專利名稱：一種基于bp人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆管定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種爆管定位方法，特別是一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆管定位方法。
背景技術(shù)：
管網(wǎng)爆管檢測與定位技術(shù)根據(jù)檢測對象的不同，目前已有的檢測方法大致可分為兩類一類是基于硬件的方法，另一類是基于軟件的方法。基于硬件的方法是指對泄漏物進(jìn)行直接檢測，如人工巡視法、音聽檢測法、相關(guān)檢測法、區(qū)域檢測法等；基于軟件的方法是指通過檢測因泄漏造成的流量、壓力、聲音等物理參數(shù)發(fā)生變化來判斷泄漏是否發(fā)生及確定泄漏位置，這類方法有信號分析法、負(fù)壓波法、實(shí)時(shí)動態(tài)模型法、統(tǒng)計(jì)法(包括狀態(tài)估計(jì)法)、模式識別法、人工智能檢測法(包括BP人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法)等。
目前研究成果較顯著的是BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。其基本步驟為
一、首先，對給水管網(wǎng)不同管材的爆管特征值的總結(jié)成果，結(jié)合目標(biāo)管網(wǎng)管材使用情況，制定目標(biāo)管網(wǎng)中各管段可能發(fā)生爆管事故的損壞形式和損壞程度。
二、然后，利用管網(wǎng)模型對各種爆管損壞程度進(jìn)行爆管模擬，獲得各管段發(fā)生不同程度的爆管事故對特定監(jiān)測點(diǎn)的壓力變化數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)作為建立爆管定位及損壞程度模型的訓(xùn)練樣本。
三、最后，基于這些訓(xùn)練樣本，利用MATLAB中提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，按BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求對爆管定位及損壞程度評估模型進(jìn)行構(gòu)建和訓(xùn)練，使其掌握監(jiān)測點(diǎn)壓力變化與爆管損壞程度、爆管位置之間的非線性關(guān)系，最終達(dá)到爆管事故快速定位的目的。
BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的核心是建立一個(gè)適用于目標(biāo)管網(wǎng)爆管事故定位的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需要大量的、真實(shí)的該給水管網(wǎng)在事故狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)， 但現(xiàn)實(shí)中很難提供充足的運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的關(guān)鍵是需要尋求適當(dāng)?shù)谋軤顟B(tài)模擬的方法。
對于爆管狀態(tài)模擬主要有三個(gè)方法一是在實(shí)驗(yàn)室建立物理模型；二是基于給水管網(wǎng)，通過在消防栓或管網(wǎng)中的排空管進(jìn)行放水，模擬爆管的工況；三是采用計(jì)算機(jī)模擬的方法。第一個(gè)方法按相似準(zhǔn)則建立管網(wǎng)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管網(wǎng)工況的研究。需耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，且實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)一般規(guī)模很小，不能模擬出實(shí)際爆管時(shí)的各種情況。第二個(gè)方法是最有效、最貼緊實(shí)際情況的方法，但由于是在真實(shí)的給水管網(wǎng)進(jìn)行爆管試驗(yàn)，必然導(dǎo)致給水管網(wǎng)壓力下降，影響民眾正常用水，其次產(chǎn)生的巨大水量可能造成排水的困難，因此第二個(gè)方法實(shí)施起來相當(dāng)困難。