數(shù)字化水務(wù)平臺建設(shè)發(fā)展趨勢與優(yōu)勢

馬 悅

(寧波水表(集團(tuán))股份有限公司，浙江寧波315000)

近年來中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，有效推動了城市化進(jìn)程不斷加快，供水管網(wǎng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，日益凸顯出其安全運(yùn)行管理對城市發(fā)展的重要性。供水管網(wǎng)運(yùn)行管理水平的高低，涉及城市的資源、環(huán)境、能耗等眾多方面的有效管控和利用，直接關(guān)系著城市的承載能力和運(yùn)行效率。要保障城市水務(wù)設(shè)施高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須及時(shí)、準(zhǔn)確、全面、系統(tǒng)地掌握各類相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，并力求做到精準(zhǔn)化調(diào)控，而傳統(tǒng)運(yùn)管模式難以實(shí)現(xiàn)，必須借助于數(shù)字化水務(wù)公共服務(wù)平臺，充分利用互聯(lián)網(wǎng)思想架構(gòu)，及時(shí)、有效匯集相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，通過云計(jì)算、模擬仿真、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)判并及時(shí)反饋有效指令。

1 背景

近年來，“智慧水務(wù)”是水行業(yè)研究和討論的熱點(diǎn)。完美的智慧化，首先要具備透徹的狀態(tài)感知，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地獲取各水務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，以確保管線及附屬設(shè)施等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性、監(jiān)測點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性、計(jì)量設(shè)備布設(shè)的合理性和生命周期管理的效率性等，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全面的信息互聯(lián)，利用模型、數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算等方法實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)、調(diào)度的科學(xué)指導(dǎo)。

但是截至目前，在行業(yè)實(shí)際應(yīng)用中并沒有建立特別顯著和具有突出應(yīng)用效果口碑的工程標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，絕大部分供水企業(yè)仍然是依靠人的經(jīng)驗(yàn)管理實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)調(diào)度和生產(chǎn)控制管理，分析認(rèn)為核心問題在于“數(shù)據(jù)”未能得到真正的挖掘和價(jià)值體現(xiàn)。

一是對管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。GIS作為管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中心，很多供水企業(yè)均已對其進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)，但這絕不是一項(xiàng)單純的項(xiàng)目工程，而是一項(xiàng)長期的系統(tǒng)工程，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)因原始數(shù)據(jù)資料缺失可能導(dǎo)致普查數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)很大的偏差，一定要通過后期的工程維修、巡檢巡查、新改擴(kuò)建工程等動態(tài)流程管理來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的糾正及補(bǔ)充，最終不斷提升管網(wǎng)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，從而具備支撐計(jì)算和輔助計(jì)算的能力。

二是對管網(wǎng)中監(jiān)測點(diǎn)位置的布設(shè)缺乏科學(xué)、合理的依據(jù)。管網(wǎng)中所有被采集數(shù)據(jù)——實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，應(yīng)具有高度的可計(jì)算或指導(dǎo)計(jì)算結(jié)果糾偏的價(jià)值，在投資成本受限的情況下，應(yīng)選擇性價(jià)比最優(yōu)方案，再根據(jù)布設(shè)原則有條件地增加。不同城鎮(zhèn)的供水管網(wǎng)根據(jù)地形地貌、人口分布密度、大用水戶用水量規(guī)律及管材管徑設(shè)置等因素，都有其各自的運(yùn)行特點(diǎn)，要科學(xué)布設(shè)參數(shù)采集點(diǎn)，應(yīng)盡量優(yōu)先選擇管網(wǎng)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，包括供水不利點(diǎn)、末梢管段、瓶頸管段、長距離支線、用水量較低的斷頭管等，其數(shù)據(jù)對模型校核、水力計(jì)算都具有良好的支撐作用。

三是為了保證數(shù)據(jù)分析的全面性，需要將影響節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)波動的變量參數(shù)一并記入統(tǒng)計(jì)分析，明確受其影響的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)波動的范圍和原因，確保計(jì)算結(jié)果可信度高，才可保證所輸出的數(shù)據(jù)具有指導(dǎo)實(shí)際運(yùn)行的價(jià)值。

