供水管网科学调度决策支持系统理论和应用研究 164页

'⑧申请同济大学工学博士学位论文供水管网科学调度决策支持系统理论和应用研究培养单位：环境科学与工程学院一级学科：土木工程二级学科：市政工程研究生：王强指导教师：刘遂庆教授二oo六年四月 摘要系和水力特性，然后利用水力学、图论和数学分析理论等进行计算，得到节点压力、管段流量以及供水设施的运行状态。管网动态模拟的正确性比较重要，必须通过模型校核来给予保证。(2)优选城市用水量预测方法。分析天气、季节及节假日等因素对用水量变化的影响。对时间序列法、回归分析法及系统方法进行总结．并结合FS市的用水量变化模式，选定自适应过滤法作为供水在线调度用水量的预测方法，选定回归分析与自适应过滤相组合的方法作为供水离线调度用水量的预测方法。(3)研究以供水费用为优化目标的调度决策数学模型求解算法。遗传模拟退火算法结合了遗传算法全局搜索能力强和模拟退火算法局部搜索能力强的优势，是一种优化能力、效率和稳定性较高的方法．本论文运用遗传模拟退火算法对Fs市的供水调度模型进行求解计算，无论决策模型中仅含定速泵的情况，还是同时包含定速泵和调速泵的情况，计算结果均比较理想。(4)利用模糊数学方法建立调度决策多目标评估体系。该评估体系对节点水压、节点水压波动、节点水龄、管段流速、供水运行费用五个指标进行模糊评估，综合评估结果可以直接参与决策方案优选。多目标评估体系也可以用于对历史方案或人工预案进行评估，有利于操作人员总结调度经验，分析存在问题，提高供水运行管理与服务水平。(5)开发调度决策的若干关键实用技术，包括基于现有状况的高效决策技术、水泵工作特性测试方法和水泵高效组合方案库的研究、水泵操作规程合理性约束分析、管网监测点压力与泵站供水压力相关性分析、调度专家系统知识库的建立。(6)进行系统集成，开发调度决策支持系统的应用软件。在软件功能和数据需求分析的基础上，对管网动态模拟模块、用水量预测模块、离线调度决策模块、在线调度决策模块、调度决策评估模块以及输出模块进行了设计与开发。本论文在对供水科学调度决策支持系统基本理论分析的基础上，提出将供水调度单目标优化决策方法和多目标评估体系相结合，解决以供水可靠性，安全性和经济性为多目标的调度优化决策问题。主要创新工作包括：(1)利用遗传模拟退火算法同时加强全局寻优和局部搜索能力，提高供水调度优化决策模型的求解效率。(2)利用模糊数学理论建立供水管网调度决策多目标评估体系。Ⅱ 摘要(3)采用短时段高效决策方法，提高用水量预测精度，避免水泵频繁操作．(4)分析水泵安全操作规程，定义水泵运行的九种状态及状态间的转换，确保决策方案的可行性与合理性。(5)利用调度决策专家知识库，将供水调度相关的经验、规律等以知识的形式参与决策过程，提高了决策方案的实用性．所有研究成果最终以系统软件的形式应用于Fs市供水管网实际调度工作，实践表明本论文提出的理论和方法具有合理性和实用性。关键词：供水管网，科学调度，多目标决策，遗传模拟退火算法，评估体系，软件开发ⅡI ABSTRACTWatersupplysystemisallimportantcomponentofurbaninfrastructureandplays蛆importantroleinensuringurbandevelopment．Withthedevelopmentofmarketeconomy,thereliabiUty,security,andcostinwatersupplysystembecomeafocusofattention,andthedemandstotheoperationandmanagementofwatersupplysystemsarcurgentlyputforward．Tosatisfythosedemands,thewaterenterprisesneedtodevelopscientificoperationsysteminwaterdistributionnetworkbyuseofinformationtechnologyandoptimalcontrolmethod，forimprovingthemanagementandserviceandpromotingeconomicbenefitandsocialbenefit．Thedevelopmentofscientificoperationsystemisoneofcontentsofthepl删ng——lhetechnicaldevelopmentplanningofurbanwatersupplysystemsin2010andtheremoteobjectsin2020．Itisinexorabletrendofinformationaldevelopmentofwaterenterprises．Thescientificoperationofwaterdistributionnetworkissupplyingwatersafelyandreliablytouser．qaccordingt0requirementoftheflow,pressureandwaterquality、Ⅳitllinformationtechnology．Theintelligentandoptimalcontroltheoryandmethodarcbasedoncentralcomprehensivereal-timemonitoringinwaterdistributionnetworks．Whilethesafetyandreliabilityofwatersupplysystemareenhanced，thecostofoperationisreduced,andthescientificandtechnicalleveloftheoperationalmanagementcanbeimproved．Thescientificoperationsysteminwaterdistributionnetworkincludesthedataacquisitionandcommunication,thedatabase，theoperationaldecisionsupportandtheexecutionsystems．Theoperationaldecisionsupportsystem(ODSS)isthecoreofthescientificoperation．Itconsistsoffunctionsofsimulationofwatersupplysystem,waterdemandforecasting,optimaldecisionofoperation，assessmentoftheoperationalstate,andSOOILInthispaperbasictheoriesoftheODSSarediscussed,whichincludemacrohydraulicmodel，microhydraulicmodel，waterqualitymodel，andmultipleobjectiveoptimaldecisionmodel，takingtheeconomyofwatersupplyandthesecurityofwaterqualityintoaccount．ConsideringthesafetyofwaterqualityinwaterⅣ distributionsystems，aresearchprogramofcombiningthesingleobjectivedecisionmathematicalmodelwiththemultipleobjectiveassessmentsystemispresented．ThefollowingisthemainaimsofthisresearchonODSS：l。irstly,todesignareasonablestructureandworkflowoftheODSS．BasedonGISandSCADAofwaternetworks，themicrohydraulicmodel，watordemandforecastingmodel，optimaldecisionmodel，andmultipleobjectivedecisionmodelaredeveloped．Secondly,forthepurposeofensuingalltheoriesandmethodsoftheODSScanbeactinpracticaloperation,keypraticaltechniquesoftheODSSa∞studied．Thirdly,inordertointegratealltheoreticalandpracticalresearchfinding,thesoftwareoftheODSSa聪developed．BasedOnaboveresearchaims，theresearchworkispresentedasfollows．(1)Thedevelopmentofdynamichydrauficmodelofwatersupplysystem．Throughreal-timedyuamiccalculatingofthemodel，thehiddenstateofthewaternetworkcanberepresentedvisuallyinthecomputerandtheoperationalconditionofactualpipenetworksCanbesimulatedandassessedcorrectly．Thefirststepofpipenetworkmodelingistosimplifythenetworktotwoelementsofpipesandnodes，endowedwiththeprojectattrib．utesthatindicatedthetopologicalrelationandthehydrauliccharacteristicofthepipenetwork．Thenthemodelofpipenetworkiscalculatedwithmethodsofhydraulics，graphtheoryandmathematicanalysis，SOthattheresultsofpressures砒nodes，flowsinpipes，runningstatusofthewaterfacilitiesareobtained．Theaccuracyofpipenetworkmodelisveryimportantandisensuredthroughcalibrationandmaintenanceofthemodel．(2)Thepresentationofurbanwaterdemandforecastingmethods．Factorsofaffectingthewaterdemandareanalyzed,whichincludeweather,season,holidayandSOon．Demandforecastingmethods，suchastimeseriesmethod，regressionanalysismethodandsystematicmethod，arereviewed．WaterdemandforecastingmethodsforFScity,asanexample，arestudied．AccordingtothepattcTnofwaterdemandinthecity,self-adaptivefiltermethodisselectedtoforecastthe“on-line"waterdemand,andregressionanalysismethodcombinedwithself-adaptivefilterisusedtoforecastthe“off-line”waterdemand．