-
生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏
生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏
基于核心-边缘结构的水分配系统分区计量区域优化设计：提升管网韧性与压力稳定性
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年08月23日 来源：Water Science and Engineering 4.3
编辑推荐：
为解决城市水分配系统(WDS)分区计量区域(DMA)设计中存在的压力不稳定和成本过高问题，研究人员创新性地将核心-边缘结构(CPS)理论引入DMA划分。通过融合水力分析与拓扑优化，开发了基于快速贪婪算法和粒子群优化(PSO)的CPS-DMA设计方法，在意大利摩德纳管网案例中实现压力稳定性提升21%、成本降低38%，为智慧水务提供了可扩展的数据驱动解决方案。
随着城市化进程加速，传统水分配网络(WDN)面临严峻挑战：管网扩张导致水力失衡，分区计量区域(DMA)设计不当会引发压力波动、漏损增加和运营成本飙升。现有方法多聚焦于管道权重优化，却忽视了管网天然存在的层级结构——由密集连接的核心区与稀疏分布的边缘区构成的功能分化。这种结构认知的缺失，使得关键管道阀门安装位置不当，既影响系统韧性又增加改造成本。
墨西哥瓜纳华托大学工程学院的Rair Solis Jacome团队在《Water Science and Engineering》发表的研究，首次将网络科学中的核心-边缘结构(CPS)理论系统应用于DMA设计。研究团队创造性地提出三阶段方法：首先通过水力参数(水头/需水量)或拓扑指标(接近中心性CC)识别核心区；随后采用快速贪婪算法在边缘区进行社区结构检测；最终运用粒子群优化(PSO)确定边界阀门最佳配置。该方法在意大利摩德纳WDN的实证表明，相比传统方案可提升压力稳定性15%，同时减少边界设备成本近40%。
关键技术包括：1)基于EPANET的48小时水力模拟获取节点参数；2)三种CPS识别场景(水力加权无向/有向图、拓扑加权无向图)；3)模块度(Q>0.6)优化的快速贪婪社区检测；4)融合阀门直径成本函数(�=AvDpiBv)的PSO优化。
【核心-边缘建模】
水力加权方案将4个水库周边节点识别为核心区(权重阈值1.3)，拓扑方案则发现地理中心节点群(CC>0.00031)。前者形成3个分散核心区，后者产生单一紧凑核心，直接影响后续分区灵活性。
【社区结构检测】
在γ=0.1分辨率参数下，边缘区均形成3个社区(总Q值0.532-0.633)。值得注意的是，传统社区检测(场景d/e)虽获得更高模块度(0.645-0.652)，但缺乏核心区保护机制，导致边缘节点更易出现低压问题。
【阀门优化】
PSO算法权衡FCV(流量控制阀)与IV(隔离阀)配置，核心方案(场景c)因涉及大口径管道(35.56cm)导致成本最高(�76,870)，但压力稳定性最佳(336.43kPa)。对比文献报道的NSGA算法方案，CPS设计用较少DMA数量(4vs6)实现了相当的韧性指标。
该研究开创性地证明：WDN同时具有全局CPS和局部社区结构的双重特征。通过CPS框架指导DMA设计，不仅能降低核心管道施工风险，更通过"核心稳压-边缘可控"的架构提升系统鲁棒性。未来研究可探索动态CPS识别以适应流量变化，或融合土地利用数据细化分区策略。这项成果为智慧水务提供了兼具数学严谨性和工程实用性的新范式，其结构优先的设计理念对交通、能源等网络系统优化亦有启示意义。
生物通微信公众号
知名企业招聘
