水网工程智能化设计、评估方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了水网工程智能化设计、评估方法及系统，方法包括以下步骤：S1、获取水网工程改造节点的数据；S2、根据水网工程改造节点的数据构建节点供水特征评估模型，并确定改造方向；S3、根据节点供水特征评估模型构建并选择合适的改造方案并计算改造方案所需相关参数和控制条件，得到改造模型；S4、构建改造模型相关的控制模型，实现对水网工程的智能化改造。本发明专利技术提供了供水网络工程的特征评价，形成供水网络工程的改造效益评估机制，在评估机制的工作指引下，构建匹配的控制系统，不仅实现了水网系统智能化运行，还达到了水资源的集约利用，水能高效开发的目标。水能高效开发的目标。水能高效开发的目标。

【技术实现步骤摘要】
水网工程智能化设计、评估方法及系统


[0001]本专利技术涉及智慧水利、水网工程和智能控制领域，具体涉及水网工程智能化设计、评估方法及系统。

技术介绍

[0002]通常将自然河湖水系的基础上人工修建的兼具引水、分水、用水及平稳运行功能，并服务于多方对象的水利工程，称为复杂供水工程，包括了山区水库、平原水库、输水明渠、水电站、隧洞、渡槽、倒虹吸、拦河引水闸、泵站、防洪堤等几乎所有渠系建筑物。如能贯彻安全输水、精确监测、科学调度的指导思想，供水工程便能高效、经济、科学地运行。
[0003]传统的供水网络工程能够满足最基本的自供水侧调水、由渠系引水和通过若干支渠对受水侧进行分水等运用，但由于硬件、设备、装置和结构设计单一，控制管理系统仍然按照传统的供水工艺进行配备，无法实时自动化调度，不能灵活进行，呈现出整个供水工程的系统稳定性不足。不仅造成水资源和能源浪费，而且增加供水成本，更不满足对水资源合理开发及提高运用效益的需求。尤其涉及到多个供水对象的水情水调、控制调节及工程安全等方面，面对需水目标变化随机性、多目标性、实时性等特点，更加剧复杂供水实现可靠运行难度。
[0004]现有控制决策系统已暴露出诸如：现状判别不准确、模型参数计算受限且控制中业务功能系统与实际模型融合不充分、渠道控制系统缺少缓冲空间、存在控制过程中偏差和误差的累积叠加、不同工况衔接协调不足、闸门控制对渠道水动力过程相互制约复杂、发电机组下游尾水造成流量水位变化显著以及控制效果不满足时效性和精细化要求等一系列问题。
[0005]综合来看，当前渠道系统多点闸门的联合控制在装置设计、结构布局、状态量测与识别、控制机理与驱动、数字孪生应用以及精细化决策协调衔接等方面的工作开展地较少。要实现科学的配置水资源，需要构建分区、分级、均衡的分布式多点联动控制，从区域供水的互联完善布局，兼顾用水、灌溉、引水、生态等需要，进一步开发利用水能。但仍面临如下困难：
[0006](1)现有供水网络工程在安装、运用和维护上存在标准与指引的匮乏，尤其从系统架构上缺少装置的选择及其设计的方法，设施选取不准确、安装不规范更是造成拟议工程措施布局建设困难。不仅难以实现“紧凑”的结构要求，无法快速且短距离达成水位回稳，也很难与自然河流配合形成自然
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社会二元融合，造成控制与实际适用性不足。即便是智慧化改造过程中，由于供水网络工程的评估机制缺少从功能需求驱动的判断，以及基于实际需求对控制效果的确定性设定，导致区域智慧水网的建设没有准确的定位和基调，拟议工程措施布局建设困难，造成实践的方法和路径匮乏。
[0007](2)供水网络工程的装置组件存在选用与设计的困难，传统的硬件装置一方面在控制运用上，不仅难以面对闸门启闭过程及渠道糙率作用下产生的涌波，也不具备应有的水力特性和过流能力，还缺少风险备用组件和二次调蓄装备的设计，均为控制造成负面影
