供水管網建模與維護系統建設關鍵技術研究

陸翔

摘要：供水管網水力模型是管網優化調度系統的基礎，保障管網模型的準確、可靠運行是整個系統成敗的關鍵因素。因此，對于供水管網建模以及系統的維護的研究有著十分重要的意義。管網建模內容包括管網基礎資料收集整理，GIS或CAD數據轉化為管網模型，模型參數的校正三部分工作。運行期管網模型的維護主要包括：管網模型狀態的維護，節點流量在線更新與校正，管網拓撲結構的維護三方面開展。通過供水管網的建模和管網模型的實時在線維護校正達到其精度和可靠性，進而保證供水優化調度的準確性與安全性。

關鍵詞：供水管網；管網建模；模型數據；節點流量；拓撲結構

引言

傳統觀念注重“建?！边^程，但是建模是一次性過程，管網模型的維護才真正決定了模型是否可以長期為管理運行提供有效的支持，管網建模只是管網模型維護系統的一個環節，因此，本文展開管網建模與運行期間系統維護的研究具有十分重要的意義。

供水管網系統模型是整個調度系統的基礎，保障管網模型的準確、可靠運行是整個系統成敗的關鍵因素之一，其包括四個層面的系統維護：（1）管網建模：將CAD數據或GIS數據轉化為管網水力模型，包括數據的導入、數據的檢查、模型結構的簡化，水泵曲線的編制等多個工作；（2）管網運行狀態的在線更新與維護：日常使用過程中，水力模型中的泵站、閥門等可能根據實際情況發生變化，為保持模型與實際管網一致進行的工作；（3）管網模型節點流量的在線更新與校正：供水系統的節點流量隨時空間發生變化，為保證模型與實際運行情況一致進行的工作；（4）管網拓撲結構的更新：隨時每年的建設與改造，管網的結構與模型都會發生偏離，為保證管網模型與實際管網拓撲結構一致每年都必須進行拓撲結構的更新。管網模型的維護系統分為兩個階段，第一個階段為建立管網模型，第二個階段為運行期。

因此，本文就管網建模流程以及運行期間模型如何維護展開研究。

1. 管網建模

1.1管網建模內容

管網建模內容包括管網基礎資料收集整理、從GIS或CAD數據轉化為管網模型，模型參數的校正三部分工作，建模流程如下：

1.2管網建模工具軟件

管網建模軟件是實現從GIS或CAD數據到管網模型的工具，作為建模軟件，即可獨立于其他軟件單獨運行，也可以集成到整個系統平臺中。本文建模主要采用CSWaterNet系統和CW-Net系統。CSWaterNet采用C#和C++開發，具有友好圖形界面，計算內核采用從美國EPANET內核發展而來的計算內核。CW-Net采用Delphi開發和C++開發，輔助進行模型的校核計算。

1.3管網建模工具的接口

（1）支持從實時水力模型中導出已經校驗好的模型供離線模型使用。用戶可以從在線管網模型系統中導出管網模型，利用離線管網建模工具中的添加模型功能導入到建模工具中進行編輯和分析。

（2）支持DXF和 SHAPE文件矢量格式電子地圖導入建模。用可以直接讀取通用的DXF格式的數據或者SHAPE數據格式文件，用戶根據圖層的內容在指定節點和管線，系統直接生成管線和節點數據，并可進行節點的自動合并。

1.4管網對象編輯

支持單個圖形對象的編輯。編輯操作包括常規添加、刪除，修改等，并可對不同的對象賦值，指定對象屬性。添加過程中自動對對象命名，亦可根據需要指定對象名稱。類型的模型對象使用不同圖形符號，如閥門、消火栓、水泵等。

1.5視圖操作功能

可無級縮放，支持鼠標滾輪操作：（1）可中心縮放，支持方框放大縮?。唬?）可平移、全幅顯示、刷新；（3）背景地圖：支持通用柵格圖形和DXF等矢量格式文件的數據作為背景底圖。（4）對象分層管理：可對管段、管網各種設備及地圖數據按不同的層來組織管理，可以按需要顯示或隱藏這些層。

1.6模型數據編輯

（1）支持管段、管網設備的自動編號和自定義編號；（2）支持各管網對象屬性數據的批量錄入、批量修改；（3）屬性數據批量修改時，支持按規則先選擇一個對象集合，再進行統一修改。