V ABSTRAC丁(3)Theprovisionofakeyalgorithminoptimaloperationaldecisionmodelwithleastcostofwatersupply．Thegeneticalgorithm(GA)hasbetterglobalsearchcapability,andsimulatedannealingalgorithm(SA)hasstrongerlocalsearchcapability．Geneticsimulatedannealingalgorithm(GASA)combinedGAandSAhashigheroptimalability,efficiencyandstability．SoGASAisadoptedtosolvetheoptimaloperationalmodelinFScity．n嵋resultsofcalculationfilesatisfied．(4)ThepropositionofmultipleoHectiveoperationaldecisionassessmentsystemwiththetheoryoffuzzymathematics．Fiveindexes(thenodepressure，thepressurefluctuationonnode，waterageofnode，theflowvelocityinpipesandthecostofwatersupply)areassessed、Ⅳithfuzzymethod．耶埔comprehensiveresultcanbeusedtoselecttheoptimaldecisionscheme．Theassessmentsystemcanalsobeusedtoassesspreviousschemesorartificialoperation．Itisfavorabletosummarizeexperienceofoperators，analyzeexistingproblemsandimprovethelevelofmanagementandserviceofwaterenterprise．(5)ThestudyOilkeytechniquesoftheoperationaldecision．StudyworkincludeshighlyefficientdecisiontechniquebasedOilexistingoperatingstate,testmethodofrunningcharacterofpumpandtheefficientcombinatorialschemeofpumps，thereasonablerestraintofpumpduetorunningrules，therelationshipbctweerlpressureofmonitoringpointsofwatersupplysystemandpressureofpumpstations，andknowledgedatabaseofoperationexpertsystem．(6)ThetechnicalintegrationandthedevelopmentofsoftwareoftheODSS．Basedonfunctionaldemandanddatademandofthesoftwale,modulesofthesoftwarearedesignedanddeveloped，whichincludemoduleofpipenetworksimulation,moduleofwaterdemandforecasting,moduleofoff-lineoperationaldecision,moduleofon-lineoperationaldecision,moduleoftheoperationaldecisionassessmentandtheoutputmodule．BasedonthetheoryoftheODSS，combiningthesingleobjectivewiththemultipleobjectiveassessmentarcappliedtosolvethemultipleobjectiveoptimaldecisionmathematicalmodelaimedtothereliability,thesecurityandthecostofwatersupply．Theinnovativeworkinthepaperispresentedasfollows：(1)AdoptingGASAalgorithmtoimprovethecalculationefficiencyofoptimalVI ABSTRACTdecisionmathematicalmodel．(2)Establishmentoftheoperadonalmultipleobjectiveassessmentsystembasedonthefuzzymathematicaltheory．(3)Theapplicationofthemethodofoperationaldecisioninshortsteptoimprovetheprecisionof．waterdemandforecastingandpreventoperationfrequentlyofpumps．(4)ThedefinitionofninekindsofrunningSt时惦ofpumpandanalysisofstatusswitchingtoel"塔urethefeasibilityandreasonabilityofthedecisionscheme．(5)Establishmentoftheoperationaldecisionexpertknowledgebasetoimprovethepracticabilityofthedecisionscheme．Intheend，theODSSsoftwareiScreatedandappliedtowaterdistributionnetworkinFScity,andtheresultshowsagoodfeasiblilityforpracticaloperationinw&tersupplysystem．Keywords：waterdistributionnetworks，scientificoperation,multipleobjectivedecision,geneticsimulatedannealingalgorithm，assessmentsystem,softwaredevelopmentⅥI 学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：。以年了月彦Et经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名：学位论文作者签名：年月日年月日 第1章绪论1．1引言供水系统是城市的重要基础设施，供水工程关系到社会经济稳定发展和人民生活的安定，在保障城市发展和安全运行中发挥着重要的作用。随着国民经济的发展，我国的供水事业得到了迅速的发展，经历了大规模的新建和改扩建时期，基本实现了建设部城市供水行业2000年技术进步发展规划中对城市供水系统运行管理提出了两项提高(安全、效益)和三项降低(电耗、药耗、损耗)的发展目标和要求【”。供水行业现已进入了“加强管理，提高服务，增加效益”的新阶段，在供水生产运行中，开始注重缓解水资源和能源的紧张，在不断提高供水管理水平的基础上，努力地提高供水企业的经济效益。当前，能源紧张是世界性问题。随着经济建设的发展，能源矛盾在我国日益突出，节约能源已经成为我国的基本国策。目前，我国大多数城市给水管网运行调度仍采用人工经验方式，能源消耗比较大，如果采用科学调度方法，能够节省大量能源。创造出可观的经济效益。在水资源匮乏、水源污染严重、建设资金短缺等情况下，以保证供水可靠安全性为前提，最大程度地减少管网漏失量、减少供水产销差、减少能源的浪费是整个供水行业亟待解决的问题。另外，我国供水企业在相当一段时期内，为适应经济高速发展、城市化进程较快的国情，非常重视满足管网系统的用水量需求。由于供水系统复杂，经常存在供水方式的不合理，造成管网中水质发生变化，“二次污染”严重：同时因管网中压力分布不均，致使管网事故频繁，管理和维修比较困难等一系列问题。要有效地解决这些现存问题，就必须对供水系统实施动态模拟，继而实现供水系统的科学调度，通过合理调配管网系统供水设施，实现管网系统的多目标优化运行，最终提高供水运行管理水平，提高供水服务质量，改善供水经济效益。城市供水系统作为水资源合理利用的重要环节，必须在确保供水安全可靠的前提下，以提高供水服务质量和经济效益为目标，应用现代控制理论和方法， 第1章绪论应用计算机、遥测、遥感、遥控等技术，全面地进行供水系统的信息化建设，逐步地实现供水运行科学调度[21．1．2研究课题的提出现阶段国内城市供水管网的运行面临如下的一些问题[3,41。(1)水的供需矛盾增大国内淡水资源十分有限，地区分布不均匀。随着社会经济的持续发展，工业化进程加快，有机污染物的种类和排放量不断增加，许多生产废水和生活污水未经达标就直接排入水体，使有限的水资源遭到污染，严重影响了城市供水的安全性。另一方面，城市规模扩大，人1：3增加，工农业快速发展，用水量的需求与日剧增。(2)供水可靠安全性供水系统的可靠性直接影响到居民生活和工业生产。最大限度地减少管网中设备和设施的事故率，保证供水流量和压力要求，是供水企业最为关注的问题。另外，随着社会发展，人们对生活环境的意识不断加强，越来越多的人开始重视用水的质量。经水厂处理的合格水，在管网系统的输送过程中会发生一系列的物理、化学及生物反应，导致管网中的水质变化，例如管网水质的“二次污染”，管道中细菌含量增加，管道中由于物质沉淀造成水的浊度增加，管壁发生腐蚀，投加消毒剂后在管道中产生消毒副产物等等。(3)供水系统经济效益随着市场经济的发展，城市水价不断上涨，人们逐渐意识到水是一种商品，供水企业作为商品的生产者和经营者，应该追求水的利润和企业效益。企业效益提高的一条有效途径就是尽量减小供水成本。供水成本中，电费所占的比重最大，一般是30～40％左右，降低电耗始终是贯彻节能方针、提高经济效益的重要环节。管网水量漏失也是影响供水经济效益的重要因素。据2004年城市供水统计年鉴[51，2004年全国600余个城市漏失总量达45亿m3，如按供水平均成本0．9元／m3来计算，每年我国城市供水行业因漏失而造成的经济损失高达40．5亿元。2 第1章绪论(4)信息化建设随着计算机技术的发展，遥测、遥感、GPS、GIS等信息化技术趋于成熟，传感器、电动控制设备等先进的信息化产品层出不穷。这些都为大型系统的自动化控制和管理提供了有利的工具。在供水行业中，监测技术、模拟技术、控制技术、科学决策技术等为供水系统的优化运行、管理提供了有利条件。将计算机技术与其它技术有机地结合，实现供水管网的优化运行，不断提高供水效益和服务水平，已经成为供水行业科技进步的发展方向。为了提高供水系统管理技术水平和企业经济效益，国内专家学者及工程技术人员对供水管网优化调度课题进行了大量的研究，国内越来越多的城市建立了管网地理信息系统(GeographicInformationSystem,OlS)和数据采集与监控系统(SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA)，实现了数据信息采集和处理自动化，指导传统的经验调度，提高了系统运行调度决策水平。