供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的技術(shù)研究

供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的技術(shù)研究

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對供水的可靠性、安全性、經(jīng)濟效率和運營管理提出了更高的要求。供水企業(yè)需要通過供水優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng),逐步提高供水管理水平和服務水平,供水優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的建設被列為“國家供水行業(yè)2010年技術(shù)進步規(guī)劃及2020年遠景目標”內(nèi)容之一,已成為供水企業(yè)信息化建設發(fā)展的必然趨勢。然而,目前國內(nèi)大多數(shù)城市供水系統(tǒng)調(diào)度仍然以傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗調(diào)度方式為主,供水管網(wǎng)調(diào)度決策和管理的水平較低,難以滿足供水可靠性、安全性和經(jīng)濟性的優(yōu)化目標。針對我國現(xiàn)狀,本文提出采用單目標決策數(shù)學模型與多目標評估體系相結(jié)合建立供水優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)的解決方案。首先在供水水力模型基礎上,建立以供水運行總費用最小為單目標的優(yōu)化決策模型;然后建立供水調(diào)度節(jié)點壓力、節(jié)點水齡、管段流速等多目標綜合評估系統(tǒng)對若干個單目標方案分別進行評價,最終確定最優(yōu)調(diào)度方案,從而確保供水的可靠性、安全性和經(jīng)濟性。該決策支持系統(tǒng)于2006年6月在FS市供水管網(wǎng)中進行試運行,系統(tǒng)決策的調(diào)度方案在供水費用和水質(zhì)安全等方面均優(yōu)于人工調(diào)度方案。1調(diào)度決策數(shù)據(jù)從廣義來說,供水優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)主要由四部分組成:①數(shù)據(jù)采集與通信網(wǎng)絡系統(tǒng);②數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),包括:地理信息系統(tǒng)(GIS)、管網(wǎng)模型數(shù)據(jù),各檢測點的壓力、流量、水質(zhì)等實時狀態(tài)數(shù)據(jù),調(diào)度決策數(shù)據(jù);③調(diào)度決策支持系統(tǒng),具有供水管網(wǎng)動態(tài)模擬、用水量預測、調(diào)度優(yōu)化決策、調(diào)度狀態(tài)評估等功能;④調(diào)度執(zhí)行設施。其中,供水調(diào)度決策支持系統(tǒng)是供水優(yōu)化調(diào)度的核心組成部分。決策支持系統(tǒng)是面向決策環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化部分,以改進決策結(jié)果的最終效果為目的,輔助決策者進行方案制定的系統(tǒng)。供水調(diào)度決策支持系統(tǒng)涉及供水可靠性、安全性、經(jīng)濟性等方面的內(nèi)容,能夠利用來自數(shù)據(jù)庫的靜態(tài)和動態(tài)信息,進行供水管網(wǎng)動態(tài)模擬、用水量預測,按照目標函數(shù)和約束條件求解調(diào)度模型,系統(tǒng)決策方案分為人工方案、離線預案、在線方案等多種形式。1.1管網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)模型管網(wǎng)水力模型主要分為宏觀模型和微觀模型。宏觀模型是一種數(shù)據(jù)相關(guān)性統(tǒng)計模型,利用“黑箱理論”的基本思想,來尋求管網(wǎng)中不同區(qū)域間的流量、壓力變化的關(guān)系和規(guī)律。宏觀模型認為管網(wǎng)系統(tǒng)的總用水量、各供水泵站供水量以及各節(jié)點用水量在一天內(nèi)各時段按相同的比例因子變化。微觀模型建立的思想主要是從供水管網(wǎng)的拓撲關(guān)系出發(fā),依據(jù)管道管徑、管長、管材及節(jié)點用水量等主要參數(shù),構(gòu)造出拓撲結(jié)構(gòu)模型。