張坤林 柏靜遠(yuǎn) 郭劍橋

（1 上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 2 上海積成慧集信息技術(shù)有限公司）

1 問題的提出

城市管理智慧化進(jìn)程的推進(jìn)，對(duì)供水服務(wù)行業(yè)的管理水平提出了新的更高的要求。國(guó)內(nèi)部分設(shè)計(jì)院和水務(wù)公司，已經(jīng)開始運(yùn)用離線水力模型輔助供水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)以及運(yùn)行評(píng)估工作。但是，離線模型固有的數(shù)據(jù)滯后性弊端，導(dǎo)致其只能用于歷史工況演算，不能及時(shí)推算供水管網(wǎng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和未來(lái)的預(yù)測(cè)情形，難以應(yīng)用于水務(wù)企業(yè)的日常運(yùn)營(yíng)及調(diào)度管理。隨著GIS （Geographic Information System）、AMR（Automatic Meter Reading）和SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）等信息化應(yīng)用系統(tǒng)的不斷發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)硬件性能的快速提升，開發(fā)和應(yīng)用供水管網(wǎng)在線水力模型系統(tǒng)輔助生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理已成為可能，為智能化調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。本項(xiàng)研究對(duì)此進(jìn)行探討。

2 總體技術(shù)開發(fā)路線設(shè)計(jì)

參考相關(guān)研究，我們提出了供水管網(wǎng)在線水力模型系統(tǒng)總體技術(shù)開發(fā)研究路線架構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）。該架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)處理模塊、模型計(jì)算模塊和分析決策模塊三大部分組成。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

利用不同的數(shù)據(jù)接口，接入各廠家和設(shè)備采集的SCADA以及遠(yuǎn)傳水表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其中的數(shù)據(jù)清洗重構(gòu)模塊，可對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并對(duì)異常數(shù)據(jù)分類進(jìn)行修正和重構(gòu)。所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照預(yù)設(shè)的格式統(tǒng)一存儲(chǔ)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心。

2.2 模型計(jì)算模塊

在線水力模型運(yùn)行的基礎(chǔ)，是經(jīng)過(guò)率定且精度滿足要求的離線模型。模型計(jì)算模塊以EPANET開源引擎為計(jì)算核心，按照配置的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，從數(shù)據(jù)中心讀取所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，寫入模型后調(diào)用計(jì)算引擎執(zhí)行滾動(dòng)模擬。

2.3 分析決策模塊

利用模型計(jì)算的結(jié)果，以專題圖和數(shù)據(jù)曲線圖的形式，幫助用戶掌握和評(píng)估管網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)。在水量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各水源配水能耗水平，自動(dòng)推送節(jié)能降耗的水泵調(diào)度方案。

3 基礎(chǔ)水力模型構(gòu)建

3.1 基礎(chǔ)模型

項(xiàng)目試點(diǎn)L市城區(qū)供水管網(wǎng)口徑DN200及以上共約200 km，日供水量約為12萬(wàn)m3。供水區(qū)域有三座水廠，管網(wǎng)上共安裝流量計(jì)55臺(tái)，壓力計(jì)74臺(tái)，大客戶遠(yuǎn)傳表75塊。

對(duì)管網(wǎng)基礎(chǔ)GIS數(shù)據(jù)中存在的各類問題，如管線缺失、重疊、排向錯(cuò)誤等，進(jìn)行逐項(xiàng)修正，并在模型中根據(jù)實(shí)地勘察的信息構(gòu)建水力設(shè)備（水泵、閥門等）。

建模過(guò)程中，綜合分析遠(yuǎn)傳水表數(shù)據(jù)、營(yíng)收數(shù)據(jù)以及漏損數(shù)據(jù)，進(jìn)行水量分配。大用戶遠(yuǎn)傳水量占供水總量比例為19.3%，按照其實(shí)際地理坐標(biāo)，分配到模型中的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)；營(yíng)收水量剔除遠(yuǎn)傳水量后占69.2%，按照營(yíng)收表冊(cè)分配到對(duì)應(yīng)的區(qū)域；各DMA分區(qū)漏損水量占11.5%，在對(duì)應(yīng)的區(qū)域中平均分配到節(jié)點(diǎn)。

3.2 模型率定

圖1 在線水力模型系統(tǒng)架構(gòu)

評(píng)估率定結(jié)果，各水源出口流量、壓力，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。管網(wǎng)一級(jí)流量計(jì)瞬時(shí)流量平均誤差約為90 m3/h，占日平均流量的5%。管網(wǎng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均誤差小于2 m。模型流量和壓力率定結(jié)果總體誤差均在可接受范圍之內(nèi)。