但是，供水系统的优化调度尚处于研究开发阶段，实际应用成功的范例并不多见，其主要原因在于：1)信息采集与系统控制硬件不配套，信息通信及远程控制基础差，机泵等设备尚不能满足自动化控制的要求：2)现有供水设施、管网布局及供水方式存在不合理性，增加了优化调度的复杂程度；3)管网、用户等基础资料数据不够完整，影响了管网调度模型的准确性：4)缺乏供水科学调度相关规程、系统维护机制及实用保障技术，妨碍了优化调度方案实施的有效性。随着计算机和通信技术的快速发展，为城市供水系统科学调度技术的提高和完善提供了可行条件．国内一些信息化建设比较成熟的城市供水企业，例如南京、佛山、上海等自来水公司，都迫切要求在已建成的管网地理信息系统(GIs)和数据采集与监控(SCADA)系统基础上，研究开发具有中国特色的供水管网科学调度系统(以下简称为供水科学调度系统)，进一步提高供水系统运行调度管理技术水平，提高供水系统的可靠安全性，降低供水能耗、材耗和人力资源成本，提高供水企业的社会效益和经济效益。在2005年，供水科学调度系统的研究与开发已被列为国家供水行业2010年技术进步规划及2020年远景目标内容之一，成为了供水部门信息化建设发展的必然趋势【3】。3 第1章绪论1．3国内外供水管网调度理论研究进展供水管网调度系统的理论研究主要由三部分组成：管网模拟；用水量预测；优化调度决策。1．3．1管网模拟研究进展目前，管网水力模型与供水调度联系紧密，它是调度决策的水力约束条件，其准确性直接影响到决策方案的可靠性和实用性。近年来，国内外众多学者对此进行了大量的研究M，按建模方法的不同，．--y以将管网水力模型分为三类：宏观模型、微观模型和介于两者之间的简化模型。(1)宏观模型宏观模型是一种数据相关性统计模型嘲，寻求管网中不同区域问的流量、压力变化的关系和规律，不进行详细的管网水力模拟计算，具有计算速度快的优点。当初计算机发展水平相对比较低，计算耗时是工程应用的瓶颈，因此，国内外学者对宏观模型进行了大量的研究。研究主要分为三类：线性动态模型、比例负荷模型、非比例负荷模型。1975年Fallside和Peny【9l，1980年Coulbeck[ml以及JoaUand和Cohen[nl，都对线性动态宏观模型进行了研究，但由于这些宏观模型精度不高，满足不了实际供水调度的需求。1975年RobertDemoyerJR【12】提出了管网比例负荷的模型，1985年Coulbeck掣b】对该模型作了进一步的研究。所谓比例负荷指的是管网中各节点的用水量、各供水泵站供水量以及系统总用水量在各个不同时段之间都要以一个统一的比例因子上下浮动。但是实际供水管网系统中，由于不同类型的用户具有不同的用水变化规律，供水工况一般不能满足比例负荷的条件。1981年同济大学刘遂庆教授针对我国大部分城市不满足“比例负荷”这一假设，提出了分对段的管网统计模型{141。国外Tarquin掣15】和国内的孙伟、赵洪宾【16】，王训俭【m，赵新华掣181对此都作了相关研究，均是在“非比例负荷”的基础上建立管网模型。这些模型更加符合国内城市用水量变化的情况。宏观模型虽然具有数学模型简单，需要的数据量少和建模速度较快等优点，但是由于宏观模型的数据基础是管网系统运行历史数据，当管网结构变化较快，4 第1章绪论管网用水规律变化较大时，模型存在的普遍问题是模拟精度难以保证，需要及时不断地修正模型，从而降低了模型的稳定性、通用性和长效性。(2)微观模型微观模型是以管网中全部管网组件(管道、阀门、水泵等)为模拟计算对象，具有管网系统模拟仿真、组件功能模拟和评价、管网辅助优化设计等扩展功能·它是以连续性方程Q，+∑劬；o和能量方程∑％。o或管段压降方程曲=sq“为基础，联立描述管网元件的特性方程及边界条件等，求解各节点的状态。目前主要的求解方法【l9】有节点水压调整法、环流量调整法和管段流量调整法。与宏观模型相比，微观模型对系统拓扑的变化和节点用水量模式的变化具有较强的适应性，它可以方便地获取所有管段、节点，水源的工况参数以及各小时的静态模拟工况和动态实时工况。微观模型能够对管网维护、更新和改造方案具有指导作用。(3)简化模型简化模型是建立于微观模型之上，介于宏观模型和微观模型之间，通过忽略某一管径下的管线，用一个宏观的网络模型来逼近管网水力模型，或用水力方程组来估计管网系统参数【20J。1984年Coulbeekt2”建立了一个由多项式方程组成的简化模型，用来反映系统中不同元件之间的相互影响，这种影响模式是建立在某特定工况下，实际应用具有局限性。1989年Little和McCroddent221建立了一个简单的线性模型模拟水池液位基本恒定的给水管网系统，适合于分区供水的模式。1992年Jowitt和Gemanopoulos田】用一个近似的线性模型模拟了一个主要由水泵控制的管网系统，此时认为水池水位的微小变化对水泵运行影响不大．总的来说，简化模型一般通过两种方法来简化剀：逐条管段简化法和参数拟合法。管段简化法主要是对管段进行并联、串联处理，用一条当量管来替代实际中的两条管段，重新求解管网方程。但由于对给水管网系统中不同的水池、水泵和用户难以处理，尤其是节点流量的处理往往引起的误差较大。另外，简化模型利用监测值来推求参数，当监测值误差较大时，或者管网发生变化时，模型的准确度将受到很大影响。实际上，目前的简化模型仍然脱离不了宏观模型的范畴，具有宏观模型的缺陷。5 第1章绪论1．3．2水量预测研究进展用水量预测是调度决策的前提，它的准确度直接影响到管网水力模拟的精度，一般可以分为长期预测和短期预测两大类。长期预测是根据城市经济的发展及人口增长速度等许多因素对未来若干年后整个城市的用水需求作出预测，为城市的建设规划或管网系统中的主要管段的改扩建提供依据。短期预测是根据过去若干时段或若干天的用水量记录数据并考虑影响用水量的各种因素，来预测未来一个时段、未来一天或几天的用水量，为给水系统的调度决策提供用水量数据。国外在这方面进行了大量的研究。Moss[2卯、Maidment刚、Smith[27l、Steiner嗍、Sastri[291、Hartley[30!、Former『【s1]等在对历史用水趋势分析的基础上进行日用水量的预测。在预测过程中建立的数学模型包括指数平滑预测模型、自回归(AR)模型、移动平均(MA)模型，自回归移动平均(ARMA)模型、求和自回归移动平均(越㈣模型、神经元网络模型等[32。36]。国内主要的研究有：1987年陈跃春采用时间序列分析法【3刀，建立AR巧压A(d，p，O)模型，用上海市用水量数据求出各相关参数，然后用模型对总用水量数据进行预测。1997年吕谋等利用统计预测理论I翊，建立了日用水量的动态组合模型，通过逐步回归分析方法剔除次要影响因素，并采用卡尔曼滤波方法动态预测回归残差项。1998年吕谋、赵洪宾利用随机过程及时间序列分析手段网，根据用水时间序列季节性、趋势性及随机扰动性的特点，建立了时用水量预测的实用组合动态模型。采用加权逆推最／J、--乘法进行动态参数估计，可很好地满足实时控制的需要。1999年李杰星等针对城市供水系统的复杂性、非线性、时变化性与多因素影响的特点，引入了模糊逻辑系统和人工神经网络【舯】，将一种改进的最近邻类算法，用于城市水负荷预测。200年单金林等利用BP神经元网络法对城市用水量建立了预测模型[4q，并分析了基于这一模型的数据分析方法，结合天津市给水系统进行用水量负荷的预测，取得了较好的结果。2003年王俊岭等对城市给水系统时用水量的联合预测方法进行了研究【42】，认为联合方法比单一的方法效果要好，当水量变化里周期时，季节指数法比其它联合方法预测精度高。2004年李红艳等通过自相关分析方法对城市用水量预测模型的优选进行了研究[43l，认为用水量模式中存在稳定性、随机性和周期性，通过相关系数可以在针对性地选择合适的用水量预测方法。6 第1章绪论总而言之，用水量预测方法的研究是比较成熟的。长期预测由于数据较少，一般采用灰色预测方法。短期预测可以分为解释性分析法和时间序列分析法：解释性分析法关心的是输入和输出变量之间的某种因果关系，一般要考虑气候因素、节假日因素、居民活动、人口因素等等，这种模型对输入变量的精度要求较高，要求未来的天气、居民活动等的预报资料比较准确，否则会产生很大的误差；时间序列分析法将系统看作一个“暗箱”，不管气候等影响因素，只关心用水量的历史数据记录，有时影响因素突变时，该方法预测误差较大。从研究进展中可以发现，常用的用水量预测方法一般均可满足城市供水调度的精度需求，目前该方面研究存在的主要问题是预测方法的通用性。由于不同城市或地区的经济状况不同，用水模式不同，用水量变化的影响因素也不相同，因此如何根据某地区用水量变化模式，选择最佳的预测方法是本文研究重点。1．3．3调度算法研究进展供水调度决策指的是基于管网模拟建立调度数学模型求解优化运行的决策变量，以得到管网系统中各供水设施的控制参数和运行状态为最终目的。传统的优化运行决策是在满足系统可靠性约束的前提下，使运行费用最小。优化运行费用主要指电耗费用，其目标函数F为：r，minF=Y．XI(Q,,，H口II，Tli，口。，etoO．Df-I』Il式中，T——调度时段数；I——水泵台数：如——第f水泵，时段出水流量，m3／h)日。——第f水泵，时段供水压力，m：聃——第i水泵的效率；吼——第f水泵r时段的开关状态(即控制变量)；e。——第f水泵f时段运行单位电费，元^国，．h。优化决策的约束条件主要包括：管网流量连续性方程及能量方程，节点水头限制，水泵供水量限制，水泵供水压力限制，水池水位限制等。为了求解供水调度决策优化模型，国内外学者对优化调度的求解方法进行7 第1章绪论了大量的研究。由于管网拓扑结构不同、管网中水池数目和水源数目不同，优化决策的方法也是不同的，求解方法包括动态规划法(DynamicProgramming)、线性规划法(LinearProgramming)、非线性规划法(NonLinearProgramming)、混合整型非线性规划法(Mixed-IntegerNonlinearProgramming)以及智能算法(IntelligentieAlgorithrn)等t441。国外学者从六十年代就开始了各种调度算法的研究。(1)动态规划法(DP)动态规划是多阶段的决策过程，它的特点是分时段解决问题，时段的增加将使计算负荷以线性速度加大，而且如果目标函数没有任何形式的约束，该方法可以得到全局最优解。标准的DP法可以用连续或离散的形式表达，其中离散形式比较简单，应用较为广泛。在离散的DP中。计算负荷取决于状态变量的数目和离散程度，对于一个具有n个状态变量和nl离散程序的系统，每个阶段需要显性评价m“种组合，可见，DP法的计算负荷与状态变量的数日密切相关。1975年Sterling和Coulbeek以物质平衡模型来描述水池水力特性，用DP法求解单水池多水源系统问题【45】．1984年Coulbeck将模型推广到水泵的优化组合问题上M，1985年Sabet和Helweg进一步作了类似的研究工作[471。1989年Ormsbee、Walski等提出两级优化方法．第一级用DP法求解水池水位的最优运行迹线，第二级以最优运行迹线为约束采用枚举法求解水泵的最优组合【48l。1994年Lansey和Awurnah以水泵开启次数作为约束条件建立了整型变量DP模型【49l。1996年Nitivattananon等在最小化供水运行费用的同时，不仅考虑了水泵开启次数的限制，而且还考虑了多时段电费收费制度等约束，将供水调度模型按不同时段和不同区域分为若干个子模型来研究【卯】。但是，以上文献中存在一个共同的问题，就是DP法对于多水池系统计算量比较大，．优化计算时间很长。