一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，所述方法先根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水壓進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，選出網(wǎng)絡(luò)中與某些節(jié)點(diǎn)強(qiáng)相關(guān)的重要節(jié)點(diǎn)，稱為中心節(jié)點(diǎn)，而和中心節(jié)點(diǎn)水壓強(qiáng)相關(guān)的節(jié)點(diǎn)稱為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)；一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)及其若干關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，如此對(duì)供水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分；而對(duì)每一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為中心節(jié)點(diǎn)處的水壓值由其關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)處的水壓值所決定，這種關(guān)系謂之水壓傳遞；建立一個(gè)線性回歸模型來定量描述水壓傳遞關(guān)系，模型參數(shù)使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)。本發(fā)明在實(shí)際供水管網(wǎng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)、元件及其參數(shù)不清晰但水壓傳感器布局合理的情況下，能夠用于節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的高精度辨識(shí)，具有應(yīng)用于管網(wǎng)水壓控制的潛力。
【專利說明】一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及城市供水管網(wǎng)監(jiān)控，具體地，涉及一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系 的辨識(shí)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 城市供水管網(wǎng)監(jiān)控的任務(wù)包括水壓控制、事故應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制以及泵站優(yōu)化調(diào)度 等，最終的目標(biāo)是在保證服務(wù)質(zhì)量（使供水水壓在事先規(guī)定的范圍內(nèi)）的前提下減少系 統(tǒng)的電能消耗。對(duì)此，供水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模是重要基礎(chǔ)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索， A. R. Simpson 和 S. Elhay 在 World environmental and water resources congress, ASCE Conference Proceedings342,283-294 上 發(fā)表了 "A framework for alternative formulations of the pipe network equations"。該文整理了供水管網(wǎng)中流量和水頭方 程的5種不同表述，包括1)流量方程，2)水頭方程，3)環(huán)流量方程，4)流量和水頭方程，5) Todini-Pilati流量和水頭方程。這些方程稱為管網(wǎng)的水力學(xué)模型，其本質(zhì)上是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn) 流量連續(xù)性方程，水管水頭損失和流量的關(guān)系，管道閉環(huán)水頭損失以及固定水頭節(jié)點(diǎn)之間 通路的水頭損失。由于其中多數(shù)是非線性的方程，因此需要迭代求解。然而，建立這樣的水 力學(xué)模型需要事先知道完整的供水系統(tǒng)布局，并且具體到每個(gè)管網(wǎng)元件的參數(shù)值，如管道 的長度、直徑、材質(zhì)等。當(dāng)系統(tǒng)的規(guī)模較大但又無法獲得足夠的管網(wǎng)信息時(shí)，精細(xì)的水力學(xué) 模型就很難建立。另一種可行的方法是在管線上安裝（壓力、流量、聲學(xué)）傳感器，基于采 集得到的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘的方法和技術(shù)來監(jiān)視供水管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。
[0003] 對(duì)于城市供水管網(wǎng)監(jiān)控，使服務(wù)區(qū)水壓處于給定的區(qū)間是最根本的任務(wù)。水壓過 高會(huì)增加漏損和爆管的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)增加系統(tǒng)的電能消耗；而水壓過低則會(huì)影響供水服務(wù)的 質(zhì)量。當(dāng)某個(gè)傳感器檢測(cè)到水壓過高或者過低時(shí)，通常的調(diào)控手段是調(diào)節(jié)當(dāng)前測(cè)壓點(diǎn)附近 泵站的出水水壓。如何自動(dòng)尋找能影響指定節(jié)點(diǎn)水壓的泵站，并進(jìn)一步判定這種影響的強(qiáng) 度就成為問題的關(guān)鍵，本發(fā)明的核心內(nèi)容就是要提供這樣的解決方案。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系 的辨識(shí)方法，為城市供水管網(wǎng)監(jiān)控提供有力的輔助手段。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，所 述方法先基于對(duì)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的Pearson相關(guān)性分析進(jìn)行供水子網(wǎng)絡(luò)劃分，再對(duì) 劃分后的每一子網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)線性回歸模型，以定量描述水壓傳遞關(guān)系；其中：所述的管 網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)，即水壓傳感器在供水管網(wǎng)中的安裝位置。
