王善慈

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

在現(xiàn)代城鎮(zhèn)發(fā)展過程中，人們對水資源的調(diào)配需求增大，為滿足工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國家耗費了大量的人力物力用于水資源的管理[1]，特別是在我國長三角平原，為排澇防旱，專家們在水系中建立了大量的水利泵站，用于調(diào)節(jié)水資源的分布、水量以及供水時間，實現(xiàn)水資源調(diào)蓄、農(nóng)業(yè)灌溉和防洪排澇等功能[2]。盡管我國的水利泵站保有量巨大，但是因技術(shù)和管理方面的原因，泵站的運行效率低下，資源浪費的現(xiàn)象，消耗了大量的能源，泵站的水量和揚程不足，降低了水利泵站的工程效益[3]。為了更好地調(diào)配資源，實現(xiàn)水利泵站的節(jié)能運行，目前在學(xué)界研究出了眾多的數(shù)學(xué)理論計算模型和優(yōu)化算法。劉洋等[4]人考慮了泵站運行的非線性，采用了模擬退火算法進行泵站經(jīng)濟效率的全局最優(yōu)求解；王彤等[5]人采用蟻群算法的原理，構(gòu)建了水利泵站系統(tǒng)的最低耗能函數(shù)，求解泵站節(jié)能的最優(yōu)化；劉亞明等[6]人采用人工視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，對含沙水流條件下泵站的節(jié)能運行網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)進行激烈分析，研究參數(shù)權(quán)重對目標(biāo)函數(shù)的收斂特性的影響。

1 水利泵站節(jié)能運行的數(shù)學(xué)理論模型及數(shù)學(xué)推理

在水利泵站的配置時，其設(shè)置的數(shù)量及運行工藝參數(shù)往往是與城鎮(zhèn)和工業(yè)用水需求密切相關(guān)的。由于泵站的運行參數(shù)受到眾多因素的影響，因此在評價水利泵站的節(jié)能運行效果時，出現(xiàn)了眾多優(yōu)化數(shù)學(xué)理論模型。這些數(shù)學(xué)理論模型的構(gòu)建都是以節(jié)能運行函數(shù)為目標(biāo)數(shù)學(xué)函數(shù)，按照一定的約束條件，對目標(biāo)數(shù)學(xué)函數(shù)進行求解，以求得的極值為方案的最優(yōu)解。一般而言，在節(jié)能運行目標(biāo)數(shù)學(xué)函數(shù)上，可以用泵站的效率、泵站抽水量、泵站運行成本或者泵站運行用電量等作為目標(biāo)輸出值進行數(shù)學(xué)函數(shù)的構(gòu)建[7]。

如果以泵站的能耗作為目標(biāo)函數(shù)值，一般考慮泵在抽取一定流量的水體時所耗費的電能或功率最小。因此可以構(gòu)建最低泵站能耗目標(biāo)函數(shù)如公式（1）所示，在實際工程中，一座泵站的能耗基本上都有主機組消耗完成，其消耗占比能夠達(dá)到90%～98%，而小型的輔助運行設(shè)備的耗能量對總體的耗能函數(shù)結(jié)果影響幾乎可以忽略不計，因此構(gòu)建最低泵站能耗目標(biāo)函數(shù)時可以不考慮小型輔助設(shè)備的能耗。

式中，Qi，min為單臺泵站抽水的最小水量；Qi，max為單臺泵站抽水的最大水量；QT為所有泵站的總抽水量；θi，min、θi，max分別為泵站葉片的最小角度最大角度；mmax為泵站最大開機臺數(shù)。

類似地，如果以泵站的運行成本作為目標(biāo)函數(shù)值，則是將所有泵站的運行費用（如電費、折舊費等）作為目標(biāo)輸出值進行數(shù)學(xué)函數(shù)的構(gòu)建，如公式（7）所示。

式中，a、b、c、d 為恒定數(shù)；Hst為泵站的揚程；N 為泵站的有效功率；Nm為泵站的額定功率。

對于泵站節(jié)能運行效果，需要考察的運行參數(shù)眾多，從目標(biāo)數(shù)學(xué)函數(shù)的建立過程可以發(fā)現(xiàn)泵站的數(shù)量、流量、揚程、葉片角度、效率等都是影響節(jié)能效果的因素[8]。本文采用Protégé 軟件對泵站的節(jié)能運行方案進行數(shù)學(xué)推理，推理基于Jena 平臺（推理機制如圖1 所示）進行目標(biāo)函數(shù)的約束準(zhǔn)則函數(shù)構(gòu)建，用于推理機器求解推理對象，其中約束準(zhǔn)則函數(shù)文本規(guī)則文件定義如下：

