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論“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”研究與開發(fā)—建設(shè)節(jié)水型城市的必備工具
摘 要 在人類社會進(jìn)入二十一世紀(jì)之際，如何運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)方法和現(xiàn)代化的管理手 段，來解決城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化供配水問題，是擺在每一個城市自來水公司，尤其是缺水地區(qū)的自來水公司面前的艱巨任務(wù)；本文利用優(yōu)化建模及系統(tǒng)仿 真方法，并結(jié)合城市管網(wǎng)GIS，對城市自來水管網(wǎng)供配水系統(tǒng)，進(jìn)行了優(yōu)化建模 和優(yōu)化配水，企圖從根本上解決城市節(jié)約用水的問題，并為建設(shè)節(jié)水型城市準(zhǔn)備了必要的工具。關(guān)鍵詞 城市信息化 管網(wǎng)供配水系統(tǒng) 優(yōu)化 建模
1、概述
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在世界范圍內(nèi)，計算機(jī)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，并取得了飛速的發(fā)展；在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展的今天，以電子信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和大力倡導(dǎo)工業(yè)自動化，已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢；面對城市建設(shè)的快速發(fā)展，供水行業(yè)已充分認(rèn)識到：對城市供配水管網(wǎng)系統(tǒng)，必須采用現(xiàn)代化的管理手段，對其進(jìn)行高效地管理，使管理由經(jīng)驗型管理向科學(xué)型管理轉(zhuǎn)變，大力節(jié)約水資源，改善面向社會的服務(wù)水平；我們已經(jīng)深刻地認(rèn)識到，加強(qiáng)城市自來水系統(tǒng)綜合自動化建設(shè)，是達(dá)到這一目標(biāo)的重要措施；這里所說的“城市自來水系統(tǒng)綜合自動化解決方案”，通常包括以下四個方面內(nèi)容：（1）企業(yè)生產(chǎn)過程的SCADA系統(tǒng)；（2）企業(yè)現(xiàn)代化管理MIS/DSS；（3）城市供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立、系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設(shè)計；（4）網(wǎng)絡(luò)自動抄表（AMR）收費(fèi)等系統(tǒng)等四大部分。
利用計算機(jī)及信息技術(shù)，以上述四大內(nèi)容為基礎(chǔ)，對城市供水行業(yè)進(jìn)行企業(yè)現(xiàn)代化改造，是保證企業(yè)實現(xiàn)信息化，并與國際接軌的重要舉措；“城市供配水系統(tǒng)綜合自動化解決方案”的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示：
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的全稱應(yīng)該是：“城市供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、仿真與優(yōu)化設(shè)計”，它以城市供配水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）為背景進(jìn)行開發(fā)，其主要任務(wù)有：
1.對現(xiàn)行城市供配水管網(wǎng)各功能子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)查研究，并進(jìn)行系統(tǒng)需求分析；
2.建立“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的建設(shè)目標(biāo)，進(jìn)一步對新系統(tǒng)（即“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”）的功能進(jìn)行再分析；
3.以地理信息系統(tǒng)（GIS）為工具，建立城市供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并針對該供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并針對該供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設(shè)計；
4.建立新系統(tǒng)的日常運(yùn)行機(jī)制，頒布新系統(tǒng)的管理與維護(hù)法規(guī)；
5.向市場提供“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”全套商業(yè)軟件，并開展優(yōu)質(zhì)服務(wù)活動。
在人類進(jìn)入21世紀(jì)之際，最需要解決的問題就是水資源短缺問題；解決這一問題的方法就是“開源節(jié)流”；“城市供配水優(yōu)化系統(tǒng)”的研究與開發(fā)，是從根本上解決城市用水的“節(jié)流”問題；城市自來水公司在向城市工業(yè)和居民供配水的過程中，一旦建立了“城市供配水優(yōu)化系統(tǒng)”后，就從供配水的源頭控制了水的流失和浪費(fèi)問題，保證了城市最大限度的“節(jié)約用水”；因此，我們說“城市供配水優(yōu)化系統(tǒng)”研究與開發(fā)，其市場前景是極其廣闊的，它所帶來的經(jīng)濟(jì)與社會效益也是巨大的
