考慮管網(wǎng)壓力的城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 磊

（費(fèi)縣水利工程保障中心，山東 臨沂 273400）

隨著鄉(xiāng)村和城市的不斷發(fā)展，供水調(diào)度要求越來越高。一方面，由于鄉(xiāng)村供水率低，居民用水困難；另一方面，城市工業(yè)化導(dǎo)致地表水受到污染，迫切需要開發(fā)新水源。因此，城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度是十分必要的[1]。城鄉(xiāng)供水一體化的目的是把城市和鄉(xiāng)村作為一個(gè)整體進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)城鄉(xiāng)同步繁榮。城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度也是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段后必須面對的現(xiàn)實(shí)問題。

傳統(tǒng)的城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度系統(tǒng)主要有基于梯度優(yōu)化法的調(diào)度系統(tǒng)和基于動態(tài)順推法的調(diào)度系統(tǒng)。傳統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)均未考慮管網(wǎng)壓力[2]?；谔荻葍?yōu)化法的調(diào)度系統(tǒng)求解十分繁瑣，無法對非線性的目標(biāo)參數(shù)和約束條件進(jìn)行求解。基于動態(tài)倒推法的調(diào)度系統(tǒng)只適用于水站較少的情況，而城鄉(xiāng)一體化供水調(diào)度系統(tǒng)較為復(fù)雜。因此，本文提出了一種考慮管網(wǎng)壓力的遺傳法調(diào)度系統(tǒng)，能夠滿足城鄉(xiāng)一體化供水系統(tǒng)調(diào)度的要求[3]。

在推進(jìn)城鄉(xiāng)一體化供水的過程中，要保證整個(gè)供水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，就必須利用先進(jìn)的科技手段，建立數(shù)字化的用水平臺，優(yōu)化調(diào)度機(jī)制。管網(wǎng)壓力反映了城鄉(xiāng)用戶在各個(gè)時(shí)刻的供水壓力，監(jiān)測供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力能使相關(guān)機(jī)構(gòu)掌握管網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，方便從各水源調(diào)度水資源，保證城鄉(xiāng)居民的用水供應(yīng)。目前，管網(wǎng)壓力智能監(jiān)測系統(tǒng)已被應(yīng)用于各級單位，大大提高了供水系統(tǒng)的調(diào)度效率。本文將管網(wǎng)壓力考慮進(jìn)入城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度系統(tǒng)中，可有效提高水站維護(hù)的效率，減少供水成本，提高供水質(zhì)量。供水企業(yè)可利用本系統(tǒng)監(jiān)測供水設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏損事故，以科學(xué)手段保障供水的最優(yōu)化調(diào)度。

1 系統(tǒng)組成模塊和主要功能

1.1 輸入模塊

在供水行業(yè)中，經(jīng)常使用多臺不同型號的離心式水泵并聯(lián)組成復(fù)雜的多輸入單輸出供水系統(tǒng)，以滿足供水需求。輸入模塊用于讀取城鄉(xiāng)一體化供水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行編碼和調(diào)制。輸入模塊結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 輸入模塊結(jié)構(gòu)

輸入模塊選擇的是Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片，型號為EP4CE55F23C8N。該款芯片采用焊球陣列封裝，邏輯單元數(shù)目可達(dá)55856 LEs，還配有20條全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)資源。在芯片的右側(cè)和上、下兩側(cè)分別有4個(gè)時(shí)鐘引腳，左側(cè)有3個(gè)專用時(shí)鐘引腳。這15個(gè)引腳能夠以多種加載模式排列組合，構(gòu)成20種全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)[4，5]。本文輸入模塊的加載配置模式為快速被動并行模式，在該模式下，上電復(fù)位延時(shí)最短，配置電壓范圍最寬。除了數(shù)據(jù)輸入的功能，該芯片還支持寄存器的打包和反饋，可應(yīng)用于較大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]。

1.2 存儲模塊

存儲模塊的作用是存儲城鄉(xiāng)一體化調(diào)度系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，接口可用于擴(kuò)展系統(tǒng)功能，其采用三星公司生產(chǎn)的K4S561632H-UC75芯片。存儲模塊結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 存儲模塊結(jié)構(gòu)