該模型的基本數(shù)學方程包括質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程。1.2管網(wǎng)物理模型的研究供水管網(wǎng)水質(zhì)模型是跟蹤管網(wǎng)系統(tǒng)中水質(zhì)成分軌跡的數(shù)值方法,是以管網(wǎng)微觀模型為基礎的。其理論研究包括模擬非反應物質(zhì)或者具有一定衰減反應的物質(zhì)在管網(wǎng)中濃度的變化,模擬管壁反應、細菌生長、三鹵甲烷生成以及不同消毒劑的輸送、擴散和反應過程等。目前研究比較成熟的水質(zhì)模型主要以管網(wǎng)中物質(zhì)衰減模型為主。利用管網(wǎng)中動態(tài)水質(zhì)模擬,理論上可以得到某時刻節(jié)點的水質(zhì)濃度。1.3協(xié)同共產(chǎn)—管網(wǎng)調(diào)度決策模型從供水優(yōu)化調(diào)度的基本概念可知,供水經(jīng)濟性和水質(zhì)安全性是供水管網(wǎng)科學調(diào)度的兩個重要決策目標。由此確定的多目標優(yōu)化決策模型的基本表達式為:MinF=Min(λ1f1+λ2f2)=Min{λ1(∑t=1T∑i=1Wd1itQit+∑t=1T∑i=1P∑j=1Miaijtd2ijtQijtHijt)+λ2[∑t=1T∑i=1Nmin(0,min(Cit?Cˉˉˉit,Cˉˉˉit?Cit))2]}(1)ΜinF=Μin(λ1f1+λ2f2)=Μin{λ1(∑t=1Τ∑i=1Wd1itQit+∑t=1Τ∑i=1Ρ∑j=1Μiaijtd2ijtQijtΗijt)+λ2[∑t=1Τ∑i=1Νmin(0,min(Cit-Cˉit,Cˉit-Cit))2]}(1)式中f1——供水經(jīng)濟性指標;f2——水質(zhì)安全性指標;λ1,λ2——供水經(jīng)濟性和水質(zhì)安全性的權(quán)重系數(shù),且λ1+λ2=1;d1it——第i凈水廠在t時段內(nèi)的制水成本,元/m3;Qit——第i凈水廠在t時段內(nèi)的處理水量,m3;W——凈水廠數(shù)量;T——供水調(diào)度時段數(shù);aijt——i泵站j水泵在t時段的開關(guān)狀態(tài),水泵運行取1,否則取0;d2ijt——i泵站j水泵在t時段單位揚程單位供水量的電費,元/(m3·m);Qijt——i泵站j水泵在t時段的出水流量,m3/h;Hijt——i泵站j水泵在t時段的揚程,m;Mi——i泵站內(nèi)水泵臺數(shù);P——供水泵站數(shù)量;Cit——節(jié)點i在t時刻的物質(zhì)濃度,mg/L;CˉˉˉitCˉit——節(jié)點i在t時刻允許的最小物質(zhì)濃度,mg/L;CˉˉˉitCˉit——節(jié)點i在t時刻允許的最大物質(zhì)濃度,mg/L;N——節(jié)點數(shù)量。然而,在國內(nèi)往往難以直接求解和應用上述多目標調(diào)度決策模型,其主要原因在于國內(nèi)大多數(shù)城市管網(wǎng)中沒有足夠的水質(zhì)監(jiān)測值,難以建立準確的管網(wǎng)水質(zhì)模型,導致節(jié)點水質(zhì)優(yōu)化目標和相關(guān)約束條件不能實現(xiàn)。為此,本文提出首先滿足供水經(jīng)濟性的優(yōu)化目標,然后通過建立多目標綜合評估系統(tǒng)來保證供水調(diào)度在水質(zhì)安全性等方面的多目標優(yōu)化。單目標優(yōu)化決策模型可以采用遺傳算法求解,多目標綜合評估采用多級模糊評估方法。1.4集ab、ksb的計算根據(jù)供水調(diào)度對供水可靠性、安全性和經(jīng)濟性的要求,擬從水力、水質(zhì)和供水費用等三方面對管網(wǎng)運行狀態(tài)進行綜合評估。具體選用的評估指標為:節(jié)點壓力、節(jié)點壓力波動、節(jié)點水齡、管段流速和供水費用(包括水處理費用和泵站電費)。其中需要說明的是水質(zhì)指標。目前國內(nèi)絕大多數(shù)供水管網(wǎng)的水質(zhì)為定期人工檢測,沒有實現(xiàn)在線連續(xù)自動監(jiān)測,因此難以獲得對應工況下完備的數(shù)據(jù)來建立和校核管網(wǎng)水質(zhì)數(shù)學模型。為了開展研究工作,本文選用節(jié)點水齡作為水質(zhì)指標,節(jié)點水齡是指水從水源點流到管網(wǎng)某節(jié)點的時間,它表示水的“新鮮”或“陳舊”程度,用于綜合反映管網(wǎng)水質(zhì)情況。在管網(wǎng)水力模型基礎上,各節(jié)點的水齡的計算簡單易行。該系統(tǒng)采用模糊二級綜合評估方法,使用的評語集為:V={優(yōu)秀,良好,合格,不合格}。具體評估步驟如下:(1)一級評估。首先,構(gòu)建節(jié)點壓力子集P,節(jié)點壓力波動子集DP,節(jié)點水齡子集A,管段流速子集S,泵站供水費用子集C。