城市给水管网可视化计算

城市给水管网可视化计算摘要：本文探讨并建立了具有GUI的任意形状给水环状管网的可视化计算模型。在平台下，将几何建模、矩阵生成、管网计算及结果分析一体化。利用可视化思想，使管网计算过程简化，提高了工作效率。

关键字：给水管网平差算法可视化Matlab引言城市给水管网系系统是保障工工业生产和群群众生活的重重要体系之一一。运用计算算机及其应用用软件来解决决管网优化调调度问题，提提高管理效率率，节约运行行费用，是当当前给水系统统新理论、新新技术发展研研究的基本方方向。国内外外科研工作者者已经做了大大量工作并取取得了相应的的成果。但需需要较多的经经验，且操作作上存在诸多多不便。本文文以为开发平平台，采用面面向对象的可可视化编程技技术建立城市市给水管网计计算模型。根根据管网的结结构参数（管管网图形、管管段直径和长长度、阻力系系数、节点流流量等）计算算出各管段流流量和水头损损失等。在此此基础上，还还可以得到各各节点的水压压以及水源点点供水压力等等参数，从而而全面了解管管网的工作状状况，并对管管网的优化调调度，改建扩扩建，制订发发展规模等提提供科学依据据。1管网平差算算法优选及程程序实现为提高供水可靠靠性，城市给给水管网通常常建设为环状状。环状管网网的水力计算算方法有很多多种，常见的的有求解环方方程，求解节节点方程，求求解管段方程程等。但计算算过程都必须须符合下面两两个条件：⑴节点流量必须须平衡，即应应满足连续性性方程：⑵闭合环路内水水头损失必须须平衡，即应应满足能量方方程：式（1）和式（2）中，为衔接接矩阵，为回回路矩阵，为为结点流量，为管段水头损失，为管段流量。环状网在初分流量时已经符合条件（1）的要求，但在确定管径并计算得到管段水头损失以后，往往不能同时满足（1）、（2）的要求。因此，环状网水力计算过程就是在已定管径的基础上，重新分配管段流量，不断计算，不断调整，直至符合上述水力条件为止。目前已有的各种种软件包各具具特色，但基基本算法都是是对连续性方方程、能量方方程和管段压压降方程的求求解。一般的的，计算机求求解时都采用用解节点方程程的方法，其其优点是输入入数据少，大大部分工作如如拟定管段初初始流量，生生成衔接矩阵阵和系数矩阵阵等都由计算算机自动完成成。但存在节节点数大，方方程数多，系系数矩阵很大大，求解算法法较复杂等缺缺点。通过对对比发现，解解环方程编程程效率高于解解节点方程。因因为环数远小小于节点数，环环方程数少于于节点方程数数，系数矩阵阵大大缩小，迭迭代次数也减减少，很大程程度上提高了了计算机计算算速度并能节节省存储空间间。只要在编编程过程中，根根据已知条件件，解决好自自动拟定管段段初始流量，自自动生成系数数矩阵等问题题，该法就完完全具备了解解节点方程法法的优点。所所以本可视化化模型以解环环方程法为基基础。环状管网的解环环方程方法常常用的是hardyy-crosss法（平差法法）。其基本本思路是在管管网计算时，各各管段初始流流量分配后，求求出管段水头头损失。如每每环各管段水水头损失和（闭闭合差）不为为零，则对该该环各管段引引入校正流量量，两环的公公共管段须同同时计及两环环的校正流量量。然后按Q的流量计算算各管段水头头损失，重复复计算直到各各环闭合差接接近零为止，其其流程图见图1。显然，harddy-crooss法的效率很很大程度取决决于方程式（1）和（2）中的衔接接矩阵的构建建方法以及各各管段流量的的初值给定方方法。另外，管管网的结构图图的建立和各各管段的计算算所需信息的的输入方式也也会影响计算算效率。为此此，本文采用用Matlaab作为开发发平台，在可可视化操作环环境下，以图图形的形式建建立管网结构构图，并输入入节点和管段段的各种信息息。在此基础础上，由计算算机根据管网网的几何形状状，自动生成成衔接矩阵并并赋予管段初初始流量。初初始流量分配配不当将增加加迭代次数，甚甚至可能导致致计算不收敛敛。因此，合合理分配初始始流量是很重重要的。根据据几何关系，环环状管网中的的管段数P，节点数J和环数L存在如下关关系：P=J+LL-1，而连续性性方程（1）的独立方方程只有J-1个，显然运运用连续性线线性方程解管管段流量时将将有无数组解解，要求唯一一解将要补充充其他方程，增增加了编程的的工作量。本本文以Matlaab中特有的的PINV函数数找出一组恰恰当的解作为为初分流量，较较好地解决了了这一问题。多多次实践证明明，运用该法法计算得到的的结果与实际际情况相当吻吻合。在进行可视化操操作绘制管网网结构图的过过程中，我们们将管段图形形概化为直线线，沿线流量量简化到节点点，并且节点点流量由用户户自由输入。建建立环路时规规定用户按逆逆时针方向绘绘制管线直到到闭合成环结结束，根据各各个环路的拓拓扑结构，构构造管段的拓拓扑关系。完完成所有环路路的建立以后后，计算机按按已存储的节节点与管段的的图形学关系系，即可直接接建立回路矩矩阵和衔接矩矩阵。2软件开发平平台及管网计计算的可视化化编程是一个既可以进进行分析计算算，又能进行行数据可视化化的高效操作作平台，可以以方便的建立立具有用户图图形界面（GGUI）的参参数输入、数数值计算、结结果分析调整整一体化的仿仿真环境。利利用其专业的的绘图工具，快快速的建立管管网模型并得得到所期望的的数值图形解解。有关Maatlab语语言本身及建建立GUI应用程程序的方法和和具体开发过过程，可阅读读相关文献[[3]。在进行用户界面面GUI设计时时，研发人员员一般应遵守守三个原则：：第一是简单单化，即界面面结构清晰，层层次分明，操操作方便；第第二是一致性性。界面各部部分功能应相相互匹配，不不产生抵触；；第三是人性性化，界面要要友好，符合合人们的正常常逻辑思维方方式和使用习习惯。本文将GUI设计成四个个区域（见图图2）。最上方方是下拉菜单单区，右侧是是主操作区，左左上方是图形形区，左下方方是节点编辑辑区。下拉式式菜单占据空空间小，信息息多；缺点是是调用麻烦。根根据这些特性性，把不常调调用的命令置置于其中，如如文件存储和和打开，图形形缩放，坐标标系调整等。主主操作区系列列操作按键实实现最主要的的和频繁调用用的命令。主主操作区又分分为四个子区区。子区一设设有addNNode和delNoode按键，用用于添加和删删除节点，加加点时给出节节点号，删除除节点时剩余余节点号自动动调整；子区区图2软件界面。二设有addCCirclee和delCiircle按按键，用于添添加和删除环环路。添加环环路时在环的的形心位置给给出环标号，该该标号具有重重要意义，是是环路删除时时用于寻找对对象的标志；；子区三设有有setNoodeQ和setLiineProop按键，用用以给节点和和管段赋予计计算用的初始始值；子区四四有calcculatee、showHHf和showQQ按键，前者者用于管网水水力平差计算算，后两者以以可视化方式式给出各管段段的水头损失失和流量。左左下方节点编编辑区用于实实现节点坐标标的修改及键键盘输入。以以上GUI中各个个元素（按键键、编辑框、菜菜单等）利用用Matlaab中开发工工具GUIDDE、PROPEEDIT、MENUEEDIT进行行设定。Maatlab6.5开开发环境下，系系统自动生成成与各个元素素相对应的ccallbaack函数框框架。实现程程序功能的关关键工作是编编写这些元素素所要完成的的处理函数，即即GUI的处处理代码编写写。