存儲模塊工作頻率為133 MHz，供電電壓為3.3 V。芯片由4個(gè)存儲塊組成，用于存儲地址數(shù)據(jù)。在工作時(shí)，系統(tǒng)首先會給出數(shù)據(jù)的具體地址，再由存儲器根據(jù)數(shù)據(jù)配置合適的工作模式，最后將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部寄存器。該芯片成本低、功耗低、集成度高，雖然結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但優(yōu)勢明顯。存儲器存在多種狀態(tài)，有芯片初始化、讀寫數(shù)據(jù)以及定時(shí)刷新等。在運(yùn)行大容量數(shù)據(jù)存儲時(shí)，存儲器在各個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行切換，達(dá)到存儲數(shù)據(jù)的目的[7，8]。上電后，存儲其中的數(shù)據(jù)被芯片讀入片中，完成配置后，進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，恢復(fù)成白片。因此，存儲模塊能夠反復(fù)編程使用。

1.3 控制模塊

控制模塊的作用是：①接收并處理輸入模塊的信息，協(xié)調(diào)各模塊工作；②與存儲模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；③根據(jù)輸出信息設(shè)置終端系統(tǒng)參數(shù)?？刂破鞑捎肞IC18F452型單片機(jī)。該單片機(jī)可直接與220 V電源相連接，工作頻率為40 MHz。PIC18F452型單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)雙口操作，具有多個(gè)外源設(shè)備接口?？刂颇K電路，如圖3所示。

圖3 控制模塊電路

PIC18F452單片機(jī)中有32 KB的程序存儲器、1.5 KB的數(shù)據(jù)存儲器和256 MB的E2PROM存儲器。該單片機(jī)的結(jié)構(gòu)采用精簡指令型，在保證功能的前提下縮小了系統(tǒng)規(guī)模。該單片機(jī)最主要的2個(gè)優(yōu)點(diǎn)是快速和可靠。一方面，得益于精簡指令型結(jié)構(gòu)，該單片機(jī)能夠在讀取指令的同時(shí)讀取數(shù)據(jù)；由于單片機(jī)的指令線寬于一般指令線，其處理數(shù)據(jù)的效率更高、速度更快。另一方面，該單片機(jī)不與外部總線連接，自帶有看門狗，因此系統(tǒng)安全可靠[9]。

1.4 電源模塊

由于城鄉(xiāng)一體化供水系統(tǒng)較為復(fù)雜，因此對電源模塊的要求較高。電源模塊負(fù)責(zé)為各模塊輸出合適的電壓并維持各電路電壓穩(wěn)定。因本文用到的存儲器為大容量DSRAM存儲器，故專門設(shè)計(jì)了特殊電源。又因各模塊的電壓相差較大，要維持穩(wěn)定的電壓，就必須用到穩(wěn)壓芯片[10，11]。本文采用的穩(wěn)壓芯片為LT1084（X），該芯片能夠支持1.5～12 V范圍內(nèi)的輸入電壓。LT1084（X）芯片使用簡單，對系統(tǒng)其他模塊干擾小，缺點(diǎn)是散熱慢，需要系統(tǒng)提供額外的空間供其散熱。在工作時(shí)，為減少輻射，將電源與0.01μF左右電容相連，達(dá)到高頻去耦的效果。為得到更穩(wěn)定的信號，將芯片的管腳與晶振的時(shí)鐘管腳進(jìn)行連接，可大大提高電源設(shè)計(jì)的可靠性。

2 系統(tǒng)供水管網(wǎng)壓力計(jì)算與優(yōu)化模型建立

2.1 供水管網(wǎng)壓力計(jì)算

城鄉(xiāng)供水一體化管網(wǎng)壓力計(jì)算一般需根據(jù)用戶最高用水量決定[12]。壓力指的是某處水源相對于零地面所具有的能量，用H表示，單位為Pa或MPa。計(jì)算壓力時(shí)，需要用的幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)分別為節(jié)點(diǎn)流量、自由水頭和管道損失，其中管道損失對壓力的計(jì)算至關(guān)重要。

節(jié)點(diǎn)流量用Q表示，反映某節(jié)點(diǎn)用水量的大小，單位為m3/s。自由水頭指的是地面高度與用戶壓力的相差值，最小自由水頭能夠保證城鄉(xiāng)用戶對供水的最低要求。管道損失量計(jì)算公式為：

式中：Δh ab為管道損失量（m3）；h a為節(jié)點(diǎn)a損失量（m3）；hb為節(jié)點(diǎn)b損失量（m3）；k為比例系數(shù)；Q a b為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的流量差（m3/s）；l為管道長度（m）；d為管道直徑（mm）；A為管道的橫截面面積（m2）。

