关于给水管网可靠性分析方法的综述

点满足需求 ; ! 大于服务水头而低于要 求水头的 则处于容许 工 作状态。因为流量正比 于水 头平方 根 , 因此 , 本 文假设 供水 从 正常到中断的供应量与 计算 水头的 平方 根有关 , 此 时 , 节点 可 用流量可用下式计算 : Q= H - Hs H m- Hs
度给水管网中每一节点 与至 少一 个水源 连接。 ! 需求 节点 处 满足正常供应的概率。连 接性 和连通 性可 以作 为最初 的系 统 审查 , 以确 定是否存在由 于冗 余不足 引起 的系 统可靠 性方 面 的严重问题 , 之后再分析连 接节 点是 否满 足需 求。对 较简 单 的系统 , 前 两种指标可通 过简 单的串 并联 运算 规律将 系统 简 化为单连接段的系统进 行计 算 ; 对较 复杂 的系 统 , 可 参照 可 靠性工程中的计算方法计算。 对第 3 种 概 率 指标 , 首 先 要 知 道系 统 所 有 节 点 处 需 求 ( 假设设计荷载已知 ) , 然后 进行 计算。 一般 假定 节点 是可 靠 的 , 每一连接的正常运行概率是 p i , 故障 概率是 qi , 单部件 故 障且相互独立。在 一段时 间内 , 连 接段 可能 破坏 , 也 可能 正 常工作 , 因此导致在任何给定节点处 , 流 量和压力可 能不同 , 要得到这些量的概率分 布是 很困 难的 , 情 况很 复杂 , 为避 免 烦琐的计算 , 仍能反映每一 管段 的流 量限 制 , 计 算管 段的 水 力梯度为 0. 01 时的流量 , 每一连接段 的最大流量 采用汉森 威廉式计算 : v = 0. 55 c D 0. 63 s0. 54 在此基础上结合管段故障 , 考虑系 统中各节 点在各种可 能 情况下的满足需求的概率 , 计算步骤如下。 ( 1) 找到一组流量 , 作为每一节点处的 需求 , 且不超过任 意 连接段运输能力。 ( 2) 连续撤掉 某连接 段 , 在简 化的网 络里 , 搜索 一套 流量 , 该流量满足节点需求 , 而不 超过 任意连 接段 运输能 力 , 所得 构 造即为可行构造。 ( 3) 累加可行构造的概率。 ( 4) 重复 ( 2) 、 ( 3) 步骤 , 直到所有的 可能的可 行构造都考 虑 进去为止。 但是这种方法主要考虑系统本身的结 构可靠性 , 而没有 考 虑系统具体的运行状态 , 对 管段 的运输 能力 的定义 也不 明确 , 实际中网络中并不真正 具有 最大流 通能 力 , 因为 , 只要 管段 能 承受 , 泵功率的增大将 迫使 更多 的水通 过管 段 , 因此该 种考 虑 方法只能用于计算中、 小型网络 , 较费时间 , 系统 的部件故障 不 能完全在本方法中体现出来 , 并且严格 的假设条 件限制了其 在 实际系统中的应用 , 比 如有 限容 量的水 箱 , 系统 部件故 障对 系 统的影响( 系统对部 件故障 的反 映 ) , 很 难考 虑进去 , 一 般需 要 与模拟法联合使用。
但是这种方法主要考虑系统本身的结构可靠性而没有考虑系统具体的运行状态对管段的运输能力的定义也不明确实际中网络中并不真正具有最大流通能力因为只要管段能承受泵功率的增大将迫使更多的水通过管段因此该种考虑方法只能用于计算中小型网络较费时间系统的部件故障不能完全在本方法中体现出来并且严格的假设条件限制了其在实际系统中的应用比如有限容量的水箱系统部件故障对系统的影响系统对部件故障的反映很难考虑进去一般需要与模拟法联合使用
关于给水管网可靠性分析方法的综述
吴小 刚
张土乔
2 模拟法
该方法亦是由 Wag ner 和 Shamir 等 于 1988 年 提出 , 系 统 中管线和设备 ( 如水源、 泵站、 蓄水池、 阀门及 其他控制设 备 ) 以 网络模型代表 , 模型的准确、 详细水平应与 分析的问题 相一致。 如 : 要研究连接性、 阀门的配置 ( 从可靠 度角度出 发 ) , 有必要 包 括小尺寸的管子 ; 另一方面 , 要研究整个供 水区的供水 可靠度 , 模型只能包含一些设备和主要的传输系 统即可。水源、 管段 破 裂、 泵损坏和电力故障 等都 可能 引起供 水不 足 , 本文重 点考 虑 管段、 泵的破坏 , 并且考虑蓄水池的影响。 