專利名稱：管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種滲漏偵測(cè)方法和裝置，尤其涉及一種管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著臺(tái)灣缺水危機(jī)愈加頻繁的出現(xiàn)，民眾也越來(lái)越重視水資源的相關(guān)議題，根據(jù) 2002年監(jiān)察院的專案調(diào)查研究報(bào)告顯示，臺(tái)灣地區(qū)自來(lái)水管線漏水率達(dá)25%，而淘汰率僅為0. 09%，臺(tái)灣地區(qū)一年漏水量就高達(dá)八億噸，相當(dāng)于兩座翡翠水庫(kù)的水量。而自來(lái)水管線漏水的議題，在世界各地亦受到相當(dāng)?shù)闹匾?。在英?guó)，供水系統(tǒng)有 23%的漏水，而在美國(guó)老舊的都市管線，漏水率甚至可以會(huì)高達(dá)50%。為了降低管線滲漏所帶來(lái)的損失與避免高額的操作維護(hù)成本，美國(guó)水資源工作協(xié)會(huì)(American Water Works Association)建議漏水量應(yīng)在10%以內(nèi)。但自來(lái)水管線的漏水是不可避免的，且大都會(huì)的自來(lái)水管線都埋在地下，若在未知漏水位置的情形下直接開(kāi)挖，尋找漏水管線并予以更換，需要耗費(fèi)的成本高昂。相反的， 若能通過(guò)滲漏偵測(cè)方法，先找出可能的漏水位置，再予以開(kāi)挖更換，則可大幅降低自來(lái)水管線的維護(hù)成本。然而，實(shí)際上的管網(wǎng)滲漏是非常復(fù)雜的問(wèn)題，常常需要考慮管網(wǎng)內(nèi)大量的管線 (pipeline)、單元(component)以及不定時(shí)的操作改變(operation change)，因此近年來(lái)不斷有各類型的滲漏偵測(cè)方法被提出，概括來(lái)說(shuō)，根據(jù)各種滲漏偵測(cè)方法的特性，可分為三大類，包括第一大類為物理性偵測(cè)法(Physicalinspection)由受過(guò)訓(xùn)練的稽查人員，沿著管線檢查不尋常的現(xiàn)象，如肉眼可見(jiàn)的裂縫，或異常的聲音等等。此法若是應(yīng)用在油管或瓦斯管，則可由受過(guò)訓(xùn)練的狗，通過(guò)溢散的氣體味道來(lái)找尋管線破洞。這種方法相當(dāng)普遍，但準(zhǔn)確性不足，且過(guò)于依賴鑒定人員的經(jīng)驗(yàn)，因此偵測(cè)結(jié)果通常不夠穩(wěn)定且易產(chǎn)生誤判。第二大類為硬體裝置偵測(cè)法(Hardware-based methods)利用特定的裝置找出漏水的位置，典型的裝置有聲音感應(yīng)器、壓力轉(zhuǎn)換器或可視裝置等，但此方法需要較多的預(yù)算，成本較高。第三大類為計(jì)算模式監(jiān)測(cè)法(Computational modeling monitoring)在經(jīng)費(fèi)或成本許可的狀況下利用安裝在管網(wǎng)內(nèi)部的感應(yīng)器來(lái)監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)，如壓力、流量、溫度、壓力降以及密度變化等參數(shù)，再將參數(shù)輸入電腦，配合適當(dāng)?shù)哪Ｊ?，以逆推漏水的位置，甚至滲漏量，這些計(jì)算模式大致是以流量與壓力的變化、流量的平衡、監(jiān)測(cè)值與模式得到流量， 再將得到的流量與壓力的差異或統(tǒng)計(jì)方法為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬，在成本與其他條件許可的狀況下，采用此方法會(huì)是較佳的選擇，但實(shí)施這種方法仍需要投入大量的經(jīng)費(fèi)與人力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法，通過(guò)將實(shí)際觀測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，即可輕松掌握管網(wǎng)中的滲漏狀況的滲漏偵測(cè)方法。
首先在實(shí)際觀測(cè)值的獲得部分，工程師先在管網(wǎng)的控制閥處制造一個(gè)瞬態(tài)事件， 如迅速關(guān)閉控制閥而產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，接著記錄在控制閥處水頭隨時(shí)間的變化關(guān)系作為觀測(cè)值；然后在數(shù)值模擬(numerical simulation)部分，先將多條管線建成一個(gè)管網(wǎng)，再以 PNSA法求解管網(wǎng)中流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解(steady-statesolution)，然后將管網(wǎng)中的滲漏點(diǎn)假設(shè)為孔口流，接著對(duì)管網(wǎng)中的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)施加一個(gè)外部擾動(dòng)(external perturbation)如水錘 (water hammer)，使得壓力波快速在管網(wǎng)中傳遞而產(chǎn)生瞬態(tài)(transient)流場(chǎng)，再以LDSA 法來(lái)尋找最佳的瞬態(tài)流場(chǎng)解，其中LDSA法是先以特性線法(MOC)來(lái)計(jì)算管網(wǎng)中流場(chǎng)的一個(gè)試誤瞬態(tài)解，再通過(guò)模擬退火(simulated annealing)演算法來(lái)尋找最佳的瞬態(tài)流場(chǎng)解，進(jìn)行模擬退火演算法時(shí)是以觀測(cè)值作為最佳化的基準(zhǔn)。 