城市供水管网模拟与调度的研究 110页

'klo“_⑧天洋大尊十目ⅢK第一M★学博士学位论文_m㈣Ⅲ¨■●”----一一级学科：坚撞抖芏皇王猩学科专业：珏墟王握作者姓名：垫壁壁指导教师：赵堑些塾撞天津大学研究生院2006年1月 在以上研究的基础上，综合考虑运行经济因素和供水水质安全因素，应用最优化的理论与方法，对以往的供水管网优化调度模型进行了改进，加入了水质影响因素，考虑了管网水力停留时间，建立了供水系统的多目标混合变量的优化调度模型，并采用非线性模型求解软件Lingo求解，这对给水行业不仅具有重要的理论意义，而且具有宏观的经济效益。关键词：给水管网、在线监测系统、管理信息系统、水质模型、支持向量机、人工神经网络、宏观模型、优化调度 ABSTRACTWaterisirreplaceableanditssupplyh弱muchtodowitlleverywalkoflifeandthousandsoffamilies，SOwatersupplyistheimportantbasicestablishmentofeconomicdevelopmentofcitiesandthepeople’Slivelihood．WaterSupplynetworkiStheimportantpartofthewatersupplysystemthatconsistsofwaterintake，watercleaningandwatertransportationanddistribution．Ittakesontheresponsibilityofsafelytransportationanddistribution,whichmustsatisfythewaterquantity，waterpressureandwaterqualitydemandoftheusers，andtheinvestmentofthewatersupplynetworkaccoantsforabout70percentofthewholeinverstment．ThenewlypublishedcriterionofwaterqualityisnotonlymuchstricterbutalsohastherequestabouttheUSerterminal．Comparedwiththedevelopedcountry，wehaveobviousprogressinoperationandmanagementofwatersupplysystem，buttheinvestigationofwhichtakethesafetyofwaterqualityintoaccountiSmorelaggard．Watersupplynetworksofmostcitiesinourcountryarehighlycost,higll丘equencyofaccidentandlowersafetyofwaterquality．nlemainissueinoperationofwatersupplynetworkwasinvestigateddeeply．011theconditionoftheoperationandmanagementactualityofthewatersupplynetworkandurgentlysolvingofthat,applicationartificialintelligence，systemoptimalandthetheoryofmanagementbasedonthesummarizationandanalysisofdomesticandforeignresearchproduction．OnlinemonitoringandmanagementsystemWasestablishmentandthepredictionmodelaboutthemainparameterofwaterqualitywasestablished．Onthesynthesisconsidersofthewatersupplyefficiencyandwaterqualitysecurity，anoptimalnetworkofwatersupplywascarriedonandmadegreatcontributiontotheinvestigationofinformationmanagementandoperationofmunicipalwatersupplysystem．Theonlinemonitoringmanagementsystemisimportantfoundationoftheoptirealoperationofmunicipalwatersystem，whichdirectlyinfluencetheoperationbenefitofthewatersupplysystemandwaterqualitysafety．Theauthortakessomesoutherncityasobjectandbuilduptheonlinemonitoringmanagementsystem．Itnotonlytimelyfindoutthechangesofthewaterquantityandwaterpressureofeverymonitoringpointofpipenetworkforoptimizationofpumpstation,butalsocanreflectthechangeofthewaterqualityintime，whichplayaguidingroleinthecraftofwaterpurificationandpipenetworkscheduling．Thispaperassessedthewaterqualitystatisticalmodelsinthatsupplynetworksystemically：multivariateregressionanalyses，theArtificialNeuralNetwork(删methodandsupportvectormachine(SVM)，andknewaboutthegenerallytheory andapplication．Supportvectormachineisacommonstudyalgorithmofakindoflittlesamplewhichisputforwardinmiddleperiodof1990s．Inrecentyears，itdemonstratealotofperformancethatissuperiortotheforegonemethods船aresdtofabrcakthrougllintheoreticalresearchalgorithm．Theauthorhasrespectivelybuiltupthreechlorinepredictionmodelstomanualtestsystem,onlinetestsystemthesystemcouplingonlinetestpoIntswithmanualtestpoInts．Theprecisionofmodelsarehigher,whichsatisfypracticabilityrequirements．Thispaperhassummarizedthemethodsfromtheoperationslatesimulationmethodofthedomesticinternationalwatersupplynetwork．Basedonthetheoryofmacroscopicalmodel，theSVMarithmeticisputforwardcombinedwiththeurbanwatersupplynetworkcharacteristicofourcountry．IndicateThroughexaminingitindicatethatthemacroscopicalmodelcansimulatethemainhydraulicparametersunderthepipenetworkoperationstateverywell，whichsatisfythecalculationprecisioncalculationtime．