第三個(gè)方法是目前學(xué)者對爆管狀態(tài)模擬最常用的方法， 但計(jì)算機(jī)模擬主要存在三點(diǎn)不足一是管網(wǎng)模型與實(shí)際管網(wǎng)相差較大，導(dǎo)致爆管模擬結(jié)果與實(shí)際爆管存在誤差；二是許多學(xué)者對爆管事故原因及相關(guān)特性并不了解，沒有根據(jù)管段的物理特性決定損壞形式與爆管泄漏量，只是簡單地在模擬管段上增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)流量，導(dǎo)致模擬與實(shí)際不符；三是在計(jì)算機(jī)模擬是基于零噪聲的管網(wǎng)的理想狀態(tài)下進(jìn)行的，但實(shí)際上管網(wǎng)存在壓力波動而產(chǎn)生數(shù)據(jù)噪聲。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆管定位方法，解決爆管狀態(tài)模擬不精確問題。
一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆管定位方法，其具體步驟為
第一步搭建智慧管線軟件平臺系統(tǒng)
智慧管線軟件平臺系統(tǒng)，包括地形圖庫管理模塊、地形與管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新維護(hù)模塊、管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理模塊、管網(wǎng)附屬數(shù)據(jù)管理模塊、管網(wǎng)輔助管理工具模塊、輔助功能模塊、管網(wǎng)分析模塊、管網(wǎng)橫縱斷面分析模塊、事故處理模塊、離線編輯模塊、系統(tǒng)管理模塊和Web 發(fā)布系統(tǒng)模塊。
第二步事故處理模塊應(yīng)用爆管事故處理
事故處理主要是針對爆管事故、火災(zāi)事故提供快速的決策支持。當(dāng)供水管網(wǎng)突發(fā)爆管或漏水等事故后，用戶只需指定事故發(fā)生處，系統(tǒng)能夠自動搜索出需要關(guān)閉的閥門、停水用戶、停水區(qū)域或周圍最近的消防栓信息等，并制定出合理的處理方案，并可自動生成閥門啟閉通知單、現(xiàn)場維修圖、用戶停水通知單等協(xié)助搶修人員進(jìn)行施工。爆管事故處理的核心是爆管定位方法。下面是應(yīng)用基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆管定位方法。
第三步目標(biāo)管網(wǎng)爆管檢測最小值的確定；
在SCADA系統(tǒng)的爆管預(yù)警子系統(tǒng)中，監(jiān)測點(diǎn)的水壓值瞬間下降是作為爆管檢測的先行指標(biāo)，但水廠二泵站機(jī)臺開關(guān)、管網(wǎng)內(nèi)大用戶水量突然增大及管網(wǎng)中異常壓力波動都會造成監(jiān)測點(diǎn)水壓值瞬間下降。為避免產(chǎn)生爆管誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)，每個(gè)爆管預(yù)警子系統(tǒng)都要因應(yīng)給水管網(wǎng)的現(xiàn)況設(shè)置一個(gè)壓降值，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)水壓瞬間壓降值超過這壓降值時(shí)，才會發(fā)布爆管警報(bào)。因此這壓降值就是爆管檢測最小值。
第四步網(wǎng)絡(luò)輸入輸出參數(shù)的確定；
訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目的是使其掌握監(jiān)測點(diǎn)壓力變化與爆管損壞程度、爆管位置之間的非線性關(guān)系?；诖?，網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)為三個(gè)爆管監(jiān)測點(diǎn)的壓力變化值，網(wǎng)絡(luò)輸出參數(shù)為爆管位置和爆管損壞程度。
第五步網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的建立；
采用結(jié)合不同管材的爆管特征及歷史爆管記錄，對爆管重現(xiàn)率高的損壞形式進(jìn)行爆管模擬，達(dá)到貼近實(shí)際應(yīng)用目的。
第六步網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
