諸外国では、1960 年代にパイプ ネットワーク モデリングが開始されました。1980 年代には、コンピューターと関連技術の発展に伴い、テレメトリーと遠隔伝送装置の応用が実用段階に入り、多くの国内水道企業が水道ネットワーク モデリングを実現しました。給水ネットワーク システムのモデル化は、ネットワーク システムの動的なリアルタイム動作をシミュレートするための数学的モデルを確立することです。給水管網モデルの確立は、管網の運用状況を把握し、管網運用のボトルネックを分析すると同時に、管網の最適化、再構築、および拡張において指導的役割を果たすことができます。 、事故処理分析など、さらにパイプネットワークの漏水制御、ウォーターポンプに適用できます。最適なスケジューリングと水質分析は、水道会社の実際の業務において重要な役割を果たすことができます。
1.1 モデリングの基本理論
給水管網システムは、複雑なトポロジー、大規模、強力な水使用変化のランダム性、および多目的操作制御を備えたネットワーク システムです。これまでの埋設給水管網の管理は経験に基づくものが多く、実験や多数の試験を直接行うことができず、科学的かつ現代的な管理を実現することは非常に困難でした。パイプ ネットワーク モデリングは、配水ネットワーク システムの動的条件をシミュレートするための最も効果的な方法です。貴重な情報を提供し、パイプライン ネットワークの科学的かつ最新の管理を実現するのに役立ちます。
給水管ネットワークシステムのモデリングは、パイプネットワークシステムをシミュレートするための数学モデルを確立するプロセスであり、シミュレーションの内容には主に3つの側面があります。
(1) グラフィック シミュレーション: 実行可能な単純化に基づいて、給水パイプ ネットワーク システムの複雑なトポロジ構造をコンピュータに入力して、水源パイプ セクション、パイプ長、パイプ直径、ノードを含むシミュレートされたパイプ ネットワーク グラフを実現します。 、バルブ、消火栓、およびその他の付属品は、パイプ ネットワークのこれらの静的データからパイプ ネットワークのグラフィック データベースを確立します。
(2) 状態シミュレーション: パイプ ネットワーク ノードの時変フロー、パイプラインの漏れ量、時間の経過に伴う高レベル プールの水位の影響、およびバルブの開度を含みます。状態シミュレーションの目的は、パイプ ネットワークの静的および動的データを確立し、パイプ ネットワークの状態方程式を解くことによってパイプ ネットワークの水力解析を行うことです。
(3)パラメータシミュレーション：パイプラインの抵抗係数C値、敷設年数によるC値への影響、残留塩素減衰係数K値など、経時的に変化しないパラメータを計算し、シミュレーションします。
水道ネットワーク モデリングは広く使用されており、水道プラントの計画策定、スケジュール設計スキームの最適化、更新と再構築の策定など、企業がパイプ ネットワークの運用と管理においてこれまで解決が困難であった問題を解決できます。送水ポンプとパイプラインの計画; 配管ネットワークの理解 システム性能; 既存の配管ネットワークの給水能力の評価; 配管ネットワークの異常 (バルブの閉鎖など) の解決; ポンプの運転コストの削減; 配管ネットワークの事故に対する緊急措置 (パイプバーストなど); パイプネットワークの水質分析; 都市パイプネットワーク地区の給水計画と設計。給水ネットワークのモデリングは一晩でできるものではなく、継続的に開発、更新、改善する必要があります。
モデリング方法によると、パイプ ネットワーク モデルは次の 3 種類のモデルに分けることができます: ① パイプ ネットワーク マクロ モデル; ② パイプ ネットワーク単純化モデル; ③ パイプ ネットワーク ミクロ モデル。
パイプネットワークのマクロモデルは、パイプネットワークの流れが「比例荷重」に従うことを前提とし、「ブラックボックス理論」の基本的な考え方を適用して、「入力ボリュームと入力ボリューム」の関係を直接確立します。 "と給水システムの"出力量"。通常、給水プラントの給水圧力と流量を「入力量」、圧力監視点の圧力を「出力量」とします。パイプネットワークのマクロモデルは、給水プラントの給水圧力と流量、給水塔の水位とパイプネットワーク監視ポイントの圧力の多数の測定データビット、および経験的な数学に基づいています。統計数学の手法を応用して式を設定し、計算速度を向上させました。しかし、十分な圧力監視点が必要であり、十分な測定データと精度が必要であり、必要に応じて微視的モデルのシミュレーション計算結果を参照して修正する必要があります。パイプ ネットワークのマクロ モデルは、「比例負荷」パイプ ネットワーク システムで使用すると、良好な結果を達成しました。いわゆる「比例負荷」とは、パイプ ネットワーク システムの総水消費量と各ノードの流れが、1 日の異なる時間帯に同じ割合で変化することを意味します。私の国のほとんどの都市の水道システムは、工業用水と生活用水を同時に供給しており、「比例負荷」の条件を満たしていないため、「期間マクロ モデル」の概念が提案されています。つまり、1 日をいくつかの時間帯に分割し、各時間帯で基本的に「比例負荷」の条件を満たし、時間帯ごとに水道システムのマクロモデルを構築します。マクロモデルは、パイプセクションとノードの動作条件パラメーターを取得できず、主に給水システムのスケジューリングモデリングに使用され、給水システムの建設、再構築、拡張のモデリングには適していません。
