(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210332100.9
(22)申请日 2022.03.30
(71)申请人 浙江大学
地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘
路866号
申请人 广州市自来水有限公司
(72)发明人 俞亭超 蔡艳伟 龙志宏 许刚
李燕华 朱子朋 赵辉 邵煜
(74)专利代理机构 杭州天勤知识产权代理有限
公司 33224
专利代理师 胡红娟
(51)Int.Cl.
F17D 5/06(2006.01)
G06F 16/9035(2019.01)
G06F 16/909(2019.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提供了一种用于城市供水管网爆管
盖范围减少潜在爆管管段数量，同时通过管段的
响应传感器序列及管段监测维度管段来缩小潜
与对应的流量搜索范围对预设的爆管场景数据
库的筛选，根据筛选结果与实际爆管场景数据进
作为最终的定位依据。该方法通过潜在爆管管段
与对应的流量搜索范围进行初步筛选，降低后续
匹配过程中的运算压力与耗时，从而提高了爆管
定位的反馈速度与准确率。权利要求书2页 说明书13页 附图4页CN 114659037 A 2022.06.24
C N 114659037
A
1.一种用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，包括：
步骤1、构建爆管场景数据库，所述爆管场景数据库中包括多种爆管场景事件与对应的所有传感器以及管段的数据；
步骤2、获取发生爆管事件区域的已报警传感器数据，计算发生爆管事件区域内所有已报警传感器的管段空间分区与传感器最大覆盖范围的交集，获得包含所述交集区域内所有管段数据与已报警传感器数据的潜在爆管管段集合；
步骤3、获取发生爆管事件区域的传感器布局方案中每根管段的敏感传感器序列与对应的管段监测维度，截取敏感传感器序列中前n个传感器作为用于缩小流量搜索范围的响应传感器序列，所述截取的传感器数量n与管段监测维度相等；
步骤4、根据步骤2获得的潜在爆管管段集合与对应的响应传感器序列，计算获得潜在爆管管段集合中每根管段的流量搜索范围；
步骤5、根据步骤2获得的潜在爆管管段集合与步骤4获得的潜在爆管管段集合中每根管段的流量搜索范围，从爆管场景数据库中筛选出符合要求的爆管场景事件集合；
步骤6、通过步骤5筛选获得的爆管场景事件集合与发生爆管事件区域的传感器数据进行相似度匹配，获得相似度最高的爆管场景事件作为最终的定位依据。
2.根据权利要求1所述的用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，所述步骤1中的建立爆管场景数据库过程中，已滤去了最小监测流量以下的事件场景和位于监测盲区的管段，所述最小监测流量表示管段内触发传感器发出爆管报警所需要的最小流量，所述监测盲区表示发生最大爆管事件时整个区域内所有传感器均无法监测的管段集合。
3.根据权利要求1所述的用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，通过历史监测数据统计分析设定传感器的报警阈值，所述阈值压力为管段常态流量下的压力值与任一时间段监测数据的两倍标准差之差。
4.根据权利要求1所述的用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，所述步骤2中的计算发生爆管事件区域内所有已报警传感器的管段空间分区与传感器最大覆盖范围的交集，具体如下：
步骤2.1、计算所有已报警传感器的管段空间分区的并集：
S set_potential (t ,E)＝S pipe (t ,R 1)∪S pipe (t ,R 2)∪…∪S pipe (t ,R m )
其中，S set_potential (t ,E)表示t时刻爆管事件E所在区域的管段空间分区并集，S pipe (t ,R m )表示t时刻传感器R m 所在管段空间分区的管段集合，m为爆管事件区域内发出报警的传感器总数；
步骤2.2、计算所有已报警传感器的传感器最大覆盖范围的交集：
D set_potential (t ,E)＝D set_max (t ,R 1)∩D set_max (t ,R 2)∩……∩D set_max (t ,R m )
