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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 環境工程學研究所
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/45381
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DC 欄位值語言
dc.contributor.advisor駱尚廉(Shang-Lien Lo)
dc.contributor.authorCheng-I Hoen
dc.contributor.author何承嶧zh_TW
dc.date.accessioned2021-06-15T04:17:09Z-
dc.date.available2010-01-11
dc.date.copyright2010-01-11
dc.date.issued2009
dc.date.submitted2009-12-24
dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/45381-
dc.description.abstract本研究成功發展完成「自來水管線汰換ANGEL模組」,主要研究流程係蒐集案例區內自來水配水管網曾經發生漏水地點之資訊,運用模糊理論(fuzzy logic, FL)、地震因子類神經網路模式(seismic-based ANN model, SBAM)及地理資訊系統( geographic information system, GIS),據以推估不同地震震度(或規模)條件下之自來水配水管網漏水分布,並可藉由直讀漏水點位分布圖之疏密程度建立管線汰換序列,以加速決策分析時效。
根據文獻記載,本研究三個案例供水區將地震因子導入ANN乃是漏水相關研究的創舉;另為確保資料品質適合進行數值模擬,除採資訊化紀錄資料:如中央氣象局地震資料及台灣自來水公司「自來水修漏管理系統」管線漏水資料,並將無法量化或依法規要求需維持限定值之參數予以剔除,證實ANN的確適合做為推估漏水的研究工具,模擬過程亦比較ANN倒傳遞函數(backward propagation network, BPN)及徑向基函數(radial basis function network, RBFN)之模擬效能,結果為RBFN較BPN更適合建立管線汰換優化seismic-based ANN model(SBAM)。
本研究同時導入GIS據以建立三種不同型態漏水點位圖形,包括「歷年漏水點位分布圖 (site-based leakage point graph)」、「道路漏水點位分布圖 (road-based leakage point graph)」及「管線漏水點位分布圖(pipe-based leakage point graph)」,相較過去人工判讀紙圖上有關管線漏水的資料,藉由GIS的協助,可更有效達成快速翻閱及整理圖資,以進行後續管線汰換的排序作業。
過去管線汰換作業存在僅針對具有漏水記錄之管線才得以納入汰序的限制,對於「未具漏水紀錄」之管線則無法納入排序,因為在管線汰換實務作業上,並無資料可以協助不具漏水記錄的管線,該如何納入管線汰換?然而事實上管線「没有漏水記錄」並不代表「不會或未曾發生漏水」。因此本研究研發完成之SBAM已成功解決上述問題,並可有效降低人力及時間成本,對於推動台灣地區降低自來水漏水率計畫將有可預期的實務貢獻。
zh_TW
dc.description.abstractThis work focused on developing an approach for prioritizing the order of pipe replacement of a water distribution system (WDS). The methodology was based on the integration of seismic-based ANN model (SBAM) and GIS-based system, fuzzy logic (FL), named “ANGEL” module, to assess water leakage.
However, three scenarios in Taiwan were chosen as the case study because these districts were frequently hit by earthquakes which are the main leakage-caused factors. There’s something new in this research. That is, the influenced factor of “the number of maginitude-3+ earthquake” is emphasized. Especially, this study is the first attempt to manipulate earthquake data in the break-event ANN prediction model. Consequently, it was proven highly relative to pipe leakage.
For the purpose of quality assurance and quality control, FL screens parameters out in consideration of non-quantifacation or the requirement to conform to regulatory standards. The qualified earthquake data obtained from “Taiwan Central Weather Bureau (TCWB)” and pipe data derived from “Taiwan Water Corporation Pipeline Leakage Repair Management System (TWC-PLRMS)” were classified to build SBAM which was analyzed by both backward propagation network (BPN) and radial basis function network (RBFN). However, a comparison of the accuracy and reliability of the prediction model between BPN and RBFN achieved that RBFN outperformed BPN.
Additionally, GIS was used to display the visual effect of historical leakage points. Spatial distribution of the pipeline break event data was analyzed and visualized by GIS. As for the steps to develop visual effect, GIS was applied to draw as below: site-based leakage point graph, road-based leakage point graph, and pipe-based leakage point graph. Compared to the traditional processes for determining the priorities of pipeline replacement, the methodology developed is more effective and efficient. Finally, the methodology can overcome the difficulty of prioritizing pipeline replacement even in situations where the break event records are unavailable. In fact, it has made a valuable contribution to the practical tasks.