管網の簡略化モデルは、管径の比較的小さい配水管網を無視して、管径の比較的大きい配水管のみを選択して、管網の簡略化モデルを構築するものです。水道管網においては、送水管網と配水管網が明確に区別されていない場合が多いため、配水管路の区間をどのように定めるかは慎重に検討する必要がある問題です。さらに、パイプネットワークの連続性を確保するため、またはより重要な接続された水道管を保持するために、より小さな直径のパイプセクションを選択して補足する必要がある場合があります。不適切な設計または不完全な情報により、一部の重要な接続水道管の直径が小さすぎる可能性があるため、慎重に分析して対処する必要があります。単純化された管網モデルを確立することで、モデル化の作業負荷が大幅に軽減されることは確かですが、単純化されたモデルにはいくつかの問題を考慮する必要があります。単純化は、さらなる研究と議論の価値があります 問題。②管網の連続性を確保することは、シミュレーション計算の必要最低限の条件であり、十分条件ではないので、さらに単純化しながら細管区間を追加する方法を慎重に検討する必要があります。③各ノードの給水範囲の決定は、非常に煩雑で細心の注意を払った作業です。ユーザーのアクセス パイプのほとんどは、直径 300 mm 未満の単純化されたパイプ セクション上にあるため、パイプ ネットワーク内の位置を表示できません。また、利用者と給水ノードの対応関係を何らかの方法で求め、利用者の水消費量を給水ノードに換算するプログラムを用意する必要があります。一部の特殊なケースでは、ノードの給水範囲が通常の状況とは異なる場合があり、それに対処することは困難です。
パイプ ネットワークの微視的モデルには、パイプ ネットワークのすべての要素 (パイプ セクション、バルブ、ウォーター ポンプなど) が含まれており、単純化することなく確立されたモデルです。その最も明白な利点は、モデル化のためのパイプ ネットワークのすべての情報を含む、完全で詳細なパイプ ネットワーク情報データベースを直接適用することであり、その計算結果は、すべてのノードとパイプ セクションのすべての情報を取得できます。計算負荷が大きく、計算に時間がかかり、多くのコンピュータ メモリを占有します。コンピュータ技術の発展により、計算速度が大幅に向上し、計算方法のさらなる改善と相まって、パイプラインの微視的モデルを使用して、パイプラインネットワークの動作条件のシミュレーション計算を直接実行できます。簡素化されていないネットワーク。
水道管網モデルの構築は非常に体系的な作業であり、初期のデータの収集と分類はモデルの品質に大きな影響を与えます. 管網モデル化の技術プロセスを図 1-1 に示します.
1-1 給水ネットワークモデリングのテクニカルフロー
2.1 モデルデータベースの構築
2.1.1 基本的なデータ収集と処理
給水ネットワークのモデル化を行う前に、モデル化するプロジェクトの実態を調査し、調査に基づいて詳細かつ実現可能な作業計画を策定し、プロジェクト全体の作業量と難易度を慎重に評価する必要があります。プロジェクトの基本的なデータ調査範囲は次のとおりです。
1.パイプネットワーク
主に、既存の管網データの完全性と地区内の管網の基本的な状況、現在の管路データの更新状況と保存方法、各地区の給水サービスの状況、主に位置を制御し、バルブの開度、流量計の数、主な付属品の数、詳細な場所と使用状況）、パイプラインの埋設深さ、敷設の年齢、パイプ材料の完成度などの情報;使用元の給水地理情報システムと更新、および関連するハードウェア構成と人員の。
2. 上水道
主に、各浄水場の水源、各浄水場の設計および運転データ、第 2 ポンプ場の基本データが含まれます。
3. ユーザー
主に、水道事業課金システムで使用されるソフトウェアの基本的な状況、課金ユーザーの分類、IC カード課金の基本的な状況、ユーザーの水使用量データベースの格納形式とオープン性、ユーザーの一貫性などです。水道事業課金システムとSCADAシステムの数。
4. その他
主に、消火栓の数と現場測定の実現可能性、消火栓の正確な位置と配置されているパイプ セクションの直径、水道会社の人的協力とツールの提供が含まれます。
プロジェクトの基本データを調査した後, モデリングデータを収集して処理する必要があります. モデリングの種類とアプリケーションの方向に応じて, モデリングのために収集されるデータも異なります. 具体的に収集されたデータは表 3-に見ることができます. 1.