其中，D set_potential (t ,E)表示表示t时刻爆管事件E所在区域的所有传感器最大覆盖范围交集，D set_max (t ,R m )表示t时刻传感器R m 的监测最大覆盖范围；
步骤2.3、对步骤2.1与步骤2.2的计算结果进行交集：
R pipe_search (t ,E)＝S set_potential (t ,E)∩D set_potential (t ,E)
其中，R pipe_search (t ,E)表示表示t时刻爆管事件E所在区域符合要求的管段集合。
5.根据权利要求1所述的用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，所述步骤3中的响应传感器序列的表达式为：
其中，表示响应传感器序列，sorted(·)表示对括号内所有传感器的最小报
(·)表示括号内完成排序后传感器的编号序列，警流量进行从小到大排序，List
ind ex
X为传感器布局方案，j为管
表示管段j的最大爆管流量，z∈n 段，为传感器z对管段j的最小报警流量，Q
jmax
表示响应传感器序列号，n与管段监测维度相等。
6.根据权利要求1所述的用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，所述步骤4中的计算获得潜在爆管管段集合中每根管段的流量搜索范围，具体步骤为：步骤4.1、获取管段对应的响应传感器序列中已报警的每个传感器的最小报警流量，作为所述管段的最小报警流量序列；
步骤4.2、选取所述最小报警流量序列中最大的流量值作为所述管段的流量搜索范围的下限值；
步骤4.3、根据所述下限值，从所述响应传感器序列中选取对应的传感器序列号，并将所述传感器序列号后一位传感器的最小报警流量作为所述管段的流量搜索范围的上限值；
步骤4.4、重复步骤4.1‑4.3，直至确定潜在爆管管段集合中每根管段的流量搜索范围。
7.根据权利要求1所述的用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，所述步骤6中的相似度匹配，是基于未发生爆管事件时区域内的所有传感器的正常压力数据，分别与爆管场景事件集合对应的所有传感器的数据和发生爆管事件时区域内的所有传感器实际数据进行残差向量的计算，并根据两组残差向量进行相似度计算匹配。
8.根据权利要求7所述的用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，所述两组残差向量进行相似度计算匹配，是分别基于欧氏距离算法与余弦相似度量进行相似度计算，并根据两组计算结果进行加权处理，获得作为爆管定位依据的爆管场景事件。
9.根据权利要求8所述的用于城市供水管网爆管的定位方法，其特征在于，所述加权处理，是通过除去两组计算结果中重复出现的管段后，选取各自相似度排名前10的管段进行加权计算。
一种用于城市供水管网爆管的定位方法
技术领域
[0001]本发明涉及市政工程和城市供水管网领域，尤其涉及一种用于城市供水管网爆管的定位方法。
背景技术
[0002]供水管网发生爆管事件会造成大量水资源及能源浪费，另一方面也会引发社会公共安全问题，例如爆管发生时会有大量水流出管外后将细菌、污染物吸入管段内，引发用水安全隐患。
[0003]爆管定位方法可分为基于硬件和软件两种，其中，基于硬件的方法主要是利用听音棒、噪声记录仪等设备进行定位，其人力资源需求高且声波传播距离有限，在一个区域内就需要投入大量设备，一般难以进行整个城市的计量分区或管网应用。
[0004]而软件的方法就可以很好的解决大范围的计量分区或管网应用，包括大致定位法和精确定位法，大致定位法通常只能将可能发生爆管位置缩小到包含数十根管段的区域，并不能满足及时修复爆管管段的需求；精确定位法包括传统的瞬态波方法和稳态数据方法，而传统的瞬态波方法运算压力大，适合于单根管段或小型简单管网，大型管网尚未得到应用，且容易外界噪声的影响。
[0005]稳态数据方法一般基于区域计量分区开发，未分区的大型管网且未进行大致定位的管网受到一定的限制。
[0006]专利文献CN113446521A公开了一种基于瞬变交流的爆管定位方法，采用了高频SCADA系统检测
管网内的压力异常信号，对其滤波处理后分析压力的整体变化及瞬时变化，对爆管事件进行识别；根据动量定理及打开球阀的实际操作数值模拟爆管激发的瞬变流，在此基础上，根据瞬变流传播特征，数值模拟监测点瞬变流；通过数值模拟在各管段爆管的监测点信号，判定爆管管段；通过数值模拟在判定管段爆管的监测点信号，实现爆管定位。该方法可以精确获取实际爆管位置，但是需要实时进行计算，对于设备的运算能力要求较高，且存在外界噪声影响。
