配水系统流量试验优化消火栓选择外文翻译资料

 2022-10-23 10:35:09

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配水系统流量试验优化消火栓选择

Z.Y.Wu,Y.Song

Applied research, Bentley Systems, Incorporated, Watertown, CT, USA

Department of Computer Science and Engineering, University of Cocnnecticut, Storrs, CT, USA

摘 要

在消防栓流量测试，越多管道水流流动速度增加，消火栓流量测试效果越好。因此，越多管道流动速度增加或产生额外水头损失，有利于消防栓流量测试以及消火栓选择。为了最大限度地提高的流动测试的性能，发展了一种新的方法，以搜索为流动测试可用消防栓的组合，使得所增加的流速或增加的单元水头损失的管的总长度大于规定的阈值最大化。

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copy; 2013 The Authors. Published by Elsevier Ltd. Selection and peer-review under responsibility of the CCWI2013 Committee.

* Corresponding author. Tel.: 1-203-8050562; fax: 1-203-5971488. E-mail address: Zheng.wu@bentley.com

关键词：水力模型，消火栓，流量测试，优化和模型校准

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1.简介

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使用消火栓的主要目的，在于整个配水系统安装，是为了每当发生火灾时，让消防战士，使用消防车软管与龙头得到连接，进行更好的灭火。在美国，消火栓放置的标准做法是安装消防栓每隔500英尺（200拉姆）设置一个。虽然放置消防栓实际的考虑可能包括许多因素，包括有无障碍设施，障碍物，靠近受保护的建筑物和其他情况，有数百甚至数千消火栓系统设计取决于城市的大小城市供水系统。消防栓流量测试不仅广泛用于估计从消火栓可用的水流量，而且还可以进行水力模型校准压力数据收集（Walski1983年），泄漏热点检测（Sage, Wu and Croxton 2010），以及冲洗管线，以保证足够的用水质量（Shah, Lakin, Singh, Raval and Grimes 2001）。

为了使收集压力数据的质量更好，一些指导方针已经制定，用以选择流量测试消火栓。例如，通常建议消火栓水流流动试验设在一个郊区的消火栓系统进行， 在试验过程中消火栓栓口压力应该显著降低，例如至少10 psi或70千帕（Walski, Chase and Savic 2003）。随着数百甚至数千的应用配水消火栓系统，选择试验消火栓使收集得压力数据质量良好，是一个比较困难的问题。在一般情况下，更多消火栓数量被选择用于流量试验，多个管道产生压降，收集模型校准数据的质量更好是有可能的。更好的消火栓管道压力，流量测试数据被刷新，但是需要更多的工时，人力物力消耗过大，并且测试过程中造成更多的水资源被浪费了。因此，有必要选择优化消火栓流量测试的方法。

关于消火栓流量测试已经做出了不少研究，选择消火栓流量测试较好的位置也被公布，但是，这些研究和信息毕竟是有限的。Meier和Barkdoll（2000）早期工作应用“遗传算法”到一个小的消火栓系统的流量取样设计。优化的液体流动环境，通过抽样设计的所有可能的组合的全数调查数据已被证实。然而，没有一般的抽样设计模型能够给出消防栓选择优化方式。在本文中，我们提出了优化选择消火栓栓口流量测试的一般方法。该方法是使消火栓系统水流动试验的性能被最大化，以搜索出一组可用的消火栓。该问题是通过使用达尔文优化框架（(Wu et. al. 2012），由作者开发的通用并行优化工具解决。已经通过一个例题进行了该集成方法的测试。消防栓选择优化所获得的结果也同在该领域的专家所提出的方法进行了选择比较。本文提出了优化消防栓的选择流量测试的集成方法。该实现的方法是一个示例配水系统进行测试。集成的消防栓优化工具应用到搜索消防栓流量测试的给定数目。结果已经证实，在流动试验性能，在受影响的管道长度与预定的单元水头损失变化大于指定阈值的总管道长度的比计，被加倍。这表明，该方法是有效的，便于进行流量测试消火栓选择。该方法可以很容易扩展的优化选择消火栓系统。

