面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)研究

盛 喆， 孫 悅

(1.中移(蘇州)軟件技術(shù)有限公司， 江蘇 蘇州 215153； 2.蘇州科技城醫(yī)院， 江蘇 蘇州 215153)

近年來南水北調(diào)工程取得了重大的進(jìn)展，東線和中線工程相繼通水，為我國北方缺水地區(qū)提供了大量的生產(chǎn)生活用水。隨著調(diào)水工作的逐步展開，泵站系統(tǒng)的調(diào)水能力受到了嚴(yán)重的考驗(yàn)。早期泵站系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)主要采用人工巡查的方式，有著成本高、工作量大、應(yīng)急能力差等諸多的缺點(diǎn)。目前許多的泵站實(shí)施了計(jì)算機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)改造，大大提高了泵站系統(tǒng)的工作能力。但由于受建設(shè)時(shí)條件所限，仍然存在著監(jiān)測信息不全、數(shù)據(jù)同步延遲、數(shù)據(jù)利用率低等不足。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題提供了一個(gè)全新的思路。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度研究，構(gòu)建了一個(gè)面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。希望研究能為將來泵站系統(tǒng)的升級(jí)提供參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)

近年來，隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，萬物互聯(lián)逐漸成為可能。其實(shí)，早在20世紀(jì)90年代，物聯(lián)網(wǎng)的概念便已提出。2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了“TheInternetofThings”年度報(bào)告，從功能和技術(shù)的角度對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的概念進(jìn)行了解釋。功能上，ITU認(rèn)為世界上所有的物體都可以通過因特網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)的互聯(lián)；技術(shù)上，ITU認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)涉及射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)和智能嵌入技術(shù)等。

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由傳感器、RFID標(biāo)簽、視頻監(jiān)控設(shè)備等組成，主要功能是識(shí)別物體、采集信息；網(wǎng)絡(luò)層是信息傳遞的通道，連接了感知層和應(yīng)用層，目前網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用的技術(shù)有：5G、4G、Zigbee、WLAN、GPRS等各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用層是系統(tǒng)和外部的接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能應(yīng)用。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、方案制定及實(shí)施和數(shù)據(jù)管理的功能，提高泵站系統(tǒng)的工作效率、降低泵站系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

2 面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)建的面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

從圖中可知，感應(yīng)層包括各種傳感器和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像頭。根據(jù)現(xiàn)場情況劃分監(jiān)測點(diǎn)，在各監(jiān)測點(diǎn)按照需求布置傳感器，在各機(jī)組、主控室等監(jiān)控點(diǎn)安裝數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像頭。網(wǎng)絡(luò)層由Zigbee局域網(wǎng)和5G無線模塊組成。泵站一般處在偏僻地段，監(jiān)測點(diǎn)位置大多不方便布線，因此宜采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。Zigbee局域網(wǎng)有著成本低、功耗低、時(shí)延短、安全性高、網(wǎng)絡(luò)容量大、自組織和自愈能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合近距離電子設(shè)備之間的無線通訊。Zigbee局域網(wǎng)和各種傳感器組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，WSN能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全快速傳輸。5G技術(shù)是4G、3G標(biāo)準(zhǔn)的延伸，有著高速率、低延時(shí)、大容量、更節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)中采用5G技術(shù)傳輸WSN監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控設(shè)備的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)。應(yīng)用層由中間件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、決策支持模塊、調(diào)度執(zhí)行模塊以及人機(jī)交互界面組成。中間件讀取5G模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，丟棄冗余數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一格式存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用戶可以通過人機(jī)交互界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看管理。當(dāng)上級(jí)部門下達(dá)調(diào)水任務(wù)時(shí)，決策支持模塊利用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)和優(yōu)化算法計(jì)算調(diào)度方案，然后將方案遞交給調(diào)度執(zhí)行模塊執(zhí)行。

2.2 系統(tǒng)功能的劃分

面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)從功能角度可分為4個(gè)功能模塊，分別是：人機(jī)交互界面、監(jiān)測子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)、調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)，各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