工程師通過(guò)在電腦上輸入現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值，就可以模擬出管網(wǎng)的滲漏狀況，進(jìn)而輕松獲知管網(wǎng)中的滲漏狀況，還可進(jìn)一步掌握管網(wǎng)中的滲漏狀況，而實(shí)際觀測(cè)值的取得也只需要測(cè)量水錘效應(yīng)，相較于先前技術(shù)中需要投入大量的經(jīng)費(fèi)與人力的管網(wǎng)滲漏偵測(cè)，本發(fā)明提供了一種超低成本與非常輕松的管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法。本發(fā)明提供一種管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法，包括建立管網(wǎng)，該管網(wǎng)中具有滲漏與流場(chǎng)； 計(jì)算該流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解；對(duì)該流場(chǎng)施加擾動(dòng)；以及根據(jù)該穩(wěn)態(tài)解計(jì)算該施加擾動(dòng)后流場(chǎng)的瞬態(tài)解，得到與該滲漏相關(guān)的滲漏信息。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該管網(wǎng)系選包括節(jié)點(diǎn)、管線、漏水點(diǎn)和控制閥中至少一個(gè)。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該流場(chǎng)受到擾動(dòng)后，由穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)轉(zhuǎn)換為瞬態(tài)流場(chǎng)。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該擾動(dòng)為快速關(guān)閉該控制閥后產(chǎn)生的水錘。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該穩(wěn)態(tài)解的計(jì)算是通過(guò)管網(wǎng)模擬退火(PNSA)法。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該P(yáng)NSA法是利用Hazen-Williams公式來(lái)定義流量和水頭損失之間的關(guān)系。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該P(yáng)NSA法是利用模擬退火 (simulatedannealing)演算法來(lái)獲得 Hazen-Williams 公式的解答。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該瞬態(tài)解的計(jì)算是通過(guò)滲漏偵測(cè)模擬退火 (LDSA)法。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該LDSA法是利用特征線法(MethodOf !!Characteristic, M0C)來(lái)定義流量和水頭之間的關(guān)系。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該LDSA法是利用模擬退火 (SimulatedAnnealing，SA)演算法來(lái)獲得MOC的解答。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該SA演算法是以該擾動(dòng)的觀測(cè)值作為最佳化的基準(zhǔn)。較佳地，所述方法還具有如下特點(diǎn)該滲漏被模擬為孔口流。因此根據(jù)本發(fā)明的第二構(gòu)想，提出一種用以模擬管網(wǎng)滲漏的電腦程式產(chǎn)品，具體應(yīng)用于電腦可讀取媒體上并可在電腦上執(zhí)行，當(dāng)電腦載入該電腦程式并執(zhí)行后，可完成所述管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法。
因此根據(jù)本發(fā)明的第三構(gòu)想，提出一種用以實(shí)施如所述管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法的電子
直ο較佳地，本發(fā)明所提供的電子裝置為具有中央處理器的電子計(jì)算機(jī)、個(gè)人電腦、筆記型電腦或手持式電子運(yùn)算裝置。本發(fā)明的第四構(gòu)想，提供一種管網(wǎng)滲漏偵測(cè)裝置，包括中央處理單元，用于執(zhí)行以下步驟計(jì)算流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解；對(duì)該流場(chǎng)施加瞬態(tài)事件；以及根據(jù)該穩(wěn)態(tài)解計(jì)算該施加瞬態(tài)事件后流場(chǎng)的瞬態(tài)解，得到與該滲漏相關(guān)的滲漏信息。較佳地，該所述裝置還具有如下特點(diǎn)該瞬態(tài)事件為通過(guò)快速關(guān)閉該控制閥而產(chǎn)生的水錘。


圖1為本發(fā)明中管網(wǎng)示意圖；圖2為本發(fā)明中滲漏偵測(cè)方法流程圖；圖3為不同滲漏情況A、B或C下控制閥處水頭變化示意圖；圖4為本發(fā)明中管網(wǎng)滲漏裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的技術(shù)方案作進(jìn)一步介紹。建立管網(wǎng)(pipelinenetwork, PN)模型如圖1所示，首先，先將需要偵測(cè)的實(shí)際自來(lái)水管線網(wǎng)路以節(jié)點(diǎn)(node)、管線 (pipeline)、漏水點(diǎn)(leaking point)與控制閥(control valve)的簡(jiǎn)化組合呈現(xiàn)出來(lái)，其中該管網(wǎng)PN包括多個(gè)節(jié)點(diǎn)N、多條管線P、多處漏水點(diǎn)L與一個(gè)控制閥V，在本實(shí)施例中的管網(wǎng)PN具有6個(gè)節(jié)點(diǎn)N、8條管線P、3處漏水點(diǎn)L與1個(gè)控制閥V。而多個(gè)節(jié)點(diǎn)N之間的連接、每條管線P的直徑、長(zhǎng)度以及哈威廉姆斯(Hazen-Williams)摩擦系數(shù)如表1所示。
