1、产业与科技论坛2023年第22卷 第2期Industrial&Science Tribune2023（22）2供水管网压力监测点优化布置方法综述王翔雷晓辉龙岩孙广垠【内容摘要】科学合理地布置供水管网的压力监测点是实时有效监测管网水力运行状态的关键所在，也是进行一系列管网水力分析研究的基础数据来源。本文以监测管网水力运行和定位漏失点两方面为主要切入点，对近十年国内外学者在压力监测点优化布置领域的研究方法进行了归纳总结。最后，对压力监测点优化布置的研究方向进行了展望。【关键词】供水管网;压力监测点;研究综述;漏失定位【作者简介】王翔，河北工程大学能源与环境工程学院硕士研究生;研究方向:供水管网系统
2、优化雷晓辉，河北工程大学水利水电学院教授;研究方向:水文预报、水量水质联合调度、水力调控、智慧水务龙岩，河北工程大学水利水电学院讲师;研究方向:水资源优化配置、水生态与水环境评价、智慧水务孙广垠，河北工程大学能源与环境工程学院副教授;研究方向:水及废水处理理论与技术一、引言供水管网压力监测点的优化布置工作，是保障供水服务质量、进行管网压力调控、提升水力模型校核效果、指导后续管网水力分析工作以及扩建改造工作的基础。但是随着供水管网服务范围的不断扩大，用于监测管网水力运行状态的压力监测点却没有完成安装，导致供水安全事故发生时，相关人员无法及时地发现和解决。并且供水管网的安全问题不仅影响了供水的服务
3、质量，还可能导致环境污染和水质健康问题。针对上述问题，国内外众多学者提出了解决压力监测点优化布置问题的方法。根据分析手段的不同，可将大多数布置方法总结为三大类，即基于人工经验的压力监测点布置方法、基于数学分析的压力监测点优化布置方法、基于智能算法的压力监测点优化布置方法。本文在梳理了相关文献的基础上，从结合数学分析研究、结合智能算法研究、基于漏失定位研究、结合经济成本研究、结合监测效果评估方法研究五种角度对近十年国内外研究学者所提出的压力监测点优化布置方法进行归纳总结。并对今后该领域的研究方向进行了展望，可对相关领域研究学者的研究方向提供参考。二、压力监测点优化布置方法(一)结合数学分析的压力
4、监测点优化布置。供水管网的水压属性是直观反映管网运行状况，运用数学分析的手段对管网的水压属性进行分析，是优化管网压力监测点的常用方法。陆仁强等通过非线性映射理论构建出压力模拟数值矩阵，然后对各节点压力变化程度的相似性特征进行分析，提出一种监测点布置方法，解决了管网压力监测点优化布置的选址问题。黄雅芳等采用聚类分析的方式对不同工况下的供水管网进行压力分区，结合各压力分区实际运行情况，实现了对分区内压力监测点的布置优化。当经验法与数学分析法相互结合时，经验法对数学分析法所得出的布置优化方法进行了对应的验证。黄璐等结合经验法和聚类分析，对供水管网的新增压力监测点布置问题进行了求解，并对其布置方法的合
5、理性进行评定，结果表明，其方法的覆盖节点率达到 88.8%。尹兆龙等基于动态水力模型，采用经验法和灵敏度分析相结合的方法，求解管网测压点布置问题，随后，运用泰森多边形法分析了压力监测点的分布密度，结果表明，该监测点布置方法效果良好。(二)结合智能算法的压力监测点优化布置。随着计算机技术和智能算法的快速发展，越来越多的算法被运用到压力监测点优化布置问题的求解上。通过运用智能算法庞大的计算能力和对数据的快速搜索能力，可以快速科学地对复杂管网压力监测点优化布置问题进行求解。彭畅等以监测点最大压力监测范围及监测点最大覆盖节点需水量作为优化目标，运用 NSGA II 算法对多目标压力监测点布置优化数学模
6、型进行求解，验证了 NSGA II 求解供水管网监测点优化布置问题的可行性。林英姿等基于供水管网水力模型，运用 FCM 聚类算法对管网监测点布置优化问题进行求解，以有效监测供水管网的水力运行状态。王彤等基于供水管网水力运行状态，采用粒子群优化 FCM 聚类算法的方法求解管网监测点的优化布置问题，其结果表明，该布置方法的压力监测点能均匀分布于整个管网。随着智能算法的多样化发展，运用不同算法得出的布置方法也有所不同，为了直观分析算法之间的差异性问题，岳宏宇等利用 2 种群体智能优化算法 蝙蝠算法和粒子群算法对同一个压力监测点布置优化数学模型进行求解，通过对结果的多方面对比分析，说明了蝙蝠算法在压力
7、监测点布置优化问题上同粒子群算法的差异性。在管网新增压力监测点问题上，张清周等通过运用遗传算法求解异常事件数学模型，对管网现有压力监测点的监测能力进行了评定，随后根据评定结果，布置管网新增的压力监测点，结果表明，新增 5 个压力监测点后，其压力监测系统对异常事件的监测率达到 90%以上。(三)基于漏失定位的压力监测点优化布置。精准的管网压力监测点监测数据，是后续水力分析工作的数据基础，也是快速找到供水管网的泄漏区域的基础数据来源。Casil-las 等将监测点布置优化问题定义为一个整数优化问题，通过半径性搜索和遗传算法求解。由于泄漏定位研究对水力模042023年第22卷 第2期产业与科技论坛2
8、023（22）2Industrial&Science Tribune型高精准度的要求，Lusa 等使用基于 TrustRank 算法工具来选择供水管网中可用于压力监测的节点，通过分析压力传感器的数量对管网水力变化的敏感性程度，最终确定压力监测点的位置和数量。刘倍良等通过构建基于压力驱动节点流量的漏失定位模型，结合管网压力阈值，筛选出灵敏度高的节点，最后得到了能保证定位模型准确度的监测点优化布置方案。基于模型的泄漏定位方案是否有效在很大程度上取决于供水管网中监测点位置的选择。但由于管网水力模型在其相关参数的测定过程中存在多种不确定性的影响，很多学者就分析该不确定性因素的影响程度开展研究工作。Bl