2.“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的功能描述
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的開發(fā)，是以城市供配水系統(tǒng)管網(wǎng)GIS為背景，建立起來的一個軟件系統(tǒng)，它具有以下功能：城市供配水系統(tǒng)管網(wǎng)GIS功能，高度現(xiàn)代化的生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)功能、完全信息化的在線優(yōu)化供配水系統(tǒng)功能、應(yīng)急事故處理的社會服務(wù)功能等；下面我們一一予以介紹。
2.1城市供配水系統(tǒng)管網(wǎng)GIS功能
城市供配水系統(tǒng)管網(wǎng)GIS功能，是“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的核心功能，具有以下六大功能子系統(tǒng)，它們分別是基礎(chǔ)平臺的圖庫管理子系統(tǒng)、管網(wǎng)編輯子系統(tǒng)、管網(wǎng)管理子系統(tǒng)、管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度子系統(tǒng)、事故處理子系統(tǒng)、管網(wǎng)維護(hù)管理子系統(tǒng)等；通常每個子系統(tǒng)均可由數(shù)個模塊組成，下面將分別敘述各個子系統(tǒng)的功能和其模塊的功能。
1.地形圖庫管理子系統(tǒng)
本子系統(tǒng)除提供了分別對點(diǎn)、線、區(qū)三種圖元的空間數(shù)據(jù)和圖形屬性進(jìn)行輸入和編輯的功能，以從圖形表格輸出的功能之外，最主要的是實現(xiàn)地形圖建庫、對圖庫靈活的管理和方便的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。
2.管網(wǎng)輸入編輯子系統(tǒng)管網(wǎng)輸入編輯子系統(tǒng)提供豐富有力的網(wǎng)絡(luò)輸入手段，構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，建立與管網(wǎng)元素相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)和提供供水管網(wǎng)的圖形屬性編輯工具。
3.管網(wǎng)管理子系統(tǒng)
管網(wǎng)管理子系統(tǒng)用于對管網(wǎng)信息進(jìn)行全面的了解和詳細(xì)的分析。提供屬性與管線的雙向查詢工具查詢檢索各種需要的數(shù)據(jù)和信息。
4.管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度子系統(tǒng)
管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度子系統(tǒng)實際上就是“供配水優(yōu)化系統(tǒng)”的具體實施，它是在GIS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立起來的，該子系統(tǒng)同時需要查表收費(fèi)系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持；
5.事故處理子系統(tǒng)
事故處理子系統(tǒng)包括爆管事故處理和火災(zāi)事故處理兩個模塊，爆管事故是指管網(wǎng)中突發(fā)的爆管等漏水事故。用戶只需指定漏水處，系統(tǒng)將能夠制定出合理的處理方案，以便及時排除故障。當(dāng)需檢修某個或某些閥門時，則需利用擴(kuò)大關(guān)閘搜索尋找需關(guān)哪些閥門，以便進(jìn)行搶修；火災(zāi)事故處理，是指在城市中突發(fā)火災(zāi)時，用戶只需指定失火處，并給定搜索條件，系統(tǒng)將能夠根據(jù)搜索條件找出可用的消防栓，提供給消防部門。
6.管網(wǎng)維護(hù)管理子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)主要是對管道完工檔案、閘門和管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理日常業(yè)務(wù)管理。
2.2高度現(xiàn)代化的生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)功能
任何一個城市自來水企業(yè)，為了滿足對生產(chǎn)過程的調(diào)度指揮，均需設(shè)置一個“中央生產(chǎn)調(diào)度指揮中心”，以及指揮生產(chǎn)的“生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）”；該SCADA系統(tǒng)通常由企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度指揮中心、分廠測控站（MCS；Measure＆Control System）、管網(wǎng)RTU、有線/無線通信系統(tǒng)等構(gòu)成；因此，SCADA就構(gòu)成了“城市供配水綜合自動化系統(tǒng)（Synthetic Automatic System，SAS）”的核心系統(tǒng)。
“城市供配水綜合自動化系統(tǒng)”之中的SCADA功能，可以概要的描述如下： &n
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1.數(shù)據(jù)采集功能：根據(jù)公司生產(chǎn)調(diào)度中心調(diào)度生產(chǎn)指揮的需求，要求系統(tǒng)對自來水管網(wǎng)及各水廠能夠數(shù)據(jù)采集以下信息：合理分布在自來水管網(wǎng)上的測壓信號（管網(wǎng)壓力），各水廠泵的運(yùn)行參數(shù)、電源供電情況、耗電量、當(dāng)前功率因素、水廠進(jìn)/出水量、原水濁度、出廠水濁度、余氯、PH值等。
