基于瞬变流的爆管直径反演方法
阅读说明：本技术 基于瞬变流的爆管直径反演方法 (Explosion diameter inversion method based on transient flow ) 是由 郑国磊 田一梅 彭森 李政翾 程景 梁建文 何楠 于 2021-06-26 设计创作，主要内容包括：发明涉及一种实现爆管直径反演的方法,为实现管网中的爆管定位,应用高频SCADA系统监测管网内的压力异常信号,在爆管定位的基础上,根据瞬变流的传播特征,将总的监测信号分解为来自每条传播路径的分支监测信号；将瞬变流的传播路径及特征逆向,即原传播过程中的局部损失和摩阻损失取其倒数,变为增益,反演来自每条路径的激励信号,将其叠加后形成总的反演激励信号；根据爆管激励信号与爆管直径的关系,激励信号取最大振幅,爆管直径取最大值,计算爆管直径。通过与爆管实际直径及瞬变流衰减法计算爆管直径对比,证实本发明定位精度较高,说明本发明能有效解决爆管直径反演的问题。(The invention relates to a method for realizing the inversion of the diameter of a burst pipe, in order to realize the location of the burst pipe in a pipe network, a high-frequency SCADA system is applied to monitor a pressure abnormal signal in the pipe network, and on the basis of the location of the burst pipe, a total monitoring signal is decomposed into branch monitoring signals from each propagation path according to the propagation characteristics of transient flow; inverting the propagation path and characteristics of the transient flow, namely taking the reciprocal of the local loss and the frictional resistance loss in the original propagation process to obtain gain, inverting the excitation signals from each path, and superposing the excitation signals to form a total inversion excitation signal; and according to the relation between the detonation excitation signal and the detonation diameter, the excitation signal takes the maximum amplitude, the detonation diameter takes the maximum value, and the detonation diameter is calculated. The comparison of the diameter of the detonation calculated by the method with the actual diameter of the detonation and the instantaneous flow attenuation method proves that the positioning precision of the method is higher, and the method can effectively solve the problem of the diameter inversion of the detonation.)
技术领域
本发明涉及一种爆管直径反演方法，属于工程学领域，具体讲，涉及基于瞬变流的爆管直径反演方法。
背景技术
供水管网是城市基础设施的重要组成部分，被称为城市的生命线。当爆管发生时，需要根据爆管信息为爆管修复提供决策。近年来，SCADA系统被广泛引入供水管网中，对流量和压力进行实时监测，应用监测数据对爆管进行定位方法有很多，然无法推断爆管面积，这给爆管修复决策带来一定困难。因此，实现爆管口径的反演具有重要意义。
近年来，SCADA系统中高频压力监测被引入供水管网中，利用该系统监测到的瞬变流可以实现复杂管网的精确的定位，但爆管口径信息难以推断。因此研究一种爆管口径的反演方法对提供爆管修复决策是有必要的。