因此它在实际生产调度中的应用受到了限制。(2)线性规划法(LP)该方法可以处理大量的变量和约束，适于解决大型模型的优化问题，它要求变量之间的关系必须是线性的。Jowitt等通过对管网系统进行线性转换，运用LP法求解水泵运行方案嘲j21，计算出来的结果不是十分理想，主要原因在于给水管网的非线性水力特性。因此，这种算法的应用也受到了限制。8 第1章绪论(3)非线性规划法(NIP)考虑到供水管网水力关系是非线性的，1989年Chase和Ormsbee[5”，1990年Lame),和Zhong[541，1991年Brion和Mays[551均用NLP法对简单管网系统的优化策略进行了求解，计算结果比LP方法有了改进。1994年Yu等将NLP方法用于求解多水源和多水池优化问题【56】，模拟结果节省了运行费用。2000年Cembrano等较好地将NIP模型与已有的检测控制系统结合起来，在实际应用中验证了该算法的优越性，但是研究发现，如果决策变量数目增加时，计算时间会成倍增长【5”，对于大型复杂管网系统，NIP方法的应用受到了限制。(4)混合整型非线性规划法(MINLP)1995年Pahor和Kravanjat铜，1996年G-rossman[59l，1998年Bruno等删，2000年Hostgrup等f6ll，均采用MINLP方法进行7供水调度的研究，得到了优化结果，相对DP、LP和NLP等方法相说，提高了模型求解的效率。2002年Biscos等学者以最小供水费用以及保证管网中有足够的余氯浓度等作为多目标函数，将水池水位、氯浓度、阀门状态等增加为约束条件，采用MINLP法进行寻优，得到了理想结果【翻，该文章中建立的决策模型考虑了供水经济性和安全性等多目标优化，对本文具有重要的借鉴作用，但是Mn虹P法对于大规模管网系统来说，仍然存在计算耗时的问题。(5)智能算法(n)上述的各种算法都要分别通过线性化、离散化或启发搜索等方法来对管网问题进行简化，对结果会不同程度地造成一定偏差，而且由于管网模型的复杂化，考虑的目标函数也从早期的单目标转化为现在的多目标，因此传统的算法在寻优能力上愈来愈满足不了精度和时间上的要求了。另一方面，现代经典智能算法的研究正成为热点，它们为求解管网优化调度问题提供了便利，其中有：1)遗传算法(GeneticAlgorithm)该算法具有强大的并行搜索能力，可以同时处理离散和连续的变量。在智能算法研究中，GA算法发展与应用相对较为成熟。1995年Maekle和Savier631，2000年Alldsont等州，2001年Boclos等[651，均对遗传算法应用于供水管网系统的运行进行了研究，得出结论是GA算法具有全局并行寻优能力，完全适用于求解优化调度这种大规模非线性问题，但是9 第1章绪论单纯的GA法求解效率不高。2004年Jal(oblls等学者为了解决单纯GA法求解计算耗时的缺陷，将全局搜索性能强的GA法与一些“爬山”局部寻优算法(如Hooke、JeevesandFibonacci方法)相结合，快速地得到了优化解嘲，这大大地推动了GA法在管网调度决策过程中的应用进程。2004年Labadie将GA法与神经元网络算法、模糊规划算法相结合来求解多水库供水系统的优化调度问题，得到了理想的调度方案咖，进行一步论证了GA组合算法可以充分利用GA的全局寻优能力，克服局部求解不稳定的缺陷，如果组合一些启发性搜索方法，其求解效率比较高，是一种比较实用方法。2005年Benjamin用GA法进行了多目标优化(电能消耗少、维修费用少、用电高峰时间少、水库水位变化小)的水泵调度策略研究【卿，文章中提出了建立多目标模型的思想，经分析，发现利用GA法可以直接求解多目标优化问题。这为多目标的求解方法可以提供借鉴作用。综上所述，单纯GA算法的全局寻优能力与初始化、评价、选择、交叉，变异等过程有关，搜索的稳定性不高，尤其是局部搜索能力较差，为提高求解的效率，可以与其它局部寻优方法进行组合，它是一种比较有应用前景的方法。2)神经元网络算法(NeuralNetworkAlgorithm)NNA算法的优势在于处理高度非线性问题。2000年Neelakantan等，2003年Bhattacharya等利用NNA算法分别建立并求解了水库优化调度模型嘲和供水经济性优化调度模型170]，均认为NNA算法基于“黑箱”原理，它对数据的完备性和准确性要求较高，如果影响因素考虑不充分，数据精度低，NNA算法的结果会发生很大偏差。2005年Broad等用NNA算法建立了管网宏观模型，结合遗传算法研究了水力和水质多目标优化的调度问题【7”，文献中建模的思想比较清晰，值得借鉴，NNA宏观模型相比以往的其它形式的宏观模型来说，具有了自学习功能，可以根据数据自动修正模型，但由于监测数据不充分，该宏观模型的精度不是十分理想。3)模糊规则算法(FuzzyRule．basedAlgodthm)FRA算法可以解决没有精确数学表达式的模型，是一种比较实用的控制方法。1996年Shrestha等if2]，2002年Dubrovin等【73】，基于模糊规则算法对实时10 第1章绪论水库调度进行了建模，该类模型属于控制模型，主要是根据历史经验总结出模糊规则库，进行控制时，首先将实际工况数据进行模糊化处理，搜索与其相匹配的条件，推导得到相应结果。FRA算法的难度在于模糊规则的制定，它来自于历史的调度经验，如果管网进行改扩建，供水工况发生变化以后，历史经验将不再适用，控制模型的准确性会受到影响。4)专家系统(Exlx"rtSystem)ES方法是将理论模型与专家经验相结合，为人工调度决策提供最有力的支持。1996年Shepherd和Ortolano对供水调度采用了专家系统方法，建立了决策支持系统，在实际运行中发挥的作用有【74】：1)辅助调度决策；2)减缓危险；3)在紧急状况下提供供水方案；4)当调度员决策方案与预期不符时，进行警告：5)对新手进行训练。2000年Leon等建立了Seville市的供水调度专家系统，确定优化目标为安全供水和减少电费，其中考虑了各种水质保证机制和不同电价时期供水的调配嗍．2003年Westphal等对水库调度建立了专家决策支持系统，开发了相应的调度软件c徊。专家系统的主要优势在于它的知识库，知识库类就是专家经验库，有许多经验无法用精确的函数形式来表达的，以知识形式可以作为对数学模型的有利补充，这种思想将为本文的研究提供借鉴作用。国内专家、学者从七十年代开始将计算机技术应用于供水系统的模拟及运行管理。在供水系统宏观和微观优化调度方面也进行了大量的研究工作。1981年刘遂庆用回归分析法对管网用水量进行了预预1j，对泵站出水量及出水压力进行了优化计算，确定了水泵机组的最优组合调度方案，并研制开发了“CPS809”优化调度计算程序【14】，构建了适合国内城市特点的供水优化调度模式。1986年姜乃昌阐述了利用管网宏观模型对给水泵站进行调度的思想，指出给水泵站优化水泵的最佳组合方式是变速调节，有利于节省大量能耗【7刀，同年陈跃春建立了分时段的管网宏观调度模型订射，推动了国内管网水力宏观建模的进步，缩短了管网模拟计算时间，但计算精度不是很理想，模型的适用性不强。1987年段文泽等在人工经验基础上，开发了以能耗最小为目标函数的算法 第l章绪论程序(791，可以用于确定泵站水泵机组的合理组合方案，以辅助人工进行调度决策．同年，李光泉提出了包含有蓄水池及加压泵站的城市供水管网优化调度问题的数学模型，利用分解协调的基本原理进行了求解计算弘o】。由于这些调度算法基于特定的管网经验模型，其模型不具通用性．1988年，王训俭对统一的非比例负荷宏观模型进行了深入的研究【811，对原来的比例宏观模型进行了改进，更加符合国内城市用水的变化特点。1990年，王训俭结合当时国内外供水优化调度与管理现状，阐述了区域性供水综合规划、给水系统优化调度及技术经济信息管理等思想【l刀。这为国内城市给水系统的优化调度的发展指明了方向。1989年仲伟俊等对含加压泵站的城市供水系统优化调度采用递阶优化方法进行求解分析【明；1990年又提出用三级递阶结构来求解复杂城市供水系统调度的优化问题【船1；1993年对含水库的城市供水系统的优化调度模型进行了研究嗍．这些文献中提供了管网系统各种数学模型及求解方法，对调度模型的研究十分有益。1992年赵新华等运用统计回归的方法建立了配水系统等效网络模型，根据多目标决策原理，建立了两种优化数学模型，在郑州和济南实际应用【Ⅲ。1995年他又对给水系统闸阀计算机调度方法进行了研究【85l。1996年吴学伟在博士论文中阐述了基于宏观模型的多目标直接优化调度的方法，并进行了相应的实验研究[s61。但是，随着供水工况的变化，管网宏观模型需要及时修正，大大影响了供水调度的有效性。1997年王荣和提出利用微观水力模型对供水系统进行长达56小时(间隔为2．5分钟)的延时模拟，在模拟过程中，设置水泵开关、管段开断、水塔水位控制等调度策略，进行水力计算得到最优解[srl。这篇文献中提出的延时模拟调度方案的思想，有助于开发供水离线调度的模式。1999年，赵元、单金林和郑毅对城市给水管网中的加压泵站进行了优化计算的研列黯1。2001年吕谋等对大规模供水系统的直接优化调度算法进行了应用研究唧】．2001年郑苏娟等基于图论对城市供水管网的抢修进行了调度决策方案的研究，建,-"rT决策信息系统[901。2001年张宏伟等结合天津市供水系统开发了城市供水信息管理与调度系统，建立了供水信息数据库与供水调度模型方法库，并通过两者的有机结合，实现了基于数据库管理信息系统上的城市供水宏观优化调度模型口”。2002年田一梅等运用单纯的遗传算法来求解供水系统的优化调 第1章绪论度问题网．这些文献中的调度模型均是建立在宏观水力模型基础之上，模型建立的方法值得借鉴，但宏观模型计算结果精度不高，会影响决策方案的准确性，需要进一步完善。2002年崔建国等对城市供水系统的优化调度数学模型进行了总结，系统地总结与分析了管网宏观调度模型、微观调度模型，以及直接优化调度、二级优化调度等模式[931，为供水调度模型的研究提供了总体框架与清晰的思想。2003年信昆仑在博士论文中对遗传算法求解供水调度优化决策数学模型进行了全面论述，对连续和离散决策变量进行了混合编码，结合实例计算，得到了满意的结果，证明遗传算法是求解供水调度优化决策模型的有效方法酗l。2004年和2005年刘遂庆提出了供水系统科学调度思想：在供水系统运行状态集中、全面和实时监控的基础上，采用遗传算法、专家系统等智能化，优化控制理论和方法，提高供水系统安全可靠性，降低供水运行成本，努力提高运行管理科学技术水平[3,95～991。I．3．4国内供水调度理论研究存在的问题国外发达国家自上世纪60年代起就开始进行以计算机作为供水系统辅助调度的研究和探索，在美国、瑞士、英国、法国等地的一些城市已基本实现了简单的给水管网计算机优化调度管理，并编制了相应的调度管理软件，例如英国的GINAS，美国的OPWAD等。然而，国内大多数城市供水系统仍采用传统的人工经验调度方式，主要依据为区域水压分布，利用增加或减少水泵开启的台数，使管网中各区域水的压力保持在经验设定的最佳服务范围之内。那么，以计算机为辅助的供水调度系统具有统计、分析、模拟、预测、优化决策等优势，为什么在实际供水系统中没有能得到应用，充分发挥其功能?在实用性技术研究上，目前国内城市供水调度应注意以下几方面内容。(1)以往国内城市供水管网优化调度模型大多是建立在宏观模型基础上。分析其主要原因一是由于管网系统的复杂性，基础数据缺乏或精度不够，难以建立准确的微观水力模型：另一是由于先前计算机技术水平低，优化调度决策计算时间比较长，往往会导致在线调度无法实现。然而，管网宏观模型建立在数据统计分析基础，无论在计算精度、可信度方面，还是在对实际工况发生变化13 第1章绪论的适应性方面，越来越满足不了供水可靠、安全和经济等要求．