Onthebasisoftheaboveresearch．，consideringtheoperationeconomicfactorwaterqualitysafetyfactorofthewatersupplysystemsynthetically,thepastoptimizationmodelsareimprovedbyjoiningtheinfluencefactorofwaterqualityconsideringresidencethehydraulictimeofpipenetwork．Byemployingtheoptimaltheorymethod，anonlinearoptimizationmodelofmulti-objectivemixeddiscretevariablesisbuiltupwhichissolvedbytheLingosoftware．Thisnotonlyhasimportanttheorymeaningstowatersupplytrade，butalsohasmacroscopiceconomicbenefits．KeyWords：watersupplynetwork,theonlinemonitoringsystem，manageinformationsystem,waterqualitymodel，SupportVectorMachIne，theArtificialNeuralNetwork(ANN)，macroscopicalmodel，optimaloperation 独创性声明本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者碘蛾字魄彬／年／月厅日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留，使用学位论文的规定。特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签签字日期：p蚺／月日日^k鹏彳、月卜妙，岈笮毒“)名期签日师字导签 天津大学博士学位论文第一章绪论1．1问题提出第一章绪论城市供水是城市发展的命脉，是保障人民生活、发展生产建设不可缺少的物质基础，其已成为我国城市可持续性发展和建设的重要制约因素，而且直接关系到社会的稳定和经济的发展。由于水的不可代替性，牵动着城市各行各业、干家万户，所以城市供水一直是城市经济发展和人民生活的重要基础设施，具有极重要的地位。城市供水系统是由水源、净水厂、管网三个有机部分构成的，供水管网是供水系统的重要组成部分，它担负着把水安全可靠地输配到用户，并满足用户对水量、水压和水质的要求；供水工程建设中，管网部分的投资占整个工程投资的70％左右，而且还涉及每年庞大的能量消耗；同时，管网的运行状态还影响着供水水质。1997年在西班牙马德里召开的世界给水工程会议所编制的《关于指导各国水司引用新技术及改善管网管理的方法论的纲要》就旨在考虑引用新的技术和方法来提高各国水司配水管网的运作水平，即帮助各国改善其水司配水系统服务质量并提高管网本身运作效率。因此，如何提高供水服务水平已成为各国普遍关注的问题。1．1。l我国供水管网现存的主要问题l、供水管网调度系统可用率不高目前多数供水企业都建立了自己的监控系统(SCADA)，但大部分还是遥测系统，用于遥测水压、流量、水位、机泵开停等参数，少数公司在水源井中采用了遥控技术。因此，现阶段国内在用系统只是具备调度系统的部分基础功能，处于调度系统的初级阶段。据不完整不准确，系统可用率不高【l】；网实际运行情况的分析水平参差不齐；存在的问题有：系统投资少，采集数基本没有准确的管网模拟模型，对管虽然个别大城市供水企业建立了管网 天津大学博士学位论文第一章绪论优化调度系统，但功能单一、实用性不强，尤其缺少实时在线的优化调度系统。2、供水管网水质稳定性较差一般来说，自来水公司出厂水的各项水质指标都是满足国家的现行水质标准的，我国大中型城市水厂全年水质综合合格率达到99％以上。但是，在水体从水厂到用户的输送过程中，在配水管道中发生复杂的理化和生物作用，水质往往产生一些显著的变化，包括水质自身在管网的变化和外部的二次污染，最终导致供水水质下降。据调查，我国管网水水质合格率较出厂水下降O．88个百分点，其中浊度平均比出厂水高O．3NTU，细菌总数增加4倍左右，合格率约为97％，而大肠杆菌更只有90％左右的合格率【21。人们越来越认识到饮用水安全输配对水质保障的重要性，可以说，水质保障技术的重心已逐渐从水厂向管网转移。3、供水管网漏损严重城市供水管网因管材、施工、运行压力、腐蚀以及管理等问题，在运行过程中会造成管网漏损。由于管网供水运行压力不当使得我国的城市供水管网的漏失率高于发达国家5～lO倍。4、供水管网管理水平落后我国的供水管网运行管理水平与发达国家相比较，存在较大的差距，主要体现在管理体制、管理机构、政策法规、管理技术手段、设备条件、基础性工作等方面差距较大。由于供水管理水平落后，造成供水出现水质、水量和水压有时不能满足用户要求，安全可靠性较差。由于供水运行决策调度不科学，造成供水运行成本高，效率低，使企业负担重。1．1．2课题的提出通过分析城市供水管网运行中的主要问题，我们不难发现，城市供水管网的在线监测系统、管网运行状态模拟以及综合考虑系统的水力、水质目标的管网调度是城市供水管理中的主要内容。l、管网在线监测系统我国多数自来水企业基本都建立了管网在线监测系统(SCADA)，监测的指标多为水量、水压，但系统设备的完好率不高，监测数据的完整性、准确性差，有水质监测的不多。笔者认为一个好的管网在线监测系统2 天津大学博士学位论文第一章绪论(SCADA)不仅可利用计算机、通信、控制显示等技术，应用各种监控设备对供水管网的水力、水质数据进行实时采集及处理，而且可在此基础上建立数据库管理信息系统为供水管网水力、水质模型的建立提供支持。2、管网运行状态模拟以供水管网在线监测信息为基础，求解管网各个供水时刻的供水流量和供水扬程并模拟管网的工作状态，对进行管网的优化调度是十分重要的。模拟管网各个时刻工作状态的方法主要有两种：一种是管网微观模型模拟方法即平差计算的方法，另一种就是用宏观模型模拟的方法。管网微观模型(MicroscopicModel)的方法即平差计算法在目前供水管网的新建、改造设计计算中较多的用于管网工作状态模拟和工作参数的确定131。在这些工作中采用管网平差计算的方法来确定、比较设计方案是十分必要的，也是完全可行的。但若将这种微观模型的方法用于整个供水管网的优化调度计算中，则存在两大缺陷。其一，在供水各个时刻管网各节点流量无法准确预知：其二，各管段的粗糙系数在各个供水时期是会发生变化的。宏观模型(MacroscopicModel)就是在历史运行数据的基础上，利用统计分析的方法，建立起来的一种经验性的数学表达式。它的基本思想就是抓住配水调度中所涉及管网的几个主要变量，如各水厂供水压力和供水量以及控制点的压力(罗伯特等人称之为宏观变量)，通过大量实际运行数据的回归分析和计算所建立起的宏观变量之间的回归方程式，从而可在已知各水厂的供水量情况下，快速地求得各水厂的供水压力和控制点压力，而不必进行繁锁的平差计算。同时又因在回归计算时所采用的数据来自供水的实际运行记录，所以由宏观模型计算的结果能真正反映管网的实际工作状态。而且，运用这种方法不必考虑管网中具体各节点与各管段的工作状态和物理参数，而从系统方法的角度出发直接描述出涉及管网优化调度方案决策的管网主要参数之间的经验函数关系。同时因宏观模型是采用非迭代的计算方法，从而大大的提高了计算速度。因此，笔者在文中着重阐述宏观模型的发展，并在此基础上尝试运用神经网络法建立管网宏观模型。3、管网水质模拟3 天津大学博士学位论文第一章绪论城市安全饮用水的最终目的是为用户提供安全可靠的自来水。水源水通过取水系统进入水厂，经过一系列的处理工艺后，最终由配水管网输送到用户。传统的观念认为净水厂出水要达到水质标准并能维持一定余氯，用户用水就是安全的。