考慮到系統(tǒng)的供水能力，得到日最高供水流量差公式：

式中：Qmaxa為水站的日最高供水流量差（m3/s）；其余變量含義同上。

相應(yīng)地，供水壓力應(yīng)滿足以下條件：

式中：H a,b為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b之間的壓力（MPa）；Hmina,b為水站技術(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行的最低壓力（MPa）；Hmaxa,b為水站能承受的最高壓力（MPa）[13]。

由海森威廉公式推導(dǎo)可得以下公式：

式中：n a,b為管網(wǎng)粗糙系數(shù)，與管網(wǎng)的材料和壽命有關(guān)；其余變量含義同上。

管網(wǎng)壓力的計(jì)算是整個(gè)城鄉(xiāng)一體化供水調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。經(jīng)計(jì)算得出管網(wǎng)壓力后，可對城鄉(xiāng)一體化供水管網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

2.2 供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)

城鄉(xiāng)一體化供水調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)指的并不是城市和鄉(xiāng)村采用完全相同的模式，而是要因地制宜采用與傳統(tǒng)方式不同的調(diào)度設(shè)計(jì)方法。城鄉(xiāng)一體化供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)一般分3步，即確定服務(wù)要求、確定管網(wǎng)特性、確定約束條件。

確定服務(wù)要求指的是對于不同用戶而言，節(jié)點(diǎn)壓力不同。針對各地不同的自然條件、經(jīng)濟(jì)條件，選用不同的調(diào)度方法。要想做到最優(yōu)調(diào)度，必須清楚已知用戶用水壓力，將城市和鄉(xiāng)村或者不同的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊聯(lián)合起來。在確保服務(wù)質(zhì)量的前提下，使用戶繳納水費(fèi)最低、受益最高。

城鄉(xiāng)一體化供水管網(wǎng)包括樹狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)。樹狀管網(wǎng)較為簡單，節(jié)點(diǎn)之間只有一個(gè)流向。但鄉(xiāng)村地形較特殊，城鄉(xiāng)一體化供水管網(wǎng)通常采用環(huán)狀管網(wǎng)。環(huán)狀管網(wǎng)的計(jì)算較為復(fù)雜，是管網(wǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。利用數(shù)學(xué)工具，可以將環(huán)狀管網(wǎng)設(shè)計(jì)看作一個(gè)函數(shù)，函數(shù)的參數(shù)包括運(yùn)行能耗、流量、水頭、水費(fèi)和水泵數(shù)量等。

當(dāng)管網(wǎng)特性確定后，還需要加入一定的約束條件。受約束的條件有：①水位：水池的水位必須在最高水位和最低水位之間；②水頭：在最高和最低水頭之間；③流量：各調(diào)度期內(nèi)流量應(yīng)低于供水系統(tǒng)可調(diào)度的供水流量[14]。

2.3 優(yōu)化調(diào)度模型建立

在確定大體管網(wǎng)設(shè)計(jì)之后，建立模型對城鄉(xiāng)供水一體化的調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化。供水系統(tǒng)的調(diào)度必須是切實(shí)可行的，因此需要建立在真實(shí)的用戶壓力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上。建立模型實(shí)質(zhì)上就是建立供水成本與壓力和流量之間的關(guān)系。

節(jié)點(diǎn)壓力模型可表示為：

式中：H i為供水站提供壓力（MPa）；a0和a1為擬合常數(shù)；n i和n0為管網(wǎng)粗糙系數(shù)；Q i為供水站出水量（m3/s）。

對于節(jié)點(diǎn)流量，應(yīng)滿足以下條件：

式中：NPi為出水泵開機(jī)臺數(shù)；Q P i為各出水泵出水流量（m3/s）；k為水泵的種類數(shù)。

供水成本計(jì)算公式可表示為：

式中：F為供水成本（元）；H P i為泵站i所提供的壓力（MPa）；ηi為水泵效率（t/d）；其余變量含義同上。

優(yōu)化調(diào)度的目的是確定水泵的臺數(shù)、種類數(shù)以及最佳轉(zhuǎn)速，使供水成本最低。在用戶節(jié)點(diǎn)流量已知的情況下，總流量很容易確定，調(diào)度的關(guān)鍵是合理分配各供水系統(tǒng)源頭的流量。各供水源頭的流量與管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和水頭損失有關(guān)，本文根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的管道流量計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的水頭損失，推算各節(jié)點(diǎn)的水壓，進(jìn)而確定了各水源的水壓[15]。