[0007]专利文献CN113739075A公开了一种管线压力流量与爆管监控装置，包括监控模块、通信模块和监测模块，其中，所述监测模块包括现场流量计、压力变送针、压差变送器和温度变送器，通过监测模块获取管网流量、水压变化、温度变化等数据，计算获得爆管位置的实际位置，从而保证供水管网的正常使用。但是该方法需要有大量传感器布置在供水管网中才能实现，前期投入较大且后续维护成本较高。
发明内容
[0008]为了解决上述问题，本发明提出了一种用于城市供水管网爆管的定位方法，该方法通过潜在爆管管段集合与对应的每根管段的流量搜索范围，对爆管场景数据库进行初步筛选，从而减少后续精确定位的运算基础量，提高了爆管定位的反馈速度与准确率。[0009]一种用于城市供水管网爆管的定位方法，包括：
[0010]步骤1、构建爆管场景数据库，所述爆管场景数据库中包括多种爆管场景事件与对应的所有传感器以及管段的数据；
[0011]步骤2、获取发生爆管事件区域的已报警传感器数据，计算发生爆管事件区域内所有已报警传感器的管段空间分区与传感器最大覆盖范围的交集，获得包含所述交集区域内所有管段数据与已报警传感器数据的潜在爆管管段集合，所述管段空间分区表示对管段爆管时所引发的压力变化最敏感的传感器所在分区，所述传感器最大覆盖范围表示传感器在发生爆管事件区域内管段均达到最大爆管流量时能检测覆盖到的所有管段集合；[0012]步骤3、获取发生爆管事件区域的传感器布局方案中每根管段的敏感传感器序列与对应的管段监测维度，截取敏感传感器序列中前n个传感器作为用于缩小流量搜索范围的响应传感器序列，所述敏感传感器序列表示管段发生爆管时每个传感器发出报警的先后序列，所述管段监测维度表示每根管段处于完全断裂条件下所在区域内所有发出报警的传感器数量，所述截取的传感器数量n与管段监测维度相等；
[0013]步骤4、根据步骤2获得的潜在爆管管段集合与对应的响应传感器序列，计算获得潜在爆管管段集合中每根管段的流量搜索范围，具体步骤如下：
[0014]步骤4.1、获取管段对应的响应传感器序列中已报警的每个传感器的最小报警流量，作为所述管段的最小报警流量序列；
[0015]步骤4.2、选取所述最小报警流量序列中最大的流量值作为所述管段的流量搜索范围的下限值；
[0016]步骤4.3、根据所述下限值，从所述响应传感器序列中选取对应的传感器序列号，并将所述传感器序列号后一位传感器的最小报警流量作为所述管段的流量搜索范围的上限值；
[0017]步骤4.4、重复步骤4.1‑4.3，直至确定潜在爆管管段集合中每根管段的流量搜索范围；
[0018]步骤5、根据步骤2获得的潜在爆管管段集合与步骤4获得的潜在爆管管段集合中每根管段的流量搜索范围，从爆管场景数据库中筛选出符合要求的爆管场景事件集合；[0019]步骤6、通过步骤5筛选获得的爆管场景事件集合与发生爆管事件区域的传感器数据进行相似度匹配，获得相似度最高的爆管场景事件作为最终的定位依据。
[0020]具体的，所述管段分区的表达式为：
[0021]S
pipe (t,k)＝{j:f
sensor
(j,t)＝k,j∈{1,…,L.}}；
[0022]
[0023]其中，K表示总传感器数量，S
pipe
(t,k)表示t时刻管段j中对压力变化最敏感的传
感器k，q
j
表示管段j模拟爆管流量，由0以一定步长的流量逐步增加直至触发第一个传感器
发出报警，p
k (t,q
j
)
表示传感器k在t时刻水压，p
a
(t,k)表示传感器k的报警阈值，f
sensor
(j,
t)函数表示模拟每一根管段进行爆管测试，将管段逐根划分到K个区域，K表示传感器总数。[0024]具体的，所述传感器最大覆盖范围的表达式为：
[0025]D
set_max (t,k)＝{j:I[p
k
(t,q
j
),p
a
(t,k)]＝1,j∈{1,…,L.},q
j
＝Q
jmax
}
[0026]其中，D
set_max (t,k)表示t时刻被划分到传感器k所在区域的管段集合，p
k
(t,q
j
)表
示传感器k在t时刻水压，p
a (t,k)表示传感器k的报警阈值，Q
jmax
表示最大爆管流量。
[0027]具体的，每根管段的敏感传感器序列的表达式为：
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