城市给水管网配水系统优化调度概述

摘要:本文扼要介绍当前国内外供水调度系统的现状，分析了调度系统的建模方法，论述优化调度的现实应用意义。将GIS信息管理系统与供水管网优化调度有机的结合起来，实现供水资料的科学管理、信息资源的二次开发，可以提高操作人员的工作效率并且能够提高在调度决策和判断上的准确性与可靠性，为各级管理人员提供调度决策上的有力支持。
关键词:配水系统；优化调度；供水管理；GIS
1 概述
随着城市人口增长和建设的发展，城市配水系统的规模和复杂程度日益增大，使得现有的配水系统存在不同程度地供水压力分布不合理和耗电较多的严重问题。为了充分利用水资源和节约能源，使城市供水安全经济，满足人们需水要求，配水系统的优化是时刻摆在各供水部门面前的重要课题。本文对配水系统的优化方法做一个简要概述。

2 传统优化调度方法

配水系统通常是指将从给水处理站、配水厂或由水塔、高位水池向用户配水的管道。配水管网优化调度系统由三个基本组成部分:用水量预测模型、配管网水力模型及优化调度模型。

2.1用水量预测方法

用水量预测是优化调度的第一步工作，实际调度控制中，主要需进行日用水量和时用水量的预测。预测方法可分为2类：
（1） 解释性预测方法，即回归分析方法。此法认为输入变量的变化会引起系统输出变量的变化，也就是说系统的输入与输出之间存在着某种因果关系。这种模型对输入变量的精度要求较高，特别是当进行离线控制时，需对次日整天的用水量进行预测，这就要求次日的天气、居民活动等的预报资料精度较高,否则误差可能较高。
（2）时间序列分析方法。把系统看作是一个“暗盒”，可以不管其影响因素，而只关心观测和预测的结果，其预测过程只依赖于历史观测数据，它的数据模式用水量预测中常用的有指数平滑模型、自回归模型、滑动平均(MA)模型、自回归—滑动平均模型、灰色预测模型等 。

2.2建立配水系统网络分析模型

国内外在供水系统的网络建模方面进行了大量研究，归纳起来可以将网络分析模型分为两类：宏观模型和微观模型。宏观模型由美国学者Robert Demoyer在1975年提出。这类模型应用了“黑箱理论”，它避开配水系统结构的复杂性，利用获取的几种重要的管网参数，在这些变量运行记录的基础上，利用系统回归分析的方法，建立各变量之间的函数关系式，从而反映出管网的状态变化。宏观模型的应用是以统计分析理论为基础,建立的系统网络分析模型,适应系统比较差，精度低，使用时需要考虑这些局限；微观模型是在尽可能考虑管网的拓扑结构及管网各元素间的水力关系的基础上，建立起的管网仿真模拟模型，需要利用质量平衡方程、能量平衡方程求解系统工况。应用微观模型的前提是：已知管网各节点的节点流量及管道的摩阻系数。然而，节点流量是依赖用户用水量而随机变化的量，是最难以确定的值；管道摩阻系数受管道敷设年限、管道腐蚀及结垢等因素的影响，其影响值亦难以
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作者简介：雷文俊 男 1978- 工程师 研究方向： 市政给水排水
解析[3]。这些都影响了微观模型的实际应用。微观模型对系统的变化及节点用水量分布的变化适应性较强，但因所需输入数据多,模型的校核工作量大,计算耗时，应用上受到一定局限。

2.3调度决策方法

城市供水调度，就是从城市整体供水角度出发，通过对供配水系统的充分调查研究找出企业目前在管网建设、运行、管理上存在的问题，明确建模的数据采集手段、管网建模的质量保证体系及技术指标，利用现有城市系统运行的特点，协调指挥好供水系统的运行，提出符合实际、便于实施、节约资源、节省资金的供配水调度方案，从而提高企业经济效益与社会效益。
优化调度的最后环节就是建立优化调度模型,用以确定优化运行的决策变量值,其目的就是在满足系统约束的前提下,使运行费用最小。目前国内外普遍采用的方法是在计算机上将配水系统处理为一数学模型，即：将复杂的实际网络简化为少量节点的等效网络，节点就是实际管网上的监测点，根据监测点采集的各种参数，由计算机描述系统的宏观状态，进而根据实际需求，通过优化计算，给出调节参数，实现系统的优化运行。