1.7節點流量數據

提供多種節點流量分配功能：

（1）供用水模式管理功能，用戶根據需要可以建立不同用水模式；

（2）用戶可以根據需要對各節點進行多種方式的節點流量分配。包括按照管長加權，節點加權，混合方式加權，原始比例等多種，用戶可選取區塊內節點單獨進行節點流量制定。

1.8管網簡化

在不影響管網水力計算結果的前提條件下，能夠對連續管道、并聯管道、枝狀管等進行手動和自動簡化，軟件支持逐條簡化和批量簡化，同時還可根據簡化要求設置不同的簡化條件。

2.運行期管網模型的維護

2.1運行期管網模型狀態的維護

在日常運行，由于運行調度的目的，經常需要對管網閥門的調整，根據實際狀態，直接改變開關狀態，或者可以根據管道上閥門的狀態設置等效管到阻力系數。授權用戶在設置完管道開關狀態、糙率、閥門狀態之后，只在改變了內存中的數據狀態，需要點擊“更新設施狀態”菜單才能把所有數據更新到數據庫中。一旦操作，影響所有用戶和后臺服務器的之前存儲的數據

2.2管網模型節點流量在線更新與校正

由于管網的節點流量每時每刻都進行變化，為保證模型的時效性與準則性性。系統自動根據SCADA的監測數據每15分鐘進行一次管網節點流量的修正，保證模型的準確性。所有控制均在后臺實現，下圖為流程圖。

供水管網的節點流量校核通常是建立最小化計算結果和實測結果，可以表述為數學模型為：

約束： ；

其中Jmin是目標函數； 和 分別是水頭監測資料和計算結果 和 分別是流量監測資料和計算結果； 和 分別是高位水池、水源的供水量實測值和計算值； 分別是對應權重函數； 分別是被測量的節點水頭數、管線流量數和水源數； 是節點水頭向量； 是節點流量向量；Q1和 QU 分別是節點流量上限和下限； 是管網水力學方程。

供水管網的節點流量校核模型的求解方法：供水管網的節點流量校核的核心是如何求解一個有數千個狀態變量的數學模型，這是對供水系統數值分析的嚴峻挑戰。通過研究，課題組發展了矩陣求解法。通常供水管網模型可以表述為式：

其中I=[1 1 K 1]綜合以上的分析，求解對上式進行球道，即可的優化函數的搜索方向。在得到優化搜索方向后，進行一維搜索，得到最優解。一維搜索時為了保證求解的在進行時對優化步長進行約束可表示為：

其中： ；

全過程應能夠實現無人操作，整個計算過程實現模型誤差應滿足以下要求：

1、流量誤差：管段流量誤差控制在10%以內。

2、壓力誤差：校驗點管網節點壓力誤差95%在2米以內，85%在1米以內。

2.3在線管網拓撲結構的維護

由于管網改擴建，管網在隨著時間會發生變化，根據改擴建的情況，授權用戶將離線修改模型，將新的管網模型導入到系統數據庫中，系統自動進行模型數據的重構和節點流量的校驗，保障管網實時模型的準確性。

由于管網模型拓撲結構的變化影響到可能整個系統正常運行，一旦誤操作，對整個系統沖擊太大，從安全的角度出發，系統設計成離線式修改，整個操作流程如下：

（a）從實時管網模型庫中導出現有模型；（b）將原模型導入到建模工具軟件；（c）在建模軟件中進行模型拓撲結構的修改；（d）對新模型進行檢查后導入到實時系統中供用戶使用。

3.結論

（1）采用CSWaterNet系統和CW-Net系統，將基礎數據從GIS或CAD數據到管網模型的工具中轉化為模型數據，構建管網水力計算模型，將監測數據與水力模擬數據比對分析并進行校正從而達到建模目的，軟件具備對象編輯，視圖操作，模型數據編輯等功能。

（2）運行期管網模型的維護主要包括：管網模型狀態的維護，節點流量在線更新與校正，管網拓撲結構的維護三方面，這三個方面需要實時進行修正，保證模型的準確性。

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（作者單位：上海城建水務工程有限公司）