现在的情况已发生变化，水源普遍遭受污染或微污染，富营养化现象严重(藻类和有机物含量较高)，合格的出厂水经过配水系统的传输时，在管道中会发生复杂的物理、化学、生物作用而导致水质变化，结果管网水到达用户时，水质就不一定符合国家生活饮用水标准了。因此，监测给水管网的水质状况，提高供水水质的安全性是一个实际而又急待解决的问题。由于城市给水管网比较复杂、庞大，建立几个有限的监测点进行人工监测，做到实时地、全面地了解整个管网各管段的水质情况是非常困难的。如果利用先进的计算机技术，建立水质预测的数学模型，使用在线监测系统不仅可以观察监测点处的水质情况，而且还可以根据这些点的有效数据，利用该模型推测出管网其它各处的水质情况，跟踪给水管网的水质变化，从而评估出供水管网系统的水质状况。这样，可以在节省人力物力的条件下进行高效的水质管理。4、管网优化调度在我国，城市供水系统一般都是由净水厂的二级泵站将净化合格的水进行加压，然后通过管网输送至用户。而驱动供水泵就必须耗费电能。据国外资料报道，城市供水运行所耗电费占供水总运行费的22％【41。在安全供水的条件下，如何选择供水方案，使得供水费用最少，这一问题的解决，在当今企业激烈的竞争中意义重大。目前，我国对于管网的优化调度实际上还仅仅是局限在给水的压力和流量等水力参数方面。这样的优化调度是不全面的。建设管网在线监测系统，实现对管网水量、水压、水质的实时监测，在进行管网调度时，同时考虑管网的水力和水质目标具有更重要的现实意义。我国城市供水调度的现状，主要以人工经验调度为主，因此缺乏科学的依据和优化决策计算，存在以下缺点：f1)虽然供水满足了全网用户的要求，但相当数量的节点压力超过用户所需压力，从而造成极大的能量浪费。4 天津大学博士学位论文第一章绪论(2)由于要满足城市用水要求，而盲目增加水厂出水压力，从而使管网漏水问题增加，严重时发生爆管，更加重了能源和水资源的浪费。(3)自来水从出厂水到达用户的过程要经过庞大的输配水管网，虽然自来水出厂时已达到饮用水的卫生标准，但在管网中一方面要发生一系列复杂的物理、化学、生物反应，另一方面由于管网的二次污染而使水质降低，以至于到达用户时不能满足饮用水的卫生标准。国外从二十世纪六十年代起，已开始了关于城市供水优化调度的研究15l，且已逐步将成果应用于实际，其节能效果显著。我国从二十世纪八十年代起也开始了此项工作研究【6】，并且也在个别供水系统中得到应用，收到了良好的效果。二十多年来，国内许多科技工作者始终在致力于优化调度理论和应用方法的研究，也取得了一些成果。但在具体应用时仍存在着下列问题：(1)同时监测水力、水质指标的在线设备与数据库管理系统没有得到很好解决。(2)管网运行状态模拟方法单一。管网运行状态模拟是供水优化计算的基础，而现行的模拟方法还应进一步发展和改进。(3)管网水质预测模型的研究相对国外比较落后，尤其是在线水质模型方面基本属于空白。(4)带有水质参数的优化调度模型还是新的课题。无论是目标函数，还是约束条件都需要进行深入研究。我国在供水管网管理中，研究、建立计算机信息管理系统尚处于起步阶段，虽然已有少数城市供水系统将计算机应用于对供水系统的部分信息进行管理，但仅是从供水资料、图档、收费等方面考虑‘7】【8】【9】[Io】【川，尚缺少综合性强，通用性好的供水信息管理系统，尤其缺少在线的供水管网水质预测与优化调度系统。而建立供水管网水质预测与优化调度系统不仅可以对管网水质实施24小时实时连续监测，能及时反映和预测管网水质变化，对净水工艺生产过程的控制起到指导作用。而且对城市供水管网的调度、安全输配、公司管理和服务水平的提高、服务质量的完善、高质量地完成给水任务等都具有十分重要的意义。5 天津大学博士学位论文第一章绪论1．2国内外研究动态作者通过查阅大量国内外资料发现，尚未见到有关城市供水管网水质预测与优化调度结合的报导。而仅有一些有关城市供水模拟、优化运行理论和少量应用的报导。1．2．1管网在线监测系统国外在60年代后期就开始了供水管网调度系统的研究，至70年代形成了比较完整的理论和实用的计算方法。七十年代中期，计算机系统被引入管网，对其进行粗略的监测【12l。几年后，建立了完全由计算机控制和管理的泵站f131。到了八十年代中期，已普遍采用SCADA系统进行数据采集、监督运行和远程控制【14l。美国、法国、日本等，经济实力雄厚，设备先进，SCADA系统技术应用较早，水平也较高，如美国休斯敦市【1180年代中期发展的分布式SCADA系统。法国巴黎川西部索巴地区供水调度SCADA系统。这些系统功能强大，软硬件的智能化、标准化程度较高，设备稳定可靠，并将计算机控制系统、网络技术、微波通讯、电视监测等最先进的技术应用到供水调度系统中，普遍建立了供水数据库管理系统和远距离测量、通讯、控制及调节的“四遥”系统(即遥测、遥信、遥控、遥调)。与发达国家相比，国内在该技术领域起步较晚，进展较慢，尤其在工程实际中，尚有较大差距。近年来，随着计算机、通讯和控制等技术的R臻成熟，许多自来水公司在供水系统自动控制、智能化管理方面也进行了一些有益的探索和尝试，如：榆次市供水管网分布式采集监控系统【151，广州供水调度SCADA系统，深圳自来水公司SCADA系统等，但在实际应用中还存在着许多问题，如系统功能不强，远未达到智能化，系统基础数据欠缺，系统开放性不强，应用水平不高等，这些问题的存在加之国内设备条件及技术手段的限制，使得能在供水的可靠性及经济性方面都较成功的实例尚不多见。1．2．2管网水力模型l、质量平衡模型6 天津大学博士学位论文第一章绪论最简单的一种模型就是在管网中有一个非常大的高位水池，考察这个高位水池的水位就可以对整个管网进行分析。这种情况的基本假设是，如果水池的储水量保持在某一给定范围内，即假定管网的节点压力也满足要求。在只有一个高位水池系统的简单的质量平衡模型中，只需基于。系统的流入量等于需求量与水池中净储水量之和”这个基本关系建立模型。质量平衡模型的主要优点是确定系统反应的时间要比模拟模型快的多。总的来讲，质量平衡模型更适合于水量主要用干管输送的区域供水系统、而不是水力特性由环状管网来决定的配水系统。2、回归模型管网回归模型的形式多样，变量涉及管网中水塔的水位(如果该水塔或高位水池对城市管网起关键作用)、供水费用、泵站的供水流量和出厂压力以及管网中监测点的压力，一般可根据使用方法和管网的特点加以确定。这里所说的非线性是指自变量和因变量之间的关系是非线性的，如H—f(Q)，并不一定指方程中自变量的系数以非线性的形式存在。因此，这种非线性不一定必须用多元非线性回归来确定系数，一般情况下可以用多元线性回归解决。Lansey和Awumah[16】通过一个水力模型产生的数据确立了泵站不同泵的组合所消耗的电能对高位水池水位的回归方程，其结果是一个三次方程。Zessler和Shamir[17】在他们的文章中建立了泵站总供水量和泵站总能耗的二次曲线关系，该回归方程即包含了泵的效率、电机效率以及其它一些因素的影响。回归模型在能快速提供给水管网系统响应的同时，包括了某种程度的系统非线性。但是。回归模型只反应了在一定用水量范围内一定结构的管网特性。如果系统结构发生了较大的变化或者用水量超过了给定范围，这种模型就会产生一定的错误。因此，回归模型应该不断进行重新参数估计来适应管网结构和用水量变化。3、简化管网水力模型简化管网水力模型是介于非线性回归模型和完全的管网非线性模型之间的一种模型。这种情况下，管网水力特性是由宏观管网模型来近似或通过对非线性的管网水力方程线性化来分析的。宏观模型通过一个高度简化的管网7 天津大学博士学位论文第一章绪论模型来代表实际的管网。DeMoyer&Horowitz[iSlCoulbeek[’91使用了包含多个代表管网系统部件项(高位水池的水位和泵站的供水量)的模型。在某种情况下(如：系统边界条件和泵站出水量无关)，可以使用简单的线性模型来反映系统水力特性、Jowitt和Germanopoulos[201在一个由很高的泵站扬程控制的管网中成功地使用了线性模型。在这种情况下，水塔水位的微小变化对泵的运行情况影响很小。与此类似，LiRle和McCrodden[211对控制水塔的水头保持恒定的系统采用了简单的线性模型。