當(dāng)供水系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，變量增加，供水成本計(jì)算更為復(fù)雜，因此本文采用了遺傳模型來達(dá)到調(diào)度的最優(yōu)化。其原理是將供水系統(tǒng)中可操作的變量如水壓、流量、水泵數(shù)等視為遺傳學(xué)中的染色體，將其置于一定的約束條件下，對其進(jìn)行組合、變異、重生等操作，在多重挑戰(zhàn)之下，最終留下來的調(diào)度方案被稱為最優(yōu)解。

對于城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度，建立遺傳模型的基本步驟為：首先，對供水壓力、水泵種類、供水流量等參數(shù)進(jìn)行編碼，生成初始的參數(shù)集團(tuán)；其次，對參數(shù)集團(tuán)中的單個(gè)參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)度評估，若參數(shù)滿足低成本要求，則該參數(shù)被選擇，反之被淘汰；再次，對被選擇的參數(shù)執(zhí)行變異組合操作，操作后仍能滿足低成本要求的參數(shù)被保留，反之被淘汰，反復(fù)多次，最終得到城鄉(xiāng)一體化供水最低成本的調(diào)度方案。

3 試驗(yàn)研究

應(yīng)用上文提出的遺傳模型，對姚河地下水工程進(jìn)行計(jì)算分析，用于判斷系統(tǒng)的實(shí)用性。調(diào)度模型，如圖4所示。

圖4 調(diào)度模型

為驗(yàn)證本文提出的考慮管網(wǎng)壓力的城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度系統(tǒng)的有效性，對同一片區(qū)域城鄉(xiāng)供水進(jìn)行調(diào)度。基于有無調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度面積試驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 調(diào)度面積試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，加入本文設(shè)計(jì)的調(diào)度系統(tǒng)后，調(diào)度面積要比未加入調(diào)度系統(tǒng)時(shí)有了很大的擴(kuò)充，調(diào)度能力更強(qiáng)。

基于不同調(diào)度面積的調(diào)度時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果，詳見表1。

表1 調(diào)度時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，加入本文提出的調(diào)度系統(tǒng)后調(diào)度時(shí)間明顯減少。本文設(shè)計(jì)的調(diào)度系統(tǒng)是先掌握了姚河地下水水源分布后再擇優(yōu)建立5處供水水源，用于城鄉(xiāng)一體化供水。在加入調(diào)度系統(tǒng)后，在遺傳模型中輸入6個(gè)變量，分別為5處供水水源的管網(wǎng)壓力和所有水源的總管網(wǎng)壓力。基于不同調(diào)度面積的調(diào)度成本試驗(yàn)結(jié)果，詳見表2。

表2 調(diào)度成本試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，在加入本調(diào)度系統(tǒng)后調(diào)度成本明顯減少。本文設(shè)計(jì)的調(diào)度系統(tǒng)充分分析了管網(wǎng)壓力，確定了管網(wǎng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了供水優(yōu)化調(diào)度。將調(diào)度結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行對比后，發(fā)現(xiàn)遺傳模型下的城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度系統(tǒng)供水成本比人工調(diào)度成本約節(jié)省10%，確實(shí)能達(dá)到降低成本的目的。

綜上所述，本文提出了一種考慮管網(wǎng)壓力的城鄉(xiāng)供水一體化調(diào)度系統(tǒng)。其具有以下特點(diǎn)：①計(jì)算了管網(wǎng)壓力，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)；②將用戶服務(wù)要求、管網(wǎng)特性、約束條件等因素考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去；③引入了遺傳模型，對城鄉(xiāng)一體化供水調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。管網(wǎng)壓力的引入不僅對供水流量的計(jì)算起著舉足輕重的作用，而且在遺傳模型中輸入管網(wǎng)壓力也能得到合適的調(diào)度模型。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城鄉(xiāng)一體化是必然要求。在城鄉(xiāng)一體化規(guī)劃中，供水系統(tǒng)是重要內(nèi)容。城鄉(xiāng)供水一體化能保證農(nóng)村共享城市基礎(chǔ)設(shè)施，配合相關(guān)部門的管理，使城市從真正意義上發(fā)揮促進(jìn)和引導(dǎo)作用。城鄉(xiāng)供水一體化能夠很好地解決目前城鄉(xiāng)供水不平衡的問題。這是因?yàn)?，城鄉(xiāng)供水一體化系統(tǒng)將城鄉(xiāng)空間看成一個(gè)整體，從平等的視角出發(fā)，設(shè)定區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展框架，預(yù)測供水量并優(yōu)化選擇水源，使城鄉(xiāng)都能使用到優(yōu)質(zhì)水，確保城鄉(xiāng)共同發(fā)展和繁榮。