因此，為供水生產(chǎn)、調(diào)度提供科學(xué)有效的解決方案，首先要建立在完整、真實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，最終通過簡潔、直觀的全方位可視化界面，展示運(yùn)行工況數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析結(jié)果，聚焦問題、直擊痛點(diǎn)。而具備這樣系統(tǒng)性、可持續(xù)性和可拓展性服務(wù)能力的數(shù)字化平臺，將是今后智慧水務(wù)應(yīng)用發(fā)展的主要趨勢，也只有通過數(shù)字化水務(wù)公共平臺的系統(tǒng)分析服務(wù)，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值體現(xiàn)，讓供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)管理創(chuàng)新和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)型目標(biāo)，從而提升管理效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2 數(shù)字化水務(wù)公共服務(wù)平臺的建設(shè)

《水污染防治行動計(jì)劃》(“水十條”)的出臺，對防污染控制管理和漏損率提出了更為嚴(yán)苛的控制要求。近年來，水輿情事件頻有發(fā)生，尤其是水質(zhì)輿情事件本年度已攀升至總量的67%。水源地的污染防控，流域內(nèi)突發(fā)排污異常事件、冬季低溫水庫底層水富氧化問題嚴(yán)重、夏季高溫江河湖表層水富氧化問題嚴(yán)重等，對原水管理提出了更高的要求。管網(wǎng)中二次供水設(shè)施具備調(diào)蓄能力的箱式供水逐步被占地面積小、無二次污染的無負(fù)壓設(shè)備取代，但無負(fù)壓設(shè)備對進(jìn)水口壓力的要求較高，在用水高峰且時(shí)間集中期，極易因大量抽水導(dǎo)致管道負(fù)壓而引發(fā)水質(zhì)渾黃、有異味等污染事件發(fā)生；多水廠供水的水力分界線區(qū)域不明朗，混水區(qū)因壓力調(diào)配不力導(dǎo)致的水錘等突發(fā)爆管事件，或因供水方式不同，重力流供水與壓力供水臨界處瞬時(shí)壓力高頻震蕩引發(fā)的爆管事件等，均對供水管網(wǎng)安全運(yùn)行管理提出了更高、更嚴(yán)格的管理要求。

如何挖掘現(xiàn)有數(shù)據(jù)，通過對供水量、售水量、實(shí)際用水量、分區(qū)計(jì)量、總分表差量等進(jìn)行分析計(jì)算，在滿足終端用戶基本用水需求條件下，給出最合理的出廠服務(wù)壓力以及管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)分配的流量和壓力，使管網(wǎng)各個管段結(jié)合自身參數(shù)特點(diǎn)處于最經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)，是供水企業(yè)追求的終極目標(biāo)。這就要借助于信息化手段，通過系統(tǒng)連續(xù)性的數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)科學(xué)控漏目標(biāo)，并有效降低事故率，提高運(yùn)行效率。

2.1 水務(wù)公共服務(wù)平臺的建設(shè)理念

供水管網(wǎng)是一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，同一供水系統(tǒng)中，管網(wǎng)建設(shè)年代各不相同，承擔(dān)的卻是相同的輸配水任務(wù)和出廠服務(wù)壓力。同時(shí)，城市地下土壤環(huán)境不同，管線材質(zhì)種類繁多，敷設(shè)管線過程中的被動設(shè)計(jì)變更而導(dǎo)致的供水不利點(diǎn)的徒然增加，二次供水方式由箱式供水向無負(fù)壓供水方式的大規(guī)模轉(zhuǎn)變等，都是影響供水管網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素，對生產(chǎn)調(diào)度也提出了更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

隨著城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)的不斷發(fā)展和供水普及率的不斷提高，安全供水，供上優(yōu)質(zhì)水、放心水是所有供水企業(yè)努力的主要方向。建設(shè)綜合水務(wù)公共服務(wù)平臺，不僅可以通過水力計(jì)算滿足優(yōu)化生產(chǎn)、優(yōu)化調(diào)度的需求，實(shí)現(xiàn)安全供水目標(biāo)，還可以通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，科學(xué)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)供水目標(biāo)，在有效提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)提高社會效益，是保障安全供水的十分重要且必要的信息化建設(shè)手段。筆者以寧波水表(集團(tuán))股份有限公司(以下簡稱寧水集團(tuán))水務(wù)公共服務(wù)平臺項(xiàng)目的建設(shè)思路為例，說明平臺對水務(wù)行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)能力的發(fā)展優(yōu)勢。