响。另一方面，从水资源集约利用层面，不仅缺少有效的测量和调控的机构设计方法，难以准确量测并控制失稳情形，而传统明渠水能发电设施的设计方法对供水保障的阻碍影响，也不符合高效利用水能的期望。
[0008](3)供水网络工程的系统化布局困难，在物理结构上难以形成衔接，尤其针对全线采用自流输水、无外加动力设施的情况，衔接段的水力过程更加复杂，特别是进出流量的不平衡有可能给系统运行和控制带来很多不可预知性，对控制过程提出较高要求。加之运行控制过程中必须考虑自流供水以及水动力作用对系统整体运行产生的耦联影响，很容易由于相邻段流量配合不当等原因造成淹没事故。另外，传统方法也难以应对不同地形、地质条件对运行期的负面安全效应。
[0009](4)由于供水网络系统运行涉及水文气象、水情水调、控制调节及输水建筑物安全等多方面内容，且具有随机性、多目标性、实时性及受许多不确定因素影响等特点，因此当前的简单结构不支持供水
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发电
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引分水的复杂目标，也不能适应于动态条件下的水位波动。无法实现包括干渠和支渠在内的渠道系统范围内的水流全面控制，而缺少调节组件设计、缓冲空间不足更是导致不仅无法抑制水流波动变幅的程度，产生人工渠道衬砌的损耗，还造成受水区供水保障率的不足。
[0010](5)传统监测装置和方法由于监测设施选取、布局的不准确，对供水网络控制对象及其关系认识和实时获取的不足，阻碍着非稳态控制的协同。一方面，非稳态控制下动态变化的波动水位难以量测，进而无法对渠道工况准确衡量，造成控制对象实时获取不足，且监测评估差，难以准确评价分析动态系统，导致无法对渠道工况准确判别衡量。另一方面，既有的采集机制也带来数据的可用性不足，控制支撑数据的“过多”、“过少”现象同时出现，其中日常的数据冗余，本身对控制的支撑比重不足，还引起计算耗时长、决策效率低，一旦出现特征的大幅差异还将造成的决策结果不一致、不收敛，极大程度上阻滞控制决策；而一些需要应急处置的情形，却时常面临着数据量的不足，造成决策的偏差和出错，甚至无法得出。从数据缺乏完整特征和全景拼接制约着智慧化控制决策的基础实现。
[0011](6)控制装置、方法和系统的自动化和整体协调的程度不足。传统的供水网络装置结构可控达性不足，控制执行不足，尤其是经过引水干渠直接连接受水区的装置，流量调节极为困难。且控制算法未处理装置间的复杂协同作用，特别是闸门之间在启闭控制时形成渠道水动力过程的相互制约，干扰控制决策。且控制过程缺少对偏差的即时修正机制，闸门的联合控制过程中控制误差会形成累积和叠加，后续运行持续影响非稳态系统控制，造成稳态的制定偏差。难以实现水位流量全面控制，使得波动变幅大，不仅损耗人工渠道，一旦控制不当甚至产生灾害。尤其是用于水能开发的电站装置不可避免地加剧水位流量变幅，也存在停机检修中断水流影响供水、以及联动下的流量应该形成什么样的闸门开度调整来实现互补的研究空白。从控制情形的协调上，在应急事件的应对调度和日常的维持平稳运行上同样存在协同的阻碍，有关供水工程内水流运动关系和时间层面的时滞控制均未得到妥善处置方法，自动化程度不足，仍需要大量人工值守。
[0012](7)传统控制系统智能化程度不足造成的控制效果差，表现为控制决策的精确度、时效性难以支撑供水网络工程安全平稳运行。机理驱动的控制在决策上的时效性不足，耗时普遍较长，不仅无法及时跟进受水区的用水需求变化，在面临复杂风险时由于控制方案生成和应对的不及时也存在其他风险隐患。况且控制决策的形成过程缺少科学验证，更无
从预测当前以及控制后的状况趋势走向，针对供水网络工程水力复杂波动、强耦合、大时滞的特性，不具备导向控制。而且控制过程中测量差、模拟差和控制差会形成累积和叠加，后续运行持续影响非稳态系统控制，造成稳态的制定偏差，无法执行平稳控制。

