[发明专利]一种给水管网分区中优化水表和阀门位置的方法

说明书

技术领域

本发明涉及水网安装管理领域，尤其是一种基于谱聚类的给水管网分区方法。

背景技术

给水管网分区是在系统性能影响最小的情况下通过安装水表、阀门形成独立供水区域，便于优化调度、漏损控制等各方面的管理，以适应信息化、智能化、精细化的要求。管网分区需要考虑的技术要求较多，水表、阀门位置的合理与否直接影响给水管网分区的性能。目前一些分区方法只是初步确定了分区边界，而缺乏优化确定分区中水表、阀门位置的方法。因此，需要开发高效的确定分区中水表、阀门位置的方法，满足供水企业分区改造时的管理需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种高效、快速确定分区中水表阀门位置的给水管网分区中优化水表和阀门位置的方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述方法基于图划分中谱聚类最小割理论，通过确定合理的特征向量数提高谱聚类效果，确定分区中边界管道；通过分析节点和管道重要性，在考虑连通性、分区水压要求的基础上，利用最短路径和启发式算法确定各分区水表和阀门位置，最终完成分区规划。

进一步的，所述方法的具体步骤如下：

步骤1，综合分析影响分区的技术、经济因素，确定合理的分区数量；

步骤2，谱聚类优化：用无向权重图表征管网拓扑结构，构建拉普拉斯矩阵，计算谱对应的特征向量，运用优化算法，以步骤1确定的分区数量为前提，将节点划分为不同的节点聚类，对应一个给水管网分区；

步骤3，确定分区边界：根据节点聚类，找出不同聚类间连接管道，即为分区边界管道，并将所有边界管道设定为阀门，处于关闭状态；

步骤4，节点和管道重要性分析：根据复杂网络PageRank和边介数算法分别计算节点和管道的中心性、重要性，量化不同节点和边界管道的重要性程度；

步骤5，确定分区连通性：采用单位流量的水头损失为管道权重，根据步骤4中节点重要性，利用最短路径算法确定每个分区首个水表位置，保证分区的水力连通性；

步骤6，管网模拟：管网模拟，确定水压是否满足要求；

步骤7，如水压不满足要求：以步骤4中边界管道中心性为基础，考虑水压要求，每次在边界阀门中，确定一个能最大程度改善管网水力状况的作为水表位置，返回步骤6；

步骤8，如水压满足要求，则分区完成，确定水表和阀门最优位置方案。

进一步的，步骤2中，特征向量合理与否影响聚类效果，因此，采用复杂网络理论中的模块度指标衡量聚类效果，确定合理的特征向量组数。

进一步的，所述步骤7中，根据步骤4中管道介数中心性，采用启发式算法逐个搜索边界管道中能最大程度改善管网水力状况的水表位置，直至分区满足水压要求。

工作过程大致如下：

利用聚类算法确定节点聚类集合，得到分区边界，并在考虑分区时水压约束前提下，确定合理的水表、阀门位置，最终获得优化分区方案。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：通过确定合理的特征向量数，提高谱聚类效果，在确定了分区边界基础上，首先通过最短路径算法确定各分区的水力连通性，然后基于边介数中心性，通过启发式算法逐步确定水表和阀门位置，获得满足水压要求的最优分区方案。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是实施例的管网图。

图3是实施例的最优特征向量数图。

图4是实施例的管网分区图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明所述方法包括以下具体步骤：

步骤1，综合分析影响分区的技术、经济等因素，确定合理的分区数量：根据示例管网具体情况，设定分区数量为12个；

步骤2，谱聚类优化：对图2示例管网进水水力模拟，以管道流量为权重，建立无向图，以模块度为指标，确定最合理的分区数量，如图3所示，合理的特征向量数为6个；

步骤3，确定分区边界：根据节点聚类，找出不同聚类间连接管道，即为分区边界管道，并将所有边界管道设定为阀门，处于关闭状态。如图4所示，不同分区间边界为边界管道；

步骤4，节点和管道重要性分析：根据复杂网络理论，对节点和管道重要性进行分析，量化不同节点和边界管道的重要性程度；

步骤5，确定分区连通性：利用最短路径算法确定每个分区首个水表位置，保证分区的水力连通性。如图4所示，部分分区一个水表即满足水力要求，其他分区则需要确定多个水表位置；

步骤6，管网模拟：管网模拟，确定水压是否满足要求；