饮用水管网中多物种水质动力学的控制论建模：综述、方法与测试用例
系统与控制
2022-09-28 v2 系统与控制
最优化与控制
摘要
氯是供水管网（WDN）中广泛使用的消毒剂和水质（WQ）监测替代指标。基于氯的水质调节与控制旨在维持无病原水。WDN 内氯余量演化通常使用典型的单物种衰减与反应动力学建模，仅考虑全网时空氯浓度。先前研究已通过多物种动力学提出更先进且精确的描述。本文给出多种新颖的状态空间、控制论形式的多物种水质动力学表示。这些表示描述了氯与一种虚构反应性物质的衰减、反应与输运，以反映 WDN 中现实复杂场景。此类动力学在输运偏微分方程与非线性反应常微分方程的时空离散网格上仿真。为此，本文（i）完整描述了如何建立高保真、模型驱动的多物种水质动力学状态空间表示，并（ii）对比 EPANET 及其 EPANET-MSX 扩展，考察了不同基于欧拉的格式（Lax-Wendroff、后向欧拉与 Crank-Nicolson）和基于拉格朗日的格式（特征线法）的适用性与性能。数值案例研究表明，在合理假设与限制下，Lax-Wendroff 格式与特征线法以可靠结果优于其他格式。
引用
@article{arxiv.2204.13911,
title = {Control-Theoretic Modeling of Multi-Species Water Quality Dynamics in Drinking Water Networks: Survey, Methods, and Test Cases},
author = {Salma M. Elsherif and Shen Wang and Ahmad F. Taha and Lina Sela and Marcio H. Giacomoni and Ahmed Abokifa},
journal= {arXiv preprint arXiv:2204.13911},
year = {2022}
}