智慧管網算法研究與應用

戴彥群

(成都理工大學 工程技術學院，四川 樂山 614007)

0 引 言

市政地下管網是整個都市的生命線，是保障都市正常運轉、市場金融穩定成長的必要條件，其規模大、領域廣、管網類別多、空間分布復雜等特點，散布在城市的每個角落，與人民生活關系密切。管網的智能算法的研究顯得格外重要，可提升市政部門應對公共情況和處置突發事故的能力。突發災害應急情況后，市政部門可快速了解災害發生地周圍管網布設情況，可快速調用其關聯資源，迅速對應急事件進行處置，使發生的危害降到最低。

當前已經有許多優秀算法的研究，如：應用聚類算法識別供水管網爆管事故[1]，多水源供水管網的水壓控制仿真研究[2]，基于流向的管網爆管分析算法[3]，故障樹分析在城市燃氣管網安全評價中的應用[4]，供水管網爆管分析算法及其GIS組件的實現[5]，供水管網系統爆管可監控最小管徑分析方法研究[6]等。以上算法是基于某一類的問題和具體的功能實現，復雜度高。

文中參考以上算法，結合實際的管網數據[7-8]，設計了基于流向的管網爆管分析、管網水力計算算法和管線評估分析算法。較好地實現了智能管網分析、智能監控以及智能管理等功能[9-11]。

1 算法設計原則

系統算法設計主要以六大設計原則為基礎來進行構建，如圖1所示。

(1)實用性原則。

算法功能實用，操作便捷，響應快速，符合市場及企事業部門需求，在實際應用領域達到專業性要求，系統運行中數據的準確性和安全性能夠得到保障。

(2)可靠性原則。

能夠保障長期有效地執行各功能操作分析，并避免可能產生的錯誤，在運行中，能夠確保數據的可靠性和信息的完整性。

(3)標準化原則。

算法中采用的數據、理論和公式均符合國家相關部門的標準和規定，模型的合理性和高程相關信息合理準確。

(4)安全性原則。

算法在事故記錄、空間數據等方面經過嚴格加密措施處理，確保系統運行安全和數據安全，保障系統在平臺安全運行。

(5)高效性原則。

在處理分析數據時，保障快速的系統響應，并減少分析處理時間，達到良好的用戶體驗，在操作輸入方面設計簡潔明了，能夠直觀反映出來。

(6)可維護性原則。

預留擴展模塊，以備未來算法升級更新，在數據方面預留備份，可以為后期數據更新進行添加修改。

圖1 算法設計原則

2 管線評估分析算法

系統根據對管線各個數據的統計梳理，結合實際管道漏損等情況，應用漏損率算法，得出管線評估報告。

城市自來水管網漏損率計算公式如下：

Ra=(Qa-Qae)/Qa×100%

(1)

其中，Ra表示管網年漏損率(%)，Qa表示年供水量(km3)，Qae表示年有效供水量(km3)。

單位管長漏水量計算公式如下：

Qh=(Qa-Qae)/Lt×8.76

(2)

其中，Qh表示單位管長漏水量(m3(km·h))，Lt表示管網管道總長(km)。

單位供水量管長計算公式如下：

Lq=Lt/(Qa÷365)

(3)

其中，Lq表示單位供水量管長(km/km3/d)。

通過上述算法分析得出管網漏損情況，再結合供水管網價值資產評估，分析管網在自然力條件下、人為操作導致的管道變形、內部磨損、管線自然老化等物理性能的損耗或下降引起的管道資產貶值。根據供水管網的各組成部分，參考已使用年限、對勘察的各部分現狀及其他因素恰當的綜合評定來進行資產評估。

重置成本法是現時條件下被評估資產全新狀態的重置成本減去該項資產的實體性貶值、功能性貶值和經濟性貶值后估算資產價值的一種方法，本次評估主要考慮實體性貶值。

重置成本法計算公式如下：

評估值=重置成本×成新率

(4)

重置成本=工程造價+前期及其他費用

(5)

工程造價=直接工程費+措施費+間接費+利潤+

稅金

(6)

成新率=[1-(已使用年限/耐用年限)]×100%

(7)

3 基于流向的管網爆管分析算法

針對之前爆管分析中搜索查找不必要閥門的問題，本系統經研究得出一套基于管道流向的爆管分析方法。該方法在分析了傳統爆管分析算法特點的基礎上，利用GIS幾何拓撲思路，結合管道水流的流向，對老的爆管分析算法進行了改進。

在開始進行爆管分析時首先要建立幾何網絡拓撲關系，在其關系中，現階段在地下管網系統中基本抽象為幾何弧段，調壓箱、閥門、消防栓等點要素都抽象為網絡節點，并都處于各個管線的交點處。因此，拓撲網絡中簡化為只考慮管線與管線、管線與節點的拓撲關系問題。在GIS網絡之中都是通過應用節點至管線的拓撲結構來存儲其關系，網絡抽象節點主要包含了節點ID號、關聯管網ID、XY坐標等屬性；網絡抽象管線主要包含了管線ID號、直徑、材料、埋深等屬性。其實，在實際情況下，只需要關閉爆管點上游閥門便可切斷水流，其實現思路如圖2所示。

圖2 爆管分析

4 管網水力計算算法

在管網中，管段流量是計算管段水頭損失的重要數據，也是對選擇管徑大小的重要依據，計算管段流量應是先求出沿線流量(這里只考慮針對居民區域用水分析)和節點流量。系統假定在排除大用戶用水量外，用水量全部均勻分布在干管上的假設，得出以單位面積計算的比流量，計算公式如下：

