[发明专利]一种基于供水物联网数据驱动的污水管网实时模拟方法

权利要求书

1.一种基于供水物联网数据驱动的污水管网实时模拟方法，其特征在于，步骤如下：

过程1：离线模块，包括S1、S2和S3三个阶段，离线模块的执行频率和次数根据实际需要确定，

S1:按步骤S11-S12集成污水管网与供水管网水力模型，

S11:基于地理信息系统GIS提供的供水管道、水库、泵站、污水管道和检查井模型组件的参数信息，建立污水管网和供水管网水力模型，

S12:基于GIS自带的空间分析功能，建立供水管网模型节点与污水管网模型检查井之间的映射关系，实现模型中每个供水节点的排水进入与之空间距离最近的污水检查井；

S2:按步骤S21-S27校正供水管网水力模型每个节点的历史用水量，

S21:设置所需的相关参数：供水管网中所有压力监测点和流量监测点在历史某时刻t的观测值H^o、Q^o；误差阈值ε；最大迭代次数S和节点用水量调整范围p，

S22:初始化每个节点在历史某时刻t的用水量：对于一个给定节点数量为N_x的供水管网，其中N_y个节点安装了智能水表，N_y＜N_x，首先将N_y个单独计量的用水量分配至相应的节点，剩余水量根据每个节点与相邻节点连接的管道长度按比例分配至其余N_x-N_y个节点，具体公式如下：

式中，为按管道长度比例分配的节点r在历史某时刻t初始化后的节点用水量，l_r为与节点r相连接的管道总长度，L_T为供水管网管道总长度，L_M为智能水表节点连接的管道总长度；Q_T为供水管网总供水量；Q_M为智能水表在历史t时刻的总水量，

管网中共有N_x个节点，其中有一部分节点处装有智能水表，在历史t时刻的用水量根据智能水表直接获取，另外一部分节点未装有智能水表在历史t时刻的用水量未知，这些节点在历史t时刻的用水量根据公式1-1计算得出，供水管网中历史t时刻所有节点的总初始用水量等于历史t时刻每个节点初始用水量之和，

S23:计算历史t时刻压力和流量监测点的观测值与模拟值残差：运行供水管网水力模拟，计算第s次迭代时(s＝1,2,...,S)，其中，

压力监测点的观测值与模拟值残差为：

流量监测点的观测值与模拟值残差为：

式中，NH和NQ分别为压力和流量监测点的数量，和H_u(q)^s分别为压力监测点u的观测值和在第s次迭代时的模拟值(u＝1,2,...,NH)，和Q_v(q)^s分别为供水管网流量监测点v的观测值和在第s次迭代时的模拟值(v＝1,2,...,NH)，T表示向量的转置，为所有节点在第s次迭代时历史t时刻的节点用水量向量；

S24:计算历史t时刻节点用水量调整值，具体公式如下：

式中，J_H和J_Q分别为第s次迭代时的供水管网雅克比矩阵；其中，和分别表示压力监测点u和流量监测点v的权重系数；为权重系数向量，

S25:更新每个节点的用水量，具体公式如下：

q^s+1＝q^s+Δq^s 1-5

式中，q^s+1为第s+1次迭代时每个节点在历史t时刻的用水量；和分别为某个节点r的在历史t时刻最小和最大用水量，p＝10％～20％，

S26:重复过程S23～S24，直至满足||Δq^s||＜ε或s＞S，ε＝0.01，S＝100，

S27:重复过程S21～S26，获取历史时间周期为T时间精度为Δt的供水管网节点用水量数据，用于S3的计算；

S3:按步骤S31-S32建立污水管网模型校正单目标优化模型，确定每个节点用水量和检查井入流量之间的转移系数，

S31:建立单目标函数，具体公式如下：

最小化函数：

d_l(t)＝k_l×q_l(t) 1-10

式中，K＝[k₁,k₂,...k_n]^T，k_l为污水管网模型中检查井l的用水量转移系数，T为污水管网模型校正模拟总时间，T_w为污水管网模拟热启动时间，M和N分别为污水管网中安装的液位计和流量计的数量，在污水管网数据采集系统中获取；和分别为液位监测点i在历史t时刻的液位观测值和模拟值，和为污水管网中的流量监测点j在历史t时刻的流量观测值和模拟值，和分别为液位监测点i和流量监测点j整个时间历史周期T所有时刻的模拟值向量，F_s(D(T))为和的组合向量，D(T)为T×n矩阵，表示所有检查井l整个时间周期T所有时刻的入流量，d_l(t)为检查井l在历史t时刻的入流量，q_l(t)为步骤S2中检查井l对应的供水管网节点历史t时刻的用水量校正值；和分别为k_l的最小值和最大值；g()为线性转换函数，用于将液位和流量转换为同一区间，即0到1区间范围，定义为：

式中，x表示监测点的观测值或模拟值；x_min和x_max为上限和下限，监测点一段时期的历史数据统计获取，

S32:求解单目标优化模型：使用现有技术中的遗传算法求解优化模型，得到每个检查井l的用水量转移系数k_l(l＝1,...,n)；

过程2：实时在线模块，包括S4阶段，S4阶段每个时刻执行一次，

S4:按步骤S41-S43实现污水管网模型水力参数的实时模拟，

S41:根据供水管网压力计、流量计和智能水表获取当前t时刻的压力、流量和用水量数据，按照过程S2校正供水管网水力模型当前时刻t的节点用水量，

S42:根据S41获取的当前时刻t供水系统每个节点的用水量，以及S3得到的每个检查井的用水量转移系数，根据公式1-10计算污水管网中每个检查井当前时刻的入流量d_l(t)，

S43:运行污水管网水力模型，实时模拟时间精度为Δt的整个污水管网的液位和流量水力参数。