这些宏观模型的参数需要经过大量的分析才能得到，因而模型的可接受性取决于实际的系统特性。4、完全管网水力模型(水力模拟模型)管网水力模拟模型通过求解一组准稳态水力学方程来对配水系统的非线性动力学建模。这组方程包括质量守恒和能量守恒方程，可以通过几种不同方法求解，如Newton-Raphaon法和Hardy-Cross法、即我们通常所说的“管网平差”。1．2．3管网水质模型水质问题一直是供水企业关注的问题，国外学者专家对配水管网水质变化规律以及水质模型的研究起步较早，开始于上个世纪七、八十年代。国内对配水管网水质的研究开始较晚，大约在八十年代后期国内学者才对配水管网中的水质具有初步的认识和简单的研究。供水管网水质模型是由研究泥浆流的Wood[22l于1980年提出的，其分析了稳态下，管网中的水质分配问题。1986年Clark等提出了一个能够在时变条件下模拟水质变化的模型，C,-rayman等f22J在1988年提出了一个类似的水质模型，大部分模型都使用了“扩展时段模拟”(EPS)方法，因为它们没有模拟由于流速变化造成的惯性影响，故实际应称作准动态模型。八十年代至九十年代初，其它的研究者对稳态下的水质模型进行了扩充，直至动态水质模型开始使用。国内对水质模型的研究起步较晚，直到九十年代末才建立了几种配水系统水质模型。但是目前国内外研究的配水系统水质模型中可以应用于实际的为数很少。水质模型是建立在管网水力模型基础上的，按照模拟系统的水力状态，配水系统水质模型可分为稳态水质模型和动态水质模型【23】。稳态模型将管网的水力条件视为不变，最终管网中的各种物质均能达到平衡分布而不再变化，S 天津大学博士学位论文第一章绪论输出的即是平衡状态下的水质分布【221。典型的稳态水质模型是Wood于1980年提出的，模型求解了一系列节点质量平衡模拟方程。类似于Wood的模型，Males等124】提出了在稳态系统下混合问题的一个算法，Murphy为管网中的稳定流提出了一个模型，可用来决定氯浓度的空间分布。管网稳态水质模型为管网的一般性研究和敏感性分析提供了有效的工具，普遍用在管网系统水质分析阶段。由于即使在管网运行状态接近恒定时，管网中的物质也没有足够的时间传播和达到某种均衡分布，因此稳态水质模型仅能够提供周期性的评估能力，对管网水质预测缺乏灵活性。动态模型则是模拟各种水力条件随时间变化的管网中，指标物质在不同的时间和空间分布中的变化情况。Lious和Kroon[25】提出了一种可计算配水管网水中物质的衰减和生长的模型，它以时间和位置函数的形式给出了物质的浓度，并把水中物质在管网中的流动分成三个过程：管段中的水平流动、随时间的衰减和增长、管段连接处的混合。Rossman等【26】提出了用离散体积元素法(DVEM)进行管网水质模拟，这种算法是利用时间驱动水质模型来跟踪管网中物质的瞬间浓度，把配水管网看作是由有限的一些链接组成，给物质质量在每个链接内分配了离散体积元素(反应发生在每个元素内)，物质质量从一个元素平流传输到下一个元素，并且质量和流量体积在管网节点处混合在一起。Chaudhry和Islam[27】提出了一个计算机模型，利用一个组合系统方法来计算非稳定流状态下组分在流经管段时的传播和衰减，强调分析管网系统首先要确定初始稳定状态条件，然后对一个控制方程作数值积分来计算缓变流状态下的相关参数。这些模型的提出提高了对配水系统发生的动态水质变化和复杂过程的认识，考虑到了管段分割、计算时间步长的自动选择以及内存需要的降低，可对管网中物质空间和时间分配进行有效模拟。强调水质模型预测直接依赖于系统水力模型，不准确的水力模型将导致整个水质模拟过程的失败。按照研究方向分类，目前的配水管网水质的研究主要集中在两个方面：化学方面研究和微生物方面研究，当然，部分研究是把这两个方面结合在一起。化学方面研究最多的是余氯在配水管网中的衰减，其次是消毒副产物在配水管网中的增长。微生物学方面研究的较多的是细菌再生长，近年来对有机营养物质的研究越来越多。两方面结合的研究是余氯浓度和微生物数量之间的关系等等。大部分水质模型是建立在研究余氯在配水管网中的衰减动力学公式的基础之上，并假设氯在配水管网中的衰减遵循一级反应动力学方程。模型基本上反映了余氯在配水系统中的衰减特征，由于它简单实用，所以一直被认同9 天津大学博士学位论文第一章绪论和引用。也有许多学者证明一级反应动力学公式不能够与配水管网中余氯的衰减特征吻合。如Lungwitz等通过研究中途加氯发现，必须依靠氯的梯度来假定几个衰减系数。Schneider等推断衰减系数(和可能的其他参数)是与流量有关的，Woodward等通过试验也发现了此规律。为使模型能够与试验数据匹配，Heraud等使用了不同的衰减系数(与管材有关)，其中有代表性的是Rossman等[281提出的一个基于质量传输的余氯衰减模型。Rodriguez等．K[29】在1997年提出一个新的模型——人工神经网络模型(ANN)，从另一个角度研究了余氯在配水系统中的衰减，并与传统的一级模型进行了对比。ANN模型开拓了对余氯衰减研究的新领域，扩大了水质模型的研究思路。1．2．4管网优化调度国外自二十世纪五十年代末将计算机技术用于给水工业以来，二十世纪六十年代就开始了对城市供水优化调度问题的研究和探索。他们一般是采用遥测设备将管网中控制点的压力和流量、水厂出厂压力和流量、清水池及水塔水位等实际运行参数自动适时地传送到供水中心调度室，以此作为调度人员优化调度的依据。通过优化调度软件运行进行优化决策从而实施优化调度。目前在美国、英国、日本、法国等一些城市己基本实现了供水系统的计算机优化调度管理，并形成了一些较为通用的调度管理软件，如英国的GINASll卅及美国的OPWAD[301。在城市供水运行优化调度理论与方法上，近几年AliKeyhanit3¨、LindellE．Ormabee[321、MarkT．Yin[331等人均发表了最新的研究成果。其中，vil嬲Nitivattananon[34】等人提出了根据管网用水负荷、水泵供水能力及其它地理因素的限制，将供水管网优化调度模型按不同时段和区域分成为若干的子模型分别进行研究，并采用逐步优化的方法求解优化调度动态规划数学模型。VilasNitivattananon在文中还提出将单泵供水量离散化后采用直接推断解法进行重新组合用以减少开泵台数和单泵流量。LindellE．Ormabee在文献中对历年来供水管网优化调度过程中涉及的各类管网水力模型、负荷预测模型及优化调度模型进行了回顾，针对管网的特点(单水源一单水箱，多水源一多水箱)分别介绍了：①采用质量平衡、回归及水力模拟等方法建立的管网水力模型，②比例负荷与非比例负荷预测模型及③线性规划、动态规划与非线性规划的优化方法。由于用水量预测是城市运行优化决策的重要依据，所以围绕城市用水量lO 天津大学博士学位论文第一章绪论预测，有关人士近几年仍在为此工作。如：Maidm吼t[35】等应用转换函数来描述温度和降雨量对日用水量的影响；Sterling[361等利用了两级自回归求和滑动平均法(ARjMA)确定了日用水量的趋势和当天的用水量对平均量的偏移；Jowittt37】分析了气象数据对用水量的影响；Shvartser等【381用模式识别和ARIMA处理时间序列的方法对时用水量进行了预测；Demoyer等【I8】使用Fourier级数分析方法对用水量预测进行了研究，取得了一些成果。与发达国家相比，我国自二十世纪七十年代开始将计算机技术用于给水工业，二十世纪八十年代开始从事城市供水优化理论和应用的研究，也已出现了许多成果。如：陈跃春口9】从提出时段宏观模型的基础上对供水优化进行了研究；郑丕鄂等【40J从基于网络最优分解理论，提出了城市供水系统最优化调度的分解协调方法；张怀宇等【4l】结合赤峰市的实际情况，在用水量预测和管网微观模型的基础上，建立了供水系统优化调度的模型和方法；仲伟俊等f42】从系统工程理论的角度，对城市供水系统优化进行了研究；包括本文作者在内的课题组长期以来始终对城市供水系统优化调度进行着深入的研究和应用，也取得了一些可喜的成果If43l[44】f451[46】。在用水量预测方法上，国内科技工作者也作了一些初步尝试【47】[48】。在对管网进行最优调度时，除了考虑泵运行时的能量损耗外，泵的维修费用也应该包括在总的费用内。