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1、數(shù)據(jù)與模型耦合驅(qū)動的供水管網(wǎng)爆管事件偵測與定位 信昆侖 同濟大學環(huán)境科學與工程學院 給水排水雜志社提綱 背景 SCADA壓力數(shù)據(jù)特征分析 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動聚類算法的爆管偵測 水力模型進行爆管精確定位方法 結(jié)論與建議 給水排水雜志社一、背景-管網(wǎng)爆管事故及影響 給水管網(wǎng)的漏損率居高不下(12%)爆管事故時有發(fā)生，并導致一系列社會問題 年份 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 漏損量(億m3)55.53 53.86 59.55 60.38 57.16 58.3 59.93 60.95 60.89 漏損率/%18.02 18.63 17.61 17.2、66 16.23 16.4 16.71 15.77 15.35 水量巨大浪費 斷水造成生活不便 水的二次污染 水溢出地面堵塞交通 爆管事故快速精確定位仍然是目前的難題 管道破裂深埋地下不可見 傳統(tǒng)爆管偵測方法效率低下 對SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘不足 給水排水雜志社一、背景-管網(wǎng)爆管事故及影響 爆管原因 管道材料和管道接口 管道內(nèi)外部受壓 溫變應力變化 管道基礎 管道腐蝕 管網(wǎng)水力瞬變沖擊 人為破壞 自然災害 給水排水雜志社 監(jiān)測點一天的壓力值 監(jiān)測點具體時刻的壓力值 0.250.280.310.340.370.40:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00監(jiān)測點壓力值3、(MPa)0.250.280.310.340.370.40:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00監(jiān)測點壓力值(MPa)0.250.280.310.340.370.40:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00監(jiān)測點壓力值(MPa)6月25日6月26日7月8日 0.30.310.320.330.340.350.366/25 6/26 6/27 6/28 6/29 6/307/17/27/37/47/57/67/77/8監(jiān)測點壓力值(MPa)時刻 日期 1aveniiPPn2ave1niiPPn二、SCADA壓力數(shù)據(jù)特征分析 給水排水雜志4、社 一次爆管事故的壓力變化 0.250.280.310.340.370.40:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00監(jiān)測點壓力值(MPa)0.20.230.260.290.320.350.380:003:006:009:0012:0015:0018:0021:00監(jiān)測點壓力值(MPa)正常工況異常工況離爆管點距離越近，則受到爆管的影響所導致的壓力變化越大；由增大流量所顯示的壓力變化趨勢可以看出，隨著模擬流量的增大，壓力變化呈現(xiàn)出線性變化的特點。爆管點在水源點附近，各監(jiān)測點的壓力變化值較小；監(jiān)測點在管網(wǎng)末梢時，距離水源點越遠則引起監(jiān)測點的壓力變化值越大；爆管造成整個5、管網(wǎng)壓力變化的規(guī)律 時刻 二、SCADA壓力數(shù)據(jù)特征分析 SCADA 系統(tǒng) 中 壓 力值的下降，可 作 為 是爆 管 事 故判 別 的 一個 重 要 的依據(jù)。給水排水雜志社 品牌資產(chǎn)及其測量 二、SCADA壓力數(shù)據(jù)特征分析 一次爆管事故的壓力下降等值線逐時變化圖 給水排水雜志社 三、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動聚類算法的爆管事件偵測 npx.nfx.n1x.ipx.ifx.i1x.1px.1fx.11x|),(2222211nnyxyxyxd yxn 個具有個具有 p維變量數(shù)據(jù)點維變量數(shù)據(jù)點 非監(jiān)督分類學習算法 聚類之間的距離量度最大 聚類內(nèi)部點之間距離量度最小 給水排水雜志社 異常點 通過聚類分析算法，識別6、SCADA壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)中的異常值，根據(jù)異常值出現(xiàn)的時刻和空間位置，識別可能的爆管事件發(fā)生的時刻和地點 三、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動聚類算法的爆管事件偵測 給水排水雜志社 爆管時刻的行向量不僅鄰居較少，而且距離別的所有的行向量也異常遠。