供水管网建模与维护系统建设关键技术研究

陆翔

摘要：供水管网水力模型是管网优化调度系统的基础，保障管网模型的准确、可靠运行是整个系统成败的关键因素。因此，对于供水管网建模以及系统的维护的研究有着十分重要的意义。管网建模内容包括管网基础资料收集整理，GIS或CAD数据转化为管网模型，模型参数的校正三部分工作。运行期管网模型的维护主要包括：管网模型状态的维护，节点流量在线更新与校正，管网拓扑结构的维护三方面开展。通过供水管网的建模和管网模型的实时在线维护校正达到其精度和可靠性，进而保证供水优化调度的准确性与安全性。

关键词：供水管网；管网建模；模型数据；节点流量；拓扑结构

引言

传统观念注重“建模”过程，但是建模是一次性过程，管网模型的维护才真正决定了模型是否可以长期为管理运行提供有效的支持，管网建模只是管网模型维护系统的一个环节，因此，本文展开管网建模与运行期间系统维护的研究具有十分重要的意义。

供水管网系统模型是整个调度系统的基础，保障管网模型的准确、可靠运行是整个系统成败的关键因素之一，其包括四个层面的系统维护：（1）管网建模：将CAD数据或GIS数据转化为管网水力模型，包括数据的导入、数据的检查、模型结构的简化，水泵曲线的编制等多个工作；（2）管网运行状态的在线更新与维护：日常使用过程中，水力模型中的泵站、阀门等可能根据实际情况发生变化，为保持模型与实际管网一致进行的工作；（3）管网模型节点流量的在线更新与校正：供水系统的节点流量随时空间发生变化，为保证模型与实际运行情况一致进行的工作；（4）管网拓扑结构的更新：随时每年的建设与改造，管网的结构与模型都会发生偏离，为保证管网模型与实际管网拓扑结构一致每年都必须进行拓扑结构的更新。管网模型的维护系统分为两个阶段，第一个阶段为建立管网模型，第二个阶段为运行期。

因此，本文就管网建模流程以及运行期间模型如何维护展开研究。

1. 管网建模

1.1管网建模内容

管网建模内容包括管网基础资料收集整理、从GIS或CAD数据转化为管网模型，模型参数的校正三部分工作，建模流程如下：

1.2管网建模工具软件

管网建模软件是实现从GIS或CAD数据到管网模型的工具，作为建模软件，即可独立于其他软件单独运行，也可以集成到整个系统平台中。本文建模主要采用CSWaterNet系统和CW-Net系统。CSWaterNet采用C#和C++开发，具有友好图形界面，计算内核采用从美国EPANET内核发展而来的计算内核。CW-Net采用Delphi开发和C++开发，辅助进行模型的校核计算。

1.3管网建模工具的接口

（1）支持从实时水力模型中导出已经校验好的模型供离线模型使用。用户可以从在线管网模型系统中导出管网模型，利用离线管网建模工具中的添加模型功能导入到建模工具中进行编辑和分析。

（2）支持DXF和 SHAPE文件矢量格式电子地图导入建模。用可以直接读取通用的DXF格式的数据或者SHAPE数据格式文件，用户根据图层的内容在指定节点和管线，系统直接生成管线和节点数据，并可进行节点的自动合并。

1.4管网对象编辑

支持单个图形对象的编辑。编辑操作包括常规添加、删除，修改等，并可对不同的对象赋值，指定对象属性。添加过程中自动对对象命名，亦可根据需要指定对象名称。类型的模型对象使用不同图形符号，如阀门、消火栓、水泵等。

1.5视图操作功能

可无级缩放，支持鼠标滚轮操作：（1）可中心缩放，支持方框放大缩小；（2）可平移、全幅显示、刷新；（3）背景地图：支持通用栅格图形和DXF等矢量格式文件的数据作为背景底图。（4）对象分层管理：可对管段、管网各种设备及地图数据按不同的层来组织管理，可以按需要显示或隐藏这些层。

