城市供水调度系统设计方案1给水系统控制和优化调度软硬件模式1.１概述为了满足城市快速发展的需要,城市供水企业近年来不断采用新的技术、新的工艺，用以提高城市的供水能力和服务质量。

其中自来水厂监控系统在全国大多数城市得到广泛应用，还有一些城市的供水企业正在逐步采用ＧIS技术管理供水管网信息、用计算机实现收费营业电算化。

这些先进的信息、计算机、通讯和自动控制等先进技术的应用,的确为供水企业的现代化运营解决了很多的实际问题。

但是,我们也应该看到还有很多深层次的问题尚未得到卓有成效的解决，究其原因主要是因为:①供水企业的运营包括从产水、输配水、管理和收费多个环节,仅在某一环节采用新技术并不能解决所有问题；②企业运营的各个环节是密切关联的,分离的系统无法实现整个运营的系统性；③系统运营的很多因素是有统计规律和相关性的,目前的系统无法从这些规律和相关性得到可以辅助决策的信息。

因此,要达到自来水企业的最优化运营,就需要系统分析企业的运营模型，找到每个环节的相关性,获取综合的有效信息,综合历史信息,优化企业的运营,提供辅助决策。

以产水到用水的整个过程为主线,以企业的管理现代化为辅线,把信息技术在企业集成应用,实现从产水到用水的最大效益，是我们对以上问题的一个有益探索。

随着工业自动化控制技术和现代科技的高速发展，通讯技术、电子技术和计算机技术的有机结合,出现了高性能的PLＣ系统和SCADA系统，使工业过程控制程序化、模块化、智能化、集成化、网络化，控制过程更加可视化和远程化。

给水系统优化控制是工业过程自动化控制的一个部分，下面我们从供水企业的运营模型着手，分析企业的信息模型,提出的大规模给水系统分级控制和优化调度软硬件模式,和基于GIS平台的供水企业信息化应用方案。

构筑了给水系统优化控制基本框架。

1.2运营模型供水企业的运营主要围绕水从水源、水厂经过输配网最终到水用户的生产／消费链而进行的，其模型如图1。

生产调度通过实时采集水源和水厂的变电设备、电器开关、加压泵等设备运行参数和流量、出水口压力、余氯等控制参数,以及输配网上压力监测点和水库水位或水源井监测点的控制参数,动态自动控制水源、水厂设备的启停和运行，使整个输配网上的水压保持最佳的分布和平稳状态,从而为用户提供高质量的供水服务，减少输配过程中水的损失,最大限度延长管网的使用寿命,最终提高水厂的运营效益。

管网管理主要实现输配水管网信息管理，管网的新建、维护和改造以及水用户的管理。

它必须能够保证管网信息的准确、全面和现势，满足管网规划、设计、施工和维护的要求。

营业收费完成水用户用水量的验抄、统计,根据水用户性质和收费项目的规定进行计费收费。

公司将综合生产调度、管网管理、营业收费的各种信息,结合公司的营业策略,对整个企业的运营进行科学合理的决策,从整体上实现对公司营业的宏观管理。

营业收费的各种信息和财务不属于本次论述的范围。

1．３信息模型系统运营的信息包括变化的动态信息和相对稳定的静态信息。

动态信息主要是通过动态监测系统获取的实时变化的信息，主要包括水厂（水源地）配电设备、工艺设备的运行状态信息，比如变压器的电压电流、配电开关的闭合状态、加压泵的电压电流功率等；水厂出水口压力、流量和余氯等工艺参数信息；管网压力监测点的压力信息和水库的水位信息。

这些信息一方面通过自动控制系统反馈,控制水厂设备的正常运行，另一方面送到公司进行综合分析。

还有一类动态信息就是水厂累计流量信息、水厂设备和管网维护信息、漏水调查信息以及用户用水量信息，这些信息经过综合分析,为供水管网的平稳运行、故障排除、查漏维护提供决策支持信息。

