本發明屬于城市供水管網領域，涉及供水管網DMA(District Metering Area，獨立計量區域，DMA)實時建模，具體是一種基于供水管網SCADA(Supervisory Control And Data Acqusition，監視控制和數據采集系統，SCADA)在線數據的實時建模方法。

背景技術：

供水管網規模龐大，結構復雜。受用戶用水隨機變化、人工調度等影響，管網系統存在諸多動態不確定性。不僅如此，受自然爆管、水泵機械故障、水源污染等影響，管網的動態不確定性進一步增強。傳統管網離線模型雖能反映管網平均工況，但脫離實際工況運行，不能反映管網動態不確定性，不具備實時性，模擬精度較低，僅用于規劃設計和計劃調度。雖已有少數文獻提出利用SCADA、GIS和營收系統，建立在線模型來改善模型動態特性，但實質上，其中的GIS和營收系統只用在離線建模階段，且SCADA系統僅僅更新部分節點的流量值。事實上，管網短時間內的水源水壓波動、閥門狀態變化、水泵的啟停等等對管網運行波動的影響，遠大于節點流量對管網運行波動的影響,若建模過程中忽略這些動態參數，則其模型實質上不具備全局實時性，直接導致模型精度不高。

國內尚無實質性的實時建模應用實例，國外僅辛辛那提大學供水管網實時建模研究小組提出EPANET-RTX實時建模開源框架^[1]，該框架具備全局實時性，但尚存在以下問題：未連接GIS(Geographic Information System，地理信息系統，GIS)和營收系統，無法反映管網拓撲結構、用戶日用水量和用水模式的變化；節點需水量估計過于平滑，使得模型存在較大擬合偏差；閥門狀態未反饋，無法貼合實際。

參考文獻：

[1]James G.Uber,DominicBoccelli,HyoungminWoo,Yuan Su,Sam Hatchett.Real-Time Network Hydraulic Modeling:Data Transformation,Model Calibration,and Simulation Accuracy[R].National Institute of Hometown Security,US.October2013。

技術實現要素：

針對以上問題，本發明提出了一種供水管網DMA實時建模方法。

本發明方法具體過程如下：

1.構建DMA管網模型及出入口邊界處理

針對特定供水管網DMA區域，以常規的水力平差建模技術構建DMA模型，即構造滿足微觀管網的基本質能守恒方程：

質量平衡方程：

∑q(i,j)+Q_i＝0 (1)

能量平衡方程

H_i-H_j＝h_k (2)

其中，q(i,j)表示與節點i相關聯的節點j之間的管道流量；Q_i表示節點i的節點流量；H_i和H_j表示節點i和節點j的水頭，h_k表示節點i和節點j之間的管道k的壓降。

具體可通過EPANET、WaterGEMS等軟件輔助建立管網模型，并可顯示、操作。

然后對DMA管網模型進行如下出入口邊界處理：

①在出入水口邊界節點外均添加一個節點作為虛設節點(虛節點)，將這些虛節點基本用水量初始值設為0，其它基本屬性(如標高等)與出入水口節點屬性設為完全一致；

②在每個入口虛節點外添加水庫作為虛設水庫(虛水庫)，添加管段，將入、出口節點與對應虛節點連接、將入口虛節點與對應虛水庫連接，連接采用理想無阻力管道(指管長極短、管徑極大和摩阻系數極小的管道，三個參數值參考值可為0.00001、10000和0.00001)。

2.管網模型連接GIS和營收系統

以OPC(OLE for Process Control,用于過程控制的OLE)方式將管網模型與GIS和營收系統連接，其中，GIS數據負責動態更新模型基礎信息，營收數據負責動態更新節點日基本用水量信息。按月動態更新管網模型節點基本用水量，具體做法是：對于任意的節點i，其包含r類用戶，每類用戶個數為n(i,r)。

累計營收系統中節點i每類用戶的前一個月的月用水總量D(i,r)：

$D(i,r)={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{n(i,r)}d(i,r,m)---\left(3\right)$

其中d(i,r m)表示節點i中的第r類中的第m個用戶的月用水總量，節點i的r類用戶的日用水模式序列為P(i,r,1),P(i,r,2),…,P(i,r,L)，L是用水模式序列長度值，若某用水類型長度為l，若l<L，則P(i,j,k)＝0(l<k<L)。然后可以得到節點i的r類用戶的日基本需水量更新值Base(i,r)：

$Base(i,r)=\frac{D(i,r)}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^{L}P(i,r,k)}---\left(4\right)$