en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2021-06-15T04:17:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1
ntu-98-D91541011-1.pdf: 5182953 bytes, checksum: 6a277f273efc0b0aa08c07091daf2cc8 (MD5)
Previous issue date: 2009
en
dc.description.tableofcontents口試委員會審定書 i
誌謝 ii
中文摘要 iii
Abstract iv
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 前言 1
1.1 緣起 1
1.2 研究目的與方向 4
第二章 文獻回顧 6
2.1 漏水現象及其影響因子 7
2.1.1 漏水現象分析 7
2.1.2 漏水率 13
2.1.2.1台灣漏水率 13
2.1.2.2日本漏水率 15
2.1.2.3 合理漏水量 18
2.1.3 漏水影響因子 20
2.1.3.1 地層運動 20
2.1.3.2管線腐蝕 21
2.1.3.3 管材 25
2.1.3.4 管件 30
2.1.3.5施工品質 31
2.1.3.6 交通負荷、挖填作業及其他 32
2.2 漏水控制策略 33
2.2.1 汰換不適管線 34
2.2.2 選用優良管種 38
2.2.3 加強巷道給水管整合 38
2.2.4 加強檢修漏作業 38
2.2.5加強配水量管理 39
2.2.6加強水壓管理 39
2.2.7建構管網地理資訊系統 40
2.2.8 配水管網小區化 41
2.2.9 建構監控系統 42
2.2.10 更新水表 45
2.2.11 成立漏水改善專案小組 46
2.3 漏水相關經濟議題及環境政策 46
2.3.1 漏水經濟理論及研究 48
2.3.2 環境管理基本特性 51
2.3.3 環境政策 53
2.4 運用人工智慧解決漏水現象之整合研究 55
2.4.1 總轉換矩陣 55
2.4.2 作業研究 57
2.4.3 非線性規劃與連續二次規劃 58
2.4.4 粗集合、模糊理論、基因演算法、類神經網路及其他模式 59
2.4.5 地理資訊系統 64
2.4.5.1對水資源管理之應用 65
2.4.5.2 地理資訊系統及遙測等技術 67
2.4.5.3 地理資訊系統結合運算技術 68
第三章 研究方法及步驟 72
3.1 方法論 72
3.1.1 類神經網路 74
3.1.1.1 倒傳遞類神經網路 74
3.1.1.1.1 BPN輸入層與隱藏層間連結關係 78
3.1.1.1.2 BPN隱藏層與輸出層間連結關係 79
3.1.1.2 徑向基函數 81
3.1.1.3 資料正規化 82
3.1.1.4 隱藏層 83
3.1.1.5 學習法則 84
3.1.1.6 轉換函數 86
3.1.1.7 學習次數 86
3.1.1.8 訓練及測試個數 86
3.1.1.9 網路模式效能評估 87
3.1.2 基因演算法 89
3.1.3 模糊理論 92
3.1.4 地理資訊系統 96
3.1.5 人工智慧 100
3.1.6 迴歸模式理論 101
3.1.6.1 簡單迴歸模式 101
3.1.6.2 簡單非線性迴歸模式 101
3.1.6.3 簡單判定係數 104
3.1.6.4 簡單相關係數 104
3.1.6.5 複迴歸模式 105
3.2 研究步驟 108
第四章 結果與討論 110
4.1案例研究I:台灣中部供水區(彰化縣北斗鎮) 110
4.1.1 案例研究I背景介紹 111
4.1.2 案例研究I運用ANN之參數分析 112
4.1.3 案例研究I研究結果 116
4.1.3.1 驗證管線耐用年限 116
4.1.3.2 驗證類神經網路適合做為漏水分析工具 117
4.1.4 案例研究I討論與建議 120
4.1.4.1 案例研究I討論 120
4.1.4.2 案例研究I建議 123
4.2案例研究II:台灣東北部供水區(宜蘭縣) 124
4.2.1 案例研究II背景介紹 124
4.2.2 ANN參數分析與篩選 128
4.2.3 案例研究II成果 132
4.2.3.1 發展漏水頻率函數 132
4.2.3.2 建立地震因子類神經網路模式 133
4.2.4 案例研究II以迴歸分析進行比較研究 135
4.2.4.1漏水次數Lorentzian方程式 135
4.2.4.2發展漏水次數迴歸函數 136
4.2.5案例研究II討論與建議 140
4.2.5.1 案例研究II討論 140
4.2.5.2 案例研究II建議 144
4.3案例研究III:台灣東北部供水區(宜蘭縣羅東鎮) 145
4.3.1 案例研究III背景介紹 145
4.3.2 案例研究III成果 149
4.3.2.1 導入GIS之應用 149
4.3.2.2 建立GIS漏水點位分布圖形 150
4.3.3 案例研究III討論與建議 152
4.3.3.1 案例研究III討論 152
4.3.3.2 案例研究III建議 155
4.4 整體研究成果-發展完成「自來水管線汰換ANGEL模組」 156
第五章 結論與建議 159
5.1 結論 159
5.2 建議 161
參考文獻(Reference) 163
附註(Footnote) 182
附錄(Appendix) 183

圖目錄
圖2-1 防蝕環氧樹脂結構式 30
圖2-2 台灣近年管線汰換率 35
圖2-3 台灣歷年漏水率比較圖 35
圖2-4 各國管線汰換率及漏水率比較圖 36
圖2-5 聲波偵測漏水位置示意圖 42