4 在線水力模型系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)清洗重構(gòu)

長(zhǎng)期以來(lái)，由于SCADA數(shù)據(jù)類型特征和廠家來(lái)源不同，采集設(shè)備和傳輸質(zhì)量各異，數(shù)據(jù)采集和傳輸時(shí)間不規(guī)律，造成數(shù)據(jù)缺失、平值、零值、極值等問題。因此，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題一直是水務(wù)企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的痛點(diǎn)。在線水力模型開發(fā)應(yīng)用過(guò)程中，異常數(shù)據(jù)會(huì)影響模型模擬的精度，降低系統(tǒng)的可靠性，嚴(yán)重時(shí)甚至還會(huì)造成系統(tǒng)崩潰。為了提高在線模型運(yùn)行的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)首先對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)所有數(shù)據(jù)的時(shí)間戳按照用戶實(shí)際需求進(jìn)行配置和歸一化。對(duì)SCADA系統(tǒng)、遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)接入的管網(wǎng)流量、壓力、水質(zhì)和大客戶遠(yuǎn)傳表水量等數(shù)據(jù)指標(biāo)，分別配置適當(dāng)?shù)那逑匆?guī)則；對(duì)原始數(shù)據(jù)存在的不同類型的問題，迅速識(shí)別并分別采取對(duì)應(yīng)的清洗和重構(gòu)策略。

表1總結(jié)了系統(tǒng)應(yīng)用的各項(xiàng)數(shù)據(jù)清洗重構(gòu)的基本規(guī)則。

某監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)由于設(shè)備原因，一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)采集不到，一直傳回相同的數(shù)值，出現(xiàn)平值現(xiàn)象。后臺(tái)算法根據(jù)過(guò)去相同時(shí)段歷史數(shù)據(jù)，對(duì)這一時(shí)段進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)重構(gòu)，結(jié)果合理，應(yīng)用效果明顯。

4.2 運(yùn)行態(tài)勢(shì)掌控

系統(tǒng)通過(guò)ArcGIS Server，自動(dòng)發(fā)布模型實(shí)時(shí)計(jì)算的結(jié)果，以關(guān)鍵指標(biāo)動(dòng)態(tài)專題圖和連續(xù)曲線的方式，展示當(dāng)前以及過(guò)去一段時(shí)間供水管網(wǎng)運(yùn)行的整體態(tài)勢(shì)，幫助管理人員從監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的局部數(shù)字化管理轉(zhuǎn)向全面可視化管理，加深了其對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀況的直觀認(rèn)識(shí)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，消除隱患。如通過(guò)流量圖和流速圖，了解管道水量與管徑的匹配關(guān)系以及水流流向；通過(guò)壓力圖，掌握不同時(shí)段區(qū)域內(nèi)高壓區(qū)與低壓區(qū)的分布；通過(guò)壓降圖，獲知水頭損失較大的管道位置；通過(guò)需水量圖，了解區(qū)域內(nèi)用水分布。如管網(wǎng)壓力圖，供水區(qū)域西部壓力較高（>0.2 MPa），可以滿足供水服務(wù)壓力要求；東部壓力偏低（<0.15 MPa），用水高峰時(shí)段壓力可能達(dá)不到服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，需針對(duì)相關(guān)區(qū)域采取對(duì)應(yīng)解決措施，如建設(shè)增壓泵站或提高東部水廠出廠壓力等。

表1 數(shù)據(jù)清洗重構(gòu)規(guī)則

由于監(jiān)測(cè)設(shè)備存在供電方式和數(shù)據(jù)傳輸頻率的差異，各地管理機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)性要求也不同。因此，在線模型系統(tǒng)計(jì)算模塊，可以自行配置滾動(dòng)計(jì)算的時(shí)間間隔以及模擬的時(shí)間步長(zhǎng)。

4.3 優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用

4.3.1 智能調(diào)度方案

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)供水公司在供水調(diào)度方面，大多依靠歷史經(jīng)驗(yàn)和本地實(shí)際情況提前規(guī)劃總體調(diào)度規(guī)則，調(diào)度人員根據(jù)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，按照現(xiàn)有規(guī)則發(fā)出調(diào)度指令。這種方式參考的信息來(lái)源有限，難以及時(shí)掌握管網(wǎng)運(yùn)行的整體情況，特別是在發(fā)生事故的情況下，不能進(jìn)行科學(xué)的應(yīng)急調(diào)度反應(yīng)。在線水力模型系統(tǒng)，可消除此缺陷。

