UPStream: 加压配水管网的自动化水力设计

*SoftwareX 6（2017）248原始软件出版物UPStream：加压配水管网的自动化水力设计Stergios Emmanouila，b，Andreas Langousisa，*a希腊帕特雷，帕特雷大学土木工程系b荷兰代尔夫特理工大学土木工程与地球科学学院，水利工程系ar t i cl e i nf o文章历史记录：2017年5月4日收到2017年7月17日收到修订版，2017年保留字：给水管网水力设计压力管网MATLABEPANETa b st ra ct在工程应用中，加压配水管网的水力设计是一个耗时的过程，需要正确选择管径以满足某些法规约束。UPStreamR 是一个开源软件，它结合了EPANET的计算引擎和一个简单的基于水力梯度的递归方法来选择管道直径，以用户定义的压力和流速约束为基础，自动设计加压供水管网。 据我们所知，不存在用于此目的的可用开源软件，其允许高级用户进行案例特定的修改/干预，以及对备选设计策略之间的权重的扩展。因此，UpStream® 预计将作为一个有用的工具/平台，用于教育/学术目的，研究和工程实践。©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.0此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-17-00034合法代码许可证Apache 2.0使用的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用MATLAB R2012a或更高版本。编译要求、操作环境&依赖性Microsoft软件开发工具包（SDK）7.1（或后期r）适用于Windows操作系统EPANET 2.0如果可用，链接到开发人员文档/手册请参阅程序主文件夹中的UPStream_Bractions.txt文件问题支持电子邮件S. student.tudelft.nl，steliosemm26@gmail.com1. 动机和意义从水力学的角度来看，有压配水网络（一般信息见[1]）是通过递归求解一组非线性方程来分析的，通常称为流量连续性和水头损失方程，分别见例[2为此，美国环境保护署（EPA）启动了EPANETEPAIR。如[2]中所引用的，EPANETQLR是一个开源的“计算机程序，用于对加压管网内的水力和水质行为进行长期模拟”。管网由储罐、水库、阀门、接头和管道组成，这些元件可以通讯：土木工程系，帕特雷大学，大学校园，26504，里约，希腊。电子邮件地址：andlag@alum.mit.edu（A. Langousis）。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.09.001为了编程的方便，一般被描述为计算链路和节点EPANET引擎基于Todini和Pilati [ 3 ]介绍的梯度法求解虽然EPANETENUR对网络的规模没有设定上限水力分析（即，分别计算网络的计算节点和链路处的水头和通量其余部分涉及多次迭代，因此在网络的所有部分都满足某些监管约束（即流速和压力方面）;参见[5 上述递归分析只能使用EPANETEPAIR中的可用特征手动进行，这在常规大小的配水网络中几乎是不可能的任务，其中计算节点和链路的数量大约为几百或更多。2352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxS. Emmanouil，A.Langousis/SoftwareX 6（2017）248249\\\\除了EPANETToolkit，EPA还免费发布EPANET Program- mer后一种选择允许高级用户根据其具体需要定制EPANETEPANETR，从而促进专门应用程序的开发。其中一个例子是UPStreamWARDIR，这是一个开源代码，在MATLAB中开发的EPANET，它使用EPANET程序员工具包自动设计加压管网，无论其大小（即计算节点的数量-接头和连接-管道），基于用户指定的后一种选择提供了适应区域（或国家）特定法规的自由，可以使用广泛使用的编程语言。这里需要注意的一点是，当前版本的UPStreamWAR仅解决了加压配水网络的自动水力设计问题，不能确保以最低成本实现水力性能/弹性的最大化;参见例如：[8作者认为，后者的[15-商业工具这就是为什么在当前版本的软件中，我们使用一种简单的基于水力梯度的递归方法来选择管道（参见下面的第2.4节），从而在压力和流速约束/要求方面获得可接受的网络配置软件的扩展，包括多目标优化模块之间的替代设计策略的权重留给感兴趣的用户。