線P節(jié)點(diǎn)N直徑(m)長(zhǎng)度(m)Hazen-Williams 摩擦系數(shù)C號(hào)碼自至PlNlN20.3051000.0100P2N2N30.3051000.0100P3N3N40.2501100.0100P4NlN40.4051250.0100P5N4N50.3551000.0100P6N5N60.3051100.0100P7N3N60.3051250.0100P8N6Valve0.5001000.0100
5
表1管線的信息表如圖1所示，在節(jié)點(diǎn)m處有一個(gè)固定為120m的壓力水頭，而管線P8的下游連接至控制閥V，控制閥V具有5CMM的流量。管網(wǎng)模型的穩(wěn)態(tài)(steady-state)解PNSA方法首先，采用模擬退火(simulated annealing，SA)演算法來(lái)求解管網(wǎng)模型的穩(wěn)態(tài)
解，以下簡(jiǎn)稱為管網(wǎng)模擬退火PNSA(pipeline network simulated annealing)法，穩(wěn)態(tài)解
包括管網(wǎng)模型在穩(wěn)態(tài)下的水頭(head)與流量(flow rate)。在PNSA方法中，對(duì)于每段管線
P，利用Hazen-Williams公式來(lái)表示水頭和流量損失之間的關(guān)系，在Hazen-Williams公式
中，先定義每段管線P的阻力系數(shù)(Kij)
權(quán)利要求
1.一種管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法，其特征在于，包括 建立管網(wǎng)，包括滲漏和流場(chǎng)；計(jì)算該流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解； 對(duì)該流場(chǎng)施加擾動(dòng)；以及根據(jù)該穩(wěn)態(tài)解計(jì)算該施加擾動(dòng)后流場(chǎng)的瞬態(tài)解，得到與該滲漏相關(guān)的滲漏信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法，其特征在于，該管網(wǎng)包括節(jié)點(diǎn)、管線、漏水點(diǎn)和控制閥及其組合的群組的其中之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法，其特征在于，該擾動(dòng)是通過(guò)快速關(guān)閉控制閥而產(chǎn)生水錘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法，其特征在于，該穩(wěn)態(tài)解的計(jì)算是通過(guò)管網(wǎng)模擬退火(PNSA)法，其中該P(yáng)NSA法是利用Hazen-Williams公式來(lái)定義流量和水頭損失之間的關(guān)系，且該P(yáng)NSA法是利用模擬退火(SA)演算法來(lái)獲得Hazen-Williams公式的解答。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法，其特征在于，該瞬態(tài)解的計(jì)算是通過(guò)滲漏偵測(cè)模擬退火(LDSA)法，其中該LDSA法是利用特征線法(MOC)來(lái)定義流量和水頭之間的關(guān)系，而該LDSA法是利用模擬退火(SA)演算法來(lái)獲得MOC的解答，且該SA演算法是以該擾動(dòng)的觀測(cè)值來(lái)作為最佳化的基準(zhǔn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法，其特征在于，該滲漏被模擬為孔口流。
7.—種管網(wǎng)滲漏偵測(cè)裝置，其特征在于，包括 中央處理單元，系用于執(zhí)行以下步驟 計(jì)算該流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解；對(duì)該流場(chǎng)施加瞬態(tài)事件；以及根據(jù)該穩(wěn)態(tài)解計(jì)算該施加瞬態(tài)事件后流場(chǎng)的瞬態(tài)解，得到與該滲漏相關(guān)的滲漏信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的管網(wǎng)滲漏偵測(cè)裝置，其特征在于，該瞬態(tài)事件為通過(guò)快速關(guān)閉該控制閥產(chǎn)生的水錘。
全文摘要
本發(fā)明提供一種管網(wǎng)滲漏偵測(cè)方法和裝置，該方法包括建立管網(wǎng)，包括滲漏和流場(chǎng)；計(jì)算該流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)解；對(duì)該流場(chǎng)施加擾動(dòng)；以及根據(jù)該穩(wěn)態(tài)解計(jì)算該施加擾動(dòng)后流場(chǎng)的瞬態(tài)解，得到與該滲漏相關(guān)的滲漏信息。
文檔編號(hào)F17C5/02GK102213363SQ20101014196
公開(kāi)日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者葉弘德, 黃彥禎 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人交大思源基金會(huì)