擬建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括三個(gè)輸入?yún)?shù)，四個(gè)輸出參數(shù)。四個(gè)輸出參數(shù)中，三個(gè)為距離變量，一個(gè)為壓力變化量，兩組量的量綱不同。為避免輸出量之間相互干擾，提高預(yù)測精度，本研究建立兩個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，分別用于爆管定位和爆管損壞程度評估。
當(dāng)輸入數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，下一步就要對管網(wǎng)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)。本研究利用MATLAB中提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱來對管網(wǎng)進(jìn)行訓(xùn)練及對以后的故障點(diǎn)進(jìn)行定位預(yù)測。
第六步爆管位置判定方法
爆管位置在CAD圖形界面上確定。
定位模型雖不能對爆管位置進(jìn)行精確定位，但已經(jīng)完全滿足判斷爆管管段和爆管位置的較準(zhǔn)確定位，而且三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)中，至少能保證有兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)預(yù)測值與實(shí)際值偏差較小，預(yù)測可信度是比較高的。因此判定定位模型是可行的。
損壞程度評估模型雖然誤差比較大，但經(jīng)分析，誤差主要在爆管處水壓的估算上， 與模型本身無關(guān)。且爆管損壞程度評估是讓供水企業(yè)對爆管事故損壞程度有一個(gè)大致了解，參考意義大于實(shí)際意義，因此在這個(gè)誤差范圍中，損壞程度評估模型還是可用的。
兩個(gè)模型的預(yù)測準(zhǔn)確度由爆管監(jiān)測點(diǎn)壓力變化決定，壓力變化值越大，則兩個(gè)模型預(yù)測越準(zhǔn)確。其表現(xiàn)為相同管段下，爆管的損壞程度小比爆管的損壞程度大的模型預(yù)測準(zhǔn)確率要低；相同的損壞程度下，大口徑管段的模型比小口徑管段預(yù)測準(zhǔn)確率要低。
具體實(shí)施方式
第一步目標(biāo)管網(wǎng)爆管檢測最小值的確定；
在SCADA系統(tǒng)中，有一個(gè)測壓點(diǎn)作為目標(biāo)管網(wǎng)的壓力監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)，該測壓點(diǎn)每3分鐘傳回一個(gè)壓力數(shù)據(jù)，收集數(shù)據(jù)的數(shù)量需滿足分析目標(biāo)管網(wǎng)爆管檢測最小值的需要。通過收集往年測壓點(diǎn)水壓的數(shù)據(jù),去除發(fā)生事故時(shí)的數(shù)據(jù),計(jì)算3分鐘壓力變化值并進(jìn)行比對， 以發(fā)現(xiàn)不同壓力區(qū)間所占的百分比?；趯y壓點(diǎn)壓力變化值的比對分析，目標(biāo)管網(wǎng)的爆管檢測確定最小值。
第二步網(wǎng)絡(luò)輸入輸出參數(shù)的確定；
爆管位置由爆管處與爆管監(jiān)測點(diǎn)之間水平距離表示。距離值上按管處X坐標(biāo)與爆管監(jiān)測點(diǎn)X坐標(biāo)的差值添上正負(fù)號，當(dāng)爆管位置X坐標(biāo)與監(jiān)測點(diǎn)X坐標(biāo)的差值為負(fù)，表示爆管位置在監(jiān)測點(diǎn)西方，正為東方。這個(gè)方法可判斷爆管處位于爆管監(jiān)測點(diǎn)的東方還是西方， 從而降低事故管段的判別難度和提高定位效果。
爆管損壞程度是以爆管泄漏流量的大小衡量，但實(shí)際情況爆管泄漏流量測量困難，供水企業(yè)一般以損壞面積比表示爆管損壞程度。由于壓力變化值與損壞面積比不是同一量綱的量，要保證網(wǎng)絡(luò)精度就必須加大訓(xùn)練量和訓(xùn)練時(shí)間?？紤]到爆管泄漏流量的出現(xiàn)會使爆管處產(chǎn)生較大壓力變化值，爆管處壓力變化值大小也是衡量爆管損壞程度的重要依據(jù)。因此，為有效提高網(wǎng)絡(luò)精度和訓(xùn)練效率，本研究采用以與輸入?yún)?shù)量綱相同的爆管處壓力變化值衡量爆管損壞程度。
第三步網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的建立；