圖2-6 音頻與位相速度關係圖 43
圖2-7 三層理論管件位移示意圖 44
圖2-8 降低漏水率方案關係圖 46
圖2-9 合理漏水量示意圖 48
圖2-10 用水供需曲線示意圖 50
圖2-11 Environmental Kuznets Curve 54
圖2-12 經濟與需求的供需曲線 55
圖2-13 RsFLC流程圖 60
圖3-1 最適化搜尋演算法分類圖 73
圖3-2 倒傳遞類神經網路架構示意圖 75
圖3-3 徑向基函數類神經網路架構示意圖 82
圖3-4 基因演算法運算流程圖 91
圖3-5 Fuzzy control system結構圖 95
圖3-6 相關係數正負判定對照圖 105
圖3-7 誤差值的圖形分析 107
圖3-8 研究流程建構圖 109
圖4-1 台灣中部案例區(彰化縣北斗鎮)供水範圍示意圖 111
圖4-2 案例研究I漏水機率實際值及模式預測值比較圖 121
圖4-3案例研究I漏水機率「模式預測值」分布放大圖 121
圖4-4 案例研究I漏水機率模式預測值及實際值比較圖(正規化) 122
圖4-5 台灣宜蘭縣地理相對位置(台灣二度分帶投影坐標系統) 125
圖4-6 宜蘭縣供水區管線與漏水頻率關係圖(2003~2005年) 128
圖4-7 宜蘭縣供水區管徑與漏水比例關係圖(2003~2005年) 131
圖4-8 地震因子類神經網路模式建構圖 134
圖4-9 漏水次數迴歸函數破管比較圖(D=20mm; M3+=4) 137
圖4-10 漏水次數迴歸函數破管比較圖(D=200mm; M3+=6) 137
圖4-11 漏水次數迴歸函數破管比較圖(D=400mm; M3+=6) 137
圖4-12(a) CIP誤差值散佈圖 139
圖4-12(b) DIP誤差值散佈圖 139
圖4-12(c) SP誤差值散佈圖 139
圖4-12(d) PVCP誤差值散佈圖 139
圖4-12(e) PVCP/PE誤差值散佈圖 139
圖4-12(f) PCCP誤差值散佈圖 139
圖4-13 BPN預測圖形 141
圖4-14 RBFN預測圖形 141
圖4-15 宜蘭縣羅東鎮地理相對位置(台灣二度分帶投影坐標系統) 146
圖4-16 羅東鎮不同管材破管紀錄彙整圖 (2003~2005年) 148
圖4-17 羅東鎮不同管徑破管紀錄彙整圖 (2003~2005年) 148
圖4-18 (GIS+SBAM)管線汰換序列建構圖 151
圖4-19 歷年漏水點位分布圖 153
圖4-20 道路漏水點位分布圖 154
圖4-21 管線漏水點位分布圖 154
圖4-22 ANGEL 模組架構圖 158

表目錄
表2-1 漏水影響因子權重表 7
表2-2 澳洲與德國配水管網破管率比較表 12
表2-3 氯塩及自由有效餘氯限值 22
表2-4 台灣自來水管線使用年限一覽表 28
表2-5 不同口徑管線漏水頻率之汰換序列表 38
表2-6 自然財貨四項分類表 49
表2-7 環境管理基本功能彙整表 53
表3-1 類神經網路常用作用函數 86
表3-2 類神經網路效能評估 88
表3-3 基因演算法基本運算系統 90
表3-4 網格及向量資料優缺點比較表 98
表4-1 輸入參數組合型態一覽表 113
表4-2 參數原始資料表(節錄) 114
表4-3 參數正規化結果表(節錄) 115
表4-4 最大隱藏層處理單元數目 116
表4-5 基因演算法輔助決定最佳參數權值表 119
表4-6 宜蘭縣供水區管線資料統計彙整表(2003~2005年) 126
表4-7 宜蘭縣每月地震規模大於3以上的次數表(2003~2005年) 130
表4-8 不同管材Lorentzian迴歸函數成果比較表 138
表4-9 BPN及RBFN優化參數比較表 141
表4-10 宜蘭地區管線汰換序列試算表(管徑=100mm;M3+=10) 142
表4-11 羅東鎮供水區管線統計資料彙整表(2003~2005年) 147
dc.language.isozh-TW
dc.title自來水配水管網漏水現象之分析、預測與管理之研究zh_TW
dc.titleAnalyzing, Predicting and Managing the Leakage Phenomena of Water Distribution Networken
dc.typeThesis
dc.date.schoolyear98-1
dc.description.degree博士
dc.contributor.coadvisor林明德(Min-Der Lin)
dc.contributor.oralexamcommittee李公哲(Kung-Cheh Li),馬鴻文(Hwong-Wen Ma),盧重興(Chung-Shing Lu),高正忠(Jehng-Jung Kao)
dc.subject.keyword類神經網路,徑向基函數,地理資訊系統,管線汰換,漏水,zh_TW
dc.subject.keywordArtificial neural network,Radial basis function network,Geographic information system,Pipe replacement,Leakage,en
dc.relation.page189
dc.rights.note有償授權
dc.date.accepted2009-12-25
dc.contributor.author-college工學院zh_TW
dc.contributor.author-dept環境工程學研究所zh_TW
顯示於系所單位:環境工程學研究所

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