SCADA系统监测的瞬变流是爆管激发的瞬变流经多路径传播至监测点又叠加形成，在传播途中存在局部损失和摩阻损失。本发明在爆管定位的基础上，将传播路径反向，两种损失换成两种增益，瞬变流从监测点经多路径传播至爆管点叠加后形成激励信号，根据激励信号与爆管口径对应关系计算爆管口径。
发明内容
针对供水管网中爆管口径难以反演问题，本发明在爆管定位的基础上提出一种基于瞬变流的爆管直径反演方法，有效实现供水管网中爆管口径的反演。为此，本发明的技术方案如下：
一种基于瞬变流的爆管直径反演方法，步骤如下：
S1、根据瞬变流的传播特征，将总的监测信号分解为来自每条传播路径的分支监测信号；
S2、将瞬变流的传播路径及特征逆向，反演激励信号；
S3、根据爆管激励信号与爆管直径的关系，计算爆管直径。
进一步地，在步骤S1中，总的监测信号分解的具体方法为：
根据瞬变流的传播理论，计算在爆管点至监测点的每条传播路径中的传播瞬变流信号，称为分支模拟信号，将其叠加形成总的模拟信号，称为总模拟信号，来自每条传播路径的监测信号振幅可表达为：
式(1)中，k为瞬变流的传播路径序号，Ek(t)为分支模拟信号在t时刻的振幅，M(t)为总的监测信号在在t时刻的振幅，εk(t)为在t时刻第k条路径中监测信号所占的比例。
进一步地，在步骤S2中，反演激励信号的具体方法为：
将每条路径中的信号按原路径反向从监测点传播至爆管点，原传播过程中的局部损失和摩阻损失取其倒数，变为增益，则来自每条路径的激励信号振幅表达式为：
式(2)中，Tk为瞬变流在第k条路径的传播时间，Aki第i个节点的透射或反射系数，Rkj第j段管段单位长度的摩阻因子，e-Rkj第j段管段单位长度的摩阻损失，Lkj为第j段管段的长度。
将来自每条路径的激励信号进行叠加，叠加后的信号即为总的激励信号，其振幅表达式为：
进一步地，在步骤S3中，计算爆管直径的具体方法为：
将爆管面视为圆形，根据激励信号与爆管直径的关系式，激励信号取最大振幅，爆管直径取最大值，则表达式为：
式(4)中，Imax为激励信号的最大振幅，μ为爆管系数，D为爆管直径。
通过式(4)可计算出爆管直径。
附图说明
图1为实验管网示意图；
图2为总的监测信号曲线图；
图3为反演的总激励信号曲线图；
图4为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
以下通过在实验管网中实现爆管直径反演，具体操作步骤如下：
S1、监测信号分解
实验设备主要包括：水泵、水箱、高频压力传感器(3个)、DN100、DN50、DN25钢管、DN50PVC管、水阀，各管段组合成具有2个环的管网，高频压力传感器采集频率为10000Hz。用一个字母“B”和一个数字对管网内各节点进行编号，例如：B1、B5、B10。各管段编号用一个字母“T”和管段两端节点数字编号进行编号，例如：T2-3、T10-13(图1)。在实验管网，通过快速打开水阀，制作一次爆管事件，监测事件前后的压力信号(图2)，应用基于瞬变流的爆管定位方法把爆管点定位在T9-10管段上且距B9节点2.3m处。
根据瞬变流的传播理论，计算在爆管点至监测点的每条传播路径中的传播瞬变流信号，称为分支模拟信号，将其叠加形成总的模拟信号，称为总模拟信号，来自每条传播路径的监测信号振幅可表达为：
式(1)中，k为瞬变流的传播路径序号，Ek(t)为分支模拟信号在t时刻的振幅，M(t)为总的监测信号在在t时刻的振幅，εk(t)为在t时刻第k条路径中监测信号所占的比例。
S2、激励信号反演
将每条路径中的信号按原路径反向从监测点传播至爆管点，原传播过程中的局部损失和摩阻损失取其倒数，变为增益，则来自每条路径的激励信号振幅表达式为：
式(2)中，Tk为瞬变流在第k条路径的传播时间，Aki第i个节点的透射或反射系数，Rkj第j段管段单位长度的摩阻因子，e-Rkj第j段管段单位长度的摩阻损失，Lkj为第j段管段的长度。
将来自每条路径的激励信号进行叠加，叠加后的信号即为总的激励信号，其振幅表达式为：
将步骤S1获得的来自每条传播路径的监测信号逆向传播后用式(2)获得来自每条路径的激励信号，再用式(3)获得总的激励信号(图3)。
S3、计算爆管直径
将爆管面视为圆形，根据激励信号与爆管直径的关系式，激励信号取最大振幅，爆管直径取最大值，则表达式为：
式(4)中，Imax为激励信号的最大振幅，μ为爆管系数，D为爆管直径。
取图3中的最大振幅(1.617Mpa)，通过式(4)可计算出爆管直径为32.92mm。
表1：本发明与瞬变流衰减法爆管直径反演成果对比表
从表1中可以看出，本发明爆管直径反演存在0.92mm的绝对误差和2.88％的相对误差；与瞬变流衰减法相比，本发明爆管直径反演精度绝对值提高4.52mm，相对值提高14.12％；综上，本发明爆管直径反演的绝对误差和相对误差都较小，解决了管网中爆管直径难以反演的问题。