城市給水管網(wǎng)可視化計(jì)算

城市給水管網(wǎng)可視化計(jì)算摘要：本文探討并建立了具有GUI的任意形狀給水環(huán)狀管網(wǎng)的可視化計(jì)算模型。在平臺下，將幾何建模、矩陣生成、管網(wǎng)計(jì)算及結(jié)果分析一體化。利用可視化思想，使管網(wǎng)計(jì)算過程簡化，提高了工作效率。

關(guān)鍵字：給水管網(wǎng)平差算法可視化Matlab引言城市給水管網(wǎng)系系統(tǒng)是保障工工業(yè)生產(chǎn)和群群眾生活的重重要體系之一一。運(yùn)用計(jì)算算機(jī)及其應(yīng)用用軟件來解決決管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)調(diào)度問題，提提高管理效率率，節(jié)約運(yùn)行行費(fèi)用，是當(dāng)當(dāng)前給水系統(tǒng)統(tǒng)新理論、新新技術(shù)發(fā)展研研究的基本方方向。國內(nèi)外外科研工作者者已經(jīng)做了大大量工作并取取得了相應(yīng)的的成果。但需需要較多的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，且操作作上存在諸多多不便。本文文以為開發(fā)平平臺，采用面面向?qū)ο蟮目煽梢暬幊碳技夹g(shù)建立城市市給水管網(wǎng)計(jì)計(jì)算模型。根根據(jù)管網(wǎng)的結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)（管管網(wǎng)圖形、管管段直徑和長長度、阻力系系數(shù)、節(jié)點(diǎn)流流量等）計(jì)算算出各管段流流量和水頭損損失等。在此此基礎(chǔ)上，還還可以得到各各節(jié)點(diǎn)的水壓壓以及水源點(diǎn)點(diǎn)供水壓力等等參數(shù)，從而而全面了解管管網(wǎng)的工作狀狀況，并對管管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)調(diào)度，改建擴(kuò)擴(kuò)建，制訂發(fā)發(fā)展規(guī)模等提提供科學(xué)依據(jù)據(jù)。1管網(wǎng)平差算算法優(yōu)選及程程序?qū)崿F(xiàn)為提高供水可靠靠性，城市給給水管網(wǎng)通常常建設(shè)為環(huán)狀狀。環(huán)狀管網(wǎng)網(wǎng)的水力計(jì)算算方法有很多多種，常見的的有求解環(huán)方方程，求解節(jié)節(jié)點(diǎn)方程，求求解管段方程程等。但計(jì)算算過程都必須須符合下面兩兩個條件：⑴節(jié)點(diǎn)流量必須須平衡，即應(yīng)應(yīng)滿足連續(xù)性性方程：⑵閉合環(huán)路內(nèi)水水頭損失必須須平衡，即應(yīng)應(yīng)滿足能量方方程：式（1）和式（2）中，為銜接接矩陣，為回回路矩陣，為為結(jié)點(diǎn)流量，為管段水頭損失，為管段流量。環(huán)狀網(wǎng)在初分流量時已經(jīng)符合條件（1）的要求，但在確定管徑并計(jì)算得到管段水頭損失以后，往往不能同時滿足（1）、（2）的要求。因此，環(huán)狀網(wǎng)水力計(jì)算過程就是在已定管徑的基礎(chǔ)上，重新分配管段流量，不斷計(jì)算，不斷調(diào)整，直至符合上述水力條件為止。目前已有的各種種軟件包各具具特色，但基基本算法都是是對連續(xù)性方方程、能量方方程和管段壓壓降方程的求求解。一般的的，計(jì)算機(jī)求求解時都采用用解節(jié)點(diǎn)方程程的方法，其其優(yōu)點(diǎn)是輸入入數(shù)據(jù)少，大大部分工作如如擬定管段初初始流量，生生成銜接矩陣陣和系數(shù)矩陣陣等都由計(jì)算算機(jī)自動完成成。但存在節(jié)節(jié)點(diǎn)數(shù)大，方方程數(shù)多，系系數(shù)矩陣很大大，求解算法法較復(fù)雜等缺缺點(diǎn)。通過對對比發(fā)現(xiàn)，解解環(huán)方程編程程效率高于解解節(jié)點(diǎn)方程。因因?yàn)榄h(huán)數(shù)遠(yuǎn)小小于節(jié)點(diǎn)數(shù)，環(huán)環(huán)方程數(shù)少于于節(jié)點(diǎn)方程數(shù)數(shù)，系數(shù)矩陣陣大大縮小，迭迭代次數(shù)也減減少，很大程程度上提高了了計(jì)算機(jī)計(jì)算算速度并能節(jié)節(jié)省存儲空間間。只要在編編程過程中，根根據(jù)已知條件件，解決好自自動擬定管段段初始流量，自自動生成系數(shù)數(shù)矩陣等問題題，該法就完完全具備了解解節(jié)點(diǎn)方程法法的優(yōu)點(diǎn)。所所以本可視化化模型以解環(huán)環(huán)方程法為基基礎(chǔ)。環(huán)狀管網(wǎng)的解環(huán)環(huán)方程方法常常用的是hardyy-crosss法（平差法法）。其基本本思路是在管管網(wǎng)計(jì)算時，各各管段初始流流量分配后，求求出管段水頭頭損失。如每每環(huán)各管段水水頭損失和（閉閉合差）不為為零，則對該該環(huán)各管段引引入校正流量量，兩環(huán)的公公共管段須同同時計(jì)及兩環(huán)環(huán)的校正流量量。然后按Q的流量計(jì)算算各管段水頭頭損失，重復(fù)復(fù)計(jì)算直到各各環(huán)閉合差接接近零為止，其其流程圖見圖1。顯然，harddy-crooss法的效率很很大程度取決決于方程式（1）和（2）中的銜接接矩陣的構(gòu)建建方法以及各各管段流量的的初值給定方方法。另外，管管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖圖的建立和各各管段的計(jì)算算所需信息的的輸入方式也也會影響計(jì)算算效率。