2.數(shù)據(jù)傳輸功能：將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，或直接或通過各生產(chǎn)調(diào)度分系統(tǒng)，實時地傳遞到生產(chǎn)調(diào)度中心主系統(tǒng)。
3.數(shù)據(jù)顯示及分析功能：生產(chǎn)調(diào)度中心主系統(tǒng)將獲得的各類信息及數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析、加工直觀地、動畫地顯示出來；供生產(chǎn)調(diào)度指揮人員使用。
4.報警功能：系統(tǒng)可對各水廠機(jī)泵運(yùn)行異常，如電壓、電流的不足或過載等，管網(wǎng)壓力不足或超限進(jìn)行及時報警。
5.歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢及分析功能：根據(jù)公司生產(chǎn)調(diào)度中心調(diào)度生產(chǎn)指揮，和檢索、查詢及分析歷史數(shù)據(jù)的需求，系統(tǒng)應(yīng)具備實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢及分析功能。
6、報表顯示及打印功能：系統(tǒng)可自動生成各種生產(chǎn)情況的日月年報表，并可隨時打印。
7.遙控功能：根據(jù)公司生產(chǎn)調(diào)度中心調(diào)度生產(chǎn)指揮的需求，系統(tǒng)操作人員可在生產(chǎn)調(diào)度中心實現(xiàn)對有關(guān)水泵實現(xiàn)開停遙控。
8.網(wǎng)絡(luò)功能：將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，供其他系統(tǒng)使用。
2.3完全信息化的在線優(yōu)化供配水系統(tǒng)功能
以供水管網(wǎng)GIS為背景建立起來的城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在城市自來水公司生產(chǎn)調(diào)度中心投入使用的時候，通常都具備有“完全信息化的在線優(yōu)化供配水系統(tǒng)功能”。
2.4 應(yīng)急事故處理的社會服務(wù)功能
城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)在實際運(yùn)行過程中，有可能發(fā)生各種各樣的事故（諸如爆管、停水、水壓不足等），城市居民、單位均可通過預(yù)先設(shè)置的電話通知自來水公司，以便急時得到維修，這就是應(yīng)急事故處理的社會服務(wù)功能。
3、“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的開發(fā)方法
3.1城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
1、建立“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”意義人類進(jìn)入21世紀(jì)，由于全球性水資源的短缺（我國更為嚴(yán)重），極大地威脅著人類的生存；因此，科學(xué)合理的利用水資源、節(jié)約城市工業(yè)與生活用水已迫在眉睫，建立“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”，實施城市管網(wǎng)優(yōu)化供配水，從而達(dá)到城市節(jié)約用水的目的。
建立了“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”以后，我們就具備了深刻理解城市供水系統(tǒng)地下管網(wǎng)運(yùn)行的條件，該模型不僅提供城市供水系統(tǒng)中不同泵的供水范圍，而且還可明顯的反映出城市供水系統(tǒng)地下管網(wǎng)可能發(fā)生的瓶頸現(xiàn)象，模型同時還可提供各種供配水方案的直觀模擬演示，這就為系統(tǒng)操作者進(jìn)行實時在線優(yōu)化供配水提供了有利條件。
在城市供配水管理方面，由于有了“城市優(yōu)化供配水?dāng)?shù)學(xué)模型”，對城市因其發(fā)展而需要進(jìn)行管網(wǎng)擴(kuò)展，模型提供了有力的數(shù)據(jù)支持，從而保證了城市供配水系統(tǒng)的優(yōu)化管理，用戶也得了高質(zhì)量的服務(wù)。
2.“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”建模前的準(zhǔn)備
（1）“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”的結(jié)構(gòu)如下：
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”的建模過程，如圖2所示；通常在建立數(shù)學(xué)模型前，必須進(jìn)行前期的各種數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作，如管網(wǎng)數(shù)據(jù)的確定、需水量數(shù)據(jù)的確定、測試數(shù)據(jù)等；這里我們就不一一予以說明了；值得一提的是，用于建模的數(shù)據(jù)正確性是一定加以測定的。
3.建模與模型計算
