城市供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度與智能控制策略探析

王東曉

[摘要]隨著我國(guó)的現(xiàn)代化腳步不斷加快，供水系統(tǒng)也在不斷地升級(jí)改造，供水設(shè)施是城市發(fā)展的基礎(chǔ)，要想讓城市加快發(fā)展的步伐，基礎(chǔ)設(shè)施方面一定好做好相應(yīng)的配合。為了緩解城市供水壓力，實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量的供水調(diào)度，文章從優(yōu)化調(diào)度以及智能控制兩個(gè)方面對(duì)城市的供水系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和介紹，希望對(duì)我國(guó)今后的城市發(fā)展有所裨益。

[關(guān)鍵詞]城市供水；優(yōu)化調(diào)度；智能控制

[DOI]1013939/jcnkizgsc201717301

1供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度

水是人類的生命之源，城市要想得到穩(wěn)步的發(fā)展，就必須做好基本設(shè)施的建設(shè)，所以，供水系統(tǒng)的重要性不言而喻。我國(guó)的城市供水現(xiàn)狀已經(jīng)有了很大的改善，但是隨著工業(yè)的不斷進(jìn)步，城市供水污染也越發(fā)嚴(yán)重，水質(zhì)差加上水資源的利用率較低，使得我國(guó)的城市供水壓力越來越大。迄今為止，我國(guó)的供水系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了一定的規(guī)模，同時(shí)，其復(fù)雜性和調(diào)度方式也提出了更高的要求，管理上變得更加棘手，小的錯(cuò)誤也會(huì)影響到居民的正常供水。所以，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)我們必須注重對(duì)供水系統(tǒng)的升級(jí)改革，引進(jìn)高科技管理方式，在自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，增加我國(guó)供水系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。

11總體概論

當(dāng)前，我國(guó)的城市供水系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，有新建設(shè)的供水系統(tǒng)的歷史遺留的舊管道。優(yōu)化調(diào)度實(shí)際上就是在水壓相對(duì)穩(wěn)定，基本水質(zhì)都達(dá)標(biāo)的情況下實(shí)現(xiàn)正常的基本供水，此過程需要檢測(cè)相關(guān)的供水信息和利用精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的搭建，對(duì)某一時(shí)段的需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。最終，在預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上結(jié)合城市供水管道和優(yōu)化模型進(jìn)行供水設(shè)計(jì)，考慮實(shí)際情況進(jìn)行相關(guān)的調(diào)度方案，將社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益最大化提升。

關(guān)于上述的優(yōu)化調(diào)度，基本由三部分組成：第一，對(duì)用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)合地區(qū)性的供水區(qū)域，對(duì)各時(shí)段的供水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，做好最基礎(chǔ)的調(diào)查，要進(jìn)行調(diào)度決策，首要內(nèi)容就是做好適當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)，保證用水量得到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。第二，進(jìn)行管網(wǎng)分析。在進(jìn)行管網(wǎng)分析的過程中涉及兩個(gè)方面，微觀和宏觀。管網(wǎng)是供水系統(tǒng)中的基礎(chǔ)，是供水系統(tǒng)的途徑，作為承載者，對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的分析才關(guān)系到調(diào)度分配的合理性。因此，在經(jīng)過合理的調(diào)查研究之后，才能制定合理的供水決策。第三，調(diào)度模型。在調(diào)度決策中，包括直接優(yōu)化和兩級(jí)尋優(yōu)。在經(jīng)過設(shè)計(jì)模型之后，可以直接反映出供水系統(tǒng)的優(yōu)化合理性是否實(shí)現(xiàn)利益最大化，所以，在施行供水之前，一定要制定科學(xué)合理的調(diào)度決策模型。

12對(duì)用水量進(jìn)行預(yù)測(cè)