為此此，本文采用用Matlaab作為開發(fā)發(fā)平臺，在可可視化操作環(huán)環(huán)境下，以圖圖形的形式建建立管網(wǎng)結(jié)構(gòu)構(gòu)圖，并輸入入節(jié)點(diǎn)和管段段的各種信息息。在此基礎(chǔ)礎(chǔ)上，由計(jì)算算機(jī)根據(jù)管網(wǎng)網(wǎng)的幾何形狀狀，自動生成成銜接矩陣并并賦予管段初初始流量。初初始流量分配配不當(dāng)將增加加迭代次數(shù)，甚甚至可能導(dǎo)致致計(jì)算不收斂斂。因此，合合理分配初始始流量是很重重要的。根據(jù)據(jù)幾何關(guān)系，環(huán)環(huán)狀管網(wǎng)中的的管段數(shù)P，節(jié)點(diǎn)數(shù)J和環(huán)數(shù)L存在如下關(guān)關(guān)系：P=J+LL-1，而連續(xù)性性方程（1）的獨(dú)立方方程只有J-1個，顯然運(yùn)運(yùn)用連續(xù)性線線性方程解管管段流量時將將有無數(shù)組解解，要求唯一一解將要補(bǔ)充充其他方程，增增加了編程的的工作量。本本文以Matlaab中特有的的PINV函數(shù)數(shù)找出一組恰恰當(dāng)?shù)慕庾鳛闉槌醴至髁?，較較好地解決了了這一問題。多多次實(shí)踐證明明，運(yùn)用該法法計(jì)算得到的的結(jié)果與實(shí)際際情況相當(dāng)吻吻合。在進(jìn)行可視化操操作繪制管網(wǎng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖的過過程中，我們們將管段圖形形概化為直線線，沿線流量量簡化到節(jié)點(diǎn)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)點(diǎn)流量由用戶戶自由輸入。建建立環(huán)路時規(guī)規(guī)定用戶按逆逆時針方向繪繪制管線直到到閉合成環(huán)結(jié)結(jié)束，根據(jù)各各個環(huán)路的拓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)構(gòu)造管段的拓拓?fù)潢P(guān)系。完完成所有環(huán)路路的建立以后后，計(jì)算機(jī)按按已存儲的節(jié)節(jié)點(diǎn)與管段的的圖形學(xué)關(guān)系系，即可直接接建立回路矩矩陣和銜接矩矩陣。2軟件開發(fā)平平臺及管網(wǎng)計(jì)計(jì)算的可視化化編程是一個既可以進(jìn)進(jìn)行分析計(jì)算算，又能進(jìn)行行數(shù)據(jù)可視化化的高效操作作平臺，可以以方便的建立立具有用戶圖圖形界面（GGUI）的參參數(shù)輸入、數(shù)數(shù)值計(jì)算、結(jié)結(jié)果分析調(diào)整整一體化的仿仿真環(huán)境。利利用其專業(yè)的的繪圖工具，快快速的建立管管網(wǎng)模型并得得到所期望的的數(shù)值圖形解解。有關(guān)Maatlab語語言本身及建建立GUI應(yīng)用程程序的方法和和具體開發(fā)過過程，可閱讀讀相關(guān)文獻(xiàn)[[3]。在進(jìn)行用戶界面面GUI設(shè)計(jì)時時，研發(fā)人員員一般應(yīng)遵守守三個原則：：第一是簡單單化，即界面面結(jié)構(gòu)清晰，層層次分明，操操作方便；第第二是一致性性。界面各部部分功能應(yīng)相相互匹配，不不產(chǎn)生抵觸；；第三是人性性化，界面要要友好，符合合人們的正常常邏輯思維方方式和使用習(xí)習(xí)慣。本文將GUI設(shè)計(jì)成四個個區(qū)域（見圖圖2）。最上方方是下拉菜單單區(qū)，右側(cè)是是主操作區(qū)，左左上方是圖形形區(qū)，左下方方是節(jié)點(diǎn)編輯輯區(qū)。下拉式式菜單占據(jù)空空間小，信息息多；缺點(diǎn)是是調(diào)用麻煩。根根據(jù)這些特性性，把不常調(diào)調(diào)用的命令置置于其中，如如文件存儲和和打開，圖形形縮放，坐標(biāo)標(biāo)系調(diào)整等。主主操作區(qū)系列列操作按鍵實(shí)實(shí)現(xiàn)最主要的的和頻繁調(diào)用用的命令。主主操作區(qū)又分分為四個子區(qū)區(qū)。子區(qū)一設(shè)設(shè)有addNNode和delNoode按鍵，用用于添加和刪刪除節(jié)點(diǎn)，加加點(diǎn)時給出節(jié)節(jié)點(diǎn)號，刪除除節(jié)點(diǎn)時剩余余節(jié)點(diǎn)號自動動調(diào)整；子區(qū)區(qū)圖2軟件界面。二設(shè)有addCCirclee和delCiircle按按鍵，用于添添加和刪除環(huán)環(huán)路。添加環(huán)環(huán)路時在環(huán)的的形心位置給給出環(huán)標(biāo)號，該該標(biāo)號具有重重要意義，是是環(huán)路刪除時時用于尋找對對象的標(biāo)志；；子區(qū)三設(shè)有有setNoodeQ和setLiineProop按鍵，用用以給節(jié)點(diǎn)和和管段賦予計(jì)計(jì)算用的初始始值；子區(qū)四四有calcculatee、showHHf和showQQ按鍵，前者者用于管網(wǎng)水水力平差計(jì)算算，后兩者以以可視化方式式給出各管段段的水頭損失失和流量。左左下方節(jié)點(diǎn)編編輯區(qū)用于實(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)的修改及鍵鍵盤輸入。以以上GUI中各個個元素（按鍵鍵、編輯框、菜菜單等）利用用Matlaab中開發(fā)工工具GUIDDE、PROPEEDIT、MENUEEDIT進(jìn)行行設(shè)定。Maatlab6.5開開發(fā)環(huán)境下，系系統(tǒng)自動生成成與各個元素素相對應(yīng)的ccallbaack函數(shù)框框架。實(shí)現(xiàn)程程序功能的關(guān)關(guān)鍵工作是編編寫這些元素素所要完成的的處理函數(shù)，即即GUI的處處理代碼編寫寫。