2.4寻优方式

根据决策变量的选取，可将寻优方式分为:(1)直接寻优，以各泵站各种泵的数量及泵流量为变量建立直接优化模型。 (2)二级寻优。 第一级优化仍是基于多目标决策原理，以各泵站供水量和供水压力为变量建立优化模型。
上述两种寻优方式目前应用得都比较广泛，对于泵站内水泵组合数较少，缺少调速泵，即泵站内可调余地较小的系统，适宜采用直接寻优方式。对于供水系统规模大，泵站多，可调余地大，供水方式较为复杂的情况，宜采用二级寻优。

2.5优化调度前景

优化调度系统的应用,在很大程度上依赖于系统监测控制设备及数据获取水平的提高、可用软件的普及程度及用水量预测模型的预测精度。随着科技的发展进步，建立科学、合理的城市供水管网信息管理与调度系统，将GIS信息管理系统与供水管网优化调度有机的结合起来，实现供水资料的科学管理、信息资源的二次开发，不仅有助于提高操作人员的工作效率，而且能够提高在调度决策和判断上的准确性与可靠性，为各级管理人员提供调度决策上的有力支持，达到国家供水行业提出的“优质、高效、低耗、安全”目标。

3 GIS与供水管网的结合

3.1 GIS简介

GIS(Geographic Information System,地理信息系统)是在计算机硬件和软件支持下，运用地理信息科学和系统工程理论，科学管理和综合分析各种地理数据，提供管理、模拟、决策和预报等任务所需要的各种地理信息的计算机管理系统。它显著的基本特征是能实现对空间数据的分析、处理和管理，是数据库技术由属性数据管理阶段向空间数据管理阶段的飞跃，从而把地图独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作集成在一起。给水管网GIS主要是把城市的地理位置与给水管网系统设施结合在一起，用

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于设施的图形管理、供水业务管理、漏水监测和辅助调度作用。

3.2 给水管网GIS系统功能分析[4]

给水管网GIS系统，不同于一般的需要存贮大量的非图形和图形信息的GIS系统，而是有其特殊性，主要表现在如下几个方面:即地形、地貌信息只是作为背景知识，不需要存贮大量的非图形信息;节点、管段、阀门、水泵等之间都有固定的相互联系;管网GIS除具有GIS的功能外,还需具备管网水力计算、设计、管理、调度等方面的功能。因此,建立给水管网GIS系统,不能单纯地从一般GIS的功能进行系统分析和设计,而是需针对给水管网的目的和特点进行。

3.3 城市给水管网GIS管理与设计

应用GIS功能结合给水管网水力计算模型、优化设计与调度管理模型、SCADA、plc为一体的给水管网计算机管理系统,可很好的实现管网信息更新、模型管理与实测数据统一,避免工作重复,可提高工作效率、有效地为管理决策者提供重要信息[5]。以GIS为基础的给水管网计算机管理系统,包括数据库、现状分析、管网模型、GIS、优化调度等模块(如图1所示)。GIS系统提供管网图形信息；管网现状分析对GIS基础数据进行校正，使GIS能够符合实际工作的要求；管网模型是对管网系统进行水力分析，基础数据来源于GIS；改扩建模型对新建或扩建管网进行分析；水量预测预报系统以数据库中的历史数据为基础进行分析；SCADA系统用于把管网、水厂、泵站等实测数据传送到数据库，便于其他系统利用这些数据进行分析；优化设计则是在现状分析和GIS系统的基础上，进行规划和分析；CAD则直接可以利用GIS的基础数据和优化设计结果，进行施工图设计；报表输出是按照自来水公司的要求，定期产生报表系统；图形管理是对GIS图形的添加、删除，对工程施工图、管网模型图、现状分析图等进行管理。优化调度是利用数据库的基础资料、当日当时的现状资料、GIS的图形资料、SCADA的实测资料、水量预测的供水资料进行全范围调度，并发送调度指令。