为了满足管网的调度要求需要开或关泵，假如泵站只有恒速泵，那么频繁的开关就会对泵造成较大的磨损。由于准确地确定泵的开关次数和泵的维修费用的关系较为困难，因此很难直接把这个因素包括在费用函数中。一些学者(Lansey和Awumahl4⋯、Coulbeckh和Sterling[361把这一因素作为或转化为系统约束加以考虑，限定每个调度周期中每台泵的开关次数。在高位水池的容量足够调节整个管网运行的情况下，研究者们往往把24小时作为一个调度周期，在前一天制定第二天的水池的最佳水位轨迹(Trajectory)。在这种情况下把泵的开关次数作为一个约束条件才是可行的。我国虽从事此项研究近二十年，理论上出了一些成果，但实际应用上，大部分供水企业仍采用传统操作办法。我国城市供水管网优化调度的研究无论从理论上、还是从实用方法上都不能适应供水事业的快速发展。在同时考 天津大学博士学位论文第一章绪论虑水力、水质的情况下，如何进行供水管网优化调度，现有的研究仅停留在通过设计不同实验室实验阶段，未见有关优化模型方面的报道。1．3研究目标、内容、方法随着我国水资源日益紧缺，以及城市供水可持续发展的要求，对供水管网的安全、可靠与经济地运行提出的要求将越来越高。本文研究的目标是结合我国供水管网运行和管理现状，引入当代前沿科技知识，从理论应用上，在涉及城市供水管网在线监测系统建立、供水管网水力、水质模拟、以及在此基础上的优化调度建模和求解方法进行研究，以求获得较大突破；从实用性上，力求借助于概率统计学和管理信息系统的理论和方法，编制并建立一套完整的。带有水质模型并综合考虑运行经济因素和供水水质安全因素的优化调度系统，最后要结合工程实例进行考核。主要研究的内容和方法为：l、从理论和实用性上全面分析总结现有在线水力、水质监测系统的状况，借助管理科学的方法建立完善的管网在线管理信息系统。2、搜集大量管网水质监测数据，在建立管网在线监测与管理信息系统的基础上，应用多种方法进行管网水质模型的研究，进而建立比较实用的管网水质预测模型，争取达到比较高的预测精度。3、为提高城市供水管网工况模拟的精度，尝试采用人工智能的方法进行供水管网宏观模型的研究。4、在以上研究的基础上，综合考虑运行经济因素和供水水质安全因素，应用最优化的理论与方法，提出供水管网优化调度的数学模型。5、最后结合工程实例对上述模型进行考核。12 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统2．1管网在线监测与管理信息系统研究现状国外对于管网在线监测系统的建设比较早，监测的参数包括水力和水质主要指标，并且已经在水司对管网水力、水质的分析和管理中发挥了极其重要的作用。在美国，几乎所有的供水企业都建有自己的管网在线监测与管理信息系统，有的还建立起一套适于当地具体管网条件的水质模拟模型。近年来，美国国家环保局(USEPA)总结各水司的成功经验，研制并向全国推广了一套功能齐备，精度十分高的管网水质分析和模拟软件系列EPANET。2001年最新推出的EPANET2．0已是其第三代产品。在亚洲国家，如日本东京都水道局水质中心为确保供水水质安全，在供水区域内设置45个自动水质检测器，可自动检测7项数据(水温、浊度、色度、pH、余氯、电导率、水压)，并实时地将数据传到水质中心，跟踪管网水质变化，评估管网的水质，利用管网水质模型通过计算机全面掌握、监控管网水质‘姗。在一些发展中国家，如南非的部分城市，在1990年左右也不同规模地建立了管网水力、水质在线监测系统。国内方面，一些大、中城市自来水公司已相继开始采用信息采集与监测系统(SCADA系统)。该系统具有遥测、遥信等实时数据处理和信息管理功能。基本可以满足对管网水力参数的在线监测与管理的要求。但多数无法满足对管网水质的监测需求。国内对于管网水质的监测工作主要是采用人工巡检的方式。这种管网水质监测的方法存在着一定的弊端，主要是不能满足对于管网水质实时监测的需要，更谈不上对水厂的净水工艺起到及时有效的反馈作用。13 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统国家新的水质标准(建设部05年2月)不仅严格控制出厂水的水质指标，而是开始更多的关注管网水的水质，有些水质指标的设定是针对用户终端的出水水质提出的。这就为管网水质的监测和控制提出了更高的要求。目前，我国一些城市已经建设了少量的管网水质在线监测点，例如：成都市已经建设了包括20个水质监测点的管网水质在线监测系统。西安建设了10个水力，水质在线监测点。2003年，温州市已经在给水管网中建立了三个水质在线监测点。上海市北水司，2003年建立了三个管网水质在线监测点，目前有15个监测点处于施工阶段【5¨。上海中心城区已经建立了近70个在线监测点(包括水力、水质)。天津水司与哈工大给排水系统研究所合作，正在进行水质在线监测系统的研究并拟建设35个水力、水质在线监测点。这些监测点监测的水质参数一般都是余氯和浊度。个别水司还监测pH、氨氮等其它参数。总的来说，国外在管网在线监测点的建设方面已经做得比较深入，而国内多数城市对于这方面的工作还处于起步阶段，受各种条件的限制，还没有形成一个完善成熟的系统。随着计算机技术的发展和管网分析理论的完善，国内许多自来水公司已经将计算机技术应用到管网上，建立了管网信息管理系统。杭州市城市供水水质网上管理系统于2005年10月1日开始投入使用。深圳市水质检测中心和深圳市日新软件开发有限公司合作，经过几个月的努力，于2004年10月中旬成功开发出了实验室信息管理系统。国内许多学者对管网管理信息系统也进行了研究。同济大学的耿为民、刘遂庆f52】分析了建立基于GIS的供水管理系统建立的数据模型、功能需求和开发方式。朱晓gtt”】等探讨了给水管网管理信息系统的基本结构和构建方法，及GIS技术在其中的应用。王丹【54】探讨了利用GIS平台建立城市供水管网地理信息系统的必要性及应对措施，并对未来的软件系统提出了设想。14 天津大学博士学位论文第二章管网在线监铡与管理信息系统哈尔滨自来水集团公司与哈尔滨建筑大学联合开发了“城市给水管网综合信息管理系统”15”。这些管理信息系统，大都是针对管网水量水压进行管理和计算的，或是针对静态的水质人工巡检数据进行查阅分析，基本没有一个是基于管网水质在线监测的水质动态管理系统。而且多数处于数据收集和信息管理阶段，尚未能发挥指导企业生产管理的作用，其原因主要是缺少与之配套的、符合生产实际需要的给水系统专业应用软件及软件应用的基础数据。2．2管网在线监测系统建立在南方某城市，作者选取了一个区的供水管网为研究对象。该管网系统包括2个净水厂，供水能力为50万m3／d，管网平面布置见图2．1。本文根据当地水司对水力、水质监测的要求，及为后继的研究内容、目标提供有力的支撑，建立了管网在线监测系统。该系统可以对管网的主要水力、水质参数进行24小时实时监测，不仅能及时了解管网各监测点水量、水压的变化，而且能及时反映管网水质变化，以便及时调度进行供水，对净水工艺生产过程起到指导作用。这将对该管网供水的安全输配具有十分重要的意义。2．2．1SCADA系统设计l、从实际出发，把提高系统的供水能力和服务质量，实现“优质、高效、低耗、安全”的供水目标和在使用过程中创造出最大的经济效益和社会效益作为本系统的设计目的。在系统的开发过程中，注重实际，综合考虑，确保SCADA系统建成后功能的实用。2、根据目前计算机产品、自控设备和相关技术发展的大趋势一建立开放性好、可靠性高、适应性强的供水监控调度系统。SCADA系统的设计遵循以下原则：(1)采用标准化、通用化和系列化的计算机硬件产品。(2)采用符合国际标准化或产业标准的成熟可靠的软件产品。软件要具有良好的模块化以及标准的互联接口，便于组成各种规模的系统及产品和技15 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统术的更新换代。(3)采用智能化自控设备，保证实时数据传递的快速、准确、完整，调度的及时有效。2．2．2在线监测点的选取要实现对研究区域的给水管网进行水力、水质模拟和优化调度管理，必须了解给水管网的运行工况，掌握管网的动态信息，为优化调度模型提供必要的运行状态数据。