在編寫函數(shù)處理理代碼的過程程中，要使程程序真正達(dá)到到簡潔、高效效，除了思路路上要清晰外外，下面兩個個問題也很值值得重視。第第一是如何解解決函數(shù)間的的相互聯(lián)系，確確保數(shù)值正確確傳遞的問題題。用戶圖形形界面上的元元素表面上似似乎是獨(dú)立的的，內(nèi)部卻有有著緊密的聯(lián)聯(lián)系，后面很很多工作往往往涉及到前面面的基礎(chǔ)。函函數(shù)間數(shù)值的的傳遞，Maatlab6.5下可可用handdles命令令來解決，無無須像以前那那樣用finndobj命命令來查找句句柄，使用起起來相當(dāng)方便便；第二個問問題是函數(shù)結(jié)結(jié)構(gòu)化、一體體化思想。編編程過程中，可可將多處使用用的代碼用一一個通用子函函數(shù)編寫，以以供直接調(diào)用用。如本文中中管網(wǎng)重繪代代碼，在管網(wǎng)網(wǎng)構(gòu)建、平差差計(jì)算以及計(jì)計(jì)算結(jié)果可視視化中多次用用到，可寫成成子函數(shù)形式式。使程序更更加簡潔，易易于閱讀、查查找錯誤和修修改，減少程程序之間的影影響，提高可可靠性。基于以上思路，本本文設(shè)計(jì)了具具有GUI的城市給水水管網(wǎng)結(jié)果可可視化計(jì)算模模型，它具有有按鍵和鼠標(biāo)標(biāo)操作的全部部功能，集建建立管網(wǎng)模型型，參數(shù)賦值值，計(jì)算，結(jié)結(jié)果可實(shí)視化化為一體。可可進(jìn)行局部縮縮放，對管網(wǎng)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和各種種參數(shù)能作出出任意修改，使使用起來相當(dāng)當(dāng)方便。圖3、圖4為利用本文文模型計(jì)算所所得的結(jié)果。圖3

管網(wǎng)網(wǎng)水頭損失平平差計(jì)算結(jié)果果

圖4

管網(wǎng)流量平平差計(jì)算結(jié)果果3全文小結(jié)城市給水管網(wǎng)是是一個比較復(fù)復(fù)雜的系統(tǒng)，從從初始流量的的分配，水力力計(jì)算到優(yōu)化化調(diào)度和圖形形結(jié)果顯示，涉涉及的因素很很多，任何一一部分的改進(jìn)進(jìn)與完善都與與整體的優(yōu)化化密不可分。本本文探討并建建立了具有GGUI的環(huán)環(huán)狀管網(wǎng)定線線，初分流量量、平差、優(yōu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)計(jì)算模型。通通過Matllab使幾何何數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)學(xué)模型參數(shù)、平平差計(jì)算與計(jì)計(jì)算結(jié)果的圖圖文顯示一體體化，能夠方方便、迅速的的計(jì)算并分析析得出結(jié)果。顯顯然，利用可可視化思想使使得