[发明专利]基于拓扑结构演化的给水管网分区方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种给水管网分区管理模式的规划方法，特别涉及一种基于拓扑结构演化的给水管网分区方法，属于市政工程管理领域。

背景技术

分区管理是从本质上改善传统给水管网管理中所面临问题的重要手段，如漏失控制等。但是，由于缺乏理论基础，目前此领域的研究还处于探索阶段，实践中通常依据工程经验来完成分区规划，这不仅耗时费力，且难以保证分区方案的可靠性。这些因素直接阻碍了分区改造的推广，使得一些基于分区改造的现代管理需求无法得到满足。

发明内容

本发明针对给水管网拓扑结构随城市形态演化的特点，结合其自身的设计与发展原则，设计了一种较为科学的给水管网分区规划方法框架。在该方法框架中，给水管网被视为一种特定的复杂系统，其拓扑结构首先被抽象出来做为分析对象，用以确定管网演化过程中所形成的社区结构；之后，根据由管理者制定的经济水平目标，在社区结构划分的基础上，进行分区规划，生成方案。

本发明的技术方案如下：

一种基于拓扑结构演化的给水管网分区方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：

(1)依经济水平指标确定分区数量，其中，经济水平指标由自来水集团的决策层制定；

(2)用无向图表征管网拓扑结构：与水力模型不同的是，无向图只需包含统一类型的节点和边，而无需区分组件类型和属性，即模型中的所有点状组件都做为节点，而线状组件都作为边，节点与边的连接关系即为管网的拓扑结构；

(3)拓扑分析，确定分区边界：用复杂网络社区结构分析方法分析拓扑结构，确定所研究管网的社区结构体系和演化历程，并以此为依据，以步骤(1)确定的分区数量为限制条件，划分分区边界；其中，社区结构是许多实际网络都具有的一个共同性质，即整个网络是由若干个“社区”构成，每个社区内部的节点间的连接相对紧密，而各个社区之间的连接相对稀疏。社区结构对于深入了解网络结构和分析网络特性都很重要。复杂网络社区结构分析方法是将呈现高度复杂性的网络作为分析对象，运用数学方法搜索其社区结构的方法。

(4)确定最优方案：运用优化算法确定分区边界上管道的状态，以求在确保水力安全性的前提下，尽可能的减少区域间连接管路的数量，流量计的个数和尺寸，达到成本效益最大化；

(5)方案局部优化：如果优化过程结束后，仍无法得到符合步骤(4)优化算法的所有约束条件的方案，则需对分区方案进行局部优化。

所述步骤(4)中，优化算法或优化过程选择管道状态作为决策变量，变量值设置为“0”和“1”，分别表示管道的开启或关闭；以水压和流速的限制作为水力约束条件(H_min≤H_j≤H_max，j＝1，…，J)和水质控制约束条件(V_min≤V_i≤V_max，i＝1，…，N)；以改造费用为目标函数，即最小化f(D₁，…，D_M)，如下所示：

H_min≤H_j≤H_max，j＝1，…，J

V_min≤V_i≤V_max，i＝1，…，N

最小化f(D1,···,DM)=Σk=1MC(DK)]]>