2.2.1 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面是系統(tǒng)與外部交互的接口，主要功能包括：接受管理部門的提水任務(wù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、制作分析曲線、生成數(shù)據(jù)報(bào)表、打印等，功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 監(jiān)測子系統(tǒng)

監(jiān)測子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的“感覺器官”，見圖4。監(jiān)測子系統(tǒng)包括：用于測量揚(yáng)程的差壓傳感器、用于測量流量的電磁流量計(jì)、用于測量機(jī)組轉(zhuǎn)速和扭矩的扭矩儀、用于測量真空度的真空壓力變送器、用于測量大氣壓的空盒氣壓計(jì)、用于測量水溫的智能測溫儀表、用于測量機(jī)組電流電壓的電壓表電流表等，以及用于視頻監(jiān)控的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像頭。

2.2.3 決策支持子系統(tǒng)

Applicable Discussion on Air Supported Belt Conveyor in Power Plant ZENG Bing,CHEN Yanlin,LUO Yudong(115)

在介紹決策支持子系統(tǒng)前需對(duì)一些概念進(jìn)行說明。

日均揚(yáng)程統(tǒng)計(jì)表，指的是某一泵站所處固定水域的全年日均揚(yáng)程變化統(tǒng)計(jì)表。對(duì)于一個(gè)固定水域，它的揚(yáng)程變化主要受豐枯水期和潮汐變化影響，根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)分析可得該地全年日均揚(yáng)程變化統(tǒng)計(jì)表。

分時(shí)電價(jià)表，指的是某一地區(qū)不同時(shí)段的電價(jià)表，從當(dāng)?shù)氐奈飪r(jià)部門可獲取到。

流量—揚(yáng)程、流量—裝置效率性能方程，指的是泵站所處的固定水域，機(jī)組流量和揚(yáng)程以及機(jī)組流量和裝置效率的性能方程。通過對(duì)流量、揚(yáng)程、裝置效率數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合可得。

對(duì)于某一泵站，其日均揚(yáng)程統(tǒng)計(jì)表、分時(shí)電價(jià)表和揚(yáng)程—流量、流量—裝置效率性能方程均存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中?？紤]到短時(shí)間內(nèi)揚(yáng)程變化較小，可用執(zhí)行提水任務(wù)前一天的日均揚(yáng)程近似替代執(zhí)行提水任務(wù)當(dāng)天的日均揚(yáng)程。當(dāng)決策支持子系統(tǒng)接收到提水任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的歷史優(yōu)化方案表中匹配提水任務(wù)和日均揚(yáng)程，如果匹配成功，則不需要計(jì)算，直接調(diào)用匹配到的歷史優(yōu)化方案；如果匹配失敗，調(diào)用優(yōu)化算法計(jì)算出優(yōu)化方案，并將提水任務(wù)、日均揚(yáng)程和優(yōu)化方案存儲(chǔ)到歷史優(yōu)化方案表中。決策支持子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)功能模塊

圖3 人機(jī)交互界面結(jié)構(gòu)

圖4 監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 決策支持子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.4 調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)

調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)接受從決策支持子系統(tǒng)傳來的優(yōu)化方案，按照優(yōu)化方案決定各機(jī)組開停機(jī)，對(duì)開機(jī)機(jī)組利用液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)組葉片角。決策支持子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 決策支持子系統(tǒng)中的優(yōu)化算法

2.3.1 數(shù)學(xué)模型

一座泵站一般有多臺(tái)機(jī)組，各機(jī)組型號(hào)可能相同也可能不同，但即便是同種型號(hào)機(jī)組由于制造、安裝及布置等的影響，各機(jī)組間的實(shí)際性能也會(huì)有所不同[10]。因此，在數(shù)學(xué)模型中應(yīng)考慮到機(jī)組之間的差異性。考慮分時(shí)電價(jià)和水位變化，將一天劃分為SN段，對(duì)于一座有著JZ臺(tái)機(jī)組的泵站，以泵站總耗電費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)、總體水量和機(jī)組額定功率為約束條件、各時(shí)段機(jī)組開停機(jī)和機(jī)組葉片角為決策變量，建立泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型。為方便模型描述，定義如下變量，見表1。