另外，通过观察监控点的异常变化，可推断事故发生情况，从而了解非正常的水力、水质情况及由此造成的影响。考虑以上因素，并结合该区具体情况，在管网上设置了10个监测点。通过MD331lRTU采集的测流、测压、水质等信息，并由此模拟出其余状态变量，进而确定管网运行状态，为优化调度提供基础数据。管网中的监测点应具有代表性，具体考虑如下：一、选址原则监测点的选取是在线监测系统的核心。其选取的基本原则是能够比较全面，真实的反应管网内的水力、水质状况。理论上需要考虑的因素：1、地形2、配水系统建设的年代3、配水管网的水力特征4、配水管网的管线密度5、管网中污染物浓度的时空变化性6、配水管网特定区域水的停留时间一般来说，地形不规则、配水系统老化、管网密度大、监测物浓度的时空变化性大以及水的停留时间长时，就有必要增加监测点的数量。实际情况下的布点原则：l、按面积均衡布置原则。2、兼顾起点和末梢。3、兼顾市政管网和小区管网。4、特殊的，例如：有代表性的大用户，直饮水小区入口处等。一16 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统5、尽量选择便于设置，施工及管理的位置。6、各监测点应由设计、施工与测试各方现场查勘后最终确定。二、在线监测点选取结果根据以上在线监测点位置选取的原则和实际因素，以及先期所进行的人工取样监测的水质规律分析结果，定出该城市某区的管网在线监测点位置，如图2．1所示。图2-1在线监测点位置分布图2．2-3在线监测系统的总体设计整个系统由SCADA控制中心和RTU站控系统及MD3311RTU管网监控点等站点组成，并通过各自的通信装置传送数据或指令。系统对各测控对象的监控由测控单元实现。系统结构示意图如图2．2所示。整个系统可以分为三个大的部分：仪器测定部分、网络传输部分和中央控制与管理部分。通过安装在现场的仪器，可以对该位置管网水力、水质的特定参数进行测定。这是整个在线监测系统的基础。它对于数据的准确性、系统运行的稳17 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统定性具有决定性的影响作用。1、硬件系统两台互为热备份的SCADA监控主机服务器，存储实时数据和历史数据，可同时在线工作并均衡分担系统计算的负荷，保证系统的高可靠性，这比传统的主．从备份式结构更有优点。两台终端服务器作为网络远程通讯用机，通过HUB完成与服务器的数据传输。监视器通过图形用户界面GUI，可访问SCADA数据库中所有的数据库，并可通过报表方式显示时间信息和报警信息，通过使用历史数据库，显示历史和趋势数据。大屏幕系统应用图形的高清晰度实时显示与监视。所有发生的报警事件均能通过A3网络激光打印机在线自动打印出来，并带有时间标签和报警原因。一个UPS可作为SCADA主站内设备的电源。2、软件系统(1)系统平台：操作系统平台：WindowsNT数据库平台：MOSAICROBMS(2)应用软件：管网水力、水质在线监测网，特别是监测点的建设，是基于国际先进的监控软件MOSAIC，它是高度模块化、可组态的、分布式的应用软件系统，具有实时的、面向对象的、分布关系式型数据库管理系统。同时采用了“容错”技术，来保证系统高可靠性。3、数据库MOSAIC数据库主要由SCADA、Event、Authority、History、Dispatch五部分构成。SCADA包括所有组态数据和实时数据；Event包括报警和事件；Authority存放安全信息；History存储历史数据，做为备份；Dispatch用于数据分布，确保数据同步。数据类型分为Digital、Analog二种。供水管网水质在线监测系统主要是指相关的硬件设备，但它的作用不仅仅局限于硬件本身实现的监测功能上，与相关的软件系统(管网水质模型)相结合，能发挥出更大的作用，对于管网水质的监测和分析等方面具有十分重18 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统要的意义。由于监测点的分布比较分散，因此，数据的传输是通过无线的方式来进行。对于数据传输，稳定性是至关重要的。数据上行至控制中心以及控制中心的指令下行至测试仪器，都必须经过传输单元来实现。中央控制中心是整个系统的核心，系统的功能都要经过它来得到最终实现。它的作用，不仅仅是维护数据的采集正常。更重要的是要对数据进行整理和分析，这需要结合相应的专业软件和工具来进行。4、系统功能该系统需具有以下功能：数据采集功能：对管网水采集余氯和浊度等水质参数；数据传输功能：将现场采集到的数据实时地传递到水质监测中心主系统：数据显示及分析功能：水质监测中心主系统将获得的各类信息及数据，经过分析、加工直观地显示出来，供生产调度指挥人员使用；报警功能：系统可对管网水质的恶化进行报警；矬《％目营跨水蕨示范照精点j|：I掩中心SCAt)A档务器图2-2管网水质在线监测系统示意图霞!嵩嘲I琶!+墼承辟拜再天太+券鹱廿析疆备^历史数据的存储、检索、查询及分析功能；网络功能：将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用；19 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统报表显示及打印功能：系统可自动生成各种生产情况的日月年报表，并可随时打印。2．2．4在线监测指标的确定水力指标：监测各点的水压和各水厂的流量。水质指标：根据《生活饮用水卫生规范》的相关规定：管网水质检测必须测定浊度、余氯、细菌、大肠菌、色度、铁、锰这七项指标。在这七项指标中浊度、余氯是两个重要的监控指标。浊度是最常用的感官性指标，管网水浊度的变化直接反映了供水水质是否受到了污染，通常浊度变化，必然伴随着无机物、有机物进入水中，也很可能有微生物、细菌、病原菌的入侵。设置在线连续浊度仪可在第一时间掌握管网水质动态变化，及时处理可能出现的管网水质问题，把对用户的影响降低到最低程度。余氯是保证供水安全性的一项重要指标。通常情况下，经过水厂的净化处理过程，原水中的各种污染物已得到了有效的去除和全面的净化，包括能引起人体致病微生物。为保证用户的用水安全，在输水过程中保持一定的余氯，可降低微生物再污染的可能性。余氯在线监测作为管网水质监测的补充是极其重要的【56】。管网水中的余氯是防止输水过程中微生物再生长，保持水的持续杀菌能力，降低微生物再污染的可能性，是一项保证供水安全性的重要措施之一。为此，设置管网水质余氯在线监测。实施上述两项指标的管网监测，可基本保证用水水质安全，是现代化城市监测管网水质及其变化情况的主要辅助手段。目前，还有一些地方在管网中监测pH、电导率等指标，但这些指标与浊度和余氯相比，对水质的影响不是很大。因此，我们这次只选择浊度和余氯两个参数进行在线监测。2．2．5在线监测仪器的选择经分析比较，水力仪表选择国产，其稳定性、精度等均满足要求。浊度在线监测仪，选择国内外应用较多HACH的1720系列中的HACH的1720D型浊度仪(见图2-3所示)。余氯分析仪选择W&T公司生产的DEPOLOX3Plus(见图24所示)。 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统图2-3浊度仪图2-4余氯分析仪2．2．6数据传输方式的选择目前，在SCADA系统中管网监测点信号传输方式分有线和无线两种。有线传输方式主要是租用电信公司电话线，通过拨号上网或租用专线的方式进行数据传输，其优点是传输可靠性较高，缺点是监测点位置受一定限制，运行费用高，且当监测点较多时轮询周期较长，因此有线传输方案已越来越少人采用。无线传输方式主要有：超短波传输、电信CDPD传输、移动GPRS(或联通CDMAlX)传输、移动(或联通)短信传输等。几种无线传输方式分述如下：(1)超短波传输方式是用户自主地在中心站和各监测站建立超短波数传电台，组成一个超短波通信网，中心站通信服务器通过中心站数传电台，周期性的向各监测点发轮询信号，监测点RTU则根据中心站的要求，通过监测点数传电台，定时将监测点采集到的数据向中心站传送。