[发明专利]一种城市供水管网系统的漏损故障滤波方法

说明书

本发明公开了一种城市供水管网系统的漏损故障滤波方法，发明针对通信信道带宽有限问题，考虑传输数据的Markov丢包对滤波器输入信号造成的影响，建立供水管网系统的状态空间模型。然后，设计全阶的供水管网故障检测滤波器，建立滤波误差增广系统。紧接着利用李雅普诺夫稳定性理论，推导出滤波增广系统随机稳定且满足给定H_∞性能的充分条件。最后通过求解线性矩阵不等式得到城市供水管网漏损故障滤波器增益矩阵。本发明可以对城市供水网管系统的漏损故障进行准确估计，准确地获得供水管网漏损故障信号，满足现代城市供水管网系统漏损故障检测的实际需求。

技术领域

本发明属于自动化技术领域，涉及一种城市供水管网系统的漏损故障检测滤波方法，通过设计基于观测器的漏损故障检测滤波器，实现对城市供水管网系统进行准确及时的漏损故障检测，能显著减少城市地下供水管道漏损而导致的问题，可用于现代城市供水行业。

背景技术

城市供水系统是重要的基础设施，对保证城市经济的稳定发展和人民生活水平的提高有着举足轻重的作用。供水管网漏损率是反映供水企业管理水平的重要标志之一，降低城市供水管网漏损率具有重要的经济效益和社会效益。在长期运行中,由于管网老化、外力破坏的原因,常常会发生管道破损,造成自来水泄漏。由于管网一般深埋于地下,供水管网漏损不易及时发现,使得管网漏损成为国内外供水行业面临的普遍问题，不仅浪费了大量的水资源和供水各环节中消耗的能源，还可能引起地面塌陷、环境污染、水质风险这些次生问题。因此，及时准确地检测到城市供水管网系统出现的漏损故障，可以有效地防止供水管网漏损带来的问题。

由于城市供水管网特别复杂，当前技术难以准确获取供水管网各个节点的实时数据，因而缺乏对供水管网的漏损故障滤波方法，无法对供水管网漏损进行及时获取，从而造成水资源的严重浪费和次生问题的出现。通过在供水管网节点布置大量的传感器，可以将测量得到的水务数据通过通信网络实时传输至水务监控中心。但是，传输信道的有限带宽严重影响了大量水务数据的实时传输效果，导致水务数据的随机丢失现象，造成供水管网漏损故障信号难以及时获取。因此，急需一种有效的漏损故障滤波方法，实现对供水管网系统漏损故障及时准确的检测。

发明内容

本发明针对目前我国城市供水管网系统无法及时有效地进行漏损故障检测的问题，提供一种城市供水管网系统实现管网漏损故障滤波器的设计方法。本发明针对通信信道带宽有限问题，考虑传输数据的Markov丢包对滤波器输入信号造成的影响，建立供水管网系统的状态空间模型。然后，设计全阶的供水管网故障检测滤波器，建立滤波误差增广系统。紧接着利用李雅普诺夫稳定性理论，推导出滤波增广系统随机稳定且满足给定H_∞性能的充分条件。最后通过求解线性矩阵不等式得到城市供水管网漏损故障滤波器增益矩阵。

本方法的具体步骤是：

1.建立城市供水管网系统的状态空间模型

首先，基于水力学伯努利方程和实测数据，建立下述供水管网系统模型

x(k+1)＝Ax(k)+g(k,x(k))+Dw(k)+Ff(k)

y(k)＝Cx(k)

x(j)＝θ(j),j＝-1,0

其中表示供水管网系统在k时刻检测到的管网端节点的水务状态向量，符号分别表示n维的欧几里德空间以及n×m维的实数矩阵，上标T表示矩阵的转置；x₁(k),x₂(k),x₃(k)分别表示k时刻的传感器所测量的水压值、水流速度值和水流量值；表示平方可加的外部扰动；表示k时刻供水管网系统出现的故障；表示k时刻供水管网系统的测量输出值；θ(j)表示水务状态向量的初始值；都是通过建模获得的常数矩阵；表示传感器所产生的非线性不确定函数；

对于任意向量非线性函数g(·,·)满足条件