9、esa等基于多目标优化策略，将实现漏失可识别指数均值最大、差值最小的布置方法作为最终解，并用聚类穷举的方法求解监测点布置优化问题。在此基础上，David 等将具有不确定性的需求信息作为影响压力监测点作用的主要因素，提出了一种将不同需求类型的不确定性纳入泄漏定位的传感器优化布置问题的方法。(四)结合经济成本的压力监测点优化布置。供水管网压力监测点的优化布置工作不是越多越好的线性问题，而是要在较少的监测点数量上保证其监测范围的最大化。ChengW 等针对背景噪音影响供水管网监测体系数据准确性的问题，运用遗传算法对其定义的监测节点漏失水压客观函数进行求解，找到了供水管网中最优的监测点位置和最经济的监
10、测点数量。Zhao M 等从经济角度考虑，提出了一种基于成本效益分析的经济评价指标，以解决最优压力传感器放置问题，通过分析净成本与传感器数量之间的关系，确定传感器的最佳数量。(五)结合监测效果评估的压力监测点优化布置。针对压力监测点优化布置后的监测效果能否满足监测管网水力运行状态的需求等问题，Zhexian Qi 等提出一种验证监测点监测能力的评估方法，采用不可监测节点、不可监测节点的用水量需求、监测点监测范围、监测点的空间分区以及监测点的监测阈值五个指标定量地分析了供水管网中现有压力监测点的监测能力情况，而后提出了基于上述分析结果的压力监测点布置方法。三、结语尽管众多学者提出的供水管网压力监
11、测点优化布置方法能够有效解决管网监测的需求问题，但仍然存在一些挑战。首先，结合智能算法求解压力监测点优化布置数学模型已成为该研究领域的主要研究手段，但选取算法的不同可能会导致优化结果之间的差异性，对算法的差异性问题要综合考虑。然后，管网漏损监测定位研究的精准性离不开科学合理的压力监测点优化布置方法。也就是说，科学合理地布置压力监测点，能对接下来进行的一系列管网水力研究提供更准确的数据支持。最后，若要在供水管网中新增部分压力监测点，则要结合管网中原有的压力监测点，所以从布置监测点的经济成本角度来优化布置供水管网的压力监测点可能会成为今后研究的发展方向。【参考文献】1 陆仁强，张宏伟，牛志广，彭万
12、疆 基于非线性映射理论的城市供水管网压力监测点布置方法研究J 水利学报，2010，41(1):25 29 2 黄雅芳，卫海，管慧玲，盛蓓蕾 聚类分析法选择给水管网压力监测点 J 净水技术，2014，33(S2):74 76 3 黄璐，李树平，周巍巍，侯玉栋，王磊新，陆纳新 基于原有测压点的供水管网压力监测点优化布置研究 J 给水排水，2013，49(2):119 122 4 尹兆龙，信昆仑，项宁银 供水管网压力监测点布置的实用方法 J 中国给水排水，2014，30(2):19 23 5 彭畅，彭森，吴卿，梁建文 基于 NSGA 的给水管网压力监测点多目标优化布置J 中国给水排水，2019，35
13、(1):58 62 6 林英姿，刘览，刘思宏，吕尊敬 基于模糊 c 均值(FCM)聚类算法的给水管网压力监测点优化布置J 吉林建筑大学学报，2018，35(5):51 56 7 王彤，杨军，张浩祥，等 基于粒子群改进 FCM 聚类算法优化管网压力监测点布置研究J 给水排水，2021，47(2):140 144 8 岳宏宇，吕谋，李红卫，刘志壮，种宇飞 基于群体智能优化算法的供水管网压力监测点布置J 中国给水排水，2020，36(21):66 70 9 张清周，黄源，齐晶瑶，赵明，赵洪宾 给水管网新增压力监测点优化布置方法 J 给水排水，2017，53(3):127 131 10 Casilla
14、s MV，Puig V，LE Garza Castann，Rosich A Op-timal sensor placement for leak location in water distribution net-works using genetic algorithms Sensors，2013，13(11):14，984 15，5 11Lusa Ribeiro et al Locating Leaks with TrustRank Algo-rithm Support J Water，2015，7(4):1378 1401 12 刘倍良，余健，黄帆 基于漏失定位的压力监测点优化布置方法
15、 J 给水排水，2020，56(3):144 147 13 D Kang，Lansey K Optimal Meter Placement for Water Dis-tribution System State Estimation J Journal of Water ResourcesPlanning Management，2010，136(3):337 347 14 Blesa，J，F Nejjari R Sarrate，Robust sensor placement forleak location:analysis and designJ Journal of Hydroinfor
16、mat-ics，2016，18(1):136 148 15 Steffelbauer，D B D Fuchs Hanusch，Efficient SensorPlacement for Leak Localization Considering UncertaintiesJ Water Resources Management，2016，30(14):5517 5533 16 Cheng W，Chen Y，Xu G Optimizing Sensor Placement andQuantity for Pipe Burst Detection in a Water Distribution NetworkJ Journal of Water Resources Planning and Management，2020，11 17 Zhao M，Zhang C，Liu H，et al Optimal sensor placement forpipe burst detection in water distribution systems using cost benefit analy