该传输方式有建网和组台容易、维护简单、运行费用较低等优点，是目前最成熟、最广泛应用于供水管网监测系统的一种传输方式。缺点是数据传输可靠性比有线传输方式低，布点受地理因素影响(监测点与中心站之间不能有影响信号传输的障碍物，距离在有效作用距离之内)，且传输信号容易受干扰。(2)电信CDPD传输方式(CellularDigitalPacketData一蜂窝数字分组数据)是用户在中心站租用电信公司电话专用线，通过路由设备接入电信21 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统CDPD无线MODEM，各监测点与中心站建立连接后，组成一个无线广域网，中心站与各监测点之间通过IP地址来访问。该系统是建立在TCP／IP基础上的一种开放系统结构，是基于CDMA(码分多址)的一种技术。这种通信方式兴起于90年代。1995年世界上第一个CDPD系统投入商用，此后便得到迅速的发展。但由于技术层面的原因未能达到预期的效果(特别是深圳地区更是如此)。再加上新技术(如GPRS等)的出现，CDPD技术已经慢慢淡出市场。(3)GPRS传输方式(GeneralPacketRadioService一通用无线分组业务的缩写)是中国移动于2002年5月份推出的，基于GSM技术的，介于第二代和第三代之间的一种技术。它有资源利用率高，传输速率快，接入时间短，支持多种协议(TCP／IP协议和X．25协议)，使用费用低的特点，因而得到越来越广泛的应用。该传输方式的缺点是组网复杂(系统配置及参数设置需依赖中国移动，用户无法自主配置)，并且在人口密集地区，经常出现断线现象(主要是因为GSM基站的服务机制式话务比数据优先)。(4)CDMAlX传输方式是中国联通推出的、类似于中国移动GPRS的一种数据传输服务，工作原理及系统组网方式与前者类似，优缺点也基本相同。(5)短信传输方式是利用中国移动(或中国联通)公司的短信服务，通过在各管网监测点和监控中心同时安装短信终端设备(可以是支持数据传输的手机，也可以是专用于短信服务的无线数传设备)，由管网监测点短信终端设备，定时向监控中心发送端消息(水质数据)，监控中心短信终端设备接收到管网监测点传送过来的短消息，经解码变为水质数据后存入监控中心数据库。该传输方式的优点是组网简单，缺点是数据实时性较差(当管网测量点多时更是如此)。根据作者所在课题组对中国移动GPRS传输方式、中国移动短信传输方式和超短波传输方式的比对试验和实际使用体会，认为三种传输方式各有特点，均可用作管网水质监测点数据的传输。三种方案中，GPRS传输方式是传输最可靠、数据实时性最好的一种方案，但却是费用(建设费用和运行费用)投入最多的一种方案；短信传输方 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统式是传输较可靠，建设费用和运行费用均比GPRS传输方式低好多的一种数据传输方案，但数据实时性却较差；超短波传输方式由于可以利用已有的资源(调度系统在用)，不但可以缩短系统开发(设计、安装及调试)时间，而且投入费用较低(建设费用与短信传输方式相当，但日后的运行费用几乎为O)，同时数据实时性较好(仅次于GPRS传输方式)．考虑到示范区管网对数据的实时性、传输的安全性要求较高，故本课题选用GPRS传输方式。2．3管网管理信息系统2．3．1系统数据库设计本文选择SOLServer2000数据库。数据库管理的信息主要是在线监测的水力、水质数据。数据库中主要是以md作为头缀的表，并以每年中每个月份的日期作为分类，比如md200501表示2005年一月的所有数据。下表为数据库结构示例。表2-l数据库结构列名数据类型长度示例备注ORC22RC表示余氯的数值PidVarchar20O1U22Tu表示浊度的数值Valuedecimal92005-01-01系统中以每分钟纪录一次Updatetimcdatctime8hh：mm数据2．3．2系统主界面启动计算机程序，经初始化后，即可进入管网水质在线监测管理信息系统。系统主界面如下图2．5所示。其功能包括：历史数据查询，实时数据查询，报表输出，系统维护等。 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统图2-5系统主界面图2-6数据库连接按钮2．3．3系统登录系统启动后需连接数据库。方法是：点击W系统维护，在其下拉菜单中点击数据库连接参数。如图2-6所示。弹出如图2．7所示对话框，进行数据库的连接参数输入。 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统在此对话框中需要输入：要连接的服务器名称、数据库名、用户名和口令。表名前缀是由数据库管理员自己设定的用于此项目的专用表。2．3。4查询功能图2-7数据库连接参数对话框查询可以列表和图形两种方式进行。l、列表查询点击菜单栏上的“数据查询”，在其下拉菜单中选择数据列表选项，或点击圉按钮，出现如图2—8对话框；图2-8列表显示水质指标对话框(1)查询时间段设置在查询时间段选项框内输入需要查询的日期段和时间段。打开默认情况下是当天的日期，时间为0：00：Oo_—-o：oo：OO。如上图所示。 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统例如：要查询2005年1月1日一天的水质历史数据，在查询时间段选项框内，日期栏输入：2005．1．1到2005．1．1，时间栏输入：0：00：00到23：59：59。如下图2．8所示。数据可以直接输入，也可以点击输入框旁边的按钮调节。(2)查询时间单位选择位于查询时间段正下方的选项框可以进行查询时间单位的选择。该选项框有两种选项：分查询和时查询。可实现以分钟为单位的查询和以小时为单位的查询。图2-9输入查询时间段示例图(3)查询水质指标的选择在查询的指标旁边是水质参数选项框，需要查询哪种水质指标，便可点黑该水质指标前面的圆形单选框，选择。现在在线监测系统还只是对余氯和浊度两种指标进行监测，所以水质指标选择框只涉及这两种指标。如果以后增加了其它水质指标，可方便的对管理系统进行改进增加。(4)超标和异常标准设定点击“选项”将出现超标和异常标准设定对话框，如图2-10： 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统圈2-10超标和异常标准设定在此对话框中用户根据自身对管网水质的要求，对超标和异常标准进行设定。在选项框中填入数值。点击数值旁边的三色小球可以选择颜色，使超标和异常数据以不同颜色显示在列表查询结果中。2．3．5数据图形点击“数据查询一下拉菜单中选择·t数据图形一或固按钮出现如图2-11所示对话框：图2-11图形显示水质指标对话框在对话框右下角有复选框，将需要查询的项目复选框打上钩便可。可选择你需要查询的站点，还可选择显示超标线或异常线。 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统查询指标中根据需要查询的数据，选择“余氯”或者“浊度”指标，设定查询的时间段查询出需要的数据图形。查询结果如图2．12所示：图2．12图形查询水质指标结果显示为便于观察，用不同颜色的线条代表不同站点。从图中可以清晰的看到每个站点在查询时间段的变化情况。通过选择可以使得几个站点的数据图形同时显示出来，方便进行比较。也可只显示一个站点的变化曲线，便于清晰的观察该站点水质变化情况。图2．135个站点时查询结果显示 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统图形区域内通过鼠标的点击(拖动)，可以对图形进行放大或者缩小，便于工作人员查看图形的变化趋势。图形查询也可以进行分查询和时查询，图2．13是时查询5个站点的图形显示。2．3．6统计报表点击菜单栏上的统计报表，或者固按钮，弹出如图2-14所示的对话框。图2—14统计报表对话框统计报表是为了部门进行数据的月统计进行设计的。在时间参数设置选项框里，输入年、月后，点击查询按钮即可得到所要的报表。查询结果如图2-15所示。