論“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”研究與開發(fā)—建設節(jié)水型城市的必備工具
摘 要 在人類社會進入二十一世紀之際，如何運用先進的科學方法和現(xiàn)代化的管理手 段，來解決城市自來水管網系統(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；本文利用優(yōu)化建模及系統(tǒng)仿 真方法，并結合城市管網GIS，對城市自來水管網供配水系統(tǒng)，進行了優(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，并為建設節(jié)水型城市準備了必要的工具。關鍵詞 城市信息化 管網供配水系統(tǒng) 優(yōu)化 建模
1、概述
隨著現(xiàn)代科學技術的進步，在世界范圍內，計算機已經進入工業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)，并取得了飛速的發(fā)展；在我國經濟建設飛速發(fā)展的今天，以電子信息技術改造傳統(tǒng)產業(yè)和大力倡導工業(yè)自動化，已成為不可逆轉的趨勢；面對城市建設的快速發(fā)展，供水行業(yè)已充分認識到：對城市供配水管網系統(tǒng)，必須采用現(xiàn)代化的管理手段，對其進行高效地管理，使管理由經驗型管理向科學型管理轉變，大力節(jié)約水資源，改善面向社會的服務水平；我們已經深刻地認識到，加強城市自來水系統(tǒng)綜合自動化建設，是達到這一目標的重要措施；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容：（1）企業(yè)生產過程的SCADA系統(tǒng)；（2）企業(yè)現(xiàn)代化管理MIS/DSS；（3）城市供配水管網系統(tǒng)數(shù)學模型建立、系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設計；（4）網絡自動抄表（AMR）收費等系統(tǒng)等四大部分。
利用計算機及信息技術，以上述四大內容為基礎，對城市供水行業(yè)進行企業(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”的主體結構如圖1所示：
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的全稱應該是：“城市供配水管網系統(tǒng)數(shù)學模型、仿真與優(yōu)化設計”，它以城市供配水管網地理信息系統(tǒng)（GIS）為背景進行開發(fā)，其主要任務有：
1.對現(xiàn)行城市供配水管網各功能子系統(tǒng)進行調查研究，并進行系統(tǒng)需求分析；
2.建立“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的建設目標，進一步對新系統(tǒng)（即“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”）的功能進行再分析；
3.以地理信息系統(tǒng)（GIS）為工具，建立城市供配水管網系統(tǒng)數(shù)學模型，并針對該供配水管網系統(tǒng)數(shù)學模型，并針對該供配水管網系統(tǒng)數(shù)學模型，進行系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設計；
4.建立新系統(tǒng)的日常運行機制，頒布新系統(tǒng)的管理與維護法規(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)質服務活動。
在人類進入21世紀之際，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，它所帶來的經濟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GIS功能，高度現(xiàn)代化的生產調度指揮系統(tǒng)功能、完全信息化的在線優(yōu)化供配水系統(tǒng)功能、應急事故處理的社會服務功能等；下面我們一一予以介紹。
2.1城市供配水系統(tǒng)管網GIS功能
城市供配水系統(tǒng)管網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)，它們分別是基礎平臺的圖庫管理子系統(tǒng)、管網編輯子系統(tǒng)、管網管理子系統(tǒng)、管網運行調度子系統(tǒng)、事故處理子系統(tǒng)、管網維護管理子系統(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、線、區(qū)三種圖元的空間數(shù)據(jù)和圖形屬性進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)轉換。
2.管網輸入編輯子系統(tǒng)管網輸入編輯子系統(tǒng)提供豐富有力的網絡輸入手段，構造網絡拓撲關系，建立與管網元素相關的屬性數(shù)據(jù)和提供供水管網的圖形屬性編輯工具。
3.管網管理子系統(tǒng)
管網管理子系統(tǒng)用于對管網信息進行全面的了解和詳細的分析。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.管網運行調度子系統(tǒng)
管網運行調度子系統(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)的基礎上建立起來的，該子系統(tǒng)同時需要查表收費系統(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事故處理兩個模塊，爆管事故是指管網中突發(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。當需檢修某個或某些閥門時，則需利用擴大關閘搜索尋找需關哪些閥門，以便進行搶修；火災事故處理，是指在城市中突發(fā)火災時，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.管網維護管理子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)主要是對管道完工檔案、閘門和管網運行狀態(tài)進行管理日常業(yè)務管理。
2.2高度現(xiàn)代化的生產調度指揮系統(tǒng)功能
任何一個城市自來水企業(yè)，為了滿足對生產過程的調度指揮，均需設置一個“中央生產調度指揮中心”，以及指揮生產的“生產過程實時監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）”；該SCADA系統(tǒng)通常由企業(yè)生產調度指揮中心、分廠測控站（MCS；Measure＆Control System）、管網RTU、有線/無線通信系統(tǒng)等構成；因此，SCADA就構成了“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：
1.數(shù)據(jù)采集功能：根據(jù)公司生產調度中心調度生產指揮的需求，要求系統(tǒng)對自來水管網
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上的測壓信號（管網壓力），各水廠泵的運行參數(shù)、電源供電情況、耗電量、當前功率因素、水廠進/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調度分系統(tǒng)，實時地傳遞到生產調度中心主系統(tǒng)。
3.數(shù)據(jù)顯示及分析功能：生產調度中心主系統(tǒng)將獲得的各類信息及數(shù)據(jù)，經過分析、加工直觀地、動畫地顯示出來；供生產調度指揮人員使用。
