自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)

蔡仲華，鄧俊賢，溫韶雄

（佛山市西江供水有限公司，廣東佛山 528599）

1 自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)

生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)以經(jīng)驗(yàn)分析預(yù)判模式運(yùn)營，以實(shí)用的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合人為主觀的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律，自動(dòng)化預(yù)測(cè)出供水需求。同時(shí)根據(jù)人為設(shè)定的特定目的條件，自動(dòng)化演算最合適的調(diào)度操作方案，并能隨著系統(tǒng)自身運(yùn)營和數(shù)據(jù)積累的增加，不斷調(diào)整、完善各級(jí)演算關(guān)系，不斷提高系統(tǒng)輸出的預(yù)測(cè)需求，比對(duì)計(jì)算方案現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)情況的準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)具備以下功能：①自動(dòng)化地實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)；②預(yù)測(cè)未來24 h 的各級(jí)水量需求數(shù)據(jù)；③從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反向演算出合適的調(diào)度（水量分配）方案；④使用者能根據(jù)不同的權(quán)限，可從系統(tǒng)外部方便地查詢、各級(jí)原始數(shù)據(jù)和演算結(jié)果；⑤調(diào)試演算過程。

2 系統(tǒng)顯示模板

自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)的顯示模板位于應(yīng)用層，通過對(duì)數(shù)據(jù)的提取、運(yùn)算、整合，形成以調(diào)度數(shù)據(jù)為主要呈現(xiàn)、交互的窗口，建立自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)（圖1、圖2）。

圖1 自來水廠生產(chǎn)流程

圖2 自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)的模塊

3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和功能

基于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全、操作便利、開發(fā)維護(hù)的職責(zé)、數(shù)據(jù)應(yīng)用的持續(xù)發(fā)掘擴(kuò)展等因素的綜合考慮，初步設(shè)計(jì)將系統(tǒng)分為4 個(gè)部分，各部分之間的數(shù)據(jù)可相互調(diào)用輸出輸入，但堅(jiān)持各自獨(dú)立運(yùn)作和演算，獨(dú)立儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

（1）A 部分：通過自動(dòng)化不間斷采集大量的與調(diào)度意義有關(guān)聯(lián)的各類數(shù)據(jù)，如水量、壓力、能耗等數(shù)據(jù)，不斷地儲(chǔ)存、生成“事實(shí)數(shù)據(jù)庫”（以下簡(jiǎn)稱A 庫）。

（2）B 部分：通過人的主動(dòng)觀察思考，在事實(shí)數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)中設(shè)計(jì)出一系列的關(guān)聯(lián)運(yùn)算，自動(dòng)得出所關(guān)注的數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)之間的變量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)規(guī)律的數(shù)字化提取，不斷地儲(chǔ)存、生成“經(jīng)驗(yàn)變量參考數(shù)據(jù)庫”（以下簡(jiǎn)稱B 庫）。

（3）C 部分：以A 庫的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為參考，通過人主動(dòng)觀察思考而設(shè)計(jì)出的模式，在B 庫中篩選適合的變量數(shù)據(jù)，用以預(yù)測(cè)當(dāng)前未來時(shí)段（24～120 h）的調(diào)度需求數(shù)據(jù)，如預(yù)測(cè)壓力、水量等，持續(xù)地生成實(shí)時(shí)的“需求預(yù)測(cè)參考數(shù)據(jù)庫”（以下簡(jiǎn)稱C 庫）。

（4）D 部分：以C 庫中的需求數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照人為設(shè)定的目標(biāo)條件，如水量的生產(chǎn)、輸送分配、開泵組合等，反向推算生成符合調(diào)度意義的“調(diào)度操作參考數(shù)據(jù)庫”（以下簡(jiǎn)稱D 庫）。

系統(tǒng)的最高管理者可在A～D 所有4 個(gè)部分查詢各自的外部界面數(shù)據(jù)和演算結(jié)果，以及調(diào)整內(nèi)部各類演算邏輯；系統(tǒng)的一般維護(hù)管理者可在B、C、D 部分查詢各自的外部數(shù)據(jù)和演算結(jié)果，調(diào)整調(diào)整各類演算邏輯；系統(tǒng)的一般使用者僅可在C 和D部分查詢數(shù)據(jù)和演算結(jié)果。

4 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型和內(nèi)部關(guān)聯(lián)

4.1 A 庫

A 庫內(nèi)部需要自動(dòng)化收集的數(shù)據(jù)類型：

（1）縱向數(shù)據(jù)列，包括準(zhǔn)確的日期時(shí)間，如每10 min 一次。

（2）橫向數(shù)據(jù)行，包括內(nèi)部生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如公司內(nèi)能采集的數(shù)據(jù)：①各個(gè)流量計(jì)（含水廠、加壓站、供水片區(qū)、接入點(diǎn)）的瞬時(shí)壓力、瞬時(shí)流量、累計(jì)水量；②水源河水水位、水廠清水池水位、加壓站清水池水位；③水廠、加壓站各臺(tái)水泵的頻率、電度電耗、開機(jī)時(shí)長(zhǎng)、開機(jī)組合搭配。