要進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)度，就要對(duì)用水量進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。我國(guó)的城市供水系統(tǒng)中基本都安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于用水量的調(diào)查可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮⒖?，?duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的分析和考察，可以作為調(diào)查的依據(jù)，在借助數(shù)學(xué)模型的算法，對(duì)將來的用水量進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治?。在模型選擇上，可以參考灰色預(yù)測(cè)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、回歸分析法和指數(shù)平滑法，這幾種數(shù)學(xué)模型在當(dāng)前的調(diào)查分析中比較常用。

在發(fā)達(dá)國(guó)家中，對(duì)供水量模型的研究已經(jīng)有了很長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐，在某些方面取得了顯著的效果。例如，構(gòu)建回歸模型中，可以通過對(duì)降雨量和當(dāng)時(shí)的溫度進(jìn)行分析，得出需水量的預(yù)測(cè)結(jié)果；在澳大利亞的墨爾本市，經(jīng)常借助時(shí)間序列模型對(duì)當(dāng)?shù)氐慕涤炅窟M(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果非常有效，還可以進(jìn)行更加深入的研究，將時(shí)間序列中加入一些灰色模型。在近幾年的實(shí)踐和研究中，對(duì)用水量的預(yù)測(cè)力度不斷地加大，進(jìn)而出現(xiàn)了很多的研究方法，對(duì)我國(guó)的一些實(shí)踐也提供了參考。例如，在重慶某地區(qū)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行每月用水量的預(yù)測(cè)；在深圳市利用灰色模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，在普通的灰色變量中進(jìn)行升級(jí)和改進(jìn)；也有的地區(qū)使用RBF組合進(jìn)行測(cè)量，發(fā)揮了這種模型的雙重優(yōu)勢(shì)，可以在更大程度上保證精準(zhǔn)度。

13供水管網(wǎng)的模型搭建

在進(jìn)行預(yù)測(cè)的過程中，要進(jìn)行模擬管網(wǎng)的運(yùn)行，在相關(guān)模擬的信息上進(jìn)行實(shí)際操作，為優(yōu)化調(diào)度做好調(diào)查工作。任何建設(shè)的模型設(shè)計(jì)階段都是非常重要的，同時(shí)也是進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的重要保證。

131微觀模型

在經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)查分析之后，在水力學(xué)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行連續(xù)性方程的建立，包括能量方程以及管段水頭的損失方程，對(duì)需要研究的信息進(jìn)行全面的統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)哪Ｐ蜆?gòu)建。這種微觀模型的適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠在多變的供水環(huán)境中適應(yīng)供水量的多變情況。

在資料庫方面，微觀模型顯得更加齊全，管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)于其他模型比較清晰，能夠通過最真實(shí)的環(huán)境反映整個(gè)供水系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。但是，在我國(guó)當(dāng)前的供水量技術(shù)還是需要繼續(xù)完善，提升網(wǎng)管系統(tǒng)的規(guī)范性和科學(xué)性，所以，近些年針對(duì)這方面的研究從未間斷。

132宏觀模型

在網(wǎng)管內(nèi)部的水利關(guān)系網(wǎng)非常復(fù)雜，影響因素有很多，在本小節(jié)的討論中暫且將其省略。在宏觀模型的設(shè)計(jì)初期，使用統(tǒng)計(jì)分析方法和適當(dāng)?shù)睦碚撃Ｐ徒⑤敵隽亢洼斎肓康南鄬?duì)關(guān)系網(wǎng)，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型建立函數(shù)關(guān)系式。在這種模型的構(gòu)建研究上，20世紀(jì)70年代就已經(jīng)提出，經(jīng)過國(guó)外多年的研究，現(xiàn)在的結(jié)果已經(jīng)可以完美地被使用。所以，當(dāng)今社會(huì)，很多專業(yè)學(xué)者都以宏觀的水力模型建設(shè)為基礎(chǔ)，進(jìn)行研究實(shí)踐。