3.管網模型連接SCADA系統

以ODBC方式連接SCADA系統數據庫，將SCADA在線數據作為模型運行的邊界條件和狀態參數。邊界條件包括入水口壓力及流量、出水口流量；狀態參數包括水箱水位、水泵流量及轉速，閥門壓力及流量、測量管道流量、測量點壓力等。根據模型元素與SCADA數據庫的映射關系獲取在線的時間采樣序列q₁,q₂,q₃,…,q_t。

4.數據在線預處理

獲取到的時間序列由于儀器等原因，需要進行預處理后才能反饋回模型。其中處理方式包括：重采樣、差分、插值、移動平滑、數據轉換等。其中重采樣是去除冗余值及采樣時間標準化，得到重采樣后的數據q₁′,q₂′,q₃′,…,q_t′；針對累計值，需要對重采樣的數據進行一階差分；對于采樣時間間隔T，出現缺值時需要進行線性插值；使用移動平滑的方法去除時間序列中的噪聲；對于雙向或環流管道測量，需要確定流向后進行轉換。

5.實時模擬

①首先進行節點的需水量分配，令t時刻節點i的基本需水量為：

$Dbase(i,t)=\underset{s=1}{\overset{K}{\&Sigma;}}\left(base\right(i,s)\&times;\mathrm{\&theta;}(s,t\left)\right)---\left(5\right)$

其中base(i,j)表示節點i的第s種預分配需水量模式，K表示節點的需水量模式s的總長度，θ(s,t)表示當前時刻t對應的用水量模式乘子，由下式獲得：

$\mathrm{\&theta;}(s,t)=(\frac{t-t_0+pst}{step}+1)\%K---\left(6\right)$

t₀表示實時模型的運行初始時間，pst實時模型的模式起始時間，step表示需水量模式時間步長。

②清除反饋點模式，并將當前時刻的邊界條件和狀態參數更新到反饋點。其中對于虛節點，入水口虛節點需水量大小等于對應入水口管線流量測量值大小，值設為負；出水口虛節點需水量等于對應出水口管線流量值，若出水口管線流量流向是流出方向，則虛節點流量設為正，否則設為負。

③執行水力模型，并將結果存入模擬結果數據庫。需要時，可以實時顯示及回顧。

本發明的有益效果：本發明可完整地建立DMA實時模型，該模型可以充分反映供水管網動態特性，降低模型不確定度，從而大幅度提高模擬精度和動態跟蹤性能。同時，以此方法為基礎，可逐步建立整個城市供水管網實時模型，用于異常跟蹤和定位等。

附圖說明

圖1：DMA管網示例。

具體實施方式

下面給出一個例子，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。本例對象為供水管網中一個小型DMA，包含28個節點，2個水庫，1個水箱，1處泵站，1個減壓閥，34條管段，如圖1所示。為便于說明，本例選擇EPANET作為輔助軟件，具體實施過程如下：

1.建立DMA管網模型

在EPANET中繪制管網，并保證管網模型滿足基本質能守恒方程。然后在每個外部節點旁分別添加一個節點，作為虛節點，這里分別為A1、B1、C1和D1，設定虛節點基本需水量為0，其它基本屬性(坐標、標高)與A、B、C和D對應相同；其次，在入水口虛結點A1、B1外，各添加一個水庫，分別為R1，R2，基本屬性(坐標)與A、B對應相同；最后，用無阻力管道(管長、管徑、粗糙度分別設為0.00001、10000和0.00001)連接外部節點與對應虛節點、虛節點與虛水庫，得到DMA管網模型。

2.管網模型連接GIS和營收系統

以OPC(OLE for Process Control,用于過程控制的OLE，OPC)方式將管網模型與GIS和營收系統連接。假設最新一次的GIS數據變動是，DMA管網增加了一個節點J_N和管道P_N，已知P_N與新增節點J_N和管網內原有節點J_P相連，設計方向是至J_P流向節點J_N，并刪除了內部一個節點J_DE，該節點與DMA中的管道P_DE相連。利用EPANET操作DMA管網模型文件，動態更新數據到模型，具體操作是：

①新增節點J_N，編輯管網模型文件的節點，在“JUNCTIONS”(EPANET節點)末尾處添加描述新增節點J_N的屬性語句，分別是:標號、高度、基本需水量和需水量模式信息；在“COORDINATES”(EPANET坐標)中末尾處添加新增節點J_N的坐標屬性，分別是標號、X坐標、Y坐標信息；

②刪除節點J_DE，在“JUNCTIONS”部分，檢索唯一節點標號“J_DE”并刪除該節點，同樣，在“COORDINATES”部分，檢索并刪除節點標號“J_DE”；在“PIPES”(EPANET管段)中檢索唯一管段標號“PDE”所在行，刪除改行；