首先，在線水力模型系統(tǒng)依據(jù)各個(gè)水廠供水水量、壓力以及能耗的歷史數(shù)據(jù)，分別分析其配水單耗，在滿足供水服務(wù)要求的情況下，可進(jìn)行各水廠之間的水量宏觀調(diào)度，達(dá)到節(jié)能降耗的作用。

其次，系統(tǒng)使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，根據(jù)實(shí)際采集的SCADA數(shù)據(jù)，對(duì)水泵性能曲線進(jìn)行調(diào)整和修正，使其始終能夠反映水泵真實(shí)的運(yùn)行效果。應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行水泵啟閉、水泵頻率和出廠壓力、流量的相關(guān)性分析，同時(shí)生成所有工況下對(duì)應(yīng)的水泵組合調(diào)度方案，存儲(chǔ)于方案數(shù)據(jù)庫(kù)，以支持通過(guò)接口的方式來(lái)獲取特定條件下所需的調(diào)度方案。調(diào)度人員按照本地實(shí)際，輸入一天中各時(shí)段各個(gè)水廠出口所需的壓力，水力模型系統(tǒng)則根據(jù)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)需水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)以及壓力要求，從調(diào)度方案庫(kù)中查詢對(duì)應(yīng)的調(diào)度方案，生成調(diào)度指令并提交計(jì)算引擎進(jìn)行模擬。模擬的結(jié)果如果滿足目標(biāo)要求，系統(tǒng)將把這條調(diào)度指令以及管網(wǎng)的整體模擬結(jié)果，推送給調(diào)度人員作為參考。

4.3.2 應(yīng)急調(diào)度分析

在線水力模型系統(tǒng)，在管網(wǎng)發(fā)生爆管或水質(zhì)事故的情況下，可以為應(yīng)急指揮調(diào)度提供有力支持。在獲悉爆管點(diǎn)位置和大致漏損情況后，可利用水力模型進(jìn)行實(shí)時(shí)工況模擬；同時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速查找出控制事故點(diǎn)的閥門，再次進(jìn)行關(guān)閥模擬，展現(xiàn)“事故前—事故時(shí)—事故后”管網(wǎng)整體態(tài)勢(shì)。從而幫助管理人員，及時(shí)掌握事故造成的影響（如降壓、停水）范圍以及影響程度，制定合理有效的搶險(xiǎn)維修措施方案，并及時(shí)通知受影響的用水戶做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備，提高供水公司的業(yè)務(wù)能力和服務(wù)水平。

另外，管理人員還可以提前制定好各種事故應(yīng)急預(yù)案，一旦發(fā)生真實(shí)爆管或水質(zhì)污染事件，可以根據(jù)模擬的結(jié)果迅速掌握情況，降低事故造成的損失。

5 結(jié)論與建議

在GIS、SCADA、AMR等信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持下，建立和率定了供水管網(wǎng)水力模型，開發(fā)了在線水力模型系統(tǒng)并在L市投入運(yùn)行。系統(tǒng)不斷進(jìn)行實(shí)時(shí)滾動(dòng)模擬，幫助管理人員有效掌握管網(wǎng)整體運(yùn)行狀況，為運(yùn)營(yíng)決策提供了科學(xué)依據(jù)。隨著遠(yuǎn)傳水表安裝工作的推進(jìn)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)模擬結(jié)果的精度也在逐步提高。系統(tǒng)以需水量預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，為調(diào)度人員推送節(jié)能降耗的水泵組合優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)度的目標(biāo)。同時(shí)，應(yīng)急調(diào)度方案的應(yīng)用，有助于針對(duì)突發(fā)事故執(zhí)行演練，保障供水安全和生產(chǎn)的正常開展。

實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的漏損定位、預(yù)警和漏量核算的前提條件是高精度、及時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的管網(wǎng)信息。為了提高在線水力模型系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的使用效果，提出以下幾項(xiàng)建議：

（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新在線水力模型系統(tǒng)中管網(wǎng)及設(shè)備的變更信息，保證基礎(chǔ)模型的可靠性；

（2）持續(xù)推動(dòng)DMA分區(qū)工作的細(xì)化，提高遠(yuǎn)傳監(jiān)控水量占總用水量的比例，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)水量分配，提高系統(tǒng)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性；

（3）實(shí)現(xiàn)在線水力模型系統(tǒng)與巡檢維修系統(tǒng)的整合對(duì)接，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)或設(shè)備出現(xiàn)問題及時(shí)生成工單，安排人員進(jìn)行處置，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的閉環(huán)管理；

（4）優(yōu)化管網(wǎng)壓力管理，一方面能夠保障高峰時(shí)段的供水量和供水壓力，另一方面也可以有效控制管網(wǎng)漏失水量。