第2节概述了UPStreamARMRR的基本架构，组件和运行软件所需的所有详细信息，然后是第3节中介绍的两个应用程序示例。第4节总结了UPStreamCSTR的预期影响，第5节总结了一些评论和未来发展的可能性。2. 软件描述在运行UPStream P2R之前 ，用户应：（1）下载和2.2. 软件构架UPStream模块化 由五个部分组成：– UPStream_configure_and_execute.m是软件的主代码，用户在其中指定：（1）管网输入文件的名称（例如，example 1;参见代码的第29行和第2.1节），（2）网络节点的最小压力约束（例如，对于所有网络节点的零最小压力，pmin= 0;对于12m的最小压力，pmin = 12;参见代码的第30行和第3.1节），以及（3）网络每个节点的最大允许连续数值迭代次数（例如，ittermax = 20;参见代码的第31行和第2.4节）。如果超过ittermax，则网络被标记为不可解，程序停止，并在屏幕上和UPStream BURRR报告文件的结尾处打印一条警告消息，指示冲突节点。在这种情况下，用户应该修改网络的配置，或者更改pmin约束并重试。由UPStreamBullGuardR生成的所有文件都放在一个单独的子文件夹中，该子文件夹以管网输入文件命名（即，example1_UPStream）。– vmax_constrains_function.m设置最大流量ve-分布网络的每个链接处的位置，作为管道直径的函数。在需要的情况下，用户可以自定义文件，以符合国家或地区特定的法规。– change_diameter_function.m在不满足速度约束的情况下，用下一个可用的管道/连接的直径替换所选管道/连接的直径;参见上文。如果需要，用户可以定制文件，例如：包括/导入市场直径表– UPstream_engine.m使用基于梯度的递归管道选择方法，根据用户定义的压力和流速约束进行自动管网设计。有关UPstream_engine.m如何工作的更多详细信息，请参见第2.4节。– UPstream_report_gen.m生成所需的UPStream报告报告文件，以及更新管道直径的新输入文件（即example-ple1_new.inp）;另见下文第2.3节。安装Microsoft软件开发工具包（SDK）7.1SDK （或C编译器的Windows版本如果SDK 7.1安装失败，用户应该使用Windows控制面板（即，SDK 7.1将在此过程中重新安装它们（2）在MAT-LAB的命令窗口中运行命令mex-setup（3）选择与（1）中安装的Microsoft软件开发工具包（SDK）对应的编译器2.1. 配置配水网络配水管网的草图绘制和初始配置可以通过EPANETEPAIR图形用户界面（GUI）轻松完成，使用LPS（即升/秒）流量单位;参见[2]。在该步骤中，用户使用用于接头、管道、罐、储层、泵等的可用EPANET工具来配置网络，并指定计算链接的粗糙度、初始直径和长度;参见下面的第3节。网络的配置可以保存（即使用扩展名.net）在任意位置供将来参考（如果需要） 。从EPANET 的 GUI 的 下 拉 菜 单 FILE 中，选择EXPORT，然后选择NETWORK，以INP格式导出网络（出于演示目的，例如ex-ample1.inp）到软件的主文件夹（即. UpStream，在当前版本中）。这是由UPStreamPXR读取的网络配置文件。2.3. 软件执行-用户指南设置网络设计所需的信息后（见第2.2节），软件的执行需要从MATLAB的命令窗口调用UPStream_configure_and_execute.m。UPStreamPURXR生成两个文 本 报 告 文 件 （ 即 example1_report_EPAengine.txt 、 ex-ample1_report_UPStream.txt），总结水力设计过程的结果，一个网络二进制文件（即ex-ample1_output.bin），一个MATLAB工作空间文件（即example1_workspace.mat），以及一个新的网络输入文件（即ex-ample 1_new. inp），其中包含更新的管道直径。后者可以使用EPANET的GUI导入到EPANET的EPANET数据库中所有文件都放在一个新生成的子文件夹中，以原始输入文件命名（即。example1_UPStream）。