静态信息包括企业变化缓慢的一些业务信息、地理信息和企业运营的历史信息。

这些信息和动态信息相互结合,提供更好的决策支持信息。

更好的决策支持信息返回来对水的生产消费环节产生作用，使其成为良性的循环链，达到最大运营效益的要求。

1.4给水系统操作控制基本原理1．4．１控制目标给水系统操作控制目标可以是单一的，也可以是多个的，对于取水工程,一般是BOD、DＯ指标上下限、水库的水位上下限等;对于整个给水系统，控制目标是满足服务供应及系统约束前提条件下，总费用最小;大规模给水系统操作控制是一个多目标复杂约束条件下的混合离散型动态规划问题。

１.4.2控制原理控制机理:依据上一时段或本时段系统返回的值或对下一时段不确定因素的预测值，满足控制目标及约束条件下，生成相应的决策，对系统进行控制。

在配水系统中不确定因素一般有：用户用水量、管道Ｃ值，阀门开度。

基本控制方式:规则控制(Ｒｕleｓcｏnｔrol)和反复控制(Repetｉtｉve conｔrol )。

前一种控制方式决策形成是直接依据前一时段系统返回的量测值或信号进行控制,指令设计为"如果…那么"的形式,该种控制方式在水厂制水过程中被广泛采用,是经验控制模式的典型方式。

反复控制机理见图3,U为控制函数，X为状态向量，T为控制周期，Z为系统外部干扰函数，在时间t0与ｔf之间,系统当前状态Ｘ(ｔ０)及预测干扰值Z(ｔ0，t0+Ｔ)反馈到控制模型，产生U(ｔ0，ｔ0＋T）,对系统进行控制,每次以Ｔ为周期完成控制过程，当t＞tf时，在tf的基础上，又以T为周期完成循环控制，预测值Z在给水系统中为不确定因素。

图3反复控制机理完成规则控制的过程比完成反复控制的过程快得多。

1．4.3大规模给水系统的分解-协调大规模复杂给水系统操作控制问题非常复杂,大量的控制变量应该在规定的时间段内得出，并完成控制;控制目标函数含有大量定速泵、变速泵及控制阀门组成的多目标离散型非线性控制问题,数学上很难解决,计算时间不能满足实时控制要求；分解-协调算法技术有利于求解大规模给水系统的操作控制问题，因此大规模给水系统采用分解-协调技术完成。

大规模复杂给水系统控制问题可在时间轴和空间上进行分解,以满足在线实时控制的要求，时间轴上分解要满足水库动态的要求,空间上分解可减少问题决策变量的维数，由于子问题之间存在相互关联，子问题之间用协调变量进行协调,这样一来，通过分解-协调方法可减少大规模复杂给水系统控制问题的复杂性。

给水系统分解-协调控制(含两子系统)见图4。

当子系统1和子系统２之间存在利益冲突时，由协调者(上一级)进行协调。

图4 含两子系统的分解-协调操作控制示意１.5体系结构1.5.1大规模给水系统分级控制和优化调度软硬件模块1.５.1.１大规模给水系统分级控制和优化调度硬件模块大规模给水系统分级控制与优化调度硬件模块分三层:远动系统、本地控制室和协调决策层。

远动系统:在现场通过传感设备采集数据，发送，经交际单元传入计算机,或计算机经交际单元将信息发送传输至电动设备进行动作的过程;本地控制室的计算机间的信息是通过局域网来传输,对于大规模给水系统,协调决策层与本地控制室之间的信息传递是通过广域网完成,见图5。

图5 大规模给水系统分级控制和优化调度硬件结构数据的传输方式有三种:电话线(或IＳTN 或ＰSＴN）、无线电波及电缆。

用电话线传输数据很昂贵,如采用电话线传输数据,常将基地数据储存在本地，将它打包，在电话费较便宜时，传入中心计算机;配水系统中测点的信息常采用无线电波的形式发送，其安装和传输费用较低;电缆常用于近距离数据传输,其数据传输的安全性较高。