模型數(shù)學(xué)描述如下：

目標(biāo)函數(shù)：

(1)

提水量約束：

(2)

功率約束：

(3)

2.3.2 模型求解

上述模型是較為復(fù)雜的帶約束條件的單目標(biāo)多約束模型，本文采用改進(jìn)編碼方式的動(dòng)態(tài)懲罰函數(shù)遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解。求解過程分為約束條件處理和遺傳算法求解2個(gè)步驟。

第一步，約束條件的處理。首先是提水量約束，本文采用動(dòng)態(tài)懲罰函數(shù)法處理提水量約束，懲罰函數(shù)設(shè)計(jì)如下[11]：

(4)

其中，

(5)

式中：P表示動(dòng)態(tài)懲罰函數(shù)，g(θ)表示實(shí)際提水量與提水任務(wù)的差值。C、α、β為調(diào)節(jié)懲罰大小的常參數(shù)，t為迭代次數(shù)。隨著迭代次數(shù)的增加，即t增大，懲罰項(xiàng)也增大，對(duì)不可行解的懲罰加大。隨著迭代進(jìn)程的深入，不可行解拋棄的進(jìn)程加快，使得整體算法有較快的收斂速度[12]。

其次是功率約束，如式(3)所示機(jī)組電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率不大于機(jī)組電動(dòng)機(jī)額定功率。本文在優(yōu)化計(jì)算前提前處理功率約束，這樣可降低優(yōu)化計(jì)算的復(fù)雜程度[13-14]。根據(jù)式(3)可計(jì)算出各個(gè)時(shí)段每臺(tái)機(jī)組滿足功率約束的葉片角。

第二步，遺傳算法求解。本文改進(jìn)了經(jīng)典遺傳算法的編碼方式，用2條染色體表示1個(gè)個(gè)體，1條染色體表示機(jī)組在各個(gè)時(shí)段的開停機(jī)情況，1條染色體表示機(jī)組在各時(shí)段的葉片角。兩條染色體各自獨(dú)立的進(jìn)行遺傳操作，這樣可提高種群的多樣性。本文中的模型是最小值問題，為方便選擇操作需轉(zhuǎn)化成最大值問題。考慮到適應(yīng)度非負(fù)的要求，可選擇一個(gè)相對(duì)較大的常數(shù)Cmax，用Cmax減去目標(biāo)函數(shù)，再加上懲罰函數(shù)P，可得適應(yīng)度函數(shù)如下：

(6)

表1 變量說明

算法的具體描述，見表2。

表2 算法過程

2.3.3 江都三站實(shí)例求解

江都三站由10臺(tái)2000ZLQ13.7—7.8型泵組成，機(jī)組額定功率1600kW，葉片角調(diào)整范圍為[-6°,+4°][15]。在日均揚(yáng)程3.8m，日提水任務(wù)9.4×106m3(60%負(fù)荷)情況下采用2.3.2節(jié)方法對(duì)江都三站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型求解。求解結(jié)果如表3所示。

表3 江都三站站內(nèi)優(yōu)化求解結(jié)果

注：1表示開機(jī)，0表示不開機(jī)，不開機(jī)時(shí)表格中葉片角空出。

從表3可知，總提水量為9.697×106m3，滿足提水量約束，此時(shí)總費(fèi)用為10.24萬元。因此，本文采用的改進(jìn)編碼方式的動(dòng)態(tài)懲罰函數(shù)遺傳算法能很好的求解泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型。

3 結(jié) 語

本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入構(gòu)建了面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)測、方案制定、調(diào)度實(shí)施和數(shù)據(jù)管理等功能的整合。提高了泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度工作的效率和整個(gè)系統(tǒng)的信息化水平。隨著通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，通過物聯(lián)網(wǎng)改造傳統(tǒng)泵站管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)泵站調(diào)度管理的智能化是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。