供水管網(wǎng)水力模型與優(yōu)化調(diào)度模型的建立與展望

劉濟(jì)嘉

（沈陽建筑大學(xué)，市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 100168）

0 引言

上世紀(jì)六十年代，國外就把計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于供水系統(tǒng)的管理與調(diào)度中，近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和人們生活水平的提高，國家城鄉(xiāng)建設(shè)部最近頒布的相關(guān)的文件中明確提出，人們對水的需求增大對供水企業(yè)提出了更高的要求，提高供水水質(zhì)和供水安全可靠性，降低供水能耗、管網(wǎng)漏損和藥耗是供水企業(yè)目前亟需解決的問題。要解決這些問題的前提與基礎(chǔ)是實(shí)時(shí)的掌握輸水系統(tǒng)的水量，水壓，水頭損失，漏失量等其他細(xì)節(jié)運(yùn)行情況，這些信息通過遙感設(shè)備變?yōu)閿?shù)字信息傳遞到中心控制室，通過這些返回的技術(shù)參數(shù)研究人員就可以對供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷并作出相應(yīng)的決策。

城市供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度主要分為預(yù)測，管網(wǎng)水力模型和優(yōu)化調(diào)度，工作人員可以通過他們遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況。根據(jù)預(yù)測周期的長短，城市用水量預(yù)測的范圍很寬，大到城市年用水量預(yù)測、小到城市時(shí)用水量預(yù)測都可以進(jìn)行預(yù)測；通過微觀水力模型和宏觀水力模型可以建立供水系統(tǒng)水力計(jì)算模型；優(yōu)化調(diào)度模型可以根據(jù)水力模型的顯示結(jié)果自動制定決策。

1 城市水量預(yù)測模型

通過對某一時(shí)段的用水量歷史數(shù)據(jù)資料建立模型來估計(jì)后一時(shí)段的用水量的方法叫城市用水量預(yù)測。供水系統(tǒng)預(yù)測模型可以預(yù)測水量的時(shí)間跨度很大，根據(jù)預(yù)測時(shí)間跨度可以分成短期預(yù)測和長期預(yù)測。短期預(yù)測主要依據(jù)最新的實(shí)際用水量數(shù)據(jù)來預(yù)測未來幾天的水量，作用是對未來幾天管網(wǎng)中水的調(diào)度提前預(yù)計(jì)并制定決策措施，以免水量突發(fā)引起的管網(wǎng)故障。長期預(yù)測的結(jié)果主要為城市規(guī)劃，水廠規(guī)劃以及管網(wǎng)的建設(shè)等提供依據(jù)，它是根據(jù)目前某城市的人均生產(chǎn)總值和人口的增長速度等基本參數(shù)進(jìn)行的粗略預(yù)測。

1.1 邏輯性預(yù)測法

在用水量預(yù)測過程中，邏輯性預(yù)測法(原因預(yù)測法)是通過假定系統(tǒng)中輸出變量和輸入變量之間存在邏輯的因果關(guān)系，通常考慮溫度、氣候、濕度之間的內(nèi)在關(guān)系以及與城市用水量的關(guān)系構(gòu)建出的函數(shù)關(guān)系式，有邏輯依據(jù)，可以普遍讓人接受且預(yù)測方法準(zhǔn)確。但是，該類模型需要大量的基礎(chǔ)資料，預(yù)報(bào)較為復(fù)雜，從而限制了廣泛運(yùn)用。

1.2 時(shí)間數(shù)據(jù)分析法

通過分析時(shí)間上相鄰有序數(shù)據(jù)并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測城市水量的方法叫時(shí)間數(shù)據(jù)分析法。該方法在預(yù)測過程中認(rèn)為序列中的結(jié)果只與時(shí)間有關(guān)，而不考慮其他因素的影響也就是只考慮觀測值和預(yù)測結(jié)果之間的變化關(guān)系，歷史數(shù)據(jù)資料的模式完全決定預(yù)測的整個(gè)模型，因此時(shí)間序列預(yù)測方法更快捷、高效，但實(shí)際上水量預(yù)測與眾多因素有關(guān)所以該方法缺乏理論性，不能在理論上判別預(yù)測值的正確性及誤差范圍等。常用的時(shí)間序列分析方法如下：