RTU（Rｅmote Teｒｍｉnal Ｕniｔ）和PＬC单元里含有许多智能控制器，装备有信号处理器和计算机内存，能收集和存储信息,通过运行自身程序模块可执行由决策层送来的命令，它们也备有大量I/O端口(I/O卡），可进行Ａ/D和D/A转换,数字信号和模拟信号可脉冲输入和步进电动输出等功能，具有现场仪器的数字信号和模拟信号输入输出界面。

SＣADA系统和PLC与RTU的交际方式有两种：点对点，一点对多点;PＬC与RTU彼此间可进行串并联连接,常用端口为:RS232,ＲS48５。

1.5.1.2大规模给水系统分级控制和优化调度软件模块给水系统计算机控制和优化调度软件模块有：规划和资源管理软件包(如GＩS系统)，通讯和远动系统软件包(如ＳCADA软件)、决策支持系统软件包。

规划和资源管理软件主要用于供水系统规划设计和管网维护部门，ＧIS系统是该类软件的典型代表，它记录了供水系统中所有的供水设施信息,用图形数据和属性数据存储，为决策支持系统提供供水系统静态基础资料。

通信和远动系统软件用于采集供水系统中实时数据，并将来自主站的命令传输至各站点,实现自动化控制,SCADA系统是该类软件的典型代表。

决策支持系统软件包是给水系统自动化控制和优化调度系统的智力组成部分，它形成原始的操作指令，是以供水系统优化运行（费用最小化)为目标;决策形成过程有两种方法:宏观模型优化调度和微观模型优化调度，前一种方法要求的基础资料较少，受宏观模型的局限性限制，在先进的水司里应用较少，后一种方法考虑了管网微观结构，随着供水调度基础水平的不断提高，微观模型优化调度是发展方向。

大规模给水系统优化调度软件框架见图6、图7。

图6宏观模型优化调度软件框架图7 微观模型优化调度软件框架1.５.1．3大规模给水系统典型的分级控制结构大规模给水系统中包含许多供水区域、水厂、中途泵站或水塔，每个水厂或供水区域内有本地控制室,各本地控制室在整个供水系统决策层(中心调度室)的协调下,保证整个供水系统供水费用最小。

大规模给水系统典型的分级控制结构有两种:见图8和图9。

图8中，供水区域内可含有中途泵站或水塔;图9中,供水区域内可含有水厂或中途泵站或水塔。

图７大规模给水系统典型的分级控制结构[１]图8大规模给水系统典型的分级控制结构［2］１.５.２以GIＳ平台为核心的供水企业信息系统的体系结构无论是动态信息还是静态信息，它们都和其实体所在的地理位置密切相关。

因此构建以GIS 为平台的信息综合、分析和决策的供水企业信息系统是另一种最佳选择。

GIＳ是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统,是分析和处理地理数据的通用技术,GIＳ所特有的空间分析功能和可视化表达方式正符合供水管网信息所具有的区域性强、隐蔽、复杂、动态、数据量大等特点。

同时ＧＩS也是把供水企业的各种信息有效聚合的粘合剂，所有的信息通过和地理位置相关,就可以达到有机结合的目标。

通过将各种信息在GIS平台上的集成，从而为企业提供更深层次的信息化应用。

以ＧIS平台为核心的供水企业信息系统的体系结构如下图所示：信息平台的数据输入/转换中间件可以把企业各种底层设备获取的信息采集到系统的数据库中。

对于不同的底层设备，只要开发相对应的数据输入中间件，就可以很容易接入到系统中去。

而基于该信息平台,用户可以进行各种需要的企业信息化应用。

而这些信息的获取、存贮、组织都完全由该信息平台来实现，从而使系统具有很好的可扩展性和开放性。