目前，计算机技术的高速发展，已经为基于管网微观模拟的供水科学调度技术研究和应用提供了保证。(2)城市用水量预测结果会直接影响到决策方案的正确性。以往该方面存在的主要问题有：一是城市用水量变化影响因素比较多，按照单纯的时间序列法可以满足在线时段预测的要求，但满足不了离线对未来预测的要求，必须进行数据相关性分析，研究适合本地用水变化的复合方法；二是原始数据来自于监测系统，由于传感设备或通讯设备的系统误差和随机误差，造成了原始数据样本存在偏差(有时偏差十分大)，因此，有必要对原始监测数据进行误差分析和滤波处理，提高用水量的预测精度。(3)大多数城市的供水调度系统决策变量一般是水泵的运行状态。实际运行中，水泵由于磨损和技术改造等原因，其理论特性曲线会发生变化，模拟必须采用水泵的实际工作特性。但是，由于目前国内对水厂水泵工作特性在线测试的方法不成熟，造成管网模型中水泵工作特性往往采用理论特性或人工修正特性来代替，从而影响了模型模拟的准确度和调度决策的可信度。(4)国内供水管网调度决策系统的优化目标一般只考虑运行费用一项。但是，供水科学调度应该是一个多目标优化问题，尤其是供水管网的水质问题，已经成为了研究热点，因此供水科学调度将水质安全性纳入了优化目标。(5)供水管网调度决策的约束条件关系到执行方案的可靠性和实用性。除了通常考虑的管网系统流量平衡和能量平衡的约束、控制点的压力约束、水泵供水流量和压力的约束以外，还应该包括清水池水位约束、水处理流程之间协调性约束，供水与水资源调度协调性约束、水泵等设备安全操作规程约束等等。(6)对供水管网调度方案应该迸行合理评价。由于供水管网的复杂性，以往对调度方案主要是根据控制点压力和泵站供水费用进行定性地评估，评估的精度比较粗略。按供水管网科学调度的要求，应该运用舍理的方法对供水的可靠性、安全性及经济性进行全面综合评估，这将有利于提高供水管网科学管理水平．14 第1章绪论1．4研究目的、内容、创新和意义1．4．1研究目的供水科学调度系统的核心是调度决策支持系统，它具有供水系统模拟、用水量预测、调度优化决策、调度状态评估等功能。本论文将在基本理论分析的基础上，研究和开发以供水可靠性、安全性和经济性为多目标的供水调度优化决策支持系统。1．4．2研究内容围绕研究目的，本论文研究工作如下：(1)提出供水科学调度的概念；分析供水管网系统宏观水力模型、微观水力模型以及水质模型的基本原理；以供水可靠性为约束，建立以供水经济性和水质安全性为多目标的科学调度决策基本数学模型；提出开发调度决策支持系统的方案，设计系统的结构和工作流程，制定系统研发技术路线。(2)对供水管网模型建立、校核以及动态模拟的方法进行探讨，并结合实例进行应用研究，归纳总结城市用水量预测方法，分析城市用水量的影响因素。(3)按照供水调度决策支持系统的开发方案，建立以供水运行费用为目标的调度决策数学模型。为了改进模型的求解效率，对模型求解的数学算法——遗传算法、模拟退火算法以及两者相结合的算法进行研究和应用。(4)基于模糊数学方法建立供水调度决策多目标评估体系，对供水管网节点压力、节点压力波动、节点水龄、管段流速、供水运行费用五个指标进行分析和综合评估，综合评价结果可以用于对单目标优化决策方案的优选，也可以用于对历史方案进行分析，总结调度经验。(5)为保障理论研究成果能够顺利转化到管网运行实践中，对供水调度若干关键实用技术进行研究，包括：供水调度“小步跟踪，高效决策”的技术；实测水泵工作特性与高效方案组合技术；水泵安全操作合理性约束分析；监测点压力与泵站供水压力相关灵敏度分析；以及专家决策知识库建立方法研究．(6)按照软件工程要求，对软件功能需求和数据需求作详细分析，进行系统软件结构设计，开发供水调度决策支持系统应用软件。15 第l章绪论1．4．3研究创新(1)完善供水科学调度基本理论体系，提出将供水调度单目标优化决策方法和多目标评估体系相结合，来解决以供水可靠性、安全性和经济性为多目标的调度优化决策问题，从决策支持的角度设计系统模块结构和工作流程。(2)利用遗传模拟退火算法同时加强全局寻优和局部搜索能力，提高供水调度优化决策模型的求解效率，引入个体解的不可行度判断方法来处理模型约束问题，有效地克服罚函数法影响目标函数优化的问题。(3)研究并开发供水调度决策多目标评估体系。利用模糊集和模糊评判理论对调度决策方案从供水可靠性、安全性和经济性三方面进行评价，根据综合评价结果推荐多目标优化方案，对供水管网运行调度进行决策支持。(4)在实践应用研究中，采用短时段高效决策方法。基于供水现状，以3分钟为步长进行跟踪模拟监视，以15分种为调度决策时段，提高用水量预测精度，有效地避免水泵频繁操作。(5)在实践应用研究中，首次对水泵安全操作规程进行详细分析，定义水泵运行的九种状态及状态间的转换，将这些作为调度决策数学模型的约束条件，确保决策方案的可行性与合理性。(6)在实践应用研究中，分析泵站内水泵高效组合方案，分析管网控制点压力变化与泵站压力变化之间的相关关系，并建立调度决策专家知识库，将这些与供水调度相关的经验、规律等以知识的形式参与决策过程，提高决策方案的实用性。(7)按照软件工程要求，在功能需求和数据需求分析的基础上，对供水调度决策支持系统软件进行结构设计和代码编写，将软件应用于实际供水调度工作。1．4．4研究意义供水调度决策支持系统的理论研究和应用是对我国城市供水系统信息化建设的有益尝试。必将有利于改善供水企业现代化管理水平；有利于提高供水管网对水量、水压和水质的保证率；有利于降低供水能耗，提高供水企业的社会效益和经济效益。16 第2章供水调度决策支持系统的基本理论2．1概述2．1．I供水科学调度基本概念供水科学调度(即供水管网科学调度)指的是在对供水管网运行状态实施集中、全面和实时监控的基础上，运用现代化信息技术，以及智能化和优化控制理论和方法，安全可靠地将符合流量、压力和水质要求的水供应给用户，最大限度提高供水系统安全可靠性的同时，降低供水运行成本，提高运行管理科学技术水平，提高供水企业的经济效益与社会效益【31．供水科学调度的具体目标为：全面提升供水服务水平．提高水量、水压和水质的保证率；降低供水能耗、物耗和人力资源成本，提高供水企业的社会效益和经济效益。其发展方向是实现供水调度与控制的优化、自动化和智能化，最终实现与水资源控制、水处理过程控制及供水企业管理的一体化。供水科学调度思想与传统供水优化调度相比较：在供水信息化建设方面，强调利用先进的计算机和通讯技术；在控制手段方面，积极引入智能化控制方法；在决策目标方面，除供水可靠性和经济性之外，特别增加了供水安全性的目标。供水科学调度系统主要由以下四部分组成：(1)数据采集与通信网络系统。包括：检测水压、流量、水质等参数数据采集和数据通讯网络；通讯网络与水资源调度系统、水处理监控系统、供水企业生产调度中心等联通，建立统一的接口标准与通信协议。(2)数据库系统。数据库系统是科学调度系统的数据中心，具有规范的数据格式和完善的数据管理功能。一般包括：地理信息系统(OIS)、管网模型数据，各检测点的压力、流量、水质等实时状态数据，调度决策数据。(3)调度决策支持系统。这是科学调度系统的指挥中心，主要具有供水管网动态模拟、用水量预测、调度优化决策、调度状态评估等功能。(4)调度执行机构。由各种执行设备或智能控制设备组成，可以分为开关执17 第2章供水调度决策支持系统的基本理论行系统和调节执行系统。开关执行系统控制阀门的开闭、水泵机组启停等；调节执行系统调节、控制阀门的开度、电机转速等。其中，供水调度决策支持系统是供水科学调度大系统的核心组成部分。2．1．2调度决策支持系统基本概念决策支持系统是面向决策环境的非结构化或半结构化部分，以改进决策结果的最终效果为目的，辅助决策者进行方案制定的系统【100】。供水调度决策支持系统涉及供水可靠性、安全性、经济性等方面内容，能够利用来自数据库的静态和动态信息，进行供水管网动态模拟、用水量预测，按照目标函数和约束条件求解调度模型，并对决策方案进行多目标综合评估，优选和推荐最终方案，系统决策方案应该具有人工方案、离线预案、在线方案等多种形式。供水调度系统的决策支持主要体现在以下三方面：(1)模型的决策支持在科学研究中，往往是先提出正确的模型，然后才能得到正确的运动规律，建立较完善的理论体系【101】。供水管网模型、水量预测模型、优化调度模型等是对供水系统特征和变化规律的科学抽象，通过研究这些模型可以揭示调度决策问题的本质，深入了解和掌握管网实时运行状态和运行效率，有利于提高管网系统的运行安全可靠性，克服由管网设施隐蔽性而带来的管理盲目性。(2)专家经验的决策支持专家经验是通过知识来表达的。知识与模型一样，是决策的资源。知识来源于实际问题，是对现实状态发生变化以及相应对策的描述。数学模型是对现实问题用数学方法进行定量分析，而知识却是对那些无法用精确模型表达的问题进行定性分析，知识属于人工智能的范畴。在供水科学调度实践过程中，也存在许多问题是无法建立精确的数学模型来进行描述的，这就需要利用建立专家知识库的手段来对决策进行支持。(3)方案结果的决策支持模型和知识是决策支持的定量和定性手段。对于复杂的供水决策问题，单一模型或知识往往是难以进行辅助支持的。这时，就需要通过一定的体系和工作流程，将多个模型和知识进行有机组合，按照人工输入或自动获得的边界条18 第2章供水调度决策支持系统的基本理论件，经过综合计算，最终得到方案结果，实现辅助决策。2．2供水管网系统基本模型供水管网系统数学模型包括水力模型和水质模型，它是供水调度决策支持系统的重要基础和依据。通过迸行供水管网水力和水质动态模拟，能够深入了解和掌握实时运行状态和运行效率，有效指导供水运行决策。2．2．I管网水力数学模型从第一章的文献综述中可知，国内外许多学者对调度决策基础的管网水力模型进行了大量研究和实践，管网水力模型主要分为两类，即宏观模型和微观模型．相应基础上的调度系统称为供水宏观调度和供水微观调度。(1)管网宏观模型宏观模型是一种数据相关性统计模型，利用“黑箱理论”的基本思想，来寻求管网中不同区域间的流量、压力变化的关系和规律0021。早期的宏观模型以“比例负荷”为前提，即认为管网系统的总用水量、各供水泵站供水量以及各节点用水量在一天内各时段按相同的比例因子变化【12，131。它的非线性表达式为：．，以O)=％(f，1)+巳(f，2)砑”+∑巳(f，m+2)Qp(肌)。”(2．1)m=l式中，日。(f)——泵站与对应蓄水池水位之间的压差，m；c0——回归常数系列；卜——泵站个数；幺——管网总供水量，m3／Il；级——各泵站的供水量，m3／h。，Q∽=c，(，，1)+Cl(j，2)讲”+∑eum+2)HAm)““，”’(2．2)，、-·，+∑G(，，f+-，+2)Q，(f)l-1式中，Q(D——流进贮水池的流量，m3／h；’19 第2章供水调度决策支持系统的基本理论E(哟——各贮水池的水位，m；．，——贮水池个数；G——回归常数系列。只(^)--C．(h，1)+G(矗，2)必”+∑G(^，f+2)兄(D，“(2．3)+∑G(^，，+．，+2)只∽式中，只(_lz)——预4压点h处的压力，m；吼(D——第f泵站的出水压力，m；C——回归常数系列；式(2．1)～(2．3)奠定了宏观模型的基本形式。然而，我国的城市用水量比较复杂，一般是按“非比例负荷”模式变化的。因此国内学者根据我国的实际情况，研究提出了一些不受“比例负荷”限制的宏观模型，其中比较有代表性的是宏观解析模型【婀】。该模型是以伯努力方程和海曾威廉公式为基础，认为节点水压等于该节点到参考点的水头损失和参考点水压之和，从而建立了管网中测压点压力与供水点流量之间的关系：蝎=c，+吼(艺cF踢)2=cf+(艺√豕Fg)2i=l，2⋯小(2．4)式中，冠——节点f的水压，m；Q，——第_，个供水泵站的出水流量，m?m；印——管网系统中供水泵站数目；脚——管网系统中测压点数目。