命名法

HY 一套可用的消火栓

NH 消火栓数量

NP 管道数量

RT消火栓流量测试的影响比

管j流量测试导致管道i水头损失变化

最小水头损失和

管j流量测试导致管道i水流速度变化

v最小水流速度变化值

影响矩阵管径变化NPtimes;NH

决策变量的组表示消防栓的流量测试可能的组合

在管i选择的消防栓流量测试的影响

管i消火栓j的影响

HY第k个消火栓的指数

2.方法

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当消火栓是开放进行流动试验时，预计消火栓将增加在管道中的流速，从而造成比正常运行状态更大的液压水头损失。管道更多的流速是由于提高到一个消防栓流量测试，把好流动消火栓测试。因此，消火栓的流量测试一个很好的选择是让水流速度增加，或在尽可能多的管道增加额外水头损失。为了最大限度提高给定数量消火栓的水流流动测试的性能，该方法要搜索消火栓流量测试的组合，以使管道的总长度与该增加的流速是大于规定的最大阈值。优化消防栓的选择流量测试的集成方法。该实现的方法是一个示例配水系统进行测试。

具体见示例集成的消防栓优化工具应用到搜索消防栓流量测试的给定数目。结果已经证实，在流动试验性能，在受影响的管道长度与预定的单元水头损失变化大于指定阈值的总管道长度的比计，被加倍。该方法是有效的，进行流量测试消火栓选择。该方法可以很容易扩展的优化选择消火栓给水系统。

定义 是集合了流量测试可用的消防栓，NH是消火栓的数量。消防栓流动试验是通过在一次打开一个消火栓进行。使用液压模型，消防栓流动试验可通过添加在节点需求或通过的交界处，其中，该栓位于指定发射系数来模拟。由于在消防栓结需求的增加，流速预计在与该流动消防栓连接管道来改变。假定v和hg，是管的流速和液压梯度i，同时进行在分别消防栓j流量测试，而v和hg指定的流速和管道的液压梯度i无流动试验。消防栓流动试验的性能可以通过计算受影响的管道，其中所述的流速变化或单元水头损失的变化是比规定的阈值的有效长度进行评价。

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2.1窗体顶端

2.1 影响数据库

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假设NH消防栓，如在消防栓集HY指出的，可用于流试验。一个消防栓被打开一个流量测试。情景j的模拟类似于在消火栓j中的流量测试。液压模拟结果的流动试验，然后用来评估对应消防栓的影响。的影响，通过使用影响因子，取1或0的值，这表示有效或无效地通过消防栓Ĵ流动试验的影响对管我评估。消防栓流动试验的影响因素可以通过使用流速变化来评估，

被给定为：

（1）

其中，是流速增加管i下流动试验j而分钟v是在规定的最小速度的变化。可替代地，消火栓流量测试，也可以通过使用水力梯度变化来评价，被给定为：

（2）

凡hg是管我的消防栓j中的水力梯度变化的流量测试下，i =1，...，NP，j= 1，...，NH和是规定的最低水力梯度变化。模拟每个NH流动测试方案将导致影响矩阵，给出如下：

（3）

表1示出了影响矩阵的结构。每一列代表一个消防栓流量测试对所有管道的影响，而每一行代表所有的消防栓上的一个管道的影响。在表1中的每个元素的值是用于水系统的影响因素和由方程计算。 （1）或（2）在每个消防栓测试执行液压仿真之后。的影响矩阵被用于优化消防栓选择。

2.2消防栓优化模型

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由于大量的消防栓的，这是不可能或期望打开每消火栓流量测试。这是只是一个消防栓的极少数选择了流量测试常见的做法。假定K（Klt;NH）消防栓可以选择用于从消防栓设置HY，每个所选消防栓的是通过在消防栓组使用其指数表示流试验，注意到随着phi;k，1le;phi;ķle;HY中，k =1，...，K。消防栓ķphi;的上管的影响标注为。在管我的选择的K消防栓的影响下式给出：

（4）

式（4）是二进制OR函数，这导致对管i一个1或0的值。当Gamma;i取1值，表明至少一个消防栓流动试验诱导比规定的流速变化或水力梯度变化更大，否则它是零。式（4）确保受影响的管道仅占一次在选定的消防栓进行的所有的流量测试中。在选择的K消防栓的整体性能是由给定为受影响的管道的管的总长度，长度的比评价：