如果某個行向量具有較小的當?shù)孛芏龋⑶彝瑫r具有較大的相對距離，則該行向量可能對應為爆管點 SCADA數(shù)據(jù)特征 爆管事件判別依據(jù) 11111nmmmndayppmatrixkdaypp壓力監(jiān)測矩陣 當?shù)孛芏?相對距離 三、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動聚類算法的爆管事件偵測 給水排水雜志社 2014.4.1 9:15-2014.3.31 9:15 2014.4.1 9:15-2014.3.31 7、9:00 11111nmmmndayppmatrixkdaypp日期 監(jiān)測點 給水排水雜志社 給水排水雜志社 四、基于模型的爆管點定位 爆管規(guī)模評估與可能爆管點集合 爆管流量分析 壓力驅(qū)動模擬 爆管點定位 管徑（管徑（mm）300 500 600 800 1000 1200 1400 節(jié)點最大壓降（節(jié)點最大壓降（MPa）0.035 0.048 0.059 0.073 0.113 0.137 0.158 可疑點編號可疑點編號 模型節(jié)點模型節(jié)點ID 對應管徑對應管徑 可疑點編號可疑點編號 模型節(jié)點模型節(jié)點ID 對應管徑對應管徑 1 427905 800 7 224422 800 2 129794 8、1000 8 424985 1000 3 236143 800 9 246140 1000 4 282733 1000 10 318400 600 5 44013 1000 11 277805 800 6 356960 1000 12 319707 1200 可疑爆管點ID及對應管徑 管道爆管與最大壓降值的統(tǒng)計關(guān)系 給水排水雜志社 爆管規(guī)模評估與可能爆管點集合 爆管流量分析 壓力驅(qū)動模擬 爆管點定位 四、基于模型的爆管點定位 012QAg HH110132g1.33523m/1335.23L/sQAHHsD=800mm;=0.62;A1=0.25A 可疑點編號可疑點編號 對應管徑對應管徑(mm9、)附近監(jiān)測點附近監(jiān)測點 預估壓降值預估壓降值(MPa)爆管流量爆管流量 1 800 4057 0.150 1335.23 2 1000 4057 0.132 1957.12 3 800 航興 0.135 1266.71 4 1000 航興 0.129 1934.75 5 1000 航興 0.150 2086.29 6 1000 航興 0.142 2029.89 7 800 長大長大 0.140 1289.95 8 1000 長大 0.122 1881.52 9 1000 長大 0.140 2015.55 10 600 長大 0.142 730.76 11 800 長大 0.160 1379.010、2 12 1200 長大 0.162 3122.12 給水排水雜志社 爆管規(guī)模評估與可能爆管點集合 爆管流量分析 壓力驅(qū)動模擬 爆管點定位 傳統(tǒng)水力分析方法不足：不能模擬壓力不足工況下管網(wǎng)水力情況。四、基于模型的爆管點定位 給水排水雜志社 爆管規(guī)模評估與可能爆管點集合 爆管流量分析 壓力驅(qū)動模擬 爆管點定位 通過計算模擬結(jié)果與實測結(jié)果的歐式距離，定位爆管管段 四、基于模型的爆管點定位 給水排水雜志社 四、基于模型的爆管點定位 與爆管風險評估模型的結(jié)合 給水排水雜志社 軟件結(jié)構(gòu)設計 工程及文件管理 新建 打開 保存 導入/導出 WaterNetwork核心組件對象 管網(wǎng)水力水質(zhì)模擬 延時水力模擬11、 管網(wǎng)水質(zhì)模擬 管網(wǎng)水齡分析 管網(wǎng)污染物追蹤 DotSpatial 圖形引擎 管網(wǎng)爆管風險評價與應急處置 爆管數(shù)據(jù)庫管理 爆管靜態(tài)風險分析 爆管動態(tài)風險分析 爆管事件偵測定位 數(shù)據(jù)管理及顯示交互 圖形瀏覽 數(shù)據(jù)報表 動態(tài)曲線 等值線面分析 時序播放 給水排水雜志社 給水排水雜志社 五、結(jié)論與建議 壓力在線監(jiān)測數(shù)據(jù)是偵測管網(wǎng)運行異常的關(guān)鍵，監(jiān)測密度與頻次是偵測及時性的關(guān)鍵 聚類分析可以有效偵測具有顯著壓降的爆管事件，有助于及時發(fā)現(xiàn)夜間發(fā)生的爆管事件或者不易在地面以上差距的暗爆 水力模型是對爆管位置定位的核心工具，但爆管流量的估計仍然存在較大的不確定性 壓力驅(qū)動模擬應代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水力模擬用于異常事件分析 給水排水雜志社