qc『，q——公式中的待定系数；对于上式，可以将C，看作测压点的基准压力，白相当子各泵站供水量的对节点f压力的影响权重，％相当于总供水量的修正系数。为求解这些待定系数，首先，将(2．4)对90’求微分得：暴=弛《Q∥渊，2．吲-l，2⋯np(2．5)上面各式两侧分别乘以Q50’，再累加求和得： 第2章供水调度决策支持系统的基本理论萎隧∥卜(薯q秽)2兰q鲈j-L将(2．’7)代入(2．5)：瓶Cq=(2．6)(2．7)(2，8)当水源节点的流量为硝’={剑们，奶∞，⋯，Q：o))，同时记录管网中测压点的压力卵’z{研0’，t-I。(o)，．”，群’)。将(2．8)式代回(2．4)式，经整理得：班针毒．／-iYj喀参Q!；o)]㈤c』=研一丢霎和‰啦，⋯聊㈤从上式可知，只要求出各测压点压力对各泵站出水流量的梯度，就可以确定公式中各待定系数值。根据节点流量连续方程和管段能量方程，令：z=∑吩J局一蟛rs鲥％一玛)+Q=of=l，2，⋯矗(2。11)式中，％——管段摩阻系数的变换系数；H——与节点，相邻的节点集合；口——指数，一般取O．54：疗——管网系统中节点数目：．昭雄——符号函数。将(2．11)对泵站出水流量Q求微分，根据管网流量连续性原理，可以得到：21一奶『书互科』祷一羔一一压善 第2章供水调度决策支持系统的基本理论卺=砉盖嚣+{10髫i另=。㈦如州川⋯印锡钉戤踢【(f≠力。。⋯一”一⋯将(2．12)用雅可比矩阵的形式表示如下：VF(H)·VH(Q)+E=OVHCQ)-m●V尸(日))～·EVF(H)=VH(Q)=(2．12)(2．13)(2．14)(2．15)(2．16)E是对角为1的单位矩阵。利用(2．14)式便可以求得各测压点压力对各泵站出水流量的梯度，继而再利用(2．10)式便可以求得宏观模型的所有待定系数。(2)管网微观模型管网微观模型建立的思想主要是从供水管网的拓扑关系出发，依据管道管径、管长、管材及节点用水量等主要参数，构造出拓扑结构模型【21。该模型的基本数学方程包括质量平衡方程和能量平衡方程，即：∑(±吼)+踢=0．，=l，2，3，⋯，N(2．I"0，‘一‘％一％=^--s,q,[q,I”‘i=1，2，3，．．．，M(2．18)式中：吼——管段j的流量，m3／h；Q，——节点_，的流量，m3／h：22钎一弛鞔一瞩锐一睨嘲一‰盟锄僻一峨盟妈盟吗锐一如盟裼盟诅盟锡钎一嘲锐一蛆诉一q盟蛔盟勉饵一娼 第2章供水调度决策支持系统的基本理论∥，——节点．，的关联集：∑±——表示对节点．，关联集中管段进行有向求和，管段流量流出节点时“々取正值，流入节点时取负值；R，日。——昔段f的起始点编号和起绐点水头，m；．死日。——管段i的终止点编号和终止点水头，m；^——管段f的压降(即水头损失，暂不考虑增压设备的影响)，m；最——管段f的摩阻系数；口——管段阻力指数，与水头损失计算公式指数相同；N--管网模型中的节点总数；膨——管网模型中的管段总数。(2．17)式与(2．18)式联合，称为管网状态方程组，对其进行求解的方法主要有环流量法、节点水头法和管段流量法。其中节点水头法比较简便，较为常用，以下对此基本理论作详细论述。节点水头法是以节点水头为未知量，解非线性的节点流量方程组。在求解之前，首先要将非线性的节点流量连续性方程组线性化，这样可以将求解非线性方程组的问题转化为解线性方程组的问题，至于在线性化时造成的误差，则通过反复迭代求解逐步消除。1)对管段的水力特性作线性化处理。给定第k次迭代的工况(鼋f”，∥’)，对(2．18)式进行微分；职；鸭渺’r妃G．19)l如赢矛砒仁2∞令_5赤2丽qi，吒称为管段流量系数，它的工程意义是管段的流量随着压降变化的灵敏程度，则(2．20)转变为：由，=rj(‘’矾2)对节点流量连续性方程组作线性化处理。将(2．18)变换为：㈣鹏删(掣)-(2．21)(2．22) 第2章供水调度决策支持系统的基本理论将上式代X(2．iv)式，则有：艺(士g，)+锡=弓(A以)=o．，=1，2，．．．，R(2．23)k机式中，△Ⅳ，为节点_，的水头增量；E为是各节点相对于水头增量的非线性流量函数，R为管网中定流节点的数目。为了使F线性化，对于第k次迭代，在节点水头增量(△研¨，△日{”，⋯△碟’)处，利用泰勒公式将(2．23)展开，忽略高次项，取其前二项线性部分得：嚣越+器崛+”．+爰峨一E(刎n，趔n，⋯衅’)器崛+爰蝇+．．．+器峨一五(删“，邋’，⋯衅’)(2．24)器蝇+器崛+．．．+器峨一层(删舶，衅’，⋯衅’)其中E(△研¨，△叫”，⋯△础’)为第七次迭代，给定节点水头初值下的节点流量闭合差，记为；△劈’；乃(AHfn，△H5n，⋯△日∥)=∑(±g∥)+g1=1，2，⋯R(2．25)k乩△斜”为第七次迭代时，定流节点．，的流量闭合差，将其代入(2．24)式，得：fI望c。A／-／,崛+器崛+．．-+盖如训∥’a龋，‘a缇。““}嚣蝇+器崛+．．．+嚣蝇叫∥陆蝎+器崛+．．．+盖毗刚鲋(2．26) 第2章供水调度决策支持系统的基本理论旦互兰：a龃ilM俐”1I=，=叫”t≠工且节点^句相邻(2．27)of≠_，，且节点店V不相邻其中q是与节点，相邻的节点集合·将(2．27)式的结果代入(2．26)式，利用线性方程组的求解方法，如高斯消元法，便可以得到第胂1次迭代各节点水头增量△畔+1’．如此进行反复的迭代运算，直到所有定流节点的流量闭合差均满足精度e要求，管网平差结束。(3)模型评价与选择管网宏观模型是根据管网测压点压力与供水泵站工况之间的内在关系，经数学统计和归纳，建立泵站出口压力与管网测压点压力及泵站出口流量之间的宏观关系模型。它是一种数据相关性统计模型，求解管网中不同区域间的流量、压力和水质变化的关系和规律，而不是通过管网水力分析计算，因此，具有数学模型简单，需要的数据量少和建模速度较快的优点。但是，宏观模型建立的根本出发点是用于管网运行自动化和优化调度，而不关心管肉中详细的组件功能信息，不能表达管网中各个管段的运行状态和参数，对管网维护、更新和改造方案不具有指导作用。另外，当管网结构变化较快，管网用水规律变化较大时，模型的模拟精度将较难保证，需要不断修正宏观模型，从而降低了宏观模型的稳定性、通用性和长效性。管网微观模型是以管网拓扑结构为依据，应用水力学、网络图形理论和算法，进行供水管网中各管道、节点和区域水量和压力动态模拟计算的模型。它可以求解管网中管段流量、节点压力、泵站流量和扬程，可以建立管网供水电费最小和管网压力稳定安全为目标的优化调度模型．求解管网中泵站优化运行模式，到达管网优化调度的目标。同时，管网建模的实时动态运行模拟提供管网中各管段、节点、水泵、阀门等组件的详细运行状态信息，检验管网运行质量，揭示管网中存在的设计给运行调度问题，为泵站设计、运行、维护和扩建∑岘卉∑叶 第2章供水调度决策支持系统的基本理论提供依据，为管网供水运行优化调度提供决策支持．与管网宏观模型相比，微观模型对系统的变化及节点用水量分布的变化适应性较强，当某水池或主干管中断使用时，将管网拓朴关系校正后，仍可进行系统工况模拟；而宏观模型就需要重新获取原始数据，进行回归分析，校正回归曲线，建立新的模型形式。管网调度宏观模型研究和开发的初期目的是为了克服计算机速度不能满足大规模管网的复杂水力和水质计算需求，利用管网运行数据监测与采集(SCADA)系统，就可以建立宏观数学模型对管网运行进行调度，这种控制模式在城市供水系统中是具有一定应用空间的。然而，宏观模型仅仅是局限于单纯的控制领域，模型精度比较低，数据维护要求高。随着计算机技术发展，计算速度已经不再成为应用微观模型的障碍，建立管网调度微观模型可以同时实现管网建模和管网调度模拟双重功能，比较符合我国目前提倡的供水系统信息化管理的需求，可以达到管网运行调度、管网性能评价、管网改扩建方案优化等多功能目标。因此，本论文在第三章中对供水调度决策支持系统的研究就是建立在管网微观模型的基础之上。2．2．2管网水质数学模型供水管网水质模型是跟踪管网系统中水质成分轨迹的数值方法，是以管网水力平差计算为基础的。其理论研究包括模拟非反应物质或者具有一定衰减反应的物质在管网中浓度的变化，模拟管壁反应、细菌生长、三卤甲烷生成以及不同消毒剂的输送、扩散和反应过程等【3，1041。目前研究比较成熟的水质模型主要以管网中物质衰减模型为主，其表达式为：＆，＆．，詈2屹蠢棚(勺)(2．28)式中，q——从节点j至节点．，的管段内某物质的浓度，mg／L；t——时间，rain：而——沿着连接管线，从节点i至节点．，的距离，m；咐——从节点f至节点_，的水流速度，m／s；e(cO——在t时间内，从点i至节点_，的管段中物质的反应速率函数；节点的水质浓度根据物质守恒定律，表示如下： 第2章供水调度决策支持系统的基本理论。鲁}斗■2乙‰％／乙钆I—O／k-0(2．29)式中，q——从节点i至节点．『的管段内，水流中某物质的浓度，rag／L,配——节点i的所有上游节点；办——从上游节点k至节点i的管段流量，岔觚％——从上游节点k至节点f的管段浓度，mg／L。贮水构筑物内部水质浓度计算方法为t掣；∑孵∑g』c，州c，)(2．30)。1IIIlj蚂式中，K——贮水构筑物在t时刻的贮水体积，m3；￡——贮水构筑物在f时刻的水质浓度，rag／L：正——贮水构筑物在，时刻的进水管段集合；口——贮水构筑物在t时刻的出水管段集合；g，——管段i的流量，m3／h：岛——管段i的水质浓度，mg／L：R(C)——水中溶解物质的产生或衰减反应函数。利用管网中动态水质模拟，便可以得到某时刻节点的水质浓度。但是，往往由于现实管网中没有足够的水质监测值，不能充分建立水质模型，因此大多数城市的供水调度系统仍然是建立在管网系统水力模型基础上．2．3供水调度优化决策基本模型2．3．1决策问题分析(1)决策对象供水科学调度的过程就是在管网系统模型基础上，根据管网运行状态和预测水量的数据，求解优化决策数学模型，从而得到满足决策目标函数的各台水泵的开关量(或调节量)以及阀门的调节量，同时也可以得到调度方案实施后的管段流量、节点压力、水池水位、水质浓度等数值。因此，供水科学调度的决策对象分为两类：1)控制类对象，包括水泵的开关 第2章供水调度决策支持系统的基本理论量(或调节量)、阀门的调节量等；2)状态类对象，包括管段流量、节点压力、水池水位、水质浓度等。(2)模型类别与选择1)决策模型类别根据决策变量的不同，可建立供水管网系统调度决策的显式模型和隐式模型。显式模型是以水泵的运行状况(定速泵为开关，调速泵为转速)作为决策变量；隐式模型是先以泵站流量或水池水位等作为中间变量，再求解水泵的运行状况。显式模型￡m1是以各泵站水泵流量和水泵状况为变量建立直接调度决策模型，该模型将水源、泵站、管网有机地结合起来，从整个管网供水可靠性、运行经济性和泵站可操作性的角度出发，将泵站优化目标函数及各约束条件统一考虑，合理调配各种水泵运行。隐式模型【1031可以分为两级来求解。第一级求解过程对于有水池调节的实时反馈系统，可先确定最优的水池变化迹线，即在满足系统最小运行费用的前提下，得到一组在整个调度各个时段的水池变化水位；如果是以泵站出口流量作为决策变量时，计算结果是确定每个时段各泵站的流量分配。第二级求解过程是在最优水池变化迹线或泵站流量的基础上，进一步求解各泵站水泵运行状况。2)决策模型选择显式模型是将整个系统统一考虑，一次求解，计算效率高，但一次建模中考虑的变量及约束条件多，建模及运行复杂，因此比较适用于管网结构和泵站情况相对简单的情况。隐式模型的求解精度较高，但计算耗时很长，对于泵站内水泵组合数较少，缺少调速泵，即泵站内可调余地较小的系统，有时得不到优化解。因为当一级寻优得到最优的流量分配后，泵站内有限的水泵组合种类不能满足所要求的供水流量，就可能使泵站组合种类的可行域与最优流量可行域的交集出现空集，即出现无解的情况。