然后,根據(jù)每個子集的評估標準確定各評判矩陣RP、RDP、RA、RS、RC和各權(quán)重向量集WP、WDP、WA、WS、WC。其中,各節(jié)點壓力、壓力波動、水齡評估子集的權(quán)重系數(shù)根據(jù)節(jié)點流量與轉(zhuǎn)輸流量之和來確定;各管段流速評估子集的權(quán)重系數(shù)根據(jù)各管段的體積來確定;各泵站供水費用評估子集的權(quán)重系數(shù)按各泵站供水量來確定。利用各子集的評判矩陣和權(quán)重向量集,采用(·,∨)算子,可以得到一級評價結(jié)果向量,即:D1=WP?RP={d11,d12,d13,d14}D2=WDP?RDP={d21,d22,d23,d24}D3=WA?RA={d31,d32,d33,d34}D4=WS?RS={d41,d42,d43,d44}D5=WC?RC={d51,d52,d53,d54}(2)D1=WΡ?RΡ={d11,d12,d13,d14}D2=WDΡ?RDΡ={d21,d22,d23,d24}D3=WA?RA={d31,d32,d33,d34}D4=WS?RS={d41,d42,d43,d44}D5=WC?RC={d51,d52,d53,d54}(2)式中dij——評價向量各因數(shù)值,i=1,2,…,5;j=1,2,…,4;D1——節(jié)點壓力子集的評價向量;D2——節(jié)點壓力波動子集的評價向量;D3——節(jié)點水齡子集的評價向量;D4——管段流速子集的評價向量;D5——泵站供水費用子集的評價向量。(2)二級評估。首先,將各子集的一級評價結(jié)果向量合成為二級評價矩陣:R=????????D1D2D3D4D5????????=????????d11d21d31d41d51d12d22d32d42d52d13d23d33d43d53d14d24d34d44d54????????(3)R=[D1D2D3D4D5]=[d11d12d13d14d21d22d23d24d31d32d33d34d41d42d43d44d51d52d53d54](3)式中R——所有指標的綜合評價矩陣。然后,由專家打分確定節(jié)點壓力、節(jié)點壓力波動、節(jié)點水齡、管段流速、泵站供水費用五類指標在供水調(diào)度績效評價中分別占有的權(quán)重:W={w1,w2,w3,w4,w5}(4)W={w1,w2,w3,w4,w5}(4)式中W——綜合權(quán)重子集,權(quán)重值wi(i=1,2,…,5)之和應該為1。最終利用綜合評價矩陣R和綜合權(quán)重子集W,可以得到二級評價結(jié)果向量:D=W?R={d1,d2,d3,d4}(5)D=W?R={d1,d2,d3,d4}(5)式中D——綜合評價向量。向量D的計算采用的是(·,∨)算子,最后對向量D按最大隸屬度原則判斷,便可以得到最終的評價結(jié)果。2決策支撐系統(tǒng)的設計與開發(fā)2.1未來時段主控點壓力趨勢預測模型的應用在大多數(shù)時間系統(tǒng)會對管網(wǎng)運行狀態(tài)進行實時跟蹤監(jiān)控。每個調(diào)度時段初期,系統(tǒng)會根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的動態(tài)數(shù)據(jù)進行是否決策的判斷:在已知管網(wǎng)和泵站現(xiàn)有狀態(tài)的情況下,利用預測水量進行下一個或下幾個時段的管網(wǎng)狀態(tài)模擬計算,如果計算得到未來時段主控點的壓力或壓力趨勢均在控制范圍內(nèi),則無需進行調(diào)度決策,流程返回到調(diào)度監(jiān)控模塊,繼續(xù)下一個調(diào)度事件的監(jiān)測;如果未來時段主控點的壓力趨勢超出了規(guī)定的上下限,說明未來時段由于用水量的增加或減少,管網(wǎng)將處于不可靠供水狀態(tài),則需要及時進行調(diào)度決策,產(chǎn)生新的水泵開關(guān)策略,使管網(wǎng)系統(tǒng)運行控制在可行、合理、優(yōu)化的范圍內(nèi)。調(diào)度方案的產(chǎn)生是按如下三個步驟來進行的。(1)水泵方案優(yōu)化設計可行性方案指的是除檢修以外所有可操作水泵組合而成的方案。如果采取縮短調(diào)度時段,基于水泵現(xiàn)有狀態(tài)以及專家知識庫進行啟發(fā)搜索等方法,系統(tǒng)對水泵操作方案的搜索空間大大減少,這樣有利于避免水泵方案多重組合的復雜情況,提高調(diào)度方案的決策效率。(2)求約束及水處理流程間均衡性約束合理性約束主要考慮管網(wǎng)水力條件約束、泵站水力條件約束、主控點壓力要求約束、水泵操作合理性約束、清水池水位約束、各水處理流程間均衡性約束等。