2.2 水務(wù)公共服務(wù)平臺的建設(shè)內(nèi)容

平臺供水管理系統(tǒng)主要具有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、營銷優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化、漏損控制和預(yù)測預(yù)警管理等功能。

2.2.1 調(diào)度與節(jié)能降耗

科學(xué)優(yōu)化調(diào)度、降低運(yùn)行能耗始終是水務(wù)行業(yè)信息化建設(shè)的主要方向。借助大數(shù)據(jù)、在線水力和水質(zhì)模型、人工智能技術(shù)等構(gòu)建供水?dāng)?shù)字化水務(wù)平臺，通過準(zhǔn)確的水量預(yù)測和高效的水泵組合運(yùn)行控制，實(shí)現(xiàn)從原水輸送到二次供水的全系統(tǒng)協(xié)同節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行，提升供水生產(chǎn)和輸配過程中的機(jī)泵效率，最大程度節(jié)約供水能耗，是未來的發(fā)展趨勢。

近3年的年鑒數(shù)據(jù)顯示，水廠電耗占供水系統(tǒng)總電量的80%左右，普遍存在機(jī)組泵站運(yùn)行效率低下(約為50%～75%)的情況，一方面是因?yàn)樵O(shè)備本身陳舊老化，需要更新改造提升效率；另一方面則是泵站運(yùn)行調(diào)度仍以傳統(tǒng)人工經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏實(shí)用的優(yōu)化調(diào)度預(yù)案和運(yùn)管平臺，機(jī)泵運(yùn)行工況不夠合理，變頻調(diào)速不夠優(yōu)化，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的大量無效能耗增加了制水成本。加之城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，供水管網(wǎng)的不斷擴(kuò)張，規(guī)劃布局與管網(wǎng)自身結(jié)構(gòu)缺乏優(yōu)化節(jié)能考慮，單純?yōu)闈M足管網(wǎng)末端用水量要求，水廠出廠壓力過高，導(dǎo)致管網(wǎng)中大范圍存在壓力冗余情況，無形中增加了背景漏失量和暗漏漏量。

此外，隨著城市中高層建筑不斷增多，二次供水能耗在供水系統(tǒng)中的占比也逐年攀升。由于前期在設(shè)計(jì)過程中對節(jié)能運(yùn)行不夠重視且缺乏與整體管網(wǎng)運(yùn)行管理的技術(shù)銜接，二次供水泵站普遍存在選型配置不合理、管理粗放和水泵低效運(yùn)行等問題，使得經(jīng)過改造的二次供水設(shè)施大多無法形成與市政管網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度，無法達(dá)到削峰填谷、系統(tǒng)節(jié)能降耗的目標(biāo)。結(jié)合寧水集團(tuán)新一代多參數(shù)智能3.0水表的安裝數(shù)據(jù)，對G鎮(zhèn)的M水廠進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，以建立的供水管網(wǎng)水力、水質(zhì)模型為核心，構(gòu)建可靠性保障和節(jié)能降耗運(yùn)行的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)市政管網(wǎng)-二次供水設(shè)施的多級協(xié)同運(yùn)行優(yōu)化(圖1)，充分利用水箱等設(shè)施的調(diào)蓄能力進(jìn)行水廠供水的削峰填谷，降低系統(tǒng)整體運(yùn)行能耗。

圖1 供水管網(wǎng)多級協(xié)同優(yōu)化技術(shù)原理Fig.1 Principle of multi-level collaborative optimization technology for water supply network

M水廠共有3臺水泵，其功率分別為75，55和37 kW，年供水總量約為250×104m3，年制水電耗約為100×104kW·h。

(1)目標(biāo)函數(shù)

單臺水泵工作時(shí)，水泵效率的有功功率消耗：

(1)

式中K——換算系數(shù)；

QP——水泵的出水流量;

HP——水泵的出水揚(yáng)程;