圖1 基于Jena 數(shù)學(xué)推理機制

泵站的節(jié)能運行方案數(shù)學(xué)推理流程如圖2 所示。

圖2 基于Jena 數(shù)學(xué)推理的泵站節(jié)能運行方案推理過程

2 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的泵站節(jié)能計算優(yōu)化

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在水利工程領(lǐng)域可以應(yīng)用于防洪排澇管理、泵站節(jié)能優(yōu)化管理和供水蓄水管理等方法的優(yōu)化，為水利管理人員的決策提供依據(jù)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理如圖3 所示，其層次主要分為3 層，分別為輸入層、隱藏層（可以為多個層級，如圖3 中所示，有2 層隱藏層）和輸出層。輸出層中包含了大量的訓(xùn)練樣本，將其與訓(xùn)練集中的樣本進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，即經(jīng)過隱藏層的運算和傳遞，達(dá)到輸出層，輸出層參數(shù)結(jié)果與實際值進行對比，如果兩者出現(xiàn)誤差，則通過調(diào)整隱藏層的權(quán)函數(shù)值、閾值等，直到計算結(jié)果達(dá)到精度要求，即為期望的優(yōu)化結(jié)果。

圖3 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的泵站節(jié)能計算模型

將圖1 中的輸入層參數(shù)假設(shè)為x=[x1，x2，……xm]，實際樣本值為y=[y1，y2，……yn]，各個隱藏層的權(quán)值函數(shù)如方程（9）、方程（10）所示。

3 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的泵站節(jié)能的應(yīng)用實例

本文以江蘇宿遷市劉老澗抽水站為例，此泵站為黃淮海平原農(nóng)業(yè)灌溉服務(wù)，泵站位于宿遷市中運河，是江水北調(diào)地五級站，通過泵站的運行工作，將淮河水抽排至中運河。泵站采用了4 臺套立式全調(diào)節(jié)流泵，型號為TL2200-40/3250，抽水額定流量為150m3/s，配備有2 臺發(fā)電機，發(fā)電機的運行功率分別為2200kWA、3200 Kwa，運行頻率分別為50Hz、30Hz，設(shè)計揚程為3.5m。

通過建立水利泵站運行節(jié)能運行的數(shù)學(xué)理論目標(biāo)函數(shù)，在約束準(zhǔn)則函數(shù)條件下，采用Jena 數(shù)學(xué)推理機器對水量泵站的運行方案進行求解，基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對水利泵站的節(jié)能系統(tǒng)運行方案進行優(yōu)化，優(yōu)化計算過程如圖4 所示。

圖4 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的泵站節(jié)能優(yōu)化過程

基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的泵站功率預(yù)測結(jié)果與實際功率對比，結(jié)果表明，在同一揚程條件下，隨著泵機流量的減小，預(yù)測的實際呈現(xiàn)一定的波動，預(yù)測功率與功率值相近，相對誤差在±10%以內(nèi)，隨著泵站揚程的不斷減小，泵站的預(yù)測功率也不斷減小。

圖5 為基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的泵站功率預(yù)測迭代過程。從圖中可以看出，在迭代15000 次范圍內(nèi)，隨著迭代次數(shù)的增加，迭代誤差迅速降低，在迭代0 次至迭代1000 次范圍內(nèi)，誤差從1.8%迅速降低到0.4%，隨后誤差隨著迭代次數(shù)的進一步增加呈現(xiàn)出一定的波動，但整體上呈現(xiàn)不斷減小并趨于收斂的趨勢，在迭代次數(shù)大于5000 次以后，誤差平穩(wěn)在0.01%左右，表明預(yù)測結(jié)果已基本穩(wěn)定。

圖5 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的泵站功率預(yù)測迭代過程

經(jīng)過對項目水利泵站系統(tǒng)的節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化表明，當(dāng)給定抽水額定流量為150m3/s，設(shè)計揚程為3.5m時，如果不進行節(jié)能設(shè)計優(yōu)化，采用-3°的開機角度，需要開啟6 臺抽水泵站，才能達(dá)到額定流量和揚程的條件，運行功率為5316.162kWA，而采用節(jié)能優(yōu)化后，采用-3°的開機角度，需要開啟2 臺抽水泵站，即可達(dá)到額定流量和揚程的條件，泵站消耗功率為4953.058kWA，能耗降低6.8%。

4 結(jié)論

以江蘇宿遷市中運河劉老澗抽水站為例，采用Jena數(shù)學(xué)推理機器和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對水利泵站的節(jié)能系統(tǒng)運行方案進行優(yōu)化，得到以下幾個結(jié)論：

4.1 采用Protégé 軟件對泵站的節(jié)能運行方案進行數(shù)學(xué)推理，推理基于Jena 平臺進行目標(biāo)函數(shù)的約束準(zhǔn)則函數(shù)構(gòu)建，用于推理機器求解推理對象，目標(biāo)數(shù)學(xué)函數(shù)考慮了泵站的數(shù)量、流量、揚程、葉片角度、效率等因素對節(jié)能效果的影響。

4.2 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對泵站功率預(yù)測，在迭代1000 次以內(nèi)就可以達(dá)到收斂，預(yù)測功率結(jié)果與實際功率誤差控制在±10%以內(nèi)。

4.3 經(jīng)過對項目水利泵站系統(tǒng)的節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化表明，當(dāng)給定抽水額定流量為150m3/s，設(shè)計揚程為3.5m時，采用節(jié)能系統(tǒng)優(yōu)化后可以降低能耗約6.8%。