目前，对于国内大多数城市，采用泵站直接供水模式，管网中调节水池很少，调度决策对象一般是各泵站内定速泵的开关量或调速泵的转速。解决这类问题，选用显式模型显然是比较适合的，显式模型又称为直接优化调度模型。 第2章供水调度决策支持系统的基本理论2．3．2多目标优化决策数学模型(1)目标函数从供水科学调度的基本概念可知，供水经济性和水质安全性是供水管网科学调度的两个主要决策目标。1)供水经济性目标Z即供水运行总费用最小，总费用包括净水厂制水成本和泵站电耗两部分．净水厂制水总费用石应该考虑各水厂取水、输水及水处理的各项成本费用。r∥石=∑∑丸幺(2．31)ts|I-I式中，五——制水成本，元；硝。——第j净水厂在t时段内的制水成本，元／mJ幺——第f净水厂在f时段内的处理水量，m3；∥——净水厂数目；r——供水调度时段数。泵站供水电耗一的计算方法为：TPM。矗=∑∑∑％吱班％％(2．32)fIlf-1户I式中，五——泵站电耗，元；％——f泵站_，水泵在t时段的开关状态，水泵运行取I，否则取O；吐∥—叫泵站．，水泵在t时段单位扬程和单位供水量的电费，元／(m3·m)；瓯——■泵站_，水泵在t时段的出水流量，m3m；王k——f泵站／水泵在t时段的扬程，m：膨叫泵站内水泵台数；P———供水泵站数目．其中如。的计算方法为：蟊班；—100x9—．81Et；—里Lf；1，2，⋯，P．_，：1，2"⋯M(2．33)36004⋯=一=———一l；1．Z⋯¨，：，=1．厶⋯朋。12．331‘”r／u3．67r／u’’7’。’’。⋯。。。’式中，E，——．f时段的电价，元／伙w)；口F——fJC,站j水泵机组的运行效率，％。。29 第2章供水调度决策支持系统的基本理论其中r／d的计算方法为：砚甓=坐粤笋型渊名⋯卫纠二⋯蝎∞∞式中，地——i泵站J水泵机组运行的有效功率，kw；盹p——i泵站_，水泵机组的额定功率，kw；彳归．一∥，，爿归，4筘——百泵站_，水泵机组功率一流量曲线多项式拟合常数．因此，供水运行总费用最优目标为：豳彳=min惦+石)(2．35)2)水质安全性目标正‘1嗍minA=rain∑∑rn砥o"rnin(cfl一巴，己一cl。))2(2．36)式中，G——节点f在r时刻的物质浓度，mg，L；g——|节点i在，时刻允许的最小物质浓度，mgrL．磊——节点i在t时刻允许的最大物质浓度，mg／L；Ⅳ——节点数目。这样就构成了由石和正组成的多目标优化问题。多目标优化问题的求解方法一般是先转化为单目标优化问题，常用的方法有约束法、分层序列法、评价函数法、线性加权法等，本文采用的是线性加权法，便于体现不同调度需求下各目标函数的偏重性。构成的单目标函数F为：minF=mir心f,+五五)(2．37)其中丑，五分别为供水经济性和水质安全性的权重系数，且^+五=1。(2)约束条件11管网水力约束主要指的是管网流量连续性约束和能量平衡性约束。级+∑(±劬)=oi=l，2，．．．，Mj=l，2，．．．，M；t=l，2，．，T(2．38)月0一j了订f=sjq；,J=l，2，⋯，膨；t=I，2，⋯r(2．39)式中，劬——曾段-，在t时段的流量，m3／h．’ 第2章供水调度决策支持系统的基本理论Q，广一节点i在，时段的流量，m3／h,Hot．詹西——分别表示，时段管段_，起点和终点的节点水头，m；S，——以节点f为终点的上游管段集合；町——管段_，的摩阻系数；口——管段阻力指数，与水头损失计算公式指数相同；Ⅳ——节点数目；肘——管段数目。21节点水质约束Gsq≤qi=l，2，．．．，Ⅳ；t=1，2，⋯T(2．40)式中．cj，——节点f在t时段的物质浓度，rag／L,巴——节点i在t时段允许的最小物质浓度，mg／L；己——节点i在t时段允许的最大物质浓度，mg／L。3)贮水池水位约束％s％s死f=l，2，⋯，S；f=1，2，⋯T(2．41)式中，耽——贮水池i在t时段的水位，m；％——贮水池i在t时段允许的最低水位，m；死——贮水池，在t对段允许的最高水位，mgS——管网中贮水池数目。4)控制点压力约束亘bs月jsZ-Z．i=l，2，⋯，K；t=1，2，···T(2．42)式中，风——控制点f在t时段的供水压力，m；芭——控制点{在t时段的最小供水压力，m；尻——控制点f在t时段的最大供水压力，m；K——控制点数目。5)水泵供水流量约束勘≤锄s虱j=l，2，⋯P；．，=l，2,---M；，=1，2，⋯丁(2．43)31 苎!苎垡查塑室选丝茎茎墨竺箜茎查堡堡式中，‰——f泵站_，水泵在t时段的供水流量，m3／h；g。——1泵站，水泵在，时段供水流量允许最小值。m3，h：瓦——’f泵站，水泵在t时段供水流量允许最大值，m3m；6)水泵供水压力约束函s既s死f=1，2，⋯只，=l，2，⋯M；t=l，2，⋯r(2．44)式中，p『』，——-彳泵站，水泵在r时段的供水压力，m；‰——叫泵站，水泵在t时段供水压力允许最小值，m；瓦——一泵站，水泵在，时段供水压力允许最大值，m。7)调速泵转速约束勘s～≤可i--1，2，⋯P；，=1，2,--．K；t=l，2，⋯T(2．45)式中，％——哼泵站．，调速泵在t时段的转速，r／min：勘——f泵站-，调速泵转速最小值，r／rain；瓦——f泵站-，调速泵转速最大值，r／min；”——百泵站调速水泵的数目。8)水泵开机台数约束量p≤％≤60f=l，2，⋯，；_，=1，2，⋯五；t；l，2，⋯T(2．46)式中，Bot——f泵站，类型水泵在t时段的开机台数{鲧——f泵站／类型水泵在t时段允许最小开机台数；％——f泵站，类型水泵在t时段允许最大开机台数；局——f泵站水泵类型数。(3)多目标优化决策模型考虑供水经济性和水质安全性，便建立了供水调度多目标优化决策模型 第2章供水调度决策支持系统的基本理论MinF=砌以Z+／屯f2)=Min幺+∑(±鲂)=oJ·品H瞪一H球=s|嚷c．Gs巴≤G％s耽≤死。毯q童Hn§HH勘quts虱pqspHs≯H勘s％≤巧乳fsB∞sB∞i=l，2，⋯，Ⅳ；．，；1,2，⋯，^以t=I，2，⋯，r．，=1，2，．．．，M；t=1，2，⋯Ti=l，2"⋯，北t=1,2，⋯T(2·47)i=1，2，．．：，S；t=1，2，⋯Titl⋯2．．，K；t=l，2，⋯Tf=l，2,--．P；_，--1，2,---^‘；t---1，2，⋯Tl-1，2，⋯P；_，--1，2，⋯M；t=1，2，⋯Tf=l，2，⋯，；，=l，2，⋯巧；t=l，2，⋯Ti=l，2，⋯P；．，=l，2，⋯墨；t=l，2，⋯T决策模型中经济性目标和安全性目标的权重系数可以由操作人员按调度需求进行设置，也可以采用以下a．方法来确定【106,1州。考虑如下的多目标最优化数学问题：F(x，x∈R)2卿(Z(功，五(x))7(2·48)设ra。i。n石(功。彳“)，卿石o)=石(恐)·若彳(西)=彳％)，即n砌qmACx)=f,(xO，则规就是问题(2·48)的绝对最优解。如果不存在这样的绝对最优解的情况。此时，石(而)=彳(屹)，正瓴)=五(xO，于是就有：嘶Z(∞=』(耳)_0．5(4．12)式中，x，——状态产生函数操作之后新个体的予变量值；z——状态产生函数操作之前个体的子变量值；缸，——状态产生函数操作个体的子变量的调整值；口，——被调整子变量定义域的下限；b，——被调整子变量定义域的上限；d——在[O，1】之间产生的随机数；r——搜索空间的步长，取[O，1】之间的实数；2)状态接受函数状态函数一般以概率的方式给出，不同接受函数的差别主要在于接受概率的形式不同。设计状态接受概率，应该遵循以下原则：i)在固定温度下，接受使目标函数值下降的候选解的概率要大于使目标函数值上升的候选解的概率；ii)随温度的下降，接受使目标函数值上升的概率要逐渐减小；iii)当温度趋于零时，只能接受目标函数值下降的解。状态接受函数的引入是模拟退火算法实现全局搜索的最关键的因素，但实验表明，状态接受函数的具体形式对算法性能的影响不显著。因此，模拟退火算法中通常采用mia{1，exp(-(c(sj)-c(s,))／tk)}作为状态接受函数。3)初温初始温度f0、温度更新函数、内循环终止准则和外循环终止准则通常被称为退火历程(AnnealingSchedule)。初温越大，获得高质量解的几率越大。但花费的计算时间将增加。因此，初温的确定应折衷考虑优化质量和优化效率，常用方法包括：i)均匀抽样一组状态，以各状态目标值的方差为初温；ii)随机产生一组状态，确定两两状态间的最大目标值差I△一I，然后依据差值，利用一定的函数确定初温气。例如，to=一△。。Ilnp,，其中A为初始接受概率。若取p，接近l，且初始随机产生的状态能够在一定程度上表征整个状态空间时，算法将以几乎等同的概率接受任意状态，完全不受极小解的限制； 第4章供水调度决策数学模型求解算法iii)利用经验公式给出．本研究的初始温度通过ii)方法来设定。4)温度更新函数温度更新函数，即温度的下降方式，用于在外循环中修改温度值。本研究采用的温度更新函数为tk+1=A·气，其中旯为退火因子，0羔坼；l哪E【o，l】‘5·Q式中w，O=l，2，⋯，埘)表示第f个判指标所占权重。5．1．4单级模糊评估设评判集V上的等级模糊子集为垦，模糊评估运算为：星=∥‘o震(5．5) 第5章供水调度决策多目标评估体系或星=喃62⋯6m】；【w1w2⋯％】。“o”算子采用M(·，V)，即：‘l吒2，2I经r,i％2以=maxFw。gJ，w：2∥一，％勺]经计算，得到单级模糊评判集v上的等级模糊子集壁的结果为：曼：叁+争+⋯+鲁：{6l，62，⋯‰>(o≤玩≤1)弓吩蠕。5．1．5多级综合评估(5．6)(5．7)(5．8)当评判系统相当复杂时，需要考虑的因素往往很多。这时存在两方面的问题：一方面是权重分配难以确定；另一方面是即使确定了权重分配，由于要满足归一性，每一因素分得的权重必然很小，在模糊“^”运算过程中容易丢失，造成结果不正确或没有结果．这时需要采用多级评判，多级评判的实质就是单级评判的多次反复。5．2调度决策模糊评估方法根据供水科学调度对供水可靠性、安全性和经济性的要求，拟考虑对管网运行状态从水力、水质和供水费用等三大方面进行综合评估【1391。5．2．1水力性能评估由于水压和流速是反映给水管网水力特性的两个重要参数，因此选择节点水压和管段内水流速度作为该评估体系的状态变量。而确定给水管网状态变量的数值，也是整个给水管网性能评估过程中的一个重要环节，并且在很大程度上，性能评价结果的准确度取决于状态变量数值的精度。一般情况下，很难做到通过直接测量来获得状态变量的数值，大多需要通过一些相关的给水管网模型来计算得到。要确定给水管网中的节点水压和管段流速，主要通过求解给水‰‰～‰～ 第5章供水调度决策多目标评估体系管网的水力模型。(1)与水压相关的指标为了满足用户的需水量，节点的最小水压值‰应该是给水管网中一个重要的水力要求，即给水管网中各节点均存在一个应满足的自由水头值。该数值通常是指在没有额外加压的条件下，靠给水管网压力供水能直接达到的建筑物的平均高度，一般在12米至20米之间。另外，给水管网中各管段的压力也应保持在最小的安全值之上，很低的供水压力会引起水质恶化问题，也可能导致给水管网的水力不稳定。给水管网中的最大水压^。。限制是由管道及其它给水管网元素的结构耐能力所决定的。与水压大紧密相关还有管网水量漏失问题，通常的漏失控制技巧就是试图降低供水压力数值。另外，在给水管网系统的日常运行中，水压的大波动是不期望发生的，它可能会产生巨大的水击现象，严重时会造成爆管，对整个给水管网而言这种水压波动的幅度越小，给水管网性能越好。所以十分有必要对相邻调度时段的管网节点水压变化值进行监测与评估。