14模型和算法

在城市的供水設(shè)備中，有一定的差異性，目標(biāo)眾多，需要注意的方面也很多。在優(yōu)化方式上，存在直接優(yōu)化和間接優(yōu)化兩種形式，在數(shù)學(xué)模型的使用上，也由兩部分組成：第一，目標(biāo)函數(shù)。其含義是能夠維持供水系統(tǒng)正常運(yùn)行的數(shù)學(xué)表達(dá)式，將消耗成本直觀地體現(xiàn)出來。第二，約束條件。就是在進(jìn)行城市供水優(yōu)化的時(shí)候，對(duì)供水能力、水力平衡和用戶的水壓條件等形成一定約束的情況。

近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)在各方面都得到了一定的普及，在供水系統(tǒng)的研究上也發(fā)揮了重要的作用。例如國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)研究中，就使用了蟻群算法進(jìn)行多目標(biāo)的調(diào)度優(yōu)化，相對(duì)于遺傳算法來說，更加有優(yōu)勢(shì)。

2智能控制方面

在我國(guó)的大多數(shù)城市建設(shè)中，對(duì)于供水系統(tǒng)的建設(shè)還是存在較為分散的現(xiàn)象，傳統(tǒng)的調(diào)度方式不能夠顧全大局，效率相對(duì)低下，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)居民的正常供水要求，但是不能算作優(yōu)化調(diào)度。我國(guó)目前的水利管理中，有以下幾方面的不足之處：一是在運(yùn)行數(shù)據(jù)方面缺乏一定的完整性，量化模式難以開展；二是在實(shí)行參數(shù)測(cè)量的過程中，實(shí)際方法較少不能進(jìn)行整體的分析；三是一旦調(diào)度失敗就會(huì)產(chǎn)生供水不均的情況；四是容易造成供需不協(xié)調(diào)。

在此，介紹一種智能檢測(cè)系統(tǒng)，用于我國(guó)城市供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在構(gòu)成上分為三個(gè)部分：一是數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心的構(gòu)成主要是采用上位機(jī)和PC端構(gòu)成，在工作中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收功能存儲(chǔ)顯示功能和打印輸出功能等，最大限度地方便了監(jiān)控中心的監(jiān)督管理工作，對(duì)供水預(yù)警和客戶端的實(shí)時(shí)訪問都有很大幫助。二是管網(wǎng)監(jiān)控。利用智能系統(tǒng)的監(jiān)控功能，將供水方面的壓力、供水流量和水表數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，精準(zhǔn)地將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到終端中，節(jié)省了人力資源，提高了供水設(shè)備的精確性。在對(duì)管網(wǎng)實(shí)施監(jiān)控的過程中，要將精準(zhǔn)度放在首位。三是用戶的手機(jī)端。隨著智能手機(jī)的普遍，人們的生活方式有了極大的改變，通過智能手機(jī)的數(shù)據(jù)訪問系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)編輯，利用手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的智能化操控，極大地方便了工作人員。這種系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，相對(duì)容易維護(hù)，具備簡(jiǎn)單的電腦操作水平就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。性價(jià)比較高，在實(shí)際應(yīng)用的過程中受到了一致好評(píng)，值得大力推廣。

3結(jié)論

隨著我國(guó)城市化的腳步不斷加快，對(duì)城市供水的要求也不斷升高，用水量逐年遞增，相關(guān)的管理工作變得更加復(fù)雜。為了使我國(guó)的城市供水系統(tǒng)能夠跟上時(shí)代的步伐，減少不必要的消耗，我國(guó)應(yīng)該在現(xiàn)有的供水形式上進(jìn)行不斷的升級(jí)，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的供水模式，實(shí)現(xiàn)城市供水的優(yōu)化調(diào)度。在控制系統(tǒng)方面，逐步實(shí)現(xiàn)智能化操控，解放人力的同時(shí)，讓我國(guó)的供水系統(tǒng)在預(yù)測(cè)需水量方面更加地精確化，根據(jù)各個(gè)城市的實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)代化設(shè)備的選擇，利用高科技的現(xiàn)代化設(shè)備，對(duì)我國(guó)的供水系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)智能化控制。

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