模拟分析过 程由 2 部分组 成 : 根据 特定的 概率分 布 , 生 成故障和修理事件。管段或泵的故障、 修理时间 等的概率分 布 可以利用一些已有的数据进行模拟 , 因此 , 比较灵活 , 或者若 没 有可用的数据 , 可根据其他方面的经验 采用比较 合理的概率 分 布; 水力网络解的 选择 , 通 过这一 步 , 给出 特定需 求下 , 完 全 用此方法求解水力网络 , 所需要 的数据包括 : 尺寸及蓄水情况 , 阀门分布及工作情况 ; 及相应参数 ; #总模拟分析时间等。 无故障部件的 网络 的流 量、 水压 可用 SDP8 程序 计 算 , 根 据特定的故障时间分布 , 随机产生管 段、 泵 的故障事件 , 当管 段 故障时 , 将它从系统中移开 , 再通 过解 SDP8 简化 网络 , 求得 节 点处的新水头 , 并假定 故障 不改 变节点 处的 需求量 , 以 需求 点 处的新水头来说明系统运行情况 , 从而计算可 靠性指标。 对每一节点水头有两条限制 : 指出 : 要 求水头 ; 服务 水头 , 并 低于服务水头 的节 点处将 断水 ; 高于 要求水 头的 节 网 络信息 , 或部分故障网络中的流量及每一节点处的水压。 包括网络形状 , 管段 长度、 直 径和粗 糙系 数等 , 泵曲 线 , 蓄水 池 需求与边界 条件 ; ! 故障及修复概率 , 每一 部件 的故 障、 修 理时 间的 概率分 布函 数
节水灌溉 ∀ 2006 年第 4 期
文章编号 : 1007 4929( 2006) 水管网可靠性分析方法的综述
吴小刚1 , 张土乔2
( 1. 浙江大学华家池校区生工食品学院 , 浙江 杭州 310029; 2. 浙江大学玉泉校区建工学院 , 浙江 杭州 310027)
摘
要 : 由于给水管网 本身比较复杂 , 而且 受多种 因素影 响 , 给水管网 可靠性 分析方 法发展 较缓慢 , 目前 还没有
一种方法得到普遍的认可 , 并应用于实际工程设 计中 。 从 方法总 体分类 、 考虑 管网输 水能力 及考虑 阀门配置 等方面 对已有的各种方法进行了归纳 、 总结 , 可供可靠性分析及设计 、 维修等参考 。 关键词 : 给水管网 ; 可靠性分析 ; 阀门 中图分类号 : T U 991. 33 文献标识码 : A
Review on Reliability Analysis Methods for Water Distribution System
WU Xiao gang , ZHANG Tu qiao
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( 1. Co lleg e of Biosy st em Eng ineer ing and F oo d Science, Zhejiang U niversit y, Huajiachi Campus, Hang zhou 310029; 2. Depar tment of Civ il Engineer ing, Zhejiang U niv ersity , Y uquan Campus, H angzhou, 310027) Abstract: Because o f the co mplexity o f water dist ribution sy st em and influence of many factor s, the r eliabilit y analy sis methods for water dist ribution system develo ped slow ly. A t pr esent, there is no one commo nly accepted method that has been adopted in the pr actical design. F rom the aspects o f general classif ication, considering sy stem capacity and va lve config ur atio n, various ex isting met ho ds w