城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，是以管網(wǎng)GIS系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和現(xiàn)場管網(wǎng)測試數(shù)據(jù)等為依據(jù)；根據(jù)城市管網(wǎng)分布結(jié)構(gòu)，篩選出管網(wǎng)干道節(jié)點(diǎn)，以這些管網(wǎng)干道節(jié)點(diǎn)為核心，形成管網(wǎng)水流環(huán)路，然后再利用流體力學(xué)基本計算公式進(jìn)行模擬計算，從而獲得管網(wǎng)環(huán)路各節(jié)點(diǎn)上的壓力分布和流量分布；根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)一步對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化；“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)仿真與優(yōu)化軟件包”的運(yùn)行，使上述這一切成為可能；有關(guān)城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，及其仿真計算和系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，另文予以論述。
4.城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的維護(hù)
通過對模型周期性的不斷更新，以保證模型應(yīng)用的準(zhǔn)確性；對于管網(wǎng)不同程度的變化情況，模型可作如下處理：
＃當(dāng)局部點(diǎn)變化時，應(yīng)及時調(diào)整模型數(shù)據(jù)
＃當(dāng)管網(wǎng)的變化加大到一定程度時，應(yīng)對模型進(jìn)行更新
＃當(dāng)管網(wǎng)中的變化程度無法在原有基礎(chǔ)上更新時，應(yīng)對模型進(jìn)行重建
對于模型具體維護(hù)工作包括：加入新的需水量/刪除舊的需水量，加入新的管線/刪除舊的管線，加入新的管網(wǎng)設(shè)備/刪除舊的管網(wǎng)設(shè)備，更新管線模型，更新需水量數(shù)據(jù)，根據(jù)局部現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對模型做相應(yīng)改動。
3.2 城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)庫的建立
城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)庫的作用，是將GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)收費(fèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及管網(wǎng)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和轉(zhuǎn)換，為模型的建立提供數(shù)據(jù)支持；具體的流程如圖3所示。
3.3 城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量分析
1.“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”的建立標(biāo)準(zhǔn)
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”的建立標(biāo)準(zhǔn)，主要是指模型構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場測試標(biāo)準(zhǔn)和校核標(biāo)準(zhǔn)等。
模型構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)：主要包括：所有供水管道信息必須由GIS轉(zhuǎn)換或輸入；可以保證對模型進(jìn)行充分的維護(hù)管理；該模型 可作為優(yōu)化供配水的決策工具。
現(xiàn)場測試標(biāo)準(zhǔn)：在數(shù)據(jù)現(xiàn)場測試過程中，保證有足夠的15分鐘測試間隔和滿7天的數(shù)據(jù)。
數(shù)學(xué)模型校核標(biāo)準(zhǔn)：正確設(shè)置誤差范圍，并使模型在校核過程中，控制在允許誤差限以內(nèi)。
2.“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”的質(zhì)量分析標(biāo)準(zhǔn)
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”的質(zhì)量分析標(biāo)準(zhǔn)是：所有數(shù)據(jù)測試準(zhǔn)確、經(jīng)過驗收；系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。
3.4城市優(yōu)化供配水系
統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”建成以后，在正式投入運(yùn)行時，是將該系統(tǒng)并入“城市供配水管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)”之中，對于一個城市自來水公司來說，“城市供配水管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)”的總體結(jié)構(gòu)可如下圖4所示。
4.結(jié)束語
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的研究與開發(fā)，對國計民生有著極其重要的意義，尤其對我國北方缺水和嚴(yán)重缺水的干旱地區(qū)更是如此；世界上發(fā)達(dá)國家的城市自來水公司，無一例外的都裝備有該系統(tǒng)；這也從另一個角度說明了，“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”確實是建設(shè)節(jié)水型城市的必備工具。(圖略)
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