水利工程論文-論“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”研究與開發(fā)建設節(jié)水型城市的必備工具摘要在人類社會進入二十一世紀之際，如何運用先進的科學方法和現(xiàn)代化的管理手段，來解決城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化供配水問題，是擺在每一個城市自來水公司，尤其是缺水地區(qū)的自來水公司面前的艱巨任務；本文利用優(yōu)化建模及系統(tǒng)仿真方法，并結合城市管網(wǎng)GIS，對城市自來水管網(wǎng)供配水系統(tǒng)，進行了優(yōu)化建模和優(yōu)化配水，企圖從根本上解決城市節(jié)約用水的問題，并為建設節(jié)水型城市準備了必要的工具。關鍵詞城市信息化管網(wǎng)供配水系統(tǒng)優(yōu)化建模1、概述隨著現(xiàn)代科學技術的進步，在世界范圍內，計算機已經(jīng)進入工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，并取得了飛速的發(fā)展；在我國經(jīng)濟建設飛速發(fā)展的今天，以電子信息技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和大力倡導工業(yè)自動化，已成為不可逆轉的趨勢；面對城市建設的快速發(fā)展，供水行業(yè)已充分認識到：對城市供配水管網(wǎng)系統(tǒng)，必須采用現(xiàn)代化的管理手段，對其進行高效地管理，使管理由經(jīng)驗型管理向科學型管理轉變，大力節(jié)約水資源，改善面向社會的服務水平；我們已經(jīng)深刻地認識到，加強城市自來水系統(tǒng)綜合自動化建設，是達到這一目標的重要措施；這里所說的“城市自來水系統(tǒng)綜合自動化解決方案”，通常包括以下四個方面內容：（1）企業(yè)生產(chǎn)過程的SCADA系統(tǒng)；（2）企業(yè)現(xiàn)代化管理MIS/DSS；（3）城市供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型建立、系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設計；（4）網(wǎng)絡自動抄表（AMR）收費等系統(tǒng)等四大部分。利用計算機及信息技術，以上述四大內容為基礎，對城市供水行業(yè)進行企業(yè)現(xiàn)代化改造，是保證企業(yè)實現(xiàn)信息化，并與國際接軌的重要舉措；“城市供配水系統(tǒng)綜合自動化解決方案”的主體結構如圖1所示：“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的全稱應該是：“城市供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型、仿真與優(yōu)化設計”，它以城市供配水管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）為背景進行開發(fā)，其主要任務有：1.對現(xiàn)行城市供配水管網(wǎng)各功能子系統(tǒng)進行調查研究，并進行系統(tǒng)需求分析；2.建立“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的建設目標，進一步對新系統(tǒng)（即“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”）的功能進行再分析；3.以地理信息系統(tǒng)（GIS）為工具，建立城市供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型，并針對該供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型，并針對該供配水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學模型，進行系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設計；4.建立新系統(tǒng)的日常運行機制，頒布新系統(tǒng)的管理與維護法規(guī)；5.向市場提供“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”全套商業(yè)軟件，并開展優(yōu)質服務活動。在人類進入21世紀之際，最需要解決的問題就是水資源短缺問題；解決這一問題的方法就是“開源節(jié)流”；“城市供配水優(yōu)化系統(tǒng)”的研究與開發(fā)，是從根本上解決城市用水的“節(jié)流”問題；城市自來水公司在向城市工業(yè)和居民供配水的過程中，一旦建立了“城市供配水優(yōu)化系統(tǒng)”后，就從供配水的源頭控制了水的流失和浪費問題，保證了城市最大限度的“節(jié)約用水”；因此，我們說“城市供配水優(yōu)化系統(tǒng)”研究與開發(fā)，其市場前景是極其廣闊的，它所帶來的經(jīng)濟與社會效益也是巨大的2.“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的功能描述“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的開發(fā)，是以城市供配水系統(tǒng)管網(wǎng)GIS為背景，建立起來的一個軟件系統(tǒng)，它具有以下功能：城市供配水系統(tǒng)管網(wǎng)GIS功能，高度現(xiàn)代化的生產(chǎn)調度指揮系統(tǒng)功能、完全信息化的在線優(yōu)化供配水系統(tǒng)功能、應急事故處理的社會服務功能等；下面我們一一予以介紹。