（1）移動算數(shù)平均預(yù)測法

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，算數(shù)平均數(shù)是較好的序列估計(jì)量，但其缺點(diǎn)是無法反應(yīng)數(shù)據(jù)的變化情形，移動算數(shù)平均法能較好的解決普通算數(shù)平均預(yù)測方法的不足。該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單水量預(yù)測的數(shù)據(jù)較保守，缺點(diǎn)是需要大量歷史基礎(chǔ)資料，且預(yù)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律照比實(shí)際變化趨勢有滯后性，水量變化大的城市的水量預(yù)測，只適用于水量變化較平穩(wěn)的城市的水量預(yù)測。

（2）單指數(shù)平滑法

單指數(shù)平滑法計(jì)算方便且需要的基礎(chǔ)資料較少，因而得到廣泛的應(yīng)用，但該方法水量預(yù)測的結(jié)果并不十分準(zhǔn)確。相比移動算數(shù)平均法需要大量數(shù)據(jù)，單指數(shù)平滑法只需要獲得當(dāng)前時(shí)段及上一時(shí)段的觀測數(shù)據(jù)X、Yt及平滑參數(shù)a，單指數(shù)平滑模型就能進(jìn)行一個(gè)周期的預(yù)測，模型如式（1）所示，其中xt 為時(shí)間序列值，a為平滑常數(shù)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，取值大約在0.01-0.3 之間，當(dāng)a 取值較小時(shí)，用水量隨時(shí)間變化較為緩慢，預(yù)測結(jié)果較為平滑，當(dāng)a 較大時(shí)，用水量預(yù)測值隨時(shí)間變化較為敏感。

（3）回歸預(yù)測法

建立回歸模型所需要的條件是一個(gè)時(shí)間序列y1，y2，y3，y4…yt的歷史數(shù)據(jù)資料平均數(shù)u，水量預(yù)測回歸模型的模型公式如圖（2）所示，其中et為測量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的估計(jì)誤差；Φ1、Φ2、…、Φp為水量預(yù)測模型回歸系數(shù)；p為水量階數(shù)；yt-1、yt-2、…、yt-p分別為歷史p個(gè)時(shí)段的觀測資料。

（4）自回歸移動平均預(yù)測模型

建立P階自回歸移動平均混合模型時(shí)需要把自回歸、移動平均模型都包括在內(nèi)，模型方程式如式（3）所示，其中φ1、φ2、…、φp，θ1、θ2、…、θp為模型系數(shù)。。

（5）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法

城市短期用水量預(yù)測的輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系不屬于線性類型，有學(xué)者認(rèn)為他們之間的關(guān)系是“非線性多變量離散排布”。影響城市短期用水量預(yù)測的輸入與輸出之間關(guān)系的因素十分復(fù)雜，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠精確的描述出輸入量與輸出量之間的復(fù)雜因果關(guān)系，因此可以建立BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決城市短期用水量預(yù)測問題。設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測城市用水量，首先需要確定輸入層，隱含層，輸出層的數(shù)量及它們的關(guān)系，如圖（1）所示，利用城市前n 天的用水量X（t）（t=1，2，…，n）對設(shè)計(jì)好的模型進(jìn)行馴化，再利用馴化好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測第（n+1）天的用水量。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2 供水管網(wǎng)水力計(jì)算模型的建立

2.1 宏觀水力模型

供水管網(wǎng)的流量服從“比例負(fù)荷”，該水力管網(wǎng)的建?？梢詰?yīng)用宏觀水力模型，該模型可以考察給水系統(tǒng)的“輸入量”與“輸出量”之間的關(guān)系。和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣，它也是基于“黑箱理論”，它忽略系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)且無需求解復(fù)雜的高階非線性方程組，所以該模型的計(jì)算速度比一般速度快，反應(yīng)靈敏，能快速的反應(yīng)管網(wǎng)宏觀模型的運(yùn)行狀態(tài)，但計(jì)算精度不高。

