相互独立的模块来构成软件的性 质。模块局部化了设计和实现变化的影响，降低了理解和维护软件的难 度。 软件的可重用性和可扩展性要求一个灵活的体系结构，这需要自治的模 块。从这种角度讲模块性含概了可扩展性和可重用性。 _ 易使用性 易使用性是指软件易于使用的程度；包括易安装，易操作，易监控。界面 友好，提供在线帮助等功能。 兼容性 兼容性是指将一个软件系统和其它软件系统组合在一起的难易程度。互用 性的关键是同种设计，以及程序间通讯协议的标准化等。 _ 一致性 第二章信息系统分析与建模 在软件的设计与实现中采用统一的技术与术语的性质。使用给水技术专业 术语，使得软件既可以用于生产实际又可用于教学目的。 一简单性 简单即是美。简单性是指软件以最容易理解的方式实现其功能的性质。将 抽象的数据以简单易懂的可视化图形显示 二、系统的总体结构 操作系统选择微软公司的w i n d o w s2 0 0 0 ，网络协议采用t c p i p 。数据库采 用该公司的s q ls e r v e r2 0 0 0 ，数据库与应用程序的接口采用a d o 。前端丌 发工具采用b o r l a n d 公司的d e l p h i 。系统的总体结构图如图2 4 所示 l 图形显示i 计算 | 结果分析i 眄石习附。尊龋程序广磊磊 数据库m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 平台m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 网络协议t c p 1 p 图2 - 4 系统的总体结构图 三、逻辑模型 逻辑模型如图2 5 所示。 1 图形坐标系的实现 建立管网图的显示，就需要指定坐标系，来确定绘图的位置。通常以垂直和 水平方向上的轴来定位，也就是说，通过增减x ，y 的坐标值来移动对象的位置。 第二章信息系统分析与建模 眄言端翟 、 固翟 图2 5 逻辑模型图 2 供水管网系统 在供水管网系统的逻辑设计中设计了三个抽象类，即属性类、事件类和数据 类。将管网中的设备抽象为六种：节点、水源、水池( 含水塔) 、管段、阀门和 泵。 节点：以“”表示。代表不同管线的交点、不同管径或材质的管线连接处 以及大水量用户。在图形坐标系中的位置，以( x ，y ) 坐标表示；各节点以i d 号来 区别并辅以描述属性。如图2 - 6 所示。 第二章信息系统分析与建模 图2 - 6 节点的元数据模型 水源：位于管网外部的，其水力水头和水质不受管网内部水力条件和水质的影 晌的系统，如水库、河流等。以“目”表示。在图形坐标系中的位置，以( x ，y ) 坐标表示；各水源以i d 号来区别并辅以描述属性。如图2 7 所示。 端：圆端。 端1 属性类 i d x y 描述 端4 端3 事件类 添加 删除 状态 消息 颜色 大小 图2 7 水源的元数据模型 数据类 一总水头 一时变化模式 一初始水质 一源水水质 + 进水量0 + 水面标高( ) + 压力0 + 水质0 第二章信息系统分析与建模 水池：管网中的贮水设施，如蓄水池、水塔等，用于调节管网内的流量，以“曰 表示。在图形坐标系中的位置，以( x ，y ) 坐标表示；各水池以i d 号来区别并辅以 描述属性。如图2 8 所示。 图2 - 8 水池的元数据模型 管段：指管网中从某一节点输水至另一节点的管线，以“”表示。在图形 坐标系中的位置，以相连得节点i 和节点j 的位置决定；各管段以l d 号来区 别并辅以描述属性。其中长度、管径和流量系数为必录数据，即不能为空的记 录。如图2 - 9 所示。 第二章信息系统分析与建模 端1 属性类 一i d 一起节点 一止节点 一描述 端。幽端。 端4 端3 事件类 添加 删除 状态 消息 颜色 大小 数据类 一长度 一管径 一镥械 一铺设年代 一流量系数 一主流体反应系数 一壁流反应系数 一状态 + 流量( ) + 流速( ) + 单位水头损失( ) + t h 质( ) + 状态( ) 图2 - 9 管段的元数据模型 阀门：用于控制管网中某些节点和管线的压力和流量，以“冈”表示。在图形 坐标系中的位置，以相连得节点i 和节点j 的位置决定；各阀门以i d 号来区 别并辅以描述属性。如图2 1 0 所示。 端l j一 属性类 i d 起节点 止节点 描述 端2l = = = = l端5 端4 端3 事件类 添加 删除 状态 消息 颜色 大小 图2 1 0 阀门的元数据模型 数据类 一直径 一类型 一设置 一状态 + 流量( ) + 水头损失( ) + t h 质( ) + 状态( ) 第二章信息系统分析与建摸 泵：以单个水泵建立模型，以便将来进行泵站的优化调度，以“口”表示。在 图形坐标系中的位置，以相连得节点i 和节点j 的位置决定；各泵以i d 号来 区别并辅以描述属性。如图2 - 11 所示。 端t 属性类 工d 起节点 止节点 描述 四、数据模型 事件类 添加 删除 状态 消息 颜色 大小 图2 - 1 1 泵的元数据模型 数据类 一型号 一泵轴安装标 一特性曲线 一功率 一转速 一初始设置 一控制类型 一电度电价 一时变化模式 一状态 + 流量( ) + 水头损失( ) + 状态( ) 数据模型是描述数据结构的模式，是对客观事物及其联系的数据描述。数据 模型定义对象数据以及对象之间的关联关系。针对某个具体的信息系统，数据 模型就是具体化了的表、视图、关系、索引、存储过程、触发器以及各种数据 字典等。数据模型可以用来对数据信息进行分类，每个类型可以用来表示具体 的信息和重要的概念以及企业运作的某些准则。同时数据模型被用于储存当前 和历史数据。当前数据便于对当前正在进行的过程进行分析，并为过程的运作 保留重要的状态信息，同时为运作模拟提供支持，使得过程模型不断地被优化， 另外也为过程运作的状态恢复提供了保障。