基于监测点聚类和异常区域重心法的供水爆管定位方法与流程

本发明属于城市供水管网领域，涉及供水管网的漏损定位，具体是一种基于监测点聚类和异常区域重心法的供水爆管定位方法。

背景技术

近年来，国内学者针对管网爆管定位问题进行了大量的研究，在解决爆管定位问题上主要采用基于全频域爆管定位法、基于scada数据爆管定位法和基于机理模型爆管定位法等。各种爆管定位方法解决问题的出发点有所不同，在爆管定位问题上都有一定的成效，对在爆管定位问题的研究上具有深刻借鉴意义，但各种爆管定位方法也存在自己的不足和局限性。

文献[1]采用基于全频域爆管定位方法对管网中的异常事件进行侦测定位，其方法虽然精度高，但是“快速开关阀门产生激励信号”条件苛刻，且只能检测单管，局限性大。文献[2]利用基于scada数据对管网中的爆管事件进行定位，虽然其定位简单速度快但定位误差较大。文献[3]采用基于机理模型对管网中的爆管事件进行定位，对模型依赖较大，虽然定位准确但是定位过程复杂，且速度慢。

参考文献：

[1]郭新蕾，杨开林，郭永鑫，等.管道泄漏检测全频域法试验验证及抗噪性研究[j].水利学报.2011,39(6):713-720.

[2]程伟平，赵丹丹，许刚，等.供水管网爆管水力学模型与爆管定位[j].浙江大学学报(工学版).2013,47(6):1057-1062.

[3]王丽娟.城市供水管网漏损控制研究[d].天津大学,2010.

[4]徐哲、李宏伟、熊晓锋、何必仕、陈晖，201610385376.8一种供水管网异常侦测方法，授权发明专利。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有方法中的不足，提出基于监测点聚类和异常区域重心法的供水爆管定位方法，实现对供水管网爆管的快速准确侦测定位，降低爆管对供水系统及城市道路造成的危害。

为实现以上目的，本发明采取以下步骤：

步骤1计算监测点管道距离

采集供水管网中n个监测点的坐标{(x1,y1),(x2,y2),…(xn,yn)},其中n＝1,2,3…n；并根据gis中管道拓扑连通性计算监测点的管道距离lij。

两监测点地理位置近，不等于管道距离短。两监测点如有多路连通，以距离短的为准。

步骤2对管网监测点进行聚类分析

根据监测点之间的管道距离lij对管网中的监测点进行k均值聚类分析，将管网划分为多个子区域，并确定位于每个子区域中的监测点(至少3个)，步骤如下；

(1)从数据中选择k(2≤k<n/3)个对象作为初始聚类中心；

(2)计算每个聚类对象到聚类中心的距离，并用来划分聚类；

(3)再次计算每个聚类中心；

(4)计算标准测度函数，直到达到最大迭代次数，则停止，否则，继续操作。

步骤3计算爆管事件时监测点压力变化

当侦测到爆管事件时，从scada中获取监测点压力数据，计算监测点压力与1周内同时刻压力平均值的压差△pnj(j＝1,2,…,j，j表示当日爆管事件序号)，公式如下。

步骤4爆管定位

(1)对由爆管事件产生的压差△pnj进行排序，根据压差越大越靠近爆管点的特点，初步判定爆管事件位于第l类(1<l<k)中，即确定异常子区域。

(2)利用位于第l类(子区域)中的监测点进行异常区域中心q坐标(xq,yq)定位，取出第l类中压力变化最大的前3个监测点进行分析，则判定爆管事件发生在这3个监测点所围成的范围内，然后通过这3个监测点地理坐标结合重心法公式计算得出异常区域中心q，公式如下：

(3)根据gis中管道拓扑连通性计算监测点到异常区域中心q的管道距离ln(xq，yq)再通过改进的重心法公式求得爆管定位点p初始坐标。

在爆管定位点p坐标基础上可以得出新的管道距离从而再次得到新的爆管定位点p。通过上述不断迭代修正，直到爆管定位点p坐标不再变化或变化很小，即得到最终爆管定位点p。

本发明方法采用聚类划分监测点及其子区域，缩小监控范围；再采用异常区域重心法快速定位，提高定位精度。本发明方法由数据驱动，过程简单，定位速度快，具有实用性。

附图说明

图1为爆管定位流程图；

图2为监测种子点位置；

图3为实际爆管点和爆管定位点。

具体实施方式

为使本发明实现的技术创新点易于理解，下面结合附图1和实例，对本发明的实现方式进一步详细叙述，具体步骤如下：

步骤1计算监测点管道距离

获取sx市dma区14个压力监测点的地理位置，具体坐标如表1所示

步骤表1

步骤2对管网监测点进行聚类分析

获取sx市dma区14个压力监测点的地理位置，具体坐标如表1所示。对管网dma区中的14个监测点进行k均值聚类分析。

(1)设置聚类过程中的类数k为4，在dma区随机选择4个种子点。

(2)结合表1计算14个监测点分别距离4个种子点的距离，监测点距离哪个种子点近就属于那个种子点，种子点的随机分布位置如图2所示，监测点和种子点的归属关系如表2所示，并形成4个点群，虚线范围内为各个点群。

表2

(3)移动种子点至点群的中心。

(4)重复执行(2)、(3)两步，直至种子点不再移动，最后得到的种子点最终的位置如图2所示，以及种子点和监测点的归属关系同表3所示。

表3

步骤3计算爆管事件时监测点压力变化

获取sx市dma区2015年4月3日的scada数据，对压力数据进行统计分析，利用公式

计算出管网中爆管事件对14个监测点的压力影响△pnj，统计爆管事件对各个监测点影响如表4所示，并对△pnj由小到大进行排序。

表4

监测点距离爆管位置越近则受到压力影响越大，△pnj越小(如果从绝对值上说△pnj是变大的，考虑到负号问题，这边写小)，通过这一准则初步判定爆管事件发生在哪一个点群

表4

步骤4爆管定位

确定爆管位置属于哪一点群后，开始对管网中爆管事件进行定位。以第1次爆管为例，第1次爆管事件初定位位于第一个点群，其中涉及6，9，12号三个监测点，结合sacda数据计算爆管事件对三个检测点的影响，再通过表一计算爆管事件的坐标，先使用为改进重心法计算初始重心坐标，未改进的重心法公式如下：

然后计算初始重心点到监测点的距离ln，再根据改进后的重心法公式求出新重心坐标，改进后的重心法公式如下：

在爆管定位点p坐标基础上可以得出新的管道距离从而再次得到新的爆管定位点p。通过上述不断迭代修正，直到爆管定位点p坐标不再变化或变化很小，即得到最终爆管定位点p。

计算结果如表5，表6所示。

表5

注：单位为m

表6

注：单位为m

从表6中可以看出，该方法对管网爆管事件进行定位并给出具体坐标，定位坐标和实际爆管事件坐标的欧氏距离为207.55m。则该方法对管网dma区中10起爆管事件的定位数据如表7所示，以及定位点与实际爆管事件位置如图3所示，其中菱形表示实际爆管位置，圆圈表示爆管定位位置。

表7

注：单位为m

以上对于本发明的具体实施方式说明是为了阐明目的，而非限定本发明的权利范围。