其中管網(wǎng)和泵站的水力約束,管網(wǎng)中主控點壓力的約束均是通過管網(wǎng)微觀水力模擬來實現(xiàn)的,其他約束條件通過調(diào)度知識庫中的專家知識來控制。(3)目標綜合評估系統(tǒng)方案的確定即在求解以供水運行費用為優(yōu)化目標函數(shù)的基礎上,運用多目標綜合評估系統(tǒng)對各方案進行優(yōu)選,從而進一步保障供水可靠性、安全性和經(jīng)濟性。最后決策支持系統(tǒng)輸出可行、合理和優(yōu)化的方案,提供人工參考,進行供水調(diào)度決策的支持。2.2軟件結(jié)構(gòu)供水調(diào)度決策支持系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計總體分為數(shù)據(jù)輸入、優(yōu)化決策和結(jié)果輸出三部分,如圖2所示。2.3系統(tǒng)界面設計在軟件工作流程分析和結(jié)構(gòu)設計基礎上,進行了軟件開發(fā)。開發(fā)工具采用VisualStudioC++6.0,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為MSSQLServer2000,操作系統(tǒng)為Windows2000/XP。軟件界面如圖3所示。調(diào)度決策支持軟件具備的主要功能包括:管網(wǎng)動態(tài)水力模擬、用水量離線/在線預測、多目標綜合評估、離線/在線調(diào)度決策、報表輸出以及WEB發(fā)布等。3調(diào)度決策系統(tǒng)的有效性FS市水業(yè)集團公司是國內(nèi)較早進行供水信息化技術(shù)研究和應用的單位之一。自1989年以來,公司先后完成了營業(yè)信息管理系統(tǒng)、供水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)、供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)、客戶服務系統(tǒng)、工作流程系統(tǒng)、供水管網(wǎng)水力模型以及門戶網(wǎng)站等建設,為供水調(diào)度決策支持系統(tǒng)的研究、開發(fā)與應用奠定了良好的基礎。多年來,FS市供水調(diào)度一直以傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗調(diào)度方式為主,主要依據(jù)是區(qū)域水壓分布,利用增加或減少水泵開啟的臺數(shù),使管網(wǎng)中各區(qū)域水的壓力保持在經(jīng)驗設定的最佳服務范圍之內(nèi)。2005年6月,供水調(diào)度決策支持系統(tǒng)軟件在FS市供水管網(wǎng)中進行了試運行。為了驗證調(diào)度決策系統(tǒng)的有效性,特別選取2005年具有代表性的7天,即6月5日(星期日)、7月1日(星期五)、9月3日(星期六)、9月7日(星期三)、9月12日(星期一)、9月13日(星期二)、9月15日(星期四),將這7天的系統(tǒng)調(diào)度方案與人工調(diào)度方案進行供水經(jīng)濟性和水質(zhì)安全性的比較。表1中列出了各天系統(tǒng)決策方案和人工方案的供水量及總供水費用。從中可以得出結(jié)論:在各天供水量基本相同情況下,系統(tǒng)決策方案供水總費用均低于人工方案。表2中列出了兩類方案在多目標評估體系中水質(zhì)目標評估的結(jié)果,列出了在一天96個調(diào)度時段(調(diào)度時段為15min)內(nèi),評估結(jié)果出現(xiàn)優(yōu)秀、良好、合格、不合格的時段次數(shù)。顯然,系統(tǒng)決策調(diào)度大多數(shù)方案水質(zhì)評估為良好等級,部分為優(yōu)秀等級;人工調(diào)度大多數(shù)方案水質(zhì)評估為合格等級,沒有優(yōu)秀等級。從中可以得出結(jié)論:在這7天的供水水質(zhì)安全性方面,系統(tǒng)決策方案優(yōu)于人工方案。4調(diào)度決策支持系統(tǒng)的研究本文將供水費用單目標優(yōu)化數(shù)學模型與供水可靠性、安全性和經(jīng)濟性多目標綜合評估體系相結(jié)合,建立了供水優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)。該系統(tǒng)在FS市供水管網(wǎng)中成功應用,提高了FS市水業(yè)集團公司的供水管理水平。實踐表明本文提出的供水調(diào)度決策支持系統(tǒng)的理論和方法具有合理性和實用性。對于供水優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)的研究,今后將在以下幾個方面繼續(xù)開展工作。(1)開發(fā)通用性系統(tǒng)平臺,進一步考慮利用管網(wǎng)中的設施進行供水區(qū)