(8)

其中，qA為面積比流量，L/s·m2,∑A表示干管供水區域總面積。

在同一管網中，比流量的大小隨用水量的變化而變化，在管段沿線兩側配給用戶所需流量，根據比流量求出整個管網中任意管段沿線流量，其計算公式如下：

ql=qsl

(9)

其中，ql表示管段沿線流量，L/s，l表示該管段的計算長度，A表示該管段承擔的供水面積。

對于管道流量變化大的管段，難以確定水頭損失和管徑，所以要將沿線流量轉化成節點流量。沿線流量轉化成節點流量的原理是求出一個沿線不變的折算流量q，使它產生的水頭損失等于實際上沿線變化的流量qx產生的水頭損失，推導過程如下：

假設沿線流量均勻分布，則管道任意斷面上的實際流量為：

(10)

沿線水頭損失為：

(11)

根據水力等效原則，得：

(12)

令γ=qt/ql，推導可得：

(13)

上述表明，折算系數α只和γ值有關，取水頭損失計算流量指數n=2，在管網末端，轉輸qt為零，則γ=0，得：

(14)

取水頭損失計算流量指數n=1.852，α≈0.567 8。如果γ=100，折算系數為α=0.5。

因此，管網任意節點，由沿線流量折算成的節點流量為：

qi=0.5∑ql

(15)

根據上述管段流量數據和實際管徑信息，灌渠總水頭損失計算公式為：

hz=hy+hj

(16)

其中，hz表示灌渠總水頭損失，hy表示灌渠沿程水頭損失，hj表示灌渠局部水頭損失。

在管網水力平差計算中，一般不考慮局部水頭損失，主要考慮沿程水頭損失，考慮相關規范在水力方面的協調，系統主要針對其中一種做計算分析。

塑料管及內襯與內涂塑料的鋼管按達西公式計算。

(17)

在經過上述復雜的水力計算，系統模擬計算出各個監測點流量數據，用于系統做統計分析。

系統通過實時GPRS數據傳輸，將數據保存于數據庫中，并通過調用數據庫服務實現數據的實時監控[12-13]。系統可在控制窗口實時監控監測位置的流量情況，預設報警流量值，系統自動實時分析數據資源，當有流量異常時，系統會自動報警，并在地圖上顯示異常位置信息，調出處理窗口，分管人員查看異常點實時情況，調配人員前去處理，智能化地監控整個管網流量信息。

其實現技術主要通過調用數據庫服務，對數據進行不斷地查詢分析，一旦查找出異常，直接將異常位置坐標上傳到服務器，服務器進行異常處理分析[14-15]，調出處理窗口，通過緩沖區和幾何追蹤分析，找出最近閥門，定位其位置，再通過關聯屬性操作，找出關聯用戶等信息。調用最短路徑分析算法，計算并求解出維修部門與事故發生點的最短路徑，并通過應急車輛上傳的實時坐標位置，在地圖上顯示實時行進情況，并做相應安排部署。

5 實驗分析

COM的組件式開發技術主要是通過面向對象和其組件式軟件在GIS中的應用操作，這使得基于COM組件的二次開發的開發周期大大縮減，能夠迅速研發出特定應用領域的專業軟件。

GIS的組件式開發技術可根據實際應用需求進行模塊化的開發，針對不同的需求調用相應的模塊控件，調用接口的可擴展性使得系統能夠在后續版本和功能上得到加強和完善，使得系統更能夠滿足實際應用的需求，并保持良好的版本兼容問題[16]。對于COM的組件式開發已慢慢形成一種行業內的標準，集成了大量的控件模塊，大量的接口服務，使得GIS技術慢慢推向大眾化、精簡化，讓普通用戶也能夠通過開發的產品了解和應用GIS處理和管理地理信息數據。該系統采用開發平臺應用Visual Studio 2013，調用COM組件來實現快速開發。采用了四川省樂山市市中區管網數據為實驗數據。

設備預警功能，主要采用水力計算算法計算各個水力值，在發生爆管的時候，就會依據爆管分析算法進行查詢，找到爆管位置和所需關閉閥門要素。系統通過實時監測各個控制點的數據并進行分析，一旦發生異?，F象，系統將會啟動應急預案并彈出解決窗口進行事故處理。點擊事故處理按鈕，彈出監測窗口，選擇相應的監測數據，連接監測點，啟動智能監測，當發生數據異常時，立即進行相應的處理流程，并分析得出事故位置范圍的詳細信息，并做相應的處理操作，如圖3、圖4所示。

圖3 數據監測

圖4 事故處理

網評估算法，系統設計出針對不同管網的評估算法，通過輸入工程造價和各個管材的單價，依據算法公式，求出成新率和評估結果，并對結果做一個維護成本的預估分析，如圖5所示。

圖5 管網評估算法

6 結束語

采用算法設計的基本原則，依據空間數據的特性、管網空間特性、水流原理、水流損失和水壓設計、管網漏損以及資產評估等，設計了管網水力計算算法、基于流向的管網爆管分析算法和管線評估分析算法，實現了管網評估、水流量數據監測、數據傳輸、異常數據爆管分析以及事故處理等功能，形成了完善的智慧管網算法，智能地處理了監測數據的異常、爆管分析，自動預警提示，管網資本評估分析。該算法采用樂山市的數據進行算法測試，通過實驗結果證明了該算法的正確性、可靠性、實用性和智能性。為智慧管網算法的研究提供了一定理論依據和現實的技術性參考。