4.報警功能：系統(tǒng)可對各水廠機泵運行異常，如電壓、電流的不足或過載等，管網壓力不足或超限進行及時報警。
5.歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢及分析功能：根據(jù)公司生產調度中心調度生產指揮，和檢索、查詢及分析歷史數(shù)據(jù)的需求，系統(tǒng)應具備實現(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)公司生產調度中心調度生產指揮的需求，系統(tǒng)操作人員可在生產調度中心實現(xiàn)對有關水泵實現(xiàn)開停遙控。
8.網絡功能：將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)送到網絡服務器上，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GIS為背景建立起來的城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型，在城市自來水公司生產調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 應急事故處理的社會服務功能
城市自來水管網系統(tǒng)在實際運行過程中，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、單位均可通過預先設置的電話通知自來水公司，以便急時得到維修，這就是應急事故處理的社會服務功能。
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)學模型的建立
1、建立“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型”意義人類進入21世紀，由于全球性水資源的短缺（我國更為嚴重），極大地威脅著人類的生存；因此，科學合理的利用水資源、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)學模型”，實施城市管網優(yōu)化供配水，從而達到城市節(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)地下管網運行的條件，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)化供配水數(shù)學模型”，對城市因其發(fā)展而需要進行管網擴展，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，用戶也得了高質量的服務。
2.“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型”建模前的準備
（1）“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型”的結構如下：
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型”的建模過程，如圖2所示；通常在建立數(shù)學模型前，必須進行前期的各種數(shù)據(jù)的準備工作，如管網數(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)學模型的建立，是以管網GIS系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)，計算機網絡收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和現(xiàn)場管網測試數(shù)據(jù)等為依據(jù)；根據(jù)城市管網分布結構，篩選出管網干道節(jié)點，以這些管網干道節(jié)點為核心，形成管網水流環(huán)路，然后再利用流體力學基本計算公式進行模擬計算，從而獲得管網環(huán)路各節(jié)點上的壓力分布和流量分布；根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化目標，進一步對該系統(tǒng)進行優(yōu)化；“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)仿真與優(yōu)化軟件包”的運行，使上述這一切成為可能；有關城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，及其仿真計算和系統(tǒng)優(yōu)化設計，另文予以論述。
4.城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型的維護
通過對模型周期性的不斷更新，以保證模型應用的準確性；對于管網不同程度的變化情況，模型可作如下處理：
＃當局部點變化時，應及時調整模型數(shù)據(jù)
＃當管網的變化加大到一定程度時，應對模型進行更新
＃當管網中的變化程度無法在原有基礎上更新時，應對模型進行重建
對于模型具體維護工作包括：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，加入新的管網設備/刪除舊的管網設備，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)、網絡收費系統(tǒng)數(shù)據(jù)及管網現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行存儲和轉換，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)學模型標準及質量分析
1.“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型”的建立標準
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型”的建立標準，主要是指模型構造標準、現(xiàn)場測試標準和校核標準等。
模型構造標準：主要包括：所有供水管道信息必須由GIS轉換或輸入；可以保證對模型進行充分的維護管理；該模型 可作為優(yōu)化供配水的決策工具。
現(xiàn)場測試標準：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)學模型校核標準：正確設置誤差范圍，并使模型在校核過程中，控制在允許誤差限以內。
2.“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型”的質量分析標準
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型”的質量分析標準是：所有數(shù)據(jù)測試準確、經過驗收；系統(tǒng)數(shù)學模型結構設計合理。
3.4城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)的運行環(huán)境
“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”建成以后，在正式投入運行時，是將該系統(tǒng)并入“城市供配水管網管理信息系
統(tǒng)”之中，對于一個城市自來水公司來說，“城市供配水管網管理信息系統(tǒng)”的總體結構可如下圖4所示。
4.結束語
“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重缺水的干旱地區(qū)更是如此；世界上發(fā)達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)”確實是建設節(jié)水型城市的必備工具。
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