ere rev iewed in this paper , w hich had so me reference value for desig n and repair of w ater distributio n sy stem. Key words: w ater distr ibut ion system; reliabilit y analy sis; valve 采用定性的原则表示 , 对 其具 体的可 靠性 定义 及如何 定量 的 评价、量测等仍没 有统一 的概 念 , 一般 可采 用概率 方法 , 通 过引入概率来说 明某 一 偶然 性事 件 对系 统供 水 情况 的 影响 , 分析中 , 根据 选择 的评 价 标准 不同 , 可以 采 用不 同 的指 标 , 以反映中断 供水 或 供水 不 足的 程度、 持续 时 间、发 生频 率、 用户受 影 响 的 程 度 等 , 所 采 用 的 方 法 主 要 是 在 W agner 和 Shamir 等于 1988 年提出的解析法和模拟法的基础上不断深 化 发展起来的。
0 引
言
给水管网是给水系统的重要组成部 分 , 作为一复 杂系统 , 它会出现两类故障 : 机械故 障和 水力 故障。 机械 故障 指系 统 本身的部件故 障 , 如泵、管 段等损 坏 ; 水力 故障 指实 际需 求 量超过设计值而引起 的功能 下降。由 于给 水管 网远较 给水 系 统中其他部分复杂 , 并且受 多方 面因 素影 响 : 影响 , 如蓄水池、泵 等 ; 单个 部 件 可 靠性 ; 时间差异等。因此该可靠性分析一直进展缓慢。 已有的给水管网可靠 性研 究多建 立在 部件 机械故 障基 础 之上 , 即认为 : 机械可靠度指部 件 在规 定时 间内 不发 生故 障 的概率 , 但是 结合 给水 管 网水 力功 能 的考 虑 却较 少 , 为 此 , 应结合其功能 , 定义其水力 可靠 性即 功能 可靠 性为 : 系统 在 一定的条件下能以可接受的水平提供服务的能力。 目前 , 在给水管网 系统设 计中 , 可 靠性 的考 虑一 般限 于
作者简介 : 吴小刚 ( 1977 ) , 男 , 博士后 , 主要从事给排水管网可靠度计算、 管道动力工程等方面的研究。
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一供水与单一需求区 , 计 算需 求超过 供水 能力 的时间 比或 单 位时间内供水不 足期望 次数。第 2 类 , 系 统中 可以包 含更 多 的部件 , 利用故障树等分析 方法 , 确定 系统 中各 部件 故障 对 系统可靠性的影响 , 这两类 比较 简单 , 若进 行更 为详 细的 研 究 , 需要建立网络 模型。在 通讯、控 制等 领域 中 , 网 络可 靠 性研究发展较快 , 但是这 些网 络大部 分都 只涉 及到两 特定 节 点间连续路径存在 的 问题 , 计算 网 络 所有 节 点连 接 的概 率 , 或节点群连接的概 率 ( Bao , 1980 年 ) 。对给 水管 网来说 , 与 水源的连接是保证 节 点正 常 作用 的 必 要非 充 分条 件 , 例 如 , 尽管在水源与节点之 间存在 一条 完全可 作用 的路 径 , 若系 统 压力不足 , 则需求节点也可能得不到所需的流量。 为此 , 采用 3 种指 标 表示 给 水 管网 可 靠性 : 特定节点的连通度指该 节点 与至 少一个 水源 相连接 ; 连通 度 : 连接
收稿日期 : 2005 11 02 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50278088) 。
部件 的相 互 ! 需 求空 间 ,
1 解析法
本方法是由 Wag ner 和 Shamir 等于 1988 年提出的。根据 整个给水系统的组成部分 的划 分的详 细程 度将 其可靠 性分 析 方法分为 3 类 : 供应、需 求都归 并到 一起 ; 需求 归并 在 一起 , 分析供应和 传输 过程 ; ! 供应、需 求都 详细 考虑 , 即 网络 的 形式 表示 给 水管 网系 统 。 第 1 类 把系 统 视为 相 连 的单