(I)根據(jù)歷史爆管記錄，對目標(biāo)管網(wǎng)可能出現(xiàn)的爆管損壞程度進(jìn)行估計(jì)。爆管損壞形式和損壞程度與管道運(yùn)行壓力、管材物理性能及當(dāng)?shù)丨h(huán)境有關(guān)。在同一個(gè)給水管網(wǎng)中，相同的管材的爆管損壞形式和損壞程度是相類似的。根據(jù)歷史爆管記錄對不同管材的損壞形式和程度進(jìn)行歸納，利用相關(guān)成果對目標(biāo)管網(wǎng)進(jìn)行爆管假設(shè)，設(shè)定目標(biāo)管網(wǎng)中各管段可能出現(xiàn)的損壞形式和程度。
目標(biāo)管網(wǎng)所用的管材為承插式球墨鑄鐵管、焊接鋼管、HDPE管等三種；給水管道的敷設(shè)方式分為綜合管溝安裝和埋地敷設(shè)。基于實(shí)際情況，對爆管情況得以下設(shè)定
根據(jù)埋地敷設(shè)的給水管道所屬管材爆管特征進(jìn)行爆管假設(shè)，由于目標(biāo)管網(wǎng)內(nèi)管道年齡較短，在目前管網(wǎng)工況下忽略管道老化。
在綜合管溝敷設(shè)的管道為鋼管，連接方式為法蘭盤接口，在管溝內(nèi)，基本排除腐蝕老化和人為挖爆的可能，潛在爆管因素為不均勻沉降和接口止水膠皮老化漏水，因此爆管形式僅考慮線性開裂。
針對目標(biāo)管網(wǎng)中管段敷設(shè)的特點(diǎn)及參考?xì)v史爆管特征和重現(xiàn)率，結(jié)合目標(biāo)管網(wǎng)管道最小檢出爆管特征值，對于目標(biāo)管網(wǎng)中埋地敷設(shè)的管段按損壞面積比模擬爆管損壞程度；對于在綜合管溝內(nèi)敷設(shè)的法蘭連接的鋼管按損壞面積比模擬爆管損壞程度。
(2)為使爆管模擬均勻分布在目標(biāo)管網(wǎng)各管段中，故將爆管位置設(shè)置在模擬爆管管段中間。
(3)選取往年度目標(biāo)管網(wǎng)水量重現(xiàn)率最高日平均時(shí)的工況作為爆管前的正常工況。在SCADA系統(tǒng)中，查閱給水管網(wǎng)中各測壓點(diǎn)的壓力數(shù)值，導(dǎo)入管網(wǎng)模型中進(jìn)行管網(wǎng)平差，得到爆管前管網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的工況，求出各節(jié)點(diǎn)流量、爆管監(jiān)測點(diǎn)等數(shù)據(jù)。
(4)在管網(wǎng)模型中，選擇進(jìn)行爆管模擬的管段，在設(shè)定爆管位置增加一個(gè)事故節(jié)點(diǎn) b，在事故節(jié)點(diǎn)b上引一條短管，短管另一個(gè)節(jié)點(diǎn)記作節(jié)點(diǎn)C。將管道損壞面積換算為短管當(dāng)量直徑，以短管出流模擬爆管出流。為貼近實(shí)際情況，短管應(yīng)盡量短，以減少額外的水頭損失。此外，短管的局部阻力系數(shù)按孔口出流系數(shù)設(shè)。
(5)計(jì)算求出爆管泄漏流量、破壞處水壓及爆管監(jiān)測點(diǎn)壓力變化等爆管狀態(tài)工況參數(shù)。其方法如下節(jié)點(diǎn)c設(shè)定一個(gè)泄漏流量為9，再按爆管前的管網(wǎng)工況進(jìn)行管網(wǎng)平差，求出節(jié)點(diǎn)c的自由水壓把”。由于孔出口水壓為0，因此不斷試算泄漏流量至及”=0 當(dāng)私°°=0 后，節(jié)點(diǎn)c的節(jié)點(diǎn)流量為爆管泄漏流量，事故節(jié)點(diǎn)b上的節(jié)點(diǎn)壓力為破壞處水壓，爆管監(jiān)測點(diǎn)上的節(jié)點(diǎn)水壓為事故管段上一定損壞程度的爆管特征水壓。
(6)由于所模擬的數(shù)據(jù)跨度比較大，為了便于網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，防止計(jì)算過程出現(xiàn)“過度擬合”等問題，如果對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和目標(biāo)矢量進(jìn)行一定的預(yù)處理，可以加快網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練速度。因此本研究對訓(xùn)練數(shù)據(jù)按以下方法進(jìn)行歸一化處理。
壓力變化以變化率α表示即AH - Ht…
α = -—= ~~( I )"O
式中
H0——爆管前監(jiān)測點(diǎn)的正常水壓；
ΔΗ——爆管前后監(jiān)測點(diǎn)的壓力變化值；
爆管位置以相對距離β表示即
P = Sign(Xt-Xc)^L(2)mC-X