ηP——水泵在當(dāng)前流量、揚(yáng)程下的運(yùn)行效率。

同時(shí)考慮水廠的制水成本，泵站的總供水費(fèi)用：

(2)

式中pj——泵站j對應(yīng)水廠的制水成本；

X(i)——該泵站第i臺水泵的開關(guān)狀態(tài)，水泵開啟時(shí)取1，關(guān)閉時(shí)取0；

Fj(t)——j泵站第t時(shí)段的電費(fèi)；

E(t)——t時(shí)段調(diào)度時(shí)間間隔，t一般指該調(diào)度時(shí)段的起始時(shí)刻。

(2)約束條件

① 最小服務(wù)水頭約束

管網(wǎng)服務(wù)區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的自由水壓不低于相應(yīng)的最小服務(wù)水頭：

Hi,t

其中Hi∈Ωn，Ωn為控制點(diǎn)集合，t為調(diào)度時(shí)刻。

② 泵站的出水量約束

minQj,t≤Qj,t≤maxQj,t

p=泵站1Λj,t=時(shí)段1ΛT

③ 管網(wǎng)中水池或水庫的水位約束

為避免水池(庫)出現(xiàn)放空和溢流的情況，需要設(shè)置水池(庫)的最高、最低水位約束：

minVr,t≤Vr,t≤maxVr,t

④ 初始邊界條件

要求在調(diào)度周期(一般為24 h)內(nèi)，水池(庫)的初始時(shí)段水位與末時(shí)段水位相等：

Vr,init=Vr,end

r=水池(庫)1ΛR

建立以節(jié)點(diǎn)壓力的實(shí)測值與模擬值之間的差值平方和最小，以及管段流量的實(shí)測值與模擬值之間差值平方和最小為目標(biāo)的多目標(biāo)校核模型。

式中Lmax——工況數(shù)；

N，M——分別為測壓點(diǎn)和測流點(diǎn)的數(shù)目；

Hti，Hti，0——分別為第t種工況下第i個測壓點(diǎn)的模型計(jì)算值和現(xiàn)場監(jiān)測值；

Qtj，Qtj，0——分別為第t種工況下第j個測流點(diǎn)的模型計(jì)算值和現(xiàn)場監(jiān)測值。

利用差異校核模型，使管網(wǎng)模型能夠模擬實(shí)際的管網(wǎng)工況。在模型建立時(shí)，需要校核的參數(shù)通常包括節(jié)點(diǎn)流量、管徑、管道粗糙系數(shù)、閥門開度和水泵特征曲線等，其中主要是對管道粗糙系數(shù)和節(jié)點(diǎn)流量的校核。隨著供水企業(yè)信息中心的建立和營業(yè)收費(fèi)管理系統(tǒng)的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)流量的統(tǒng)計(jì)趨于準(zhǔn)確，摩阻系數(shù)的校核就成了管網(wǎng)模型參數(shù)校核中的重點(diǎn)。管道粗糙系數(shù)與管材、管徑和敷設(shè)年代都存在一定的關(guān)系，相對比較穩(wěn)定，但也會隨著時(shí)間而變化。由于供水管道大多都敷設(shè)在地下，數(shù)量眾多，管道摩阻系數(shù)難以一一測量，所以主要考慮將其作為校核的對象。

對于大型供水管網(wǎng)，如果把所有管段全部作為決策變量，需要較多的個體數(shù)量和大量的計(jì)算時(shí)間，進(jìn)化過程比較緩慢，難以達(dá)到實(shí)用效果。對此，可以運(yùn)用全局靈敏度分析方法對供水管網(wǎng)模型中的管道摩阻進(jìn)行靈敏度分析，分析摩阻的變化對監(jiān)測點(diǎn)壓力和流量的影響，然后選取靈敏度較大的管道進(jìn)行校核，其他管道仍取經(jīng)驗(yàn)值，從而顯著縮短計(jì)算時(shí)間。

M水廠供水服務(wù)范圍內(nèi)地勢平坦，沒有高層建筑物且無二級泵站，故采取直接優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度方案設(shè)計(jì)。以泵站在不同時(shí)段的流量和給水壓力為決策變量, 計(jì)算求解各節(jié)點(diǎn)的流量和壓力優(yōu)化分配，實(shí)現(xiàn)降耗目標(biāo)，見表1。