2.1城市供配水系統(tǒng)管網(wǎng)GIS功能城市供配水系統(tǒng)管網(wǎng)GIS功能，是“城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)”的核心功能，具有以下六大功能子系統(tǒng)，它們分別是基礎平臺的圖庫管理子系統(tǒng)、管網(wǎng)編輯子系統(tǒng)、管網(wǎng)管理子系統(tǒng)、管網(wǎng)運行調度子系統(tǒng)、事故處理子系統(tǒng)、管網(wǎng)維護管理子系統(tǒng)等；通常每個子系統(tǒng)均可由數(shù)個模塊組成，下面將分別敘述各個子系統(tǒng)的功能和其模塊的功能。1.地形圖庫管理子系統(tǒng)本子系統(tǒng)除提供了分別對點、線、區(qū)三種圖元的空間數(shù)據(jù)和圖形屬性進行輸入和編輯的功能，以從圖形表格輸出的功能之外，最主要的是實現(xiàn)地形圖建庫、對圖庫靈活的管理和方便的數(shù)據(jù)轉換。2.管網(wǎng)輸入編輯子系統(tǒng)管網(wǎng)輸入編輯子系統(tǒng)提供豐富有力的網(wǎng)絡輸入手段，構造網(wǎng)絡拓撲關系，建立與管網(wǎng)元素相關的屬性數(shù)據(jù)和提供供水管網(wǎng)的圖形屬性編輯工具。3.管網(wǎng)管理子系統(tǒng)管網(wǎng)管理子系統(tǒng)用于對管網(wǎng)信息進行全面的了解和詳細的分析。提供屬性與管線的雙向查詢工具查詢檢索各種需要的數(shù)據(jù)和信息。4.管網(wǎng)運行調度子系統(tǒng)管網(wǎng)運行調度子系統(tǒng)實際上就是“供配水優(yōu)化系統(tǒng)”的具體實施，它是在GIS系統(tǒng)的基礎上建立起來的，該子系統(tǒng)同時需要查表收費系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持；5.事故處理子系統(tǒng)事故處理子系統(tǒng)包括爆管事故處理和火災事故處理兩個模塊，爆管事故是指管網(wǎng)中突發(fā)的爆管等漏水事故。用戶只需指定漏水處，系統(tǒng)將能夠制定出合理的處理方案，以便及時排除故障。當需檢修某個或某些閥門時，則需利用擴大關閘搜索尋找需關哪些閥門，以便進行搶修；火災事故處理，是指在城市中突發(fā)火災時，用戶只需指定失火處，并給定搜索條件，系統(tǒng)將能夠根據(jù)搜索條件找出可用的消防栓，提供給消防部門。6.管網(wǎng)維護管理子系統(tǒng)該子系統(tǒng)主要是對管道完工檔案、閘門和管網(wǎng)運行狀態(tài)進行管理日常業(yè)務管理。2.2高度現(xiàn)代化的生產(chǎn)調度指揮系統(tǒng)功能任何一個城市自來水企業(yè)，為了滿足對生產(chǎn)過程的調度指揮，均需設置一個“中央生產(chǎn)調度指揮中心”，以及指揮生產(chǎn)的“生產(chǎn)過程實時監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）”；該SCADA系統(tǒng)通常由企業(yè)生產(chǎn)調度指揮中心、分廠測控站（MCS；MeasureControlSystem）、管網(wǎng)RTU、有線/無線通信系統(tǒng)等構成；因此，SCADA就構成了“城市供配水綜合自動化系統(tǒng)（SyntheticAutomaticSystem，SAS）”的核心系統(tǒng)?！俺鞘泄┡渌C合自動化系統(tǒng)”之中的SCADA功能，可以概要的描述如下：1.數(shù)據(jù)采集功能：根據(jù)公司生產(chǎn)調度中心調度生產(chǎn)指揮的需求，要求系統(tǒng)對自來水管網(wǎng)及各水廠能夠數(shù)據(jù)采集以下信息：合理分布在自來水管網(wǎng)上的測壓信號（管網(wǎng)壓力），各水廠泵的運行參數(shù)、電源供電情況、耗電量、當前功率因素、水廠進/出水量、原水濁度、出廠水濁度、余氯、PH值等。2.數(shù)據(jù)傳輸功能：將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，或直接或通過各生產(chǎn)調度分系統(tǒng)，實時地傳遞到生產(chǎn)調度中心主系統(tǒng)。3.數(shù)據(jù)顯示及分析功能：生產(chǎn)調度中心主系統(tǒng)將獲得的各類信息及數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析、加工直觀地、動畫地顯示出來；供生產(chǎn)調度指揮人員使用。4.報警功能：系統(tǒng)可對各水廠機泵運行異常，如電壓、電流的不足或過載等，管網(wǎng)壓力不足或超限進行及時報警。5.歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢及分析功能：根據(jù)公司生產(chǎn)調度中心調度生產(chǎn)指揮，和檢索、查詢及分析歷史數(shù)據(jù)的需求，系統(tǒng)應具備實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲、檢索、查詢及分析功能。6、報表顯示及打印功能：系統(tǒng)可自動生成各種生產(chǎn)情況的日月年報表，并可隨時打印。7.遙控功能：根據(jù)公司生產(chǎn)調度中心調度生產(chǎn)指揮的需求，系統(tǒng)操作人員可在生產(chǎn)調度中心實現(xiàn)對有關水泵實現(xiàn)開停遙控。8.網(wǎng)絡功能：將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡服務器上，供其他系統(tǒng)使用。2.3完全信息化的在線優(yōu)化供配水系統(tǒng)功能以供水管網(wǎng)GIS為背景建立起來的城市優(yōu)化供配水系統(tǒng)數(shù)學模型，在城市自來水公司生產(chǎn)調度中心投入使用的時候，通常都具備有“完全信息化的在線優(yōu)化供配水系統(tǒng)功能”。2.4應急事故處理的社會服務功能城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)在實際運行過程中，有可能發(fā)生各種各樣的事故（諸如爆管、停水、水壓不足等），城市居民、單位均可通過預先設置的電話通知自來水公司，以便急時得到維修，這就是應急事故處理的社會服務功能。3、“