パイプラインネットワークの基本データが収集された後、収集されたデータを処理する必要があります.データ処理には、データの照合、評価、および分析が含まれます.照合、評価、および分析の原則と内容は次のとおりです。
(1) データの代表性。
(2) データの適時性。
(3) データの完全性。
(4) データ配布。
(5) データの欠陥。
(6) データの正確性。
(7) 問題がある。
(8) 解決策。
2.2.2 モデルトポロジの確立
パイプ ネットワーク トポロジを確立するには、主に次の 3 つの方法があります。
(1) トポロジを確立するための手動入力: 紙の図面しかないパイプ ネットワーク モデリング プロジェクトの場合、デジタイザを使用して給水施設をモデリング ソフトウェアにデジタル入力し、点線構造のパイプ ネットワーク グラフィックスを作成できます。
(2) トポロジ構造の確立は、異なるファイル間のデータ変換によって実現されます。電子 CAD 図面を使用したパイプ ネットワーク プロジェクトでは、CAD 図面のパイプ ネットワーク データを処理して関連するモデリング ソフトウェアに抽出できますが、場合によっては、手動で編集する必要もあります。
(3) さまざまなファイルを直接使用して、パイプ ネットワークのトポロジを確立します。特定のファイル形式に従って、ベクトル化されたグラフィック データと給水施設の属性データを GIS システムに直接インポートし、コンピュータの給水システム パイプをパイプ ネットワーク モデル ソフトウェア web グラフィックス。
パイプ ネットワークのトポロジを確立するプロセスでは、モデリング要件に従って、実際のパイプ ネットワーク グラフを「マイクロエラーで単純化」する必要があります。「軽微なエラーの単純化」の原則は次のとおりです。
(1) 分岐管を簡素化する。一般に、分岐パイプは単純化され、ユーザーの水の消費量はそれに接続されているリング パイプ ノードに対して計算されます。分岐管に大規模なユーザーがいる場合、大規模なユーザーの 24 時間リアルタイムの水消費曲線の調査を容易にするために、分岐管が予約されます。
(2) T 字型の接続パイプを単純化します。接続する2本のパイプの直径「T」が一方のパイプの直径と同じ場合、「T」は単純化され、接続する2本のパイプの直径「T」が2本のパイプの直径と異なる場合、 「T」は保持されます；「T」に通常の作動バルブがある場合、「T」は保持されます。
(3)水道管は分岐管でなければ、いくら径が大きくても単純化できない。
(4) パイプ ネットワーク構造は手動で分解できず、並列パイプラインはマージできません。
（5）複数のパイプが同じパイプに接続され、ノード間の距離が2m未満であり、それらを1つのノードにマージでき、ローカルヘッドロスがパイプラインに沿ったヘッドロスに変換されます。
(6) パイプラインの回転または「マイナー エラーの単純化」によって生じる水頭損失は、モデル検証中にパイプラインに沿った水頭損失に変換されます。
パイプ ネットワーク トポロジを確立するときは、パイプ ネットワーク ノードの選択に注意を払う必要があり、ノードの選択は次の原則に従う必要があります。
(1) バルブとポンプの両端にノードを設定します。
(2) 貯水池または給水塔の設置ノード。
(3) パイプラインの交差点にノードを設定する。
(4) ノードは、パイプラインの可変直径に設定されます。
（５）埋設年代（通常５年以上）のパイプラインの継ぎ目にノードを設定する。
(6) パイプ材質の異なるパイプの継ぎ目にノードを設定する。
(7) 大規模ユーザーの場所に別の水消費ノードを設定します。
(8) 現地テストポイントにノードを設置。
2.2.3 パイプ ネットワークの簡素化
パイプラインネットワークのモデリングでは、パイプラインネットワークの複雑さのために、多くの交差および分岐パイプラインネットワークが存在します.パイプラインネットワークトポロジの明確さを確保するために、一般的に次の原則に従って単純化します.
