盛 喆， 孫 悅

(1.中移(蘇州)軟件技術(shù)有限公司， 江蘇 蘇州 215153； 2.蘇州科技城醫(yī)院， 江蘇 蘇州 215153)

近年來南水北調(diào)工程取得了重大的進展，東線和中線工程相繼通水，為我國北方缺水地區(qū)提供了大量的生產(chǎn)生活用水。隨著調(diào)水工作的逐步展開，泵站系統(tǒng)的調(diào)水能力受到了嚴重的考驗。早期泵站系統(tǒng)的運行與維護主要采用人工巡查的方式，有著成本高、工作量大、應急能力差等諸多的缺點。目前許多的泵站實施了計算機自動化系統(tǒng)改造，大大提高了泵站系統(tǒng)的工作能力。但由于受建設時條件所限，仍然存在著監(jiān)測信息不全、數(shù)據(jù)同步延遲、數(shù)據(jù)利用率低等不足。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為解決這一問題提供了一個全新的思路。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度研究，構(gòu)建了一個面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。希望研究能為將來泵站系統(tǒng)的升級提供參考。

1 物聯(lián)網(wǎng)

近年來，隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，萬物互聯(lián)逐漸成為可能。其實，早在20世紀90年代，物聯(lián)網(wǎng)的概念便已提出。2005年國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布了“TheInternetofThings”年度報告，從功能和技術(shù)的角度對物聯(lián)網(wǎng)的概念進行了解釋。功能上，ITU認為世界上所有的物體都可以通過因特網(wǎng)主動進行信息交換，實現(xiàn)任何時刻、任何地點的互聯(lián)；技術(shù)上，ITU認為物聯(lián)網(wǎng)涉及射頻識別技術(shù)(RFID)、傳感器技術(shù)、納米技術(shù)和智能嵌入技術(shù)等。

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)分為3層：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層由傳感器、RFID標簽、視頻監(jiān)控設備等組成，主要功能是識別物體、采集信息；網(wǎng)絡層是信息傳遞的通道，連接了感知層和應用層，目前網(wǎng)絡層應用的技術(shù)有：5G、4G、Zigbee、WLAN、GPRS等各種有線和無線網(wǎng)絡；應用層是系統(tǒng)和外部的接口，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能應用。應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)能夠很好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、方案制定及實施和數(shù)據(jù)管理的功能，提高泵站系統(tǒng)的工作效率、降低泵站系統(tǒng)的運行成本。

2 面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本文構(gòu)建的面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

從圖中可知，感應層包括各種傳感器和數(shù)字網(wǎng)絡攝像頭。根據(jù)現(xiàn)場情況劃分監(jiān)測點，在各監(jiān)測點按照需求布置傳感器，在各機組、主控室等監(jiān)控點安裝數(shù)字網(wǎng)絡攝像頭。網(wǎng)絡層由Zigbee局域網(wǎng)和5G無線模塊組成。泵站一般處在偏僻地段，監(jiān)測點位置大多不方便布線，因此宜采用無線網(wǎng)絡進行通訊。Zigbee局域網(wǎng)有著成本低、功耗低、時延短、安全性高、網(wǎng)絡容量大、自組織和自愈能力強等優(yōu)點，非常適合近距離電子設備之間的無線通訊。Zigbee局域網(wǎng)和各種傳感器組成了無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)，WSN能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全快速傳輸。5G技術(shù)是4G、3G標準的延伸，有著高速率、低延時、大容量、更節(jié)能等優(yōu)點，本系統(tǒng)中采用5G技術(shù)傳輸WSN監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控設備的實時視頻數(shù)據(jù)。應用層由中間件、數(shù)據(jù)庫服務器、決策支持模塊、調(diào)度執(zhí)行模塊以及人機交互界面組成。中間件讀取5G模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析處理，丟棄冗余數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一格式存入數(shù)據(jù)庫服務器。數(shù)據(jù)庫服務器存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用戶可以通過人機交互界面對數(shù)據(jù)進行查看管理。當上級部門下達調(diào)水任務時，決策支持模塊利用數(shù)據(jù)庫服務器中的數(shù)據(jù)和優(yōu)化算法計算調(diào)度方案，然后將方案遞交給調(diào)度執(zhí)行模塊執(zhí)行。

2.2 系統(tǒng)功能的劃分

面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)從功能角度可分為4個功能模塊，分別是：人機交互界面、監(jiān)測子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)、調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)，各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

2.2.1 人機交互界面

人機交互界面是系統(tǒng)與外部交互的接口，主要功能包括：接受管理部門的提水任務、監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、制作分析曲線、生成數(shù)據(jù)報表、打印等，功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 監(jiān)測子系統(tǒng)

監(jiān)測子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的“感覺器官”，見圖4。監(jiān)測子系統(tǒng)包括：用于測量揚程的差壓傳感器、用于測量流量的電磁流量計、用于測量機組轉(zhuǎn)速和扭矩的扭矩儀、用于測量真空度的真空壓力變送器、用于測量大氣壓的空盒氣壓計、用于測量水溫的智能測溫儀表、用于測量機組電流電壓的電壓表電流表等，以及用于視頻監(jiān)控的數(shù)字網(wǎng)絡攝像頭。

2.2.3 決策支持子系統(tǒng)

Applicable Discussion on Air Supported Belt Conveyor in Power Plant ZENG Bing,CHEN Yanlin,LUO Yudong(115)

在介紹決策支持子系統(tǒng)前需對一些概念進行說明。

日均揚程統(tǒng)計表，指的是某一泵站所處固定水域的全年日均揚程變化統(tǒng)計表。對于一個固定水域，它的揚程變化主要受豐枯水期和潮汐變化影響，根據(jù)歷史資料統(tǒng)計分析可得該地全年日均揚程變化統(tǒng)計表。

