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1、城市给水水管网可可视化计计算摘要： 本文探探讨并建建立了具具有GUUI的任任意形状状给水环环状管网网的可视视化计算算模型。在在 平台台下，将将几何建建模、矩矩阵生成成、管网网计算及及结果分分析一体体化。利利用可视视化思想想，使管管网计算算过程简简化，提提高了工工作效率率。引言城市给水水管网系系统是保保障工业业生产和和群众生生活的重重要体系系之一。运运用计算算机及其其应用软软件来解解决管网网优化调调度问题题，提高高管理效效率，节节约运行行费用，是是当前给给水系统统新理论论、新技技术发展展研究的的基本方方向。国国内外科科研工作作者已经经做了大大量工作作并取得得了相应应的成果果。但需需要较多多的经验
2、验，且操操作上存存在诸多多不便。本本文以为为开发平平台，采采用面向向对象的的可视化化编程技技术建立立城市给给水管网网计算模模型。根根据管网网的结构构参数（管管网图形形、管段段直径和和长度、阻阻力系数数、节点点流量等等）计算算出各管管段流量量和水头头损失等等。在此此基础上上，还可可以得到到各节点点的水压压以及水水源点供供水压力力等参数数，从而而全面了了解管网网的工作作状况，并并对管网网的优化化调度，改改建扩建建，制订订发展规规模等提提供科学学依据。1 管网网平差算算法优选选及程序序实现为提高供供水可靠靠性，城城市给水水管网通通常建设设为环状状。环状状管网的的水力计计算方法法有很多多种，常常见的有
3、有求解环环方程，求求解节点点方程，求求解管段段方程等等。但计计算过程程都必须须符合下下面两个个条件：节点流流量必须须平衡，即即应满足足连续性性方程： 闭合环环路内水水头损失失必须平平衡，即即应满足足能量方方程： 式（1）和和式（22）中，为衔接矩阵，为回路矩阵，为结点流量，为管段水头损失，为管段流量。环状网在初分流量时已经符合条件（1）的要求，但在确定管径并计算得到管段水头损失以后，往往不能同时满足（1）、（2）的要求。因此，环状网水力计算过程就是在已定管径的基础上，重新分配管段流量，不断计算，不断调整，直至符合上述水力条件为止。目前已有有的各种种软件包包各具特特色，但但基本算算法都是是对连续
4、续性方程程、能量量方程和和管段压压降方程程的求解解。一般般的，计计算机求求解时都都采用解解节点方方程的方方法，其其优点是是输入数数据少，大大部分工工作如拟拟定管段段初始流流量，生生成衔接接矩阵和和系数矩矩阵等都都由计算算机自动动完成。但但存在节节点数大大，方程程数多，系系数矩阵阵很大，求求解算法法较复杂杂等缺点点。通过过对比发发现，解解环方程程编程效效率高于于解节点点方程。因因为环数数远小于于节点数数，环方方程数少少于节点点方程数数，系数数矩阵大大大缩小小，迭代代次数也也减少，很很大程度度上提高高了计算算机计算算速度并并能节省省存储空空间。只只要在编编程过程程中，根根据已知知条件，解解决好自自
5、动拟定定管段初初始流量量，自动动生成系系数矩阵阵等问题题，该法法就完全全具备了了解节点点方程法法的优点点。所以以本可视视化模型型以解环环方程法法为基础础。环状管网网的解环环方程方方法常用用的是hharddy-ccrosss法（平平差法）。其其基本思思路是在在管网计计算时，各各管段初初始流量量分配后后，求出出管段水水头损失失。如每每环各管管段水头头损失和和（闭合合差）不不为零，则则对该环环各管段段引入校校正流量量，两环环的公共共管段须须同时计计及两环环的校正正流量。然然后按QQ的流量量计算各各管段水水头损失失，重复复计算直直到各环环闭合差差接近零零为止，其其流程图图见 图图1。显然，hhardd
6、y-ccrosss法的的效率很很大程度度取决于于方程式式（1）和和（2）中中的衔接接矩阵的的构建方方法以及及各管段段流量的的初值给给定方法法。另外外，管网网的结构构图的建建立和各各管段的的计算所所需信息息的输入入方式也也会影响响计算效效率。为为此，本本文采用用Mattlabb作为开开发平台台，在可可视化操操作环境境下，以以图形的的形式建建立管网网结构图图，并输输入节点点和管段段的各种种信息。在在此基础础上，由由计算机机根据管管网的几几何形状状，自动动生成衔衔接矩阵阵并赋予予管段初初始流量量。初始始流量分分配不当当将增加加迭代次次数，甚甚至可能能导致计计算不收收敛。因因此，合合理分配配初始流流量
7、是很很重要的的。根据据几何关关系，环环状管网网中的管管段数PP，节点点数J和和环数LL存在如如下关系系：P=J+LL-1，而而连续性性方程（11）的独独立方程程只有JJ-1个个，显然然运用连连续性线线性方程程解管段段流量时时将有无无数组解解，要求求唯一解解将要补补充其他他方程，增增加了编编程的工工作量。本本文以 Mattlabb中特有有的PIINV函函数找出出一组恰恰当的解解作为初初分流量量，较好好地解决决了这一一问题。多多次实践践证明，运运用该法法计算得得到的结结果与实实际情况况相当吻吻合。在进行可可视化操操作绘制制管网结结构图的的过程中中，我们们将管段段图形概概化为直直线，沿沿线流量量简化