[0006] 優(yōu)選地，所述對(duì)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水壓進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，是根據(jù)Pearson相關(guān)性分 析結(jié)果選出網(wǎng)絡(luò)中與某些節(jié)點(diǎn)強(qiáng)相關(guān)的重要節(jié)點(diǎn)，稱為中心節(jié)點(diǎn)，而和中心節(jié)點(diǎn)水壓強(qiáng)相 關(guān)的節(jié)點(diǎn)稱為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)。
[0007] 優(yōu)選地，所述中心節(jié)點(diǎn)及其若干所述關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。
[0008] 優(yōu)選地，對(duì)于每一個(gè)所述子網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)處的水壓值由其關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)處的水壓值 所決定，稱這種關(guān)系為水壓傳遞。
[0009] 優(yōu)選地，所述水壓傳遞關(guān)系采用線性回歸模型定量描述，模型輸入為t時(shí)刻關(guān)聯(lián) 節(jié)點(diǎn)的水壓測(cè)量值即向量輸入，輸出為t時(shí)刻中心節(jié)點(diǎn)的水壓估計(jì)值即標(biāo)量輸出。
[0010] 對(duì)于每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，采用一個(gè)線性回歸模型描述從關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的水壓傳 遞，模型表達(dá)式如下：
[0011] y = β JXJ+. . . + β ρχρ+ ε = χτ β + ε
[0012] 其中，模型輸入xji = 1，2, ···，ρ)為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)處t(t = 1，2, ···，η)時(shí)刻的水壓測(cè) 量值，η為水壓測(cè)量值個(gè)數(shù)，ρ為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，輸出y為中心節(jié)點(diǎn)處t時(shí)刻的水壓估計(jì)值， β?為模型參數(shù)，ε為誤差項(xiàng)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0014] 本發(fā)明所述的一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，在實(shí)際供水管網(wǎng)的 詳細(xì)結(jié)構(gòu)、元件及其參數(shù)不清晰但水壓傳感器布局合理的情況下，尋找能影響指定節(jié)點(diǎn)水 壓的泵站，并進(jìn)一步判定這種影響的強(qiáng)度，能夠用于節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的高精度辨識(shí)，具 有應(yīng)用于管網(wǎng)水壓控制的潛力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0016] 圖1是某城市供水主干管道（管徑彡800mm)以及水壓傳感器（以方塊表示）的 布局圖，以及在不同的相關(guān)系數(shù)閾值r_thres下某個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；
[0017] 圖2是節(jié)點(diǎn)水壓Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣，是一 77X77的對(duì)稱矩陣，故僅顯示一半， 其中1至77為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；
[0018] 圖3是為47個(gè)子網(wǎng)絡(luò)分別建立的線性回歸模型的誤差；
[0019] 圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)是3個(gè)中心節(jié)點(diǎn)的水壓測(cè)量值同模型估計(jì)值的對(duì)比，分 別對(duì)應(yīng)高精度、較高精度和可接受精度的模型估計(jì)。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0021] 本實(shí)施例提供一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，先基于對(duì)節(jié)點(diǎn)水壓 的Pearson相關(guān)性分析進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，再為每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)建立一個(gè)線性回歸模型來定量描述 水壓傳遞關(guān)系。
[0022] 如圖1所示，供水管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)N= 77,每個(gè)節(jié)點(diǎn)處都有時(shí)長為一個(gè)月的水壓測(cè) 量值序列，共4465個(gè)值，采樣間隔為10分鐘。對(duì)節(jié)點(diǎn)i (i = 1，2,…，77)處的水壓測(cè)量值， 分別計(jì)算其同其余76個(gè)節(jié)點(diǎn)水壓測(cè)量值的Pearson相關(guān)系數(shù)，若在這76個(gè)結(jié)果中至少有 1個(gè)大于事先設(shè)定的閾值1"_1:11^8 = 0. 8,則把節(jié)點(diǎn)i選為中心節(jié)點(diǎn)，并把與其Pearson相 關(guān)系數(shù)大于0. 8的節(jié)點(diǎn)選為其關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，由此構(gòu)成一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。由本實(shí)施例77個(gè)節(jié)點(diǎn)兩兩 之間的Pearson相關(guān)系數(shù)構(gòu)成的矩陣見圖2,按上述方法共找到47個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。