1.6模型数据编辑

（1）支持管段、管网设备的自动编号和自定义编号；（2）支持各管网对象属性数据的批量录入、批量修改；（3）属性数据批量修改时，支持按规则先选择一个对象集合，再进行统一修改。

1.7节点流量数据

提供多种节点流量分配功能：

（1）供用水模式管理功能，用户根据需要可以建立不同用水模式；

（2）用户可以根据需要对各节点进行多种方式的节点流量分配。包括按照管长加权，节点加权，混合方式加权，原始比例等多种，用户可选取区块内节点单独进行节点流量制定。

1.8管网简化

在不影响管网水力计算结果的前提条件下，能够对连续管道、并联管道、枝状管等进行手动和自动简化，软件支持逐条简化和批量简化，同时还可根据简化要求设置不同的简化条件。

2.运行期管网模型的维护

2.1运行期管网模型状态的维护

在日常运行，由于运行调度的目的，经常需要对管网阀门的调整，根据实际状态，直接改变开关状态，或者可以根据管道上阀门的状态设置等效管到阻力系数。授权用户在设置完管道开关状态、糙率、阀门状态之后，只在改变了内存中的数据状态，需要点击“更新设施状态”菜单才能把所有数据更新到数据库中。一旦操作，影响所有用户和后台服务器的之前存储的数据

2.2管网模型节点流量在线更新与校正

由于管网的节点流量每时每刻都进行变化，为保证模型的时效性与准则性性。系统自动根据SCADA的监测数据每15分钟进行一次管网节点流量的修正，保证模型的准确性。所有控制均在后台实现，下图为流程图。

供水管网的节点流量校核通常是建立最小化计算结果和实测结果，可以表述为数学模型为：

约束： ；

其中Jmin是目标函数； 和 分别是水头监测资料和计算结果 和 分别是流量監测资料和计算结果； 和 分别是高位水池、水源的供水量实测值和计算值； 分别是对应权重函数； 分别是被测量的节点水头数、管线流量数和水源数； 是节点水头向量； 是节点流量向量；Q1和 QU 分别是节点流量上限和下限； 是管网水力学方程。

供水管网的节点流量校核模型的求解方法：供水管网的节点流量校核的核心是如何求解一个有数千个状态变量的数学模型，这是对供水系统数值分析的严峻挑战。通过研究，课题组发展了矩阵求解法。通常供水管网模型可以表述为式：

其中I=[1 1 K 1]综合以上的分析，求解对上式进行球道，即可的优化函数的搜索方向。在得到优化搜索方向后，进行一维搜索，得到最优解。一维搜索时为了保证求解的在进行时对优化步长进行约束可表示为：

其中： ；

全过程应能够实现无人操作，整个计算过程实现模型误差应满足以下要求：

1、流量误差：管段流量误差控制在10%以内。

2、压力误差：校验点管网节点压力误差95%在2米以内，85%在1米以内。

2.3在线管网拓扑结构的维护

由于管网改扩建，管网在隨着时间会发生变化，根据改扩建的情况，授权用户将离线修改模型，将新的管网模型导入到系统数据库中，系统自动进行模型数据的重构和节点流量的校验，保障管网实时模型的准确性。

由于管网模型拓扑结构的变化影响到可能整个系统正常运行，一旦误操作，对整个系统冲击太大，从安全的角度出发，系统设计成离线式修改，整个操作流程如下：

（a）从实时管网模型库中导出现有模型；（b）将原模型导入到建模工具软件；（c）在建模软件中进行模型拓扑结构的修改；（d）对新模型进行检查后导入到实时系统中供用户使用。

3.结论

（1）采用CSWaterNet系统和CW-Net系统，将基础数据从GIS或CAD数据到管网模型的工具中转化为模型数据，构建管网水力计算模型，将监测数据与水力模拟数据比对分析并进行校正从而达到建模目的，软件具备对象编辑，视图操作，模型数据编辑等功能。

（2）运行期管网模型的维护主要包括：管网模型状态的维护，节点流量在线更新与校正，管网拓扑结构的维护三方面，这三个方面需要实时进行修正，保证模型的准确性。

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（作者单位：上海城建水务工程有限公司）