(1) セカンダリ パイプラインを削除し、メイン パイプラインとメイン パイプラインを保持します。
(2) パイプラインの数を減らすための類似交差点の合併。
(3) 全開弁を削除し、調整弁、減圧弁等を残す。
(4) 直列パイプラインと並列パイプラインの油圧式の同等の組み合わせ。
(5) 大きなシステムを複数の小さなシステムに分割し、個別に計算します。
最終結果は、計算による分割の基礎を提供します。
2.2.4 ノードのトラフィック分散
パイプライン ネットワーク ノード フローの分布は、モデルの精度に関連するパイプライン ネットワークの水力調整モデルを確立する上で重要なステップです。ノードフローの計算は、ユーザーの水の消費量に基づいています。これは、パイプラインネットワークの動的情報で最も重要で、最も変化しやすく、正確に判断するのが最も難しい場合があります。
調査によると、利用者の水使用量の変化には、①1日周期の変化は時間変化曲線で表すことができ、②1週間周期の変化は週変化曲線で表すことができるというルールがあることがわかりました。主に就業日と休日の差を反映している. ③1月を周期とする変化は月次変化曲線で表すことができる. ④年を周期とする変化は年次変化曲線で表すことができる. 生化学的状態の改善水の使用量が増加傾向にあることがわかりました。
上記の決定された要因に加えて、法定休日や天候の変化などのランダムな要因が水の消費変化の法則に与える影響も考慮する必要があります。さらに、さまざまなタイプのユーザーの水消費量の変化パターンも異なります。一般に、利用者は産業、住民、施設などのさまざまなタイプに分類され、それぞれの水使用量の変化が測定され、水使用量の変化曲線が決定されます。ノード トラフィックを計算する場合、ユーザーは集中型ユーザーと分散型ユーザーの 2 つのカテゴリに分類できます。大規模な集中ユーザーの水消費量は、アクセス パイプの位置に応じて対応するノードに変換できます。散在するユーザーの水消費量は、パイプ セグメントの長さとそれぞれの条件に応じて、対応するノードに変換できます。パイプ セグメントのユーザー。
集中型の大規模ユーザーの選択は、パイプライン ネットワークの規模、都市の規模、および特定の条件に基づいて行う必要があります。たとえば、水消費量が 15,000m³/月を超えるユーザーは超大規模ユーザーであり、水消費ノードとして使用できます; 水消費量が 5,000m³/月を超えるユーザーは大規模ユーザーであり、水消費ノードとして使用できます。 . 一般に、超大規模ユーザーと大規模ユーザーの水使用量の合計は、パイプ ネットワークの総水使用量の約 40% から 70% です。水消費量の測定は非常に重要ですが、多くの人手を必要とする非常に複雑な作業です.さまざまなユーザーの水消費量の時間変化曲線は、ノードフローを計算するための基礎として、現場での測定を通じて取得できます.
図 2-1 および図 2-2 に示すように、ユーザーの水消費量をノード フローに変換する計算プロセスには、主に 2 つのスキームがあります。
図 2-1 ユーザーの水使用量をノード流量に換算するための計算プロセス (スキーム 1)
2 つのスキームを比較すると、スキーム 1 はパイプラインの単位長さと流量法との比率に応じてパイプ セクションの流量を変換します.このスキームでは、散在する各小規模ユーザーと給水ノードとの関係を確立する必要があります。各パイプセクションの小規模ユーザーの状況を個別に判断して、パイプの長さごとに流れを分配します。この処理方法は比較的単純ですが、大雑把です。オプション 2 は、給水エリア法に従ってノード フローを決定することです. 計算プロセス中に、各ノードの給水範囲を決定する必要があります. この範囲内のすべてのユーザーの水消費量は、以下に従ってノードに変換されます.変化曲線なので、ノードと料金を確立する必要があります ユーザーごとに決定される請求書間の関係
図 2-2 ユーザーの水使用量をノード流量に換算するための計算プロセス (スキーム 2)
(非常に大規模なユーザーを除くすべてのユーザーを含む)、より正確です。しかし、大規模なパイプ ネットワークの場合、通常は何万人ものユーザーが存在する可能性があり、各ユーザーは給水ノードを決定するのに非常に時間がかかると判断する必要があります。
ユーザーの水消費量の変化曲線を決定する際には、主に 2 つの側面が含まれます: ① 連続した数か月 (少なくとも 12 か月) のユーザーの水消費量の記録を分析および要約し、年間および月間での水消費量の変化曲線を決定します。ユーザーのタイプごとに、日ごとおよび時間ごとに変化する曲線を分類し、実際に測定します。