请注意，程序主文件夹中的原始输入文件运行软件和配置必要文件（参见第2.2节）的详细分步说明见位于软件在当前版本中的UPstream250S. Emmanouil，A.Langousis/SoftwareX 6（2017）248图1.一、使用UPStream WARDIR进行配水管网水力设计的图形组件概述。2.4. UPStream引擎：基于递归的管道直径选择文件UPstream_engine.m包含基于用户指定的压力和流速约束的加压管网的自动设计源代码。最初，使用原始.inp文件中的直径求解网络，并使用函数vmax_constains_function.m检查所有计算链接（管道）中如果在一个或多个连接中不满足最大速度约束，则程序会自动将不满足速度约束的网络最小管道直径替换为 下 一 个 可 用 管 道 直 径 在 当 前 版 本 的 函 数vmax_constains_function.m中，直径使用10 mm的恒定增量替代选择该值作为市场管道直径的安全估计值，至少对于初步阶段设计是这样。在需要的情况下，用户可以自定义文件以包括/导入市场直径表对应于管道直径替换的代码部分在网络已经被成功地解析以在所有计算链路处满足最大流速约束之后所有计算节点。对于表现出负压的那些节点，终止于节点（即，流向对应节点）使用change_diameter_function.m逐渐替换，从显示最大水头梯度的连接/管道开始：J=（起始节点处的水头-结束节点处的水头然后使用更新的配置解决网络，并且如果问题对于相同或不同的节点持续存在，则重复该过程在这一点上，有一个检查的最大数量的连续迭代ittermax进行在每个计算节点;见第2.2节以上。如果超过了最大允许迭代次数，网络将被标记为不可解，程序停止，并在屏幕上和UPStreamBPR报告文件的末尾打印警告消息（另请参见下面的第3检查程序见下一页顶部在替换过程期间：（1）DLL函数EN-getlinkvalue用于检索链路参数直径的值，（2）函数change_diameter_function.m用于用下一个可用直径值替换当前直径值，以及（3）DLL函数ENsetlinkvalue用于更新网络的配置。EPANET Programmer's Toolkit中包含的所有函数都必须使用calllib调用，输入参数为：（1）DLL文件的名称，以及（2）工具包的函数名称和相应的参数。 有关EPANET程序员工具包中包含的功能的详细概述，请参考[ 2 ]。指示冲突的计算节点。在 已 经 针 对 零 压 力 要 求 成 功 解 析 网 络 之 后 ， 并 且 在UPStream_configure_ and_execute.m中的pmin（参见代码的第30行）被设置为某个正值的情况下，针对指定的最小压力约束的情况，使用与零压力要求的情况相同的迭代过程来在pmin被设置为零的情况下，代码的第210为了说明的目的，图1呈现了用于水处理系统使用UPStream ARMIR的配电网络 .S. Emmanouil，A.Langousis/SoftwareX 6（2017）248251\图二. 第 3.1节中单个水库网络的示意图（改编自[6]），说明了计算节点的编号和高程以及计算链接（管道）的长度。3. 应用实例在本节中，我们将使用两个改编自[6]的应用示例来第一个例子是一个住宅区的加压配水管网的水力设计，由一个水库供水。2和下面的3.1第二个例子（见图3和第3.2节）说明了相同管网几何形状的水力设计，增加了两个额外的供水水库。3.1. 单库网首先使用EPANET的GUI绘制和配置网络，并以INP格式（即example1.inp）导出到在当前版本中的UPstream）。管网的初始配置（即管道直径、长度和材料粗糙度，以及每个节点的高程和集中需水量）见表1和表2。对于所有计算连接，初始直径设置为60 mm，这是PVC管道的最小公称直径在希腊市场上可用[见例如[6，7]]。此外，PVC管的粗糙度设置为0.5 mm，以反映其经济寿命结束时的沉积效应[即约40对于水力分析 和 自 动 管 网 设 计 ， 我 们 使 用 希 腊 法 规 [ 参 见 [29] 和 函 数vmax_constains_function.m]规定的流速约束，以及等于12 m的最小压力要求[即，对于由2至3层建筑物构成的住宅沉降而言，足够，参见例如：[6、7]]。执行UPSHRR MATLAB的 命令 窗口将结果转换为相应文件夹中文件example1_report_UPStream.txt中显示的最终网络配置和水力参数值（即水头损失、摩擦系数、连接通量、流速、管道直径和节点压力）。