[0023] 需要指出的是，在某些子網(wǎng)絡(luò)中，關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)同中心節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，在管網(wǎng)連接信息 不足的情況下，導(dǎo)致模型物理意義不明，因此需要對(duì)以上網(wǎng)絡(luò)劃分做修正。在本實(shí)施例中， 現(xiàn)場(chǎng)給出了基于調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)劃分，其中考慮到了管線連接和供水流向等因素。由此可 以對(duì)基于Pearson相關(guān)性分析做出的網(wǎng)絡(luò)劃分進(jìn)行改進(jìn)，剔除離中心節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的關(guān)聯(lián)節(jié) 點(diǎn)。經(jīng)過改進(jìn)后，每個(gè)中心節(jié)點(diǎn)至多有8個(gè)關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)。
[0024] 對(duì)于每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，采用一個(gè)線性回歸模型描述從關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的水壓傳 遞。模型表達(dá)式如下：
[0025] y = β ^!+. . . + β ρχρ+ ε = χτ β + ε (1)其中，模型輸入 Xi 為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)處 t (t = 1，2,…，4465)時(shí)刻的水壓測(cè)量值，p為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，輸出y為中心節(jié)點(diǎn)處t時(shí)刻的水壓估 計(jì)值，為模型參數(shù)，ε為誤差項(xiàng)。采用前兩天的2X6X24 = 288個(gè)水壓測(cè)量數(shù)據(jù)估計(jì) 模型參數(shù)，估計(jì)方法為最小二乘法，剩余數(shù)據(jù)用作模型測(cè)試。定義如下平均相對(duì)誤差（Mean Absolute Percentage Error, MAPE)作為模型誤差的評(píng)價(jià)指標(biāo)：
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，其特征在于，所述方法先基于對(duì)管 網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的Pearson相關(guān)性分析進(jìn)行供水子網(wǎng)絡(luò)劃分，再對(duì)劃分后的每一子網(wǎng) 絡(luò)建立一個(gè)線性回歸模型，以定量描述水壓傳遞關(guān)系；其中：所述的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié) 點(diǎn)，即水壓傳感器在供水管網(wǎng)中的安裝位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，其特征在 于，所述對(duì)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的Pearson相關(guān)性分析，是根據(jù)Pearson相關(guān)性分析結(jié)果 選出網(wǎng)絡(luò)中與某些節(jié)點(diǎn)強(qiáng)相關(guān)的重要節(jié)點(diǎn)，稱為中心節(jié)點(diǎn)，而和中心節(jié)點(diǎn)水壓強(qiáng)相關(guān)的節(jié) 點(diǎn)稱為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，所述中心節(jié)點(diǎn)及其若干所述關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，其特征在 于，對(duì)于每一個(gè)所述子網(wǎng)絡(luò)，中心節(jié)點(diǎn)處的水壓值由其關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)處的水壓值所決定，稱這種 關(guān)系為水壓傳遞。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，其 特征在于，所述水壓傳遞關(guān)系采用線性回歸模型定量描述，模型輸入為t時(shí)刻關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的 水壓測(cè)量值即向量輸入，輸出為t時(shí)刻中心節(jié)點(diǎn)的水壓估計(jì)值即標(biāo)量輸出。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間水壓傳遞關(guān)系的辨識(shí)方法，其特征在 于，對(duì)于每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，采用一個(gè)線性回歸模型描述從關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的水壓傳遞，模型 表達(dá)式如下： y = β ^!+. . . + β ρΧρ+ ε = χτ β + ε 其中，模型輸入xji = 1，2, "·，ρ)為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)處t(t = 1，2, ···，!〇時(shí)刻的水壓測(cè)量值， η為水壓測(cè)量值個(gè)數(shù)，ρ為關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，輸出y為中心節(jié)點(diǎn)處t時(shí)刻的水壓估計(jì)值，β i為 模型參數(shù)，ε為誤差項(xiàng)。
【文檔編號(hào)】G06F3/0484GK104111731SQ201410334394
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】朱彬, 袁景淇, 李少遠(yuǎn), 胡驍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)