分時電價表，指的是某一地區(qū)不同時段的電價表，從當?shù)氐奈飪r部門可獲取到。

流量—揚程、流量—裝置效率性能方程，指的是泵站所處的固定水域，機組流量和揚程以及機組流量和裝置效率的性能方程。通過對流量、揚程、裝置效率數(shù)據(jù)進行曲線擬合可得。

對于某一泵站，其日均揚程統(tǒng)計表、分時電價表和揚程—流量、流量—裝置效率性能方程均存儲在數(shù)據(jù)庫服務器中?？紤]到短時間內(nèi)揚程變化較小，可用執(zhí)行提水任務前一天的日均揚程近似替代執(zhí)行提水任務當天的日均揚程。當決策支持子系統(tǒng)接收到提水任務時，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫服務器中的歷史優(yōu)化方案表中匹配提水任務和日均揚程，如果匹配成功，則不需要計算，直接調(diào)用匹配到的歷史優(yōu)化方案；如果匹配失敗，調(diào)用優(yōu)化算法計算出優(yōu)化方案，并將提水任務、日均揚程和優(yōu)化方案存儲到歷史優(yōu)化方案表中。決策支持子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖2 系統(tǒng)功能模塊

圖3 人機交互界面結(jié)構(gòu)

圖4 監(jiān)測子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 決策支持子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.4 調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)

調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)接受從決策支持子系統(tǒng)傳來的優(yōu)化方案，按照優(yōu)化方案決定各機組開停機，對開機機組利用液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組葉片角。決策支持子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 調(diào)度執(zhí)行子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 決策支持子系統(tǒng)中的優(yōu)化算法

2.3.1 數(shù)學模型

一座泵站一般有多臺機組，各機組型號可能相同也可能不同，但即便是同種型號機組由于制造、安裝及布置等的影響，各機組間的實際性能也會有所不同[10]。因此，在數(shù)學模型中應考慮到機組之間的差異性?？紤]分時電價和水位變化，將一天劃分為SN段，對于一座有著JZ臺機組的泵站，以泵站總耗電費用最低為目標函數(shù)、總體水量和機組額定功率為約束條件、各時段機組開停機和機組葉片角為決策變量，建立泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度數(shù)學模型。為方便模型描述，定義如下變量，見表1。

模型數(shù)學描述如下：

目標函數(shù)：

(1)

提水量約束：

(2)

功率約束：

(3)

2.3.2 模型求解

上述模型是較為復雜的帶約束條件的單目標多約束模型，本文采用改進編碼方式的動態(tài)懲罰函數(shù)遺傳算法對模型進行求解。求解過程分為約束條件處理和遺傳算法求解2個步驟。

第一步，約束條件的處理。首先是提水量約束，本文采用動態(tài)懲罰函數(shù)法處理提水量約束，懲罰函數(shù)設計如下[11]：

(4)

其中，

(5)

式中：P表示動態(tài)懲罰函數(shù)，g(θ)表示實際提水量與提水任務的差值。C、α、β為調(diào)節(jié)懲罰大小的常參數(shù)，t為迭代次數(shù)。隨著迭代次數(shù)的增加，即t增大，懲罰項也增大，對不可行解的懲罰加大。隨著迭代進程的深入，不可行解拋棄的進程加快，使得整體算法有較快的收斂速度[12]。

其次是功率約束，如式(3)所示機組電動機實際運行功率不大于機組電動機額定功率。本文在優(yōu)化計算前提前處理功率約束，這樣可降低優(yōu)化計算的復雜程度[13-14]。根據(jù)式(3)可計算出各個時段每臺機組滿足功率約束的葉片角。

第二步，遺傳算法求解。本文改進了經(jīng)典遺傳算法的編碼方式，用2條染色體表示1個個體，1條染色體表示機組在各個時段的開停機情況，1條染色體表示機組在各時段的葉片角。兩條染色體各自獨立的進行遺傳操作，這樣可提高種群的多樣性。本文中的模型是最小值問題，為方便選擇操作需轉(zhuǎn)化成最大值問題?？紤]到適應度非負的要求，可選擇一個相對較大的常數(shù)Cmax，用Cmax減去目標函數(shù)，再加上懲罰函數(shù)P，可得適應度函數(shù)如下：

(6)

表1 變量說明

算法的具體描述，見表2。

表2 算法過程

2.3.3 江都三站實例求解

江都三站由10臺2000ZLQ13.7—7.8型泵組成，機組額定功率1600kW，葉片角調(diào)整范圍為[-6°,+4°][15]。在日均揚程3.8m，日提水任務9.4×106m3(60%負荷)情況下采用2.3.2節(jié)方法對江都三站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度模型求解。求解結(jié)果如表3所示。

表3 江都三站站內(nèi)優(yōu)化求解結(jié)果

注：1表示開機，0表示不開機，不開機時表格中葉片角空出。

從表3可知，總提水量為9.697×106m3，滿足提水量約束，此時總費用為10.24萬元。因此，本文采用的改進編碼方式的動態(tài)懲罰函數(shù)遺傳算法能很好的求解泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度數(shù)學模型。

3 結(jié) 語

本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入構(gòu)建了面向物聯(lián)網(wǎng)的泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能監(jiān)測、方案制定、調(diào)度實施和數(shù)據(jù)管理等功能的整合。提高了泵站站內(nèi)優(yōu)化調(diào)度工作的效率和整個系統(tǒng)的信息化水平。隨著通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，通過物聯(lián)網(wǎng)改造傳統(tǒng)泵站管理技術(shù)，實現(xiàn)泵站調(diào)度管理的智能化是未來發(fā)展的必然趨勢。