（5）

为了优化消防栓流量测试的选择，期望以搜索指定数量，记为K，消防栓，使得选择的K消防栓的整体性能最大化。因此，消火栓选择优化公式表示为：

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（6）（7）

问题是在两个阶段包括：（1）产生影响因子矩阵的和（2）的基础上产生的影响矩阵的消防栓的优化解决。该问题是通过使用达尔文优化框架（(Wu et. al. 2012），由作者开发的通用并行优化工具解决。优化消防栓的选择流量测试的集成方法。该实现的方法是一个示例配水系统进行测试。集成的消防栓优化工具应用到搜索消防栓流量测试的给定数目。在流动试验性能，在受影响的管道长度与预定的单元水头损失变化大于指定阈值的总管道长度的比计，被加倍。这表明，这种试验方法是便于进行流量测试消火栓选择的。同时该方法可以很容易扩展的优化选择消火栓系统。

3.实施

如示于图1，溶液方法的第一阶段是建立的影响的数据库和第二阶段是通过与消防栓测试评估的分量积分达尔文优化消防栓选择。图图1（a）示出用于产生的影响数据库的概念上的步骤。对每个系统中的消防栓，一种仿真情景通过添加消防栓流作为一个额外的节点要求向消防栓节点或添加相当于发射系数来模拟流动消防栓创建。每个消火栓事件进行了模拟和液压的结果，特别是管内流速和水力梯度，被检索计算的影响因素，由公式给出。 （1）和（2），对于所有的管道。计算出的影响因子被用于组装碰撞二进制数据库，如表1所示一旦创建的数据库中，以最大限度地减少文件的大小储存在一个二进制文件中，它可用于优化消防栓选择在第二阶段。

影响数据库的一个例子在表2中给出了具有三个消防栓和4个管的系统。假设每个管道是1000米的长度相同，管的总长度为4000微米。基于此数据库上，流消防栓-1-会对管件1中，管件3和管-4有效的影响，相应的性能为0.75（75％）由式。 （5）。同样，流动消防栓-1和消防栓3将有0.75相同的性能指标，因为流入仅消火栓-1。这是因为流消防栓-3-虽然管道1和管道4被有效地影响不贡献任何唯一有效的影响，但它们已经计数流动消火栓-1。相反，流消防栓-1和消防栓-2将对所有管道的影响，从而使性能指标是100％。

Hydraulic model, hydrants, flow test, optimization and model calibration

在 一般情况下，理想的是选择用于流量检验的消防栓，使得性能被最大化。使用冲击数据库，消防栓的任何组合可以通过使用等式来评估。 （5）为被选择用于流量测试消防栓的给定数量，达尔文优化框架被施加以使性能最大化要搜索的消防栓的组合。 图 1（b）表示达尔文的概念整合与流测试性能。对于由达尔文创建的任何新的解决方案，它被传递给水栓流动试验评估模块来计算使用数据库和式中的性能指标。 （5）计算出的性能指标被分配作为传递回达尔文为相应的溶液，这是通过搜索使性能最大化消防栓的组合优化了适应值。该集成解决方案的方法是在一个基准测试的例子。该模型的方法是一个示例配水系统进行测试。集成的消防栓优化工具应用到搜索消防栓流量测试的给定数目。这表明，该方法是有效的，便于进行流量测试消火栓选择。该方法可以很容易扩展的优化选择喷淋消防系统。

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4.案例

集成的方法有C城镇体系进行了测试（(Ostfeld et al. 2012），中水校准网络（BWCN）。该系统包含5DMAS的429根管，5个泵站和7个蓄水池。由于现场数据保障的一部分，8个消火栓流量测试被设计用于收集压力数据。表3示出用于由BWCN给出的流动试验消火栓结。流量测试中的每一个使用水力模型模拟。流测试的性能，通过使用受影响的管长度在总管道长度的比率，评价为等式给出。 以1.0米/千米的最小水力梯度（单位头损失），受8个消防栓检验的总管道长度是18270米，它代表的56387米整体管长度的约32％。所选消防栓和受影响的管道的位置被突出显示图2。

由于缺乏的消防栓的信息，这是假定每个结与消防栓相连。施加消防栓选择优化方法，8为流动试验优化消防栓被确定为如图3.它说明通过优化模型选择的消防栓在系统中展开，其中大部分都位于系统的边缘。优化的消防栓导致的66％，这是两倍通过预先设计的流动试验引起的受影响的管比的更受影响的管道长度比。

最初选择的8个消防栓为流动试验的性能也具有不同数目消防栓的优化流动试验的性能进行比较。如示于图4，通过使用本文所提出的优化模型的表现将优于原先选定的8消火栓选择了两个消防栓。越消防栓被用于流试验优化，更大的性能，但它是观察到的性能不显著改善超过20个消防栓被用于该系统中流动试验得到优化。<!--

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