在编写函数处理理代码的过程程中，要使程程序真正达到到简洁、高效效，除了思路路上要清晰外外，下面两个个问题也很值值得重视。第第一是如何解解决函数间的的相互联系，确确保数值正确确传递的问题题。用户图形形界面上的元元素表面上似似乎是独立的的，内部却有有着紧密的联联系，后面很很多工作往往往涉及到前面面的基础。函函数间数值的的传递，Maatlab6.5下可可用handdles命令令来解决，无无须像以前那那样用finndobj命命令来查找句句柄，使用起起来相当方便便；第二个问问题是函数结结构化、一体体化思想。编编程过程中，可可将多处使用用的代码用一一个通用子函函数编写，以以供直接调用用。如本文中中管网重绘代代码，在管网网构建、平差差计算以及计计算结果可视视化中多次用用到，可写成成子函数形式式。使程序更更加简洁，易易于阅读、查查找错误和修修改，减少程程序之间的影影响，提高可可靠性。基于以上思路，本本文设计了具具有GUI的城市给水水管网结果可可视化计算模模型，它具有有按键和鼠标标操作的全部部功能，集建建立管网模型型，参数赋值值，计算，结结果可实视化化为一体。可可进行局部缩缩放，对管网网结构和各种种参数能作出出任意修改，使使用起来相当当方便。图3、图4为利用本文文模型计算所所得的结果。图3

管网网水头损失平平差计算结果果

图4

管网流量平平差计算结果果3全文小结城市给水管网是是一个比较复复杂的系统，从从初始流量的的分配，水力力计算到优化化调度和图形形结果显示，涉涉及的因素很很多，任何一一部分的改进进与完善都与与整体的优化化密不可分。本本文探讨并建建立了具有GGUI的环环状管网定线线，初分流量量、平差、优优化设计的计计算模型。通通过Matllab使几何何数据、数学学模型参数、平平差计算与计计算结果的图图文显示一体体化，能够方方便、迅速的的计算并分析析得出结果。显显然，利用可可视化思想使使得