土木类论文提纲

2022-11-15

论文题目：基于节点流量实时反演的供水管网爆管识别

摘要：埋地供水管道爆管不仅会导致大量水资源浪费,还可能引起供水的二次污染。及时识别并修复爆管对降低自来水公司产销差、提高其供水服务质量具有重要意义。然而,当爆管发生在偏远郊区或深夜时,传统的人工巡检或群众举报方法无法及时反馈爆管信息,进而延缓爆管修复时间。因此,供水管网爆管的实时在线识别具有重要研究意义。本文开展了基于节点流量实时反演的城市供水管网爆管识别研究,具体研究内容与取得的研究成果包括:1)我国供水管网爆管现状及当前相关研究进展评述;首先简单介绍了我国供水管网爆管现状并分析了供水管网爆管形成的原因,接着介绍了供水管网爆管实时在线识别的现实意义,并回顾了当前供水管网爆管识别的研究进展;最后,通过分析当前研究中面临难题,引出本文主要研究内容,即通过对管网水力模型中的节点实时反演实现供水管网实时在线爆管识别。2)供水管网水力计算的基本原理;作为供水管网节点流量实时反演的背景知识,论文的第二章介绍了供水管网水力计算的基本原理,即基于质量与能量守恒方程的管网水力方程的构建与求解。此外,详细介绍了供水管网水力计算的全局梯度法。3)基于自适应截断奇异值分解的给水管网节点流量实时反演;由于实际管网中水压与流量监测点数量远小于管网节点数,这使得管网节点流量反演为欠定问题。针对该欠定问题的求解,当前研究普遍采用参数分组法,即通过对节点分组并假定同组中节点流量具有相同用水模式,进而减少未知量个数将欠定问题转换为正定或超定进行求解,但上述方法存在节点分组不唯一的问题。采用截断奇异值分解法直接求解欠定问题能有效避免节点分组不唯一的问题,但面临如何确定合适截断参数值的难题。鉴于此,第三章开展了基于自适应截断奇异值分解的供水管网节点流量实时反演研究,首先构造基于反演结果变异系数的目标函数,在节点流量反演过程中利用黄金分割法寻求最优截断参数值,使得在数据分辨率和解的稳定性之间取得较好权衡。将所提出方法应用于一个小型管网与L-Town管网上,结果表明,所提出方法能在数据分辨率与解的稳定性间取得好的权衡。4)基于节点流量反演残差的供水管网爆管检测。反演残差是节点流量反演后压力监测点处的模拟值与监测值之差。当管网中有爆管事故发生时,位于爆管附近压力监测点的反演残差会显著增大或减小。根据反演残差与爆管事故间的联系,本文第四章开展了基于反演残差的供水管网爆管检测研究。为降低节点流量随机波动和监测误差对反演残差的影响,采用滑动平均滤波对反演残差进行数据降噪得到滤后残差;为实现管网爆管事故的在线检测,根据历史反演残差数据设置残差阈值。当一个压力监测点的反演残差超过所设阈值时,该监测点触发爆管警报。将所提出方法应用于L-Town管网的爆管检测,结果表明,对于19次爆管,所提出方法检出了其中的10次,爆管检出率为52.63%。特别地,对于突发型爆管,所提出方法均能将其检出且响应迅速,检出时间仅比爆管开始时间晚约10分钟。由此可见,所提出的爆管检测方法具有可行性。5)基于改进余弦相似度的供水管网爆管定位。传统基于余弦相似度的管网爆管定位法通过对比压力残差向量与压力灵敏度矩阵各列（与各节点对应）间的余弦相似度确定爆管位置。然而,该方法假设泄漏流量位于节点上,存在定位不够准确的问题。本文做出以下改进:（1）以节点压力对管道流量的灵敏度矩阵替代原方法中的节点压力对节点流量的灵敏度矩阵,使该方法更适用于实际情况（泄漏流量位于管道上）;（2）为降低其它爆管对该次爆管定位的干扰,由触发爆管警报监测点的反演残差组成压力残差向量。利用该方法对L-Town管网中已被检出的爆管进行定位,验证了其可行性和有效性。本文中所有提出的算法都在Matlab进行了编程,并应用于第二届水系统模拟与控制联合国际会议发起的管网爆管检测与定位竞赛。所得到的研究成果被CCWI/WDSA 2020会议正式录用并刊出（https://doi.org/10.5281/zenodo.3925507）,经整理后提交至Journal of water resources planning and management期刊（土木类2区SCI期刊）。

关键词：供水管网爆管识别;节点流量实时反演;自适应截断奇异值分解;节点流量反演残差;余弦相似度

学科专业：建筑与土木工程（专业学位）

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 供水管网爆管实时在线识别研究意义

1.2 供水管网爆管在线识别方法研究进展

1.2.1 基于数据驱动的供水管网爆管检测方法

1.2.2 基于模型驱动的供水管网爆管定位方法

1.3 主要研究内容、创新点及技术路线