水廠的送水壓力和供水流量等實(shí)測數(shù)據(jù)是管網(wǎng)宏觀水力模型的基礎(chǔ)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法建立經(jīng)驗(yàn)公式，通過經(jīng)驗(yàn)公式求解表征供水系統(tǒng)狀態(tài)的幾個(gè)特征參數(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，所需原始資料少等，但建模的精度不高，且只適用于滿足“比例負(fù)荷”的供水管網(wǎng)。在實(shí)際工程中管網(wǎng)一天內(nèi)用水量往往不滿足比例負(fù)荷的要求，在不滿足要求時(shí)，可將一天分成若干時(shí)段，近似認(rèn)為每個(gè)時(shí)段內(nèi)的比例關(guān)系固定不變，即該時(shí)段內(nèi)基本上滿足“比例負(fù)荷”條件，就可以應(yīng)用宏觀模型估計(jì)計(jì)算。

2.2 管網(wǎng)微觀模型及建立基本原理

供水管網(wǎng)微觀模型通過建立管網(wǎng)的連續(xù)性方程和能量方程組分析供水系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，獲得管網(wǎng)中各種詳細(xì)的運(yùn)行參數(shù)，比如管段的流量、管內(nèi)流速、各管段壓力水頭、節(jié)點(diǎn)的局部水頭損失、漏失量等。它能直接運(yùn)用管網(wǎng)資料的全部信息資料庫，得到的結(jié)果數(shù)據(jù)詳細(xì)全面，但該方法計(jì)算工作量大，計(jì)算時(shí)間長，所需原始資料多。在實(shí)際工程中由于管線過于復(fù)雜復(fù)雜且次要管線對整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的影響不大，通常保留主要管線，省略次要的管線，以化簡管路簡化運(yùn)算，但簡化時(shí)要注意簡化后的管網(wǎng)仍然能夠反映實(shí)際的供水情況。管網(wǎng)微觀模型能實(shí)時(shí)監(jiān)測管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，對于供水管網(wǎng)的科學(xué)現(xiàn)代化管理有積極的作用。

給水管網(wǎng)計(jì)算的實(shí)質(zhì)是聯(lián)合求解連續(xù)性方程、能量方程和降壓方程。計(jì)算環(huán)狀管網(wǎng)時(shí)，首先需要滿足連續(xù)性方程，之后對供水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)流量初步分配，并根據(jù)初分配的流量確定管徑之后，帶入能量方程求出流量校正，根據(jù)流量差值對管道的流量進(jìn)行再分配，反復(fù)計(jì)算直至管網(wǎng)滿足能量方程的要求，此過程叫做管網(wǎng)平差，一般采用Hardy Cross法。

3 水力管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 水力管網(wǎng)的直接優(yōu)化調(diào)度

水力管網(wǎng)的直接優(yōu)化調(diào)度的決策變量是水泵的運(yùn)行方案，直接優(yōu)化調(diào)度適用于泵站規(guī)模較小，水泵種類及數(shù)量較少，缺少調(diào)速泵的情況下，水泵運(yùn)行方案的改變主要指水泵的開啟狀態(tài)和水泵轉(zhuǎn)速。

3.2 水力管網(wǎng)的兩級優(yōu)化調(diào)度

水力管網(wǎng)的兩級優(yōu)化調(diào)度的決策變量是送水泵房的出口流量，首先確定調(diào)度周期內(nèi)泵房的流量分配，在流量分配基礎(chǔ)上二級尋優(yōu)，獲得水泵的運(yùn)行方案。兩級優(yōu)化調(diào)度適用于供水規(guī)模大，水泵運(yùn)行組合數(shù)多，泵站內(nèi)安裝有調(diào)速泵，可調(diào)余地大的供水系統(tǒng)。

4 城市水利模型的發(fā)展展望

（1）城市的用水量由國民平均生產(chǎn)總值、城市人口數(shù)量、人民生活水平、工業(yè)發(fā)展水平等多個(gè)因素共同影響。當(dāng)前研究的重點(diǎn)是考慮城市水量預(yù)測與上述因素之間的關(guān)系，再結(jié)合城市用水的影響因子建立科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測方法。

（2）建立延時(shí)動態(tài)的多工況水力模型，基于微觀水力模型的在線優(yōu)化調(diào)度，提高模型軟件在不同城市的通用性是未來研究的重點(diǎn)。

［1］袁一星.城市給水管網(wǎng)工況模擬技術(shù)及其應(yīng)用的研究：［北京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文］.北京：北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2005，70-75.

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