式中
sign(xt_x。)-若爆管位置x坐標(biāo)與監(jiān)測點(diǎn)x坐標(biāo)的差值為負(fù)，表示爆管位置在監(jiān)測點(diǎn)西方，正為東方
mtc——爆管位置與監(jiān)測點(diǎn)的距離
Hicmax 一——監(jiān)測點(diǎn)到目標(biāo)管網(wǎng)的最大距離，表示監(jiān)測點(diǎn)最大監(jiān)測距離；
經(jīng)歸一化后，壓力變化率α取值范圍在
.相對距離β取值范圍在[-1，I]。
按照以上做法，利用管網(wǎng)模型進(jìn)行爆管模擬產(chǎn)生的訓(xùn)練樣本。
第四步網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
(I)建立一個(gè)三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包括一個(gè)輸入層、隱含層、輸出層。其中輸入層有3個(gè)神經(jīng)元，分別對應(yīng)于3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水壓變化率；輸出層分別是1、3個(gè)神經(jīng)元，分別對應(yīng)于3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)與泄漏點(diǎn)的距離和爆管處壓力變化。
(2)關(guān)于隱含層的神經(jīng)元設(shè)置的問題非常復(fù)雜，至今尚未找到一個(gè)很好的確定神經(jīng)元數(shù)目的方法。隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)太多會導(dǎo)致學(xué)習(xí)時(shí)間過長，而隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)太少，容錯(cuò)性差，識別未經(jīng)學(xué)習(xí)的能力樣本低。從目前的研究結(jié)果，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)與輸入輸出單元數(shù)多少都有直接的關(guān)系，有研究提出按以下公式計(jì)算隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆管定位方法，包括目標(biāo)管網(wǎng)爆管檢測最小值的確定、網(wǎng)絡(luò)輸入輸出參數(shù)的確定、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的建立、網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、爆管位置判定方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆管定位方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本的建立和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的爆管定位方法，在目標(biāo)管網(wǎng)中壓力變化反應(yīng)靈敏的節(jié)點(diǎn)設(shè)立爆管監(jiān)測點(diǎn)，對爆管監(jiān)測點(diǎn)的壓力運(yùn)行狀態(tài)變化過程進(jìn)行動態(tài)分析，利用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立起三個(gè)爆管監(jiān)測點(diǎn)的壓力變化與爆管位置及損壞程度的非線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的爆管定位、縮短爆管反應(yīng)時(shí)間的研究目的。緊緊圍繞研究目的，文章進(jìn)行了管道爆管原因及特征、給水管網(wǎng)爆管監(jiān)測點(diǎn)的布置方法、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的爆管定位等三個(gè)方面的研究，取得較理想的實(shí)驗(yàn)效果，并在爆管定位方面提出了一些新的方法和思路。
文檔編號G06N3/08GK102982374SQ201210426108
公開日2013年3月20日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者黃鋒, 王衛(wèi)國, 王耀, 郭霖, 毛松, 隋向南 申請人:北京航天情報(bào)與信息研究所