8、到到节点，并并且节点点流量由由用户自自由输入入。建立立环路时时规定用用户按逆逆时针方方向绘制制管线直直到闭合合成环结结束，根根据各个个环路的的拓扑结结构，构构造管段段的拓扑扑关系。完完成所有有环路的的建立以以后，计计算机按按已存储储的节点点与管段段的图形形学关系系，即可可直接建建立回路路矩阵和和衔接矩矩阵。2 软件件开发平平台及管管网计算算的可视视化编程程是一个既既可以进进行分析析计算，又又能进行行数据可可视化的的高效操操作平台台，可以以方便的的建立具具有用户户图形界界面（GGUI）的的参数输输入、数数值计算算、结果果分析调调整一体体化的仿仿真环境境。利用用其专业业的绘图图工具，快快速的建建立
9、管网网模型并并得到所所期望的的数值图图形解。有有关Maatlaab语言言本身及及建立GGUI应应用程序序的方法法和具体体开发过过程，可可阅读相相关文献献3。在进行用用户界面面GUII设计时时，研发发人员一一般应遵遵守三个个原则：第一是是简单化化，即界界面结构构清晰，层层次分明明，操作作方便；第二是是一致性性。界面面各部分分功能应应相互匹匹配，不不产生抵抵触；第第三是人人性化，界界面要友友好，符符合人们们的正常常逻辑思思维方式式和使用用习惯。本文将GGUI 设计成成四个区区域（见见图2）。最最上方是是下拉菜菜单区，右右侧是主主操作区区，左上上方是图图形区，左左下方是是节点编编辑区。下下拉式菜菜单
10、占据据空间小小，信息息多；缺缺点是调调用麻烦烦。根据据这些特特性，把把不常调调用的命命令置于于其中，如如文件存存储和打打开，图图形缩放放，坐标标系调整整等。主主操作区区系列操操作按键键实现最最主要的的和频繁繁调用的的命令。主主操作区区又分为为四个子子区。子子区一设设有adddNoode 和deelNoode按按键，用用于添加加和删除除节点，加加点时给给出节点点号，删删除节点点时剩余余节点号号自动调调整；子子区图22 软件件界面。二设有aaddCCirccle和和dellCirrclee按键，用用于添加加和删除除环路。添添加环路路时在环环的形心心位置给给出环标标号，该该标号具具有重要要意义，是是
11、环路删删除时用用于寻找找对象的的标志；子区三三设有ssetNNodeeQ和settLinnePrrop按按键，用用以给节节点和管管段赋予予计算用用的初始始值；子子区四有有callcullatee、shoowHff和shoowQ按按键，前前者用于于管网水水力平差差计算，后后两者以以可视化化方式给给出各管管段的水水头损失失和流量量。左下下方节点点编辑区区用于实实现节点点坐标的的修改及及键盘输输入。以以上GUUI中各各个元素素（按键键、编辑辑框、菜菜单等）利利用Maatlaab中开开发工具具GUIIDE、PPROPPEDIIT、MMENUUEDIIT进行行设定。Matlab 6.5 开发环境下，系统
12、自动生成与各个元素相对应的callback函数框架。实现程序功能的关键工作是编写这些元素所要完成的处理函数，即GUI 的处理代码编写。 在编写函函数处理理代码的的过程中中，要使使程序真真正达到到简洁、高高效，除除了思路路上要清清晰外，下下面两个个问题也也很值得得重视。第第一是如如何解决决函数间间的相互互联系，确确保数值值正确传传递的问问题。用用户图形形界面上上的元素素表面上上似乎是是独立的的，内部部却有着着紧密的的联系，后后面很多多工作往往往涉及及到前面面的基础础。函数数间数值值的传递递，Maatlaab 66.5下下可用hhanddless命令来来解决，无无须像以以前那样样用fiindoob
13、j命命令来查查找句柄柄，使用用起来相相当方便便；第二二个问题题是函数数结构化化、一体体化思想想。编程程过程中中，可将将多处使使用的代代码用一一个通用用子函数数编写，以以供直接接调用。如如本文中中管网重重绘代码码，在管管网构建建、平差差计算以以及计算算结果可可视化中中多次用用到，可可写成子子函数形形式。使使程序更更加简洁洁，易于于阅读、查查找错误误和修改改，减少少程序之之间的影影响，提提高可靠靠性。基于以上上思路，本本文设计计了具有有GUII 的城城市给水水管网结结果可视视化计算算模型，它它具有按按键和鼠鼠标操作作的全部部功能，集集建立管管网模型型，参数数赋值，计计算，结结果可实实视化为为一体。
14、可可进行局局部缩放放，对管管网结构构和各种种参数能能作出任任意修改改，使用用起来相相当方便便。图33、图44为利用用本文模模型计算算所得的的结果。 图 3 管网网水头损损失平差差计算结结果 图 44 管管网流量量平差计计算结果果3 全文文小结城市给水水管网是是一个比比较复杂杂的系统统，从初初始流量量的分配配，水力力计算到到优化调调度和图图形结果果显示，涉涉及的因因素很多多，任何何一部分分的改进进与完善善都与整整体的优优化密不不可分。本本文探讨讨并建立立了具有有GUII 的环环状管网网定线，初初分流量量、平差差、优化化设计的的计算模模型。通通过Maatlaab使几几何数据据、数学学模型参参数、平平差计算算与计算算结果的的图文显显示一体体化，能能够方便便、迅速速的计算算并分析析得出结结果。显显然，利利用可视视化思想想使得原原本复杂杂而繁琐琐的工作作得到了了极大的的简化。随着作者者研究工工作的深深入及相相关技术术的发展展，本模模型将会会得到不不断的改改进与完完善，并并逐步用用于实践践。参考文献献1 严煦世世，范瑾瑾初. 给水工工程（第第四版），中中国建筑筑工业出出版社 19999.2 孙家广广等 编编著，计计算机图图形学，清清华大学学出版社社，19998 3 苏金明明 阮沈沈勇 编编著，MMATLLAB66.1实实用指南南，电子子工业出出版社，220022.