INP和二进制（.bin）格式的新设计网络、文本（.txt）格式的相应报告文件以及水力设计过程中生成的MATLAB工作空间均保存并放置在以网络初始配置文件命名的单独子文件夹. \example1_UPStream）。252S. Emmanouil，A.Langousis/SoftwareX 6（2017）248图三. 第3.2节中三个储药器系统的示意图，从EPANET的GUI导出表1第3.1节和第3.2节中两个配水管网的初始配置。链接ID起始节点结束节点长度（m）直径（mm）粗糙度（mm）112190600.5223180600.5334155600.5445140600.5556120600.5667130600.5778250600.5889135600.59810150600.5101011150600.5111112250600.5121213250600.5131314140600.5141415140600.515315245600.516414300600.5171317150600.518517150600.5191016250600.5201617250600.5211216150600.522716150600.5231118200600.5241819140600.53.2. 三库系统在这个更复杂的例子中（即example2.inp），网络共享与第3.1节中相同的几何形状和初始配置，但增加了两个额外的水库;见图2。3 .第三章。此外，为了增加递归设计过程的复杂性，我们将网络每个节点的用水量增加了对于水力分析和自动化管网设计，我们使用与单水库情况相同的流速和压力约束;见第3.1节。最终网络配置和液压参数值可在文件example2_report_UPStream.txt文件。4. 影响据我们所知，目前还没有基于用户指定的液压约束/要求的加压管 网 自 动 液 压 设 计 的 开 源 软 件 ; 参 见 例 如 [30] 。 为 此 ，UPStreamBPR使用了一种简单的基于水力梯度的递归方法，S. Emmanouil，A.Langousis/SoftwareX 6（2017）248253表2单个水库网络计算节点处的设计值节点海拔（m）需求（L/s）246.000.17333.000.76426.000.82519.000.76614.000.46710.002.1680.001.6494.000.90100.003.28110.004.351210.005.331319.003.061426.001.071533.003.841610.005.661719.002.65180.002.87190.001.181 60.00−40.96水库选择（见第2.4节），导致在压力和流速约束方面这使学生，研究人员和工程实践者能够：(1) 加压配水管网的自动水力设计，在舒适的广泛使用的编程语言，(2) 实施针对具体情况的修改/干预，以满足替代监管框架和设计标准，以及（3）引入多目标优化模块，根据成本和性能测量，在替代设计解决方案之间进行权衡;见[15UPStreamEQUIPER和EpaCADEQUIPER 的 联 合 使 用[见[31]]，一个开源软件，解决了AutoCAD的EPANET的EPANET的EPANET文件之间的兼容性问题，可以进一步简化初始网络配置过程（即草图）在用户最后，云计算（参见例如[32，33]）可以为软件的未来开发提供额外的机会，作为从大型数据库获取网络配置和水需求数据的手段，在用户端提供更大的灵活性5. 结论UPStreamBPR是一款开源软件，它使用简单的基于水力梯度的递归方法来选择管道直径，以执行加压配水管网的自动水力设计，无论其大小如何。据我们所知，没有用于此目的的开源软件，该软件允许高级用户进行特定情况的修改/干预，以及在替代设计策略之间扩展权重。因此，UPStreamCSTR有望成为教育/学术目的、研究和工程实践的有用工具/平台。未来的发展可能包括扩展，使最佳的选择，从一个池的替代设计解决方案，根据财务和性能/弹性措施。致谢该软件是为帕特雷大学（希腊）土木工程系教授的第四年必修本科课程“水分配，污水和雨水排水网络”的需求而开发的重新租赁后，该软件将被纳入分发给学生的教材中。该软件的开发没有得到公共、商业或非营利部门资助机构的任何具体赠款。引用[1] Bave PR， Gupta R. 供 水管 网 分析 。 第1 版 ，Oxford ，United Kingdom ：Alpha ScienceInt'l Ltd; 2006 ISBN：1842653598。[2] RossmanLA. 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