基于蒙特卡洛模拟法的管网节点压力分析

第39卷第3期2019年5月杭州电子科技大学学报(自然科学版)JournalofHangzhouDianziUniversity(NaturalSciences)Vol39No3May2019DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2019.03.011基于蒙特卡洛模拟法的管网节点压力分析孟煜飞！可必仕(杭州电子科技大学自动化学院，浙江杭州310018#摘要摘要：探讨需水量不确定性及监测点布置对节点压力波动量的影响&采用蒙特卡洛模拟法，经算例计算得到需水量不确定性情况下的节点压力波动区间，并分析监测点数量与空间分布对节点压力的影响&结果表明：需水量不确定性与节点压力波动量呈正相关；压力监测点的合理布置有利于准确评估节点压力&关键词：关键词：蒙特卡洛模拟；需水量不确定性；节点压力中图分类号:中图分类号:TU991.33文献标志码:文献标志码:A文章编号：文章编号：1001-9146(2019)030060050引言随着供水管网系统信息化建设的逐步完善，供水管网状态估计的研究得到广泛关注&节点压力作为调度、管理决策的重要依据，其精度直接影响生产运行&&E.Creaco等*考虑供水管网调阀调泵操作、脉冲用水需求等因素，探究非恒定流对节点压力影响&&S.Elhay等2将管网系统的压力驱动概念与森林核心划分算法(ForestCorePartitioningAlgorithm,FCPA和图矩阵分区算法(GraphMatrixPartitioningAlgorithm,GMPA)相结合，准确获取了系统的运行信息&但这些方法均未考虑管网系统不确定性因素&在处理供水管网节点压力估计问题时，舒诗湖以算例管网为例，提出了系统模型参数及变量不确定性下的模拟值精度评估法，但仅限于不确定性量化&&H.Hwang等旧利用一阶二阶矩法(First-OrderSecond-MomentMethod，FOSM)研究了影响节点压力不确定性评估的因素&目前，综合考虑系统不确定性及监测点布置、工况因素影响的节点压力波动量分析鲜有报道&为此，本文在考虑系统不确定性及监测点布置因素的综合影响下，采用蒙特卡洛模拟法6对供水管网节点压力波动量做了相关分析，研究系统不确定性程度及监测点布置对节点压力估计精度的影响&1蒙特卡洛模拟法应用考虑1.1供水管网供水管网EPANET模型构建模型构建稳态水力模拟可由EPANET模型(EnvironmentalProtectionAgencyNET,EPANET)7实现，该模型建立的基础为质量守恒、能量守恒方程，其数学表达式为：0z，+Q—00#,，+'#(—0式中，Z,为节点—和,之间管段的流量，Q,为节点—的用水量;#,%,%为构成基环(的管段—的水头损失,'#(为基环(的闭合压力差&收稿日期收稿日期=2018-11-20基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1509205)作者简介：作者简介：孟煜飞(1992—),男，研究方向：系统建模与仿真&E-mail：510041307@qq.com。通信作者：何必仕，工程师,研究方向：计算机软件与理论&E-mal：hebs@hduedu.cn。第3期孟煜飞，等:基于蒙特卡洛模拟法的管网节点压力分析61压力监测装置可将压力限制在高精度区间，故布置监测点相当于对水力模拟施加了一项约束，效果上等于对模拟结果做了一次筛选，且与布置数量及空间位置相关&1.2蒙特卡洛模拟法蒙特卡洛模拟法蒙特卡洛模拟法是一种以概率理论和统计分析为基础的方法。首先需将待求解问题与相应的概率模型关联起来，再经模拟抽样、数据分析进行求解。在确保试验有效性的前提下，事件的发生概率可以用大量试验中事件发生的频率来估计，即试验统计结果表现出与概率模型相关的某种特性&节点压力的量化工作是理论分析、管理调度等的基础。若考虑节点需水量不确定性，则可用节点压力量化区间来描述其运行规律。因此，蒙特卡洛模拟法适宜处理此类量化问题&2基于蒙特卡洛模拟法的水力模拟基于蒙特卡洛模拟法的水力模拟包含基本需水量波动下的水力模拟、结合监测点约束的水力模拟两部分，前者为后者的基础&2.1基本需水量波动下的水力模拟基本需水量波动下的水力模拟基本需水量波动下的水力模拟主要包括随机波动数据产生、水力模拟、模拟结果可靠性界别、模拟结果数据处理&(1)随机波动数据获取蒙特卡洛模拟法需要预先得到随机波动数据。以标准正态分布间为总体，即以节点基本需水量“为均值，为标准差，产生服从正态总体N(，2)的随机数据样本集，并以32为节点需水量波动量&(2)水力模拟在得到随机波动数据后，将各节点的基本需水量设置为对应的随机波动数据并进行水力模拟以得到节点压力数据&(3)模拟结果可靠性界别部分需水量波动数据组在进行水力模拟时会出现负压情况，对于此类数据需要剔除。此外，为