（3）外部環(huán)境數(shù)據(jù)，如社會(huì)上公開的應(yīng)用數(shù)據(jù)：環(huán)境溫度，濕度，風(fēng)力，降雨量，日照時(shí)長(zhǎng)，節(jié)假日標(biāo)簽，模糊季節(jié)標(biāo)簽等。

A 庫為系統(tǒng)從各方面自動(dòng)客觀地收集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，完全建立后不應(yīng)人為干預(yù)其運(yùn)算。A 庫應(yīng)具備對(duì)異常原始數(shù)據(jù)的判斷、修正功能。A 庫需要一個(gè)可供查詢所有數(shù)據(jù)的操作界面。

4.2 B 庫

B 庫是人為觀察A 庫中的數(shù)據(jù)，尋找各類數(shù)據(jù)的關(guān)系，從而設(shè)計(jì)一系列的演算變量系數(shù)，初步包括：季節(jié)、天氣、時(shí)段、水量、壓力的相互關(guān)系，水位、壓力、電耗的相互關(guān)系，水泵組合、水量、電耗的相互關(guān)系等。B 庫需要由具備數(shù)據(jù)庫專業(yè)技術(shù)的人員來操作維護(hù)，主觀地長(zhǎng)期觀察、思考總結(jié)，不斷調(diào)整優(yōu)化其內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定和篩選分類。

4.3 C 庫

C 庫生成預(yù)測(cè)出當(dāng)前至未來24 h 的供水需求的界面，如壓力、水量等，同時(shí)也要求能顯示往年同期、前一周同日和前一日的歷史數(shù)變化率作為參考對(duì)比。C 庫需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)數(shù)與即時(shí)發(fā)生實(shí)際數(shù)的對(duì)比準(zhǔn)確率供參考。

C 庫是A 庫和B 庫數(shù)據(jù)之間純粹客觀的演算，完全建立后一般情況下不需人為干預(yù)其運(yùn)算。但對(duì)于臨時(shí)調(diào)整的水量和壓力需求，要建立一個(gè)可供外部輸入修正的欄目以最終確認(rèn)。系統(tǒng)建立的初期，C 庫可簡(jiǎn)單先按照前一天的水量和壓力來預(yù)測(cè)，中后期應(yīng)逐步隨著B 庫經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的不斷完善，不斷提高自動(dòng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。

4.4 D 庫

D 庫的初期目標(biāo)為根據(jù)簡(jiǎn)單的調(diào)度目的條件，如保障清水安全運(yùn)行池水位、減少取水泵站開停機(jī)操作等，來反向推算生產(chǎn)抽水量、輸水量、供水量的分配模式。D 庫需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)數(shù)與即時(shí)發(fā)生實(shí)際數(shù)的對(duì)比準(zhǔn)確率，以驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)算準(zhǔn)確性，反饋于維護(hù)人員不斷優(yōu)化B 庫和D 庫的運(yùn)算邏輯，也提醒調(diào)度操作人員對(duì)系統(tǒng)的執(zhí)行程度。D 庫未來應(yīng)逐步隨著B 庫經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的不斷完善，以及D 庫內(nèi)部運(yùn)算規(guī)則的不斷優(yōu)化，提供更準(zhǔn)確、更多樣、更詳細(xì)的水量和壓力分配方案。

未來設(shè)想研究開發(fā)以下抽象概念的調(diào)度前提條件：①應(yīng)急安全系數(shù)，包括應(yīng)急處置備用時(shí)間、應(yīng)急事故和處置的后果成本等；②操作難度系數(shù)，包括人力工時(shí)成本、操作復(fù)雜性和容錯(cuò)性等；③經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)，包括能耗、售水量等因素。

5 自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)軟件實(shí)例

根據(jù)上文的設(shè)計(jì)思路，使用VUE+ELEMENT 前端和JAVA 后端的結(jié)合方式，為某供水公司建立了自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)，系統(tǒng)功能包括了數(shù)據(jù)展示、導(dǎo)出，以及運(yùn)算條件的錄入和提供調(diào)度方案等（圖3）。系統(tǒng)界面白色底部分顯示以往實(shí)際發(fā)生的歷史數(shù)據(jù)，深色底部分是系統(tǒng)對(duì)未來的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，操作人員可以很直觀地查看到過往的數(shù)據(jù)和未來的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)測(cè)的各級(jí)水量數(shù)據(jù)，按照操作者輸入的具體調(diào)度條件的設(shè)置，如清水池水位高低限制、每班次的開關(guān)機(jī)次數(shù)等要求，自動(dòng)求出最優(yōu)解的調(diào)度模式。

圖3 自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)主界面

6 結(jié)語

通過對(duì)自來水廠生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)建立的探討，在不改變自來水廠原有自動(dòng)化控制設(shè)備的前提下，用生產(chǎn)調(diào)度輔助系統(tǒng)提供的輔助調(diào)度方案提高自來水廠操作人員的工作效率，使自來水廠安全、持續(xù)、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。希望通過本文的探討能進(jìn)一步提升自來水廠的自動(dòng)化控制水平，讓自來水廠生產(chǎn)不斷向智能化邁進(jìn)。