表1 M水廠供水電耗的變化Tab.1 Change of water supply power consumption of the M Waterworks

2.2.2 漏損控制分析

針對目前供水行業(yè)漏損控制實(shí)施分區(qū)計(jì)量缺少科學(xué)的計(jì)量分區(qū)劃分方法、計(jì)量設(shè)備選型及布局不夠優(yōu)化、建立計(jì)量分區(qū)后所采集的數(shù)據(jù)缺乏智能分析手段等問題，寧水集團(tuán)水務(wù)公共服務(wù)平臺項(xiàng)目結(jié)合新一代多參數(shù)智能3.0水表，開展了計(jì)量分區(qū)多目標(biāo)優(yōu)化方法研究及方案設(shè)計(jì)，并擬開發(fā)漏損監(jiān)測工程化應(yīng)用軟件，為供水分區(qū)計(jì)量與漏損控制提供智能化硬件設(shè)備以及與之匹配的先進(jìn)、實(shí)用的科學(xué)分析軟件工具。計(jì)量分區(qū)是從水廠通過復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)到小區(qū)的層級體系(見圖2)，而分區(qū)數(shù)量和規(guī)模是整體方案的技術(shù)難點(diǎn)，其關(guān)鍵問題之一是僅根據(jù)管線基礎(chǔ)資料無法判斷分區(qū)后對管網(wǎng)水力水質(zhì)產(chǎn)生的影響。

圖2 多級計(jì)量分區(qū)層級體系Fig.2 Hierarchical system of multi-level measurement district

根據(jù)管網(wǎng)水力模型工況模擬數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)，結(jié)合分區(qū)方案應(yīng)考慮的關(guān)鍵因素，轉(zhuǎn)化為可量化計(jì)算的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，建立供水管網(wǎng)多目標(biāo)分區(qū)問題的圖論模型和數(shù)學(xué)模型。分區(qū)方法采用多層均衡細(xì)化算法(圖3)，通過簡化管網(wǎng)圖得到節(jié)點(diǎn)分組，再逐層細(xì)化并調(diào)整分區(qū)邊界上的節(jié)點(diǎn)，計(jì)算分區(qū)間連接管上安裝的管件類型，最終得到大量分區(qū)方案。利用多目標(biāo)優(yōu)化方法，同時(shí)考慮水壓、水質(zhì)、分區(qū)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，篩選得到一組分布在四維曲面上的帕累托解，靈活選擇分區(qū)方案。

圖3 管網(wǎng)分區(qū)多層均衡細(xì)化原理Fig.3 Principle of multi-layer balanced refinement of pipe network partition district

通過管網(wǎng)動態(tài)水力模型的智能分析，快速、準(zhǔn)確地判斷漏損區(qū)域是分區(qū)計(jì)量發(fā)揮實(shí)際效能的關(guān)鍵?；趬毫?、流量等長時(shí)間序列的持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用長短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法工具，結(jié)合DMA分區(qū)情境下的管網(wǎng)水力學(xué)特征，利用夜間最小流量法識別出夜間流量過高、可能存在明顯漏損的小區(qū)(圖4)，最終通過節(jié)點(diǎn)壓力的精細(xì)化調(diào)控管理，實(shí)現(xiàn)降低管網(wǎng)背景漏損的目標(biāo)。

圖4 DMA 小區(qū)最小夜間流量與物理漏損量的關(guān)系Fig.4 Relationship between minimum night flow and physical leakage of DMA residential area

3 結(jié)論

水的取、凈、輸、配、供是一個多參數(shù)、非線性特點(diǎn)的過程，既可能與水量有關(guān)，也可能和水質(zhì)有關(guān)，科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行并不能僅僅通過簡單的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。水務(wù)公共服務(wù)平臺具有數(shù)據(jù)統(tǒng)籌分析的系統(tǒng)性、持續(xù)性和可拓展性等優(yōu)勢，能通過復(fù)雜的水量、水壓、水質(zhì)參數(shù)收集統(tǒng)計(jì)、多維分析，實(shí)現(xiàn)快速堵塞低能低效管理漏洞的目標(biāo)，是水務(wù)智慧化、信息化發(fā)展的必要途徑。