③新增管道P_N，在“PIPES”末尾處添加描述新增管段的屬性語句，分別是標號、起始節點、終止節點，管道的長度、直徑、粗糙度、損失系數和狀態參數。其中，根據設計方向，起始節點與終止節點分別是是在J_P和J_N；

上述對GIS數據變動的操作方法僅作為簡單示例，對于其他諸如水庫、水箱等元素信息和諸如“選項”和“時間”等仿真信息的動態更新，方法與此類似，不再一一描述。

使用營收系統動態更新管網模型節點基本需水量，

每月共更新28個節點基礎需水量。這里舉例更新節點C，其余節點更新方法與此類似：節點C共包含3種用戶的用水量信息，這3類用戶的用戶個數分別為n(C,1)，n(C,2)和n(C,3)。3類用戶對應的3種用水模式，用水模式序列每15分鐘一次，一天24小時共計96次，第α類用戶的用水模式序列表示為P(C,α,1),P(C,α,2),…,P(C,α,96)，0<α<3。

根據水表記錄，第α類用戶該月總用水量為：

$D(C,\mathrm{\&alpha;})={\mathrm{\&Sigma;}}_{m=1}^{n(C,\mathrm{\&alpha;})}d(C,\mathrm{\&alpha;},m)$

節點C的第α類基本用水量更新值為：

$Base(C,\mathrm{\&alpha;})=\frac{D(C,\mathrm{\&alpha;})}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^{96}P(C,\mathrm{\&alpha;},k)}$

3.管網模型連接SCADA系統

所要采樣的在線時間序列包括：水庫的壓力(對于DMA，是入口閥門的閥后壓力)，流出流量；水箱的水位，流出流量；水泵的運行時間、轉速，和流出流量等；閥門的閥前、閥后壓力(這里僅考慮減壓閥)，閥門狀態；管線，邊界測量管線流量和狀態，中間測量管線狀態；測量節點的需水量。

確定以下采樣時間序列的遠程SCADA標號：

水庫A，B的前后壓力p_A1，p_A2和p_B1，p_B2及流出流量f_A和f_B；

水箱的水位l_tank及流出流量f_tank；

水泵運行時間t_pump、轉速v_pump、泵站流出流量f_pump；

閥門的前、后壓力p_v1和p_v2以及閥門狀態s_v；

邊界測量管線L1、L2、L3、L4流量：f_L1、f_L2、f_L3、f_L4；

中間測量管線P₁，P₂的狀態s_p1和s_p2；

中間測量節點J₁，J₂的用水量f_J1和f_J2。

4.數據在線預處理

對p_A1、p_A2、p_B1、p_B2、f_A、f_B、l_tank、f_tank、t_pump、v_pump、p_v1、p_v2、f_L1、f_L2、f_L3、f_L4、s_p1、s_p2、f_J1、f_J2時間序列進行重采樣；

對水庫A、B流出累計流量f_A、f_B、水箱流出累計流量f_tank、水泵運行時間t_pump和累計流量f_pump以及邊界測量管線的累計流量f_L1、f_L2、f_L3、f_L4線性差分。

對除管道和水泵狀態的其余時間序列進行線性插值并對插值后數據進行移動平滑去噪。

管網中管道L3涉及到雙向流量，測量值包含雙向測量分量，流出和流入DMA的測量值分別為f₁和f₂，則管道流量值為f₁-f₂若DMA模型中管線的L3設計方向是由DMA向外為正方向(若管道流量值為負表示與設計方向相反)。

5.實時模擬

①更新所有未測量節點的需水量，以節點J_E為例，已知J_E包含3類需水量模式，3類模式對應三個子基本需水量base(J_E，1)，base(J_E，2)和base(J_E，3)，對應3個用水量乘子序列為θ(1,1)、θ(1,2)、…、θ(1,96)，θ(2,1)、θ(2,2)、…、θ(2,96)和θ(3,1)、θ(3,2)、…、θ(3,96)，24小時內包含96個乘子，即每15分鐘更新一次乘子。則t時刻節點J_E的基本需水量為：

$Dbase(J_E,t)=\underset{s=1}{\overset{3}{\&Sigma;}}\left(base\right(J_E,s)\&times;\mathrm{\&theta;}(s,t\left)\right)$

②清除反饋點模式，在EPANET中使用ENsetcontrol和ENsettimeparam等函數實現，并將當前時刻的邊界條件和狀態參數使用ENsetnodevalue函數更新到反饋點。其中對于虛節點，入水口虛節點需水量大小等于對應入水口管線流量測量值大小，值設為負；出水口虛節點需水量等于對應出水口管線流量值，若出水口管線流量流向是流出方向，則虛節點流量設為正，否則設為負。

③調用EPANET計算引擎，執行水力模型，并將結果存入模擬結果數據庫。需要時，可以實時顯示及回顧。