报表依次输出日期、各个站点编号、每天各站点测量个数、有效数据、无效率、超标个数，异常个数、异常率、最大值、最小值、平均值。图2-15统计报表输出结果29 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统2．3．7实时监测(1)实时监测参数设定选择菜单栏上系统维护选项，在其下拉菜单中点击实时监测参数设置按钮(如图2-16所示)，或直接点击訇按钮，出现如图2-17所示对话框。图2—16实时监测参数设定按钮(2)实时监测时间间隔设定在实时监测时间间隔对话框中，设定时间间隔，系统自动按照设置的时间间隔从数据库中读取数据。(3)声音提示设定。可以在实时监测参数设定对话框中，设定指标超标、指标异常和出现无效数据的声音提示。 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统图2—17实时监测参数设定对话框方法是；单击剧按钮，选择声音文件，然后确认。当开始实时监测时，数据出现上述三种情况，系统便会自动播放用户设定的相应声音进行提示。若没有设定声音提示时，程序只是通过对话框提示数据“异常”或者“超标”。(4)实时监测。将各实时监测参数设定好后，点击实时监测按钮●，程序便会按照用户设置的时间间隔进行实时的数据传输显示。再点击该按钮，实时监测关闭。例如，选择时间间隔为1分钟，首先输出实时数据总览，如图2一18所示。图2-18实时监测结果显示3l 天津大学博士学位论文第二章管网在线监测与管理信息系统然后，在菜单上点击管网水质，进入管网水质数据部分，见图2-19，显示管网实时数据。2．4本章小结图2．19管网实时数据表l、通过讨论SCADA系统的设计以及监测点的选取，并结合具体的查勘结果和管网水质规律分析，选定了合适的在线监测点。2、管网水质在线监测系统的构建。在线监测系统包括：仪器测定、网络传输、中央控制与管理三个部分。网络传输连接仪器测定和中央控制与管理；中央控制与管理是整个水质在线监测系统的核心。3、在线监测项目为余氯、浊度，分别选择HACH1720D型浊度仪和W&T公司生产的DEPOLOX3Plus余氯分析仪作为在线监测仪器。4、最后本文建立了供水管网在线监测与管理信息系统，可以实现连接数据库、列表及图形查询，统计报表显示，实时监测数据及曲线显示和系统维护等，并为后文的水质(在线)模型、预测和管网调度打下了基础。 天津大学博士学位论文第三章管网水质模型方法研究本章在建立了管网在线监测与管理信息系统的基础上，进行供水管网水质模型建模方法的研究。目前城市供水管网水质模型大体分为两类，即机理模型和统计模型【57】。机理模型虽然能够较为精确的描述管网系统内部水质的动态变化，但因其必须对系统内部各种复杂关系进行广泛、充分的研究，并占有、分析大量原始数据，加之管网的不断扩建、改造，目前还较难在管网日常管理中使用。而统计模型则可通过分析管网实际运行积累的大量水质数据资料，研究其变化规律，选择适当的数学方法，建立起管网主要水质参数的预测模型。一般来说，建立管网水质预测统计模型的方法可分为三类，即时间序列方法、结构分析方法和系统方法，见表3．1。表3-I预测方法分类移动平均法指数平滑法确定型趋势外推法时间序列方法季节变动法马尔可夫法随机型博克斯一詹金斯法一元线性回归分析绷够渐方法回归分析多元线性回归分析非线性回归分析灰色关联度分析灰色数列预测灰色预测方法灰指数预测灰色灾变预测系统方法灰色拓扑预测人工神经网络方法(ANN)，以BP模型为代表系统动力学方法支持向量回归机33 天津大学博士学位论文第三章管网水质模型方法研究时间序列分析法是根据事物发生过程的时序关系，找到历史数据的发展形态并进行外推的一种预测，在研究中要从预测对象的历史统计数据中分解出如长期趋势、季节性波动、循环性波动和随机性波动等不同分量，并分别对他们进行研究。这种预测方法属于时序性的探索预测。而结构分析方法则着眼于事物发展变化的因果和影响关系，根据所拥有的资料数据，找出与预测对象密切相关的影响因素(称为解释变量)，应用统计相关分析理论和方法建立预测模型的一种预测，属于解释性的探索预测。系统方法是用系统科学的观点，把预测对象的各种变化视为一个动态的系统行为，通过研究系统的结构，构建系统模型，对未来值进行预测。本章中，作者分别对多元回归、人工神经网络、支持向量机等水质预测方法进行了分析、研究。3．1回归分析3．1．1回归方程建立与检验对现象之间变量关系的研究、统计是从两方面进行的：～方面研究变量之间关系的紧密程度，这种研究称相关分析；另一方面用数学方程式表达一个变量或一组变量(即自变量)之变动对另一个变量(因变量)之变动的影响程度，这种研究称为回归分析。相关分析与回归分析既有区别，又有密切联系。它们在实际工作中是很有用的工具。但必须在正确使用时才有效。所以应注意在计算时，一定要仔细分析所研究现象或因素之间是否在机理上确有联系，而不能把毫无关系的指标和因素，仅凭其数字上的偶然巧合而拼凑出它们的关系，这是没有任何意义的。该预测方法是在预测对象与影响因素之间相关分析的基础上，通过回归分析寻找预测对象与影响因素之间的因果关系，其目的在于根据已知的自变量的变异来估计或预测因变量的变异情况，即建立回归模型进行预测。该方法是通过自变量(影响因素)来预测因变量(预测对象)的，所以自变量的选取至关重要。针对管网水质影响因素较多、有些因素的影响难以量化或 天津大学博士学位论文第二章管网水质模型方法研究无法测试的现状，在抓住系统主要影响因素的基础上，引入的自变量应适当，因为，从回归分析理论可知，模型选用的变量越多，模型的稳定性越差，尤其是模型中若包含许多对响应变量影响较小的变量，那么这些变量的区间误差积累将会大大影响到模型的总体误差，从而降低模型预测的可靠性和精度。将回归分析用于预测时，首先考虑的应是所建模型的有效性，为此要对该模型做统计检验。模型的建立和检验过程简述如下。如果变量毛，而，⋯，Xp与随机变量】，之间存在着相关关系，通常就意味着每当而，xz，⋯，％取定值后，y便有相应的概率分布与之对应。随机变量Y与相关变量五，恐，⋯，x一之间的概率模型为：Y=f(xa，x2c．o，，P)+s(3-1)式中：r——因变量；毛，而，⋯，％——自变量：／如，如，⋯，％)——五，屯，⋯，％的确定性关系；占——随机误差，占～N(0，o-2)。正是因为随机误差项s的引入，才将变量之间的关系描述为一个随机方程，使得我们可以借助随机数学方法研究】，与毛’而，⋯，而的关系。由于客观现象是错综复杂的，一种现象很难用有限个因素来准确说明，随机误差项可以概括表示由于人们的认识以及其他客观原因的局限而没有考虑的种种偶然因素。当概率模型(3．1)式中回归函数为线性函数时，即有y=岛+届五+屐为+⋯+ffpx．,+S(3．2)式中：反，届，岛，⋯，砟——回归系数，采用最小二乘法确定之。采用F假设对该模型作统计检验，判断变量y与变量葺，xz，⋯，以之间的3S 天津大学博士学位论文第三章管网水质模型方法研究IZl=qt‘五十q2‘五+⋯+clp。爿-』z：5c2l‘五+嘞’恐+’¨+％‘乃(3．3)PiFcm‘Xl+era2‘X2七⋯+c_p‘Xp勺——线性组合的系数，称为因子负荷量，白=√=确，^为第f个主 天津大学博士学位论文第三章管网水质模型方法研究设对管网上玎个监测点分别检测P项水质指标，吒为第f个监测点的第，矩阵形式：z=h]f=l，2，⋯^j=l，2，⋯，P蛾习㈨)《=J罕㈦，z，⋯^k=1,2,-．-,p@s，(2)设水质指标检测值构成的相关系数矩阵R为：R=h]i,j=l，2，⋯，PR=气l_2吒I％：●rp,％2(3-6)经标准化处理后数据的相关系数为：吩=芝矗《枷一1)f，k=l∥2一。P(3-7)(3)对应于R，求特征方程陋一朋l=0的p个非负的特征值丑，^，⋯，屯·对应于特征值^的特征向量为：C，=(％％⋯，c，，)7i=1州2一，P(3-8)(4)由特征向量组成的P个主成分只，E，⋯，C为：巧=。I『．五+C2，·五+．．．+c∥·xP(3·9)37％～；％ 天津大学博士学位论文第三章管网水质模型方法研究式中：．■=∽。，．■：，．．．，．k)——各项水质指标，i，j=l，2，⋯，p。主成分只，五，⋯，只之间相互无关，且它们的方差是递减的·如果前面m(研