技术实现思路

[0013]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的水网工程智能化设计、评估方法解决了现有供水网络工程在安装、运用和维护上缺少评定标准、装置组件选用与设计困难、系统化布局困难、易受自然因素影响、无法协调非稳态控制、控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水网工程智能化设计、评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取水网工程改造节点的数据；S2、根据水网工程改造节点的数据构建节点供水特征评估模型，并确定改造方向；S3、根据节点供水特征评估模型构建并选择合适的改造方案并计算改造方案所需相关参数和控制条件，得到改造模型；S4、构建改造模型相关的控制模型，实现对水网工程的智能化改造。2.根据权利要求1所述的水网工程智能化设计、评估方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：S2
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1、根据水网工程改造节点的数据进行主成成分分析，得到去除主观影响后的数据；S2
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2、对去除主观影响后的数据进行主成成分分析，得到数据集合；S2
‑
3、构建节点供水特征评估模型；S2
‑
4、使用节点供水特征评估模型对数据集合中的数据进行评估，确定改造方向。3.根据权利要求2所述的水网工程智能化设计、评估方法，其特征在于，步骤S2
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3包括以下步骤：S2
‑3‑
1、根据公式：1、根据公式：1、根据公式：得到当前类别指标的重要程度o
ij
、供水特征的质量值C
ij
、权重影响下的评分过程参量其中，表示当前类别规定的取值区间最大值；表示当前类别规定的取值区间最小值；表示当前类别i的子类别j下的每一个的百分制的打分值，共计k个，s表示当前的打分值是这k个数值中的第s个；hg表示评分合格的常数；α
ij
表示主观赋权法得到的权重，β
ij
表示熵值法得到的权重；S2
‑3‑
2、根据公式：2、根据公式：得到平均供水性能pjxn、平均差值pjcy；其中，N是数据库的数量，即类别的个数；S
i
是i类别下的数据的数量；B表示类别i中的子类别j对应的性能度量值；I表示类别i中的j+1个子类别；S2
‑3‑
3、根据评估信息类别的实测值和预测值，构建包括假正类、假负类和真正类的混淆矩阵；其中，真正类表示供水特征下确切地对应到评估类别中影响要素；假负类表示供水
特征和装置工程改造之间客观存在影响，但难以进行实测，同样能够、且需要做出改造的特征；假正类表示负面的供水特征与装置工程改造没有必然的联系，而随着工程的改造可以得到解决；S2
‑3‑
4、根据公式：4、根据公式：4、根据公式：得到精度和召回率的谐波平均值FM，进行改造效益评估；其中，P
t
表示真正类的数量；P
f
表示假正类的数量；N
f
表示假负类对应的混淆矩阵中元素的数量；JD表示精度；ZHL表示召回率；S2
‑3‑
5、根据公式：C
pred
＝C
o
+I
WS
I
WS
＝A
pred
lg(d
pred
+b)得到改造节点改造后延续性的影响评价I
WS
；其中，C
o
表示预测前的供水特征的质量数值；C
pred
表示预测后的供水特征的质量数值；d
pred
表示持续影响下的时间预测变量，A
pred
表示供水负面特征在延迟作用下的预测常量，b表示供水服务保障的价值参数；lg表示底为10的对数；S2
‑3‑
6、根据公式：Fd
i
＝M
i
×
Jz
ii
得到当前节点的平均供水服务价值其中，Fd
i
为单个节点在类别i下的供水服务价值；Fz为当前节点整体供水服务价值；M
i
表示当前类别的供水辐射范围的面积；Jz
i
表示i类别下的价值系数；S2
‑3‑
7、根据公式：得到敏感系数MX；其中，Fz
x
为节点改造前服务价值的初始值；Fz
y
为节点改造后的服务价值的预测调整值；表示i类别下节点整体改造前的既定供水特征性能价值系数；表示i类别下节点整体改造后的既定供水特征性能价值系数；S2
‑3‑
8、根据公式：
得到归一化的供水保障指数和供水网络工程外部环境安全指数EEI；其中，L
P
表示供水网络工程无故障；S
P
表示水库蓄水和放水失效；Q
P
表示渠道引水、调水控制失稳；G
P
表示分水口的配水失调；index表示PI未经过归一化的数值集合；ΔES
rm
表示节点改造后在持续性预测下供水特征性能价值的对比；A
T
表示行政区面积；Δt表示预测的持续时间跨度；χ表示供水网络工程的价值折算系数，ΔEC表示供水形式及其开发程度在改造前后的变化；GFI为服务价值指数和GSI为供水与用水的强度指数；S2
‑3‑
9、根据公式：9、根据公式：P(X
′
＝1|X1＝1,X2＝1,
…
,X
N
＝1)＝1,P(X
′
＝1|else)＝0P(X
′
＝1|X1＝0,X2＝0,
…
,X
N
＝0)＝0,P(X
′
＝1|else)＝1＝1|else)＝1得到供水网络工程的运行安全指数ESI；其中，表示节点全体随机变量的联合概率密度；N表示贝叶斯网络的结点数，π表示参数集，d表示样本集中的样本，X表示一个由随机变量组成的向量，x表示向量中对应的元素；ωi1表示每个类别下的权重分配；ESIi1(i1＝1,2,3,4)对应节点X
u
；Φ
i
’
表示风险状态工程安全表征常数；γ
i
’
表示日常运行状态风险的工程安全表征常数；P(X
′
＝1...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚毅梓，李晓飞，尚领，龚家国，冶运涛，蒋云钟，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：