历史数据可用于提供模型比较符合 宁 第二章信息系统分析与建模 实际的初始化数据，并使模拟结果更加准确。 数据模型的建立最早采用人工或其它的o f f i c e 工具来实现，随着c a s e 工 具的出现和发展，开始使用它来进行数据模型的建立，c a s e 工具象m i c r o s o f t v i s i o 以及r a t i o n a lr o s e 等可视化建模工具，虽然其表象和功能不尽相同，但其 目标是一致的，都是建立稳定可靠的数据结构和相应的数据字典；并且采用的 都是面向对象的方法。数据模型是一个信息系统的核心问题。数据模型主要由 记录和数据项、值、数据文件等组成，描述对象的数据称为记录，描述属性的 数据称为项或字段，由于一个对象具有若干属性，所以纪录也是由若干项组成。 构造数据模型时应考虑一下几个原则： 1 明确定义。 给数据模型命名，使不同的模型得以区别；给每个纪录类型命名， 以表示和说明同一模型中的纪录类型；给每个数据项命名，以说明 和区分每个记录类型所具有的数据项并确定作记录类型的关键字 的数据项； 2 易于管理； 说明各个记录类型之间的联系，并各这种联系命名；给出各个数据 项的数据特征，即类型、长度、值域等； 3 易于数据结构的共享： 4 数据模型相互之间正交，避免相互影响和修改。 建立的数据模型不仅要有利于描述企业中的数据及其转换，而且还能消除和 控制数据的冗余。同时为开发人员提供具有一致性的信息视图，也便于描述企 业中的数据信息流动和数据存储。 下面笔者采用面向对象技术设计用于供水管网模拟仿真的数据模型( 如图 2 一1 2 所示。) 。 第二章信息系统分析与建模 图2 一1 2 供水管网模拟仿真数据模型 第二章信息系统分析与建模 1 管网系统主要的数据模型 节点数据表 序号字段数据类型索引说明 1i d i n t 主用整数对节点进仃唯一的杯不 2xf l o a t 管网图中节点的横坐标 3 y f u d a t 管网图中节点的纵坐标 4 地面标高 f l o a t 可与x ，y 形成三维图 5 描述v c h a r ( 1 0 0 )对节点相关重要信息的文字描述 6 水量 f l o a t 节点水量 7 逐时变化模式 i n t 与逐时变化模式数据表的i d 号进 行关联 8 漏失系数 f l o a t 消防、绿化用水 9 初始水质 f l o a t0h , 寸亥r j 离开节点的水体水质 1 0 源水水质 f l o a t 此节点进入管网的水体水质 1 1 实际水量 f l o a t节点水量 1 2 总水头 f l o a t 即水力水头= 地面杯局+ 压力 1 3 压力 f l o a t 压力水头 1 4 水质 f l o a t 注：1 1 ，t 2 ，1 3 ，1 4 为运算结果。 水源数据表 序号字段数据类型索引 说明 l i d i n t 主用整数对水源进行唯一的杯不 2xf l o a t 管网图中水源的横坐标 3 y f l o a t 管网图中水源的纵坐标 5 描述 v c h a r 6 总水头 f l o a t 水向杯局 7 逐时变化模式 i n t 与逐时变化模式数据表关联 8 初始水质 f l o a t 9 源水水质 f l o a t 1 0 进水量 f l o a t 1 1 杯向 f l o a t 水曲杯局 1 2 压力 f l o a t 1 3 水质f l o a t 注：1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 为运算结果。 水池数据表 j 序号字段 数据类型索引说明 li d i n t 主用整数对水池进行唯一的标不 2 xf l o a t 管网图中水池的横坐标 第二章信息系统分析与建模 3 y f l o a t 管网图中水池的纵坐标 4 池底标高 f l o a t 水位为0 时 5 初始水位 f l o a t 6 最低水位 f l o a t 7 最高水位 f l o a t 8 横截面积f l o a t水池的水平横截面积 9 最小体积 f l o a t l o 体积曲线 i n t 与逐时变化模式数据表的i d 号进 行关联 1 1 混合模型 i n t 1 2 混合系数 f l o a t 1 3 反应率 f l o a t 1 4 初始水质 f l o a t 1 5 源水水质 f l o a t 1 6 进水量 f l o a t 1 7 当前水位 f l o a t 模拟时刻的水池水位 1 8 标高 f l o a t 水面的标高 1 9 压力 f l o a t 2 0 水质 f l o a t 注：1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 为运算结果。 管段数据表 序号字段数据类型索引说明 1i di n t 主 用整数对管段进行唯一的标示 2 起节点 i n t 起始节点i d 号 3 止节点 i n t 终止节点i d 号 4 描述v c h a r ( 1 0 0 ) 5 长度 f l o a t 6 管径f l o a t 7 管材 v c h a r 为流量系数模型预留 8 铺设年代 d a t e 为流量系数模型预留 9 流量系数 f l o a t 如海曾一威廉公式的c 参数 1 0 主流体反应系数 f l o a t 1 1 壁流反应系数 f l o a t 1 2 状态 b i t 开或关；为事故模型预留 1 3 流量 f l o a t 1 4 流速 f l o a t 1 5 单位水头损失 f l o a t 1 6 水质f l o a t 1 7 状态 b i t 开或关 注：1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 为运算结果。 第二章信息系统分析与