(2)与流速相关的指标一般情况下，给水管网中的水流速度与水头损失大约呈二次方的关系，这意味着给水管网中水压的变化与管中流速密切相关，显然管段流速也是一个重要的给水管网运行状态变量。给水管网中各管段的流速存在着最大和最小值限制：水以过大的流速冲刷管道内壁，会对管道结构造成不利，还容易导致给水管网中发生水击；相反地，过小的流速容易造成管道内壁沉积，甚至引起流动堵塞，同时也暗含着给水管网中的水质问题。在一些国家的设计规范中，通常指定设计流速的参考值，也可根据经验公式确定参考流速。5．2．2水质性能评估即从水质的角度评价给水管网的性能．分析给水管网水质通常有两种方法：直接的给水管网采样和通过数学模型计算。直接采样法容易操作，适应性强，但是对于复杂的给水管网体系，采样是十分有限的，很难覆盖全局的特性，因此通过数学模型计算就显得更为重要。管网的水质模型又被分为两种：一种是 第5章供水调度决策多目标评估体系用于模拟管道内由于水的化学、生物化学、物理等作用，水中物质成分的运动和衰变过程；另一种是用来模拟微生物的变化过程。在第二章的基本理论中，已经建立了水质的第一种模型【140l：摹=峋鼍+f(cu)(5．9)式中，t——时间，s；％——沿着连接管线，从节点f至节点／的距离，m；vj——从节点i至节点歹的流动速度，m／s；加卜从节点，至节点／的水流中被运载物质的反应速度函数；cj——离开节点f至节点J的管段内某物质的浓度，它是距离和时间两个变量的函数。但往往由于现实管网中没有足够的水质监测值，不能充分建立管网水质数学模型。因此，本文采用节点水龄来反映水质指标。节点水龄反映从水源流到某节点的时间，它可以用于判别水“新鲜”或“陈旧”的程度。下面推导一下水龄的计算方法，可以用时间变薰z"代替(5．9)式中的浓度变量o∥，得：鲁=馐+t叫∞式中，乃一水流从节点j至节点．，所经历的时间，s。(5．9)式等式最右边一项被替换为倒，相当于时间对时间的增长速度，显然应该等于1。某节点的水龄应等于在该节点不同的水源供水路线所经历的不同时间的加权平均值，计算方法如下：∑秽(巧¨’+f{；1))巧町=幽—百——一(5．11)∑g∥式中，z∥——第n次计算步长，节点，的的水龄，s；∞——节点_，的所有上游节点；矿"——第n-1次计算步长，节点，的上游k节点的水龄，s；细鲫——第n次计算步长，从上游节点k至节点-『的管段流量，m3／s；『南∥——第n次计算步长，从上游节点k至节点．，的管段水流经时间，s。 第5章供水调度决策多目标评估体系5．2．3供水费用评估供水费用是衡量调度是否优化的重要指标。广义的调度费用是指水资源利?用费、水处理费用、供水泵站费用(包括电费和维护费)、人力资本费、管网及设备维护费用等；狭义的调度费用仅指水处理费用和供水泵站运行电费。由于目前国内城市供水调度主要指的是供水管网运行调度，主要是根据用水量变化来确定水泵开关量或调节置，因此本文主要考虑水处理费用和供水泵站运行电费是可以满足工程需求的。5．2．4模糊综合评估据上述分析可知，对决策方案进行评估的指标可以具体分为五类：节点压力，节点压力波动，节点水龄、管段流速以及供水费用。对于每一类指标的评估，又包含了不同的对象，如不同的节点、管段和泵站。由于节点、管段、泵：．站不同，各自评估的标准也是不同的，对于这么复杂的体系，如果采用单级评”估显然行不通的，因此，本文拟采用模糊二级综合评估方法。使用的评语集为：v={优秀，良好，合格，不合格’。具体评估步骤如下：第一步，分别构成五类指标的模糊子集：P={n，P7⋯风，；DP=(ap,，觑⋯纸)；A={q，a2⋯％)；(5．12)S=拽，屯⋯％)；C={c1，C2⋯气)．其中P代表节点压力子集，DP代表节点压力波动子集，4代表节点水龄子集，S代表管段流速子集，c代表泵站供水费用子集，甩表示参与评判的节点个数，埘表示参与评估的管段数，k表示参与评判的泵站个数。第二步，对每个因素集进行一级评估。首先，需要确定每个子集中每个节点或管段各类指标的标准，然后得到各子集的评判矩阵Re、Roe、RA、Rs、gc,接着，确定各子集中各因素的权重：(1)各节点压力、压力波动、水龄评估子集的权重系数根据节点流量与转输流量之和来确定：8"7 第5章供水调度决策多目标评估体系％：粤∑瓯I-I式中，w，，——节点f的权重系数；Q“——节点f上游管段流量之和；，r一参与评判的节点数。嚣其中，QI。=∑卧，．，为i节点的上游管段编号．J(5．13)C2)各管段流速评估子集的权重系数根据各管段的体积来确定：驴畿(5．14)∑Ll筇D{“QJq式中，”，2广—管段f的权重系数；厶——管段f的长度；D，——管段f的直径；脚——参与评判的管段数。(3)各泵站供水费用评估子集的权重系数按各泵站供水量来确定；(5．15)式中，w，广—泵站f的权重系数；ql——泵站i的供水量；k——参与评判的泵站数。由此，可以得到每个子集中各因素的权重，每个子集各因素的权重值之和应该为1。昨={w11，Ⅵ2，⋯Ⅵf，⋯wI。，；耳0=fMl，M2，⋯M，，⋯M。}；％={w11，w12，⋯M，，⋯wl。)；(5．16)％={w2l，％2，⋯w2，，⋯w2。)；％={w3l，M2，⋯w3,，⋯w3。)．}酗=鸭 第5章供水调度决策多目标评估体系式中，降rP——节点压力评估权重子集；陟，Dr一节点压力波动评估权重子集；既——节点水龄评估权重子集；％——管段流速评估权重子集；％——泵站供水费用评估权重子集。利用各子集的评判矩阵和权重向量集，采用的是(·，V)算子，就可以计算各子集的评价向量：Dl=％oRp={匾，，4：，4，，碣．)D2=Wo．o％={如，如，九，屯}岛=呢oRA=托．，如，如，如}(5．17)D4=％o匙={也。，d42，d4，，du}D，=％o＆={氏，西：，如，d“}式中，耶．D，——节点压力子集的评判矩阵和评价向量；Roe，D广节点压力波动子集的评判矩阵和评价向量i如，三b——节点水龄子集的评判矩阵和评价向量；凰，J[h——管段流速子集的评判矩阵和评价向最：Rc．仍——泵站供水费用子集的评判矩阵和评价向量。各子集评判矩阵的求解方法将在下一节通过实例进行介绍。第三步，先将各子集的单级评价向量合成为二级评判矩阵：R=DlII吐。D2Jk洲2岛J【以，吐：4，4．吐：如九吐：面，吐．dndBdH如氏如(5．18)式中R——所有指标的综合评判矩阵。然后，由专家打分来确定对于供水调度效能综合评估，节点压力、节点压力波动、’节点水龄、管段流速、泵站供水费用五类指标分别占有的权重：∥2{wl，w2，w3，w4，％)(5．1∞式中矿——综合权重子集，权重值之和应该为l。最后，便可以得到二级评判向量：D=矽oR={吐，d2，也，反}(5．20)89’ 苎!兰堡查塑鏖盗篓墨旦堡堡笪竺墨式中D——综合评判向量。7．向量D的计算采用的是(·，V)算予，最后对向量D按最大隶属度原则判断，便可以得到最终的评估结果。5．3应用实例一下面通过对FS市2005年5月10日某时段的一个供水调度决策方案进行综合评估，来详细论述供水管网调度决策方案多目标综合评估的过程。评估等级分为I、Ⅱ、m、IV四级，分别对应的评语为：优秀、良好、合格、不合格。5．3．1节点压力分级评价由于管网中不同节点，节点水压有不同的要求，令参与评估的各节点压力最小值为吩。。，最大值为晦。，首先利用图5．1所示的分级曲线将各节点压力转换为统一的标准，各节点压力的最小和最大值如表5．2所示．43逦囊21OJ＼／＼．／‘＼fO．8h-hh,inh,in+0．2(h．。-h．1-)hlx1．5hⅢ节点压力∞图5．1节点压力的分级转换曲线评估等级分为四级，故将各节点压力均转换为O～4之间的数值。转换以后，便可以采用统一的评估标准，如表5．1所示。 第5章供水调度决策多目标评估体系表5．1管网节点压力分级标准余弋．优秀良好合格不合格l压力转换值4～3．53．5～22～1l～Ol令x为节点压力转换值，，■(功表示各节点压力转换值相对于表5．1中各等级的隶属度函到138l：浅(x)--p警’(x)=1，ao≤x4。 第5章供水调度决策多目标评估体系节点水龄数据转换后，就可以采用统一的评估标准，如表5．5所示。表5．5管网节点水龄分级标准会弋优秀良好合格不合格I水龄转换值O～O．20．2～O．50．5～0．80．8～l·令胁，(刁表示各节点压力相对于各等级的隶属度函数，其形式与(5．21)、(5．22)、(5．23)式类似。表5．6中列出了参与评估的各节点水龄最大值、转换值、隶属度及权重。表5．6管网节点水龄最大值、计算值、隶属度及权重节点水龄最水龄计水龄转隶属度权重名称大值01)算值(h)换值优秀良好合格不合格大江5．5I．9440．3530．4881．0000．5120．000=0．033工程处72．8640．4090．3031．0000．6970．0000．032五峰四路63．0330．5060．0000．982I．0000．0180．036人民路83．570．446O．1"／91．000O．82l0．0000．031朗沙路102．5550．256O．8151．000O．1850．0000，03"／第七小学7．56．1460．8190．0000．9031．0000．037市政协8．06．8240．8530．0000．7351．000．0．028市东上路8．06．8370．8550．0000．7271．0000．039佛大6．O4．8050．8010．000O．oooO．Ooo0．036日用一厂6．O4．2430．7070．0000．3091．Ooo0．6910．038榴苑路6．O4．730．7880．0000．0391．0000．9610，044潘村9．05．3740．5970．0000．676I．0000．3240．036澜石9．06．4660．7180．0000．2721．ooO0．7280．034横岗12．O9．8330．819O．000O．9031．Ooo0．036机场7．05．2640．7520．0000．1601．0000．8400．035罗村发电厂5．03．7840．7570．000O．1441．0000．8560．037叠南9．O6．3110．70l0．0000．329I．0000．6710．042佛山一中8．O5．8480．73l0．0000．2301．0000．7700．041加压站6．04．4130．7360．0000．2151．0000．"／850．046 第5章供水调度决策多目标评估体系节点水龄最水龄计水龄转隶属度权名称大值01)算值(h)换值优秀良好合格不合格重总公司8．O7．7360．967O．0000．165L0000．034同济8．O5．291O．661O．000O．4621．0000．5380．035季华园7．O4．527·0．6470．0000．5111．0000．4890．045卫国路8．O4．8460．6060．0000．6481．0000．3530．036恒福花园9．06．760．75lO．0000．1631．0000．8370．038环湖12．O9．8330．819O．0000．0000．9031．0000．038深村lO．O8．6730．867O．0000．0000．6641．0000．039新港10．O8．8630．8860．0000．569L0000．037￡’，|，1．000由表5．6中各节点的隶属度构成nX4阶的模糊评判矩阵RA，表5．6中各节点权重构成lXn阶的权重集呒，进行单因素的模糊评判，结果向量为见。仍=％o也={O．030，0．037，0．046，0．042}(5．27)按最大隶属度原则可以得到最后的评估等级为“合格”。5．3．4管段流速分级评价供水管网中不同管材不同管径的管道，要求的最大、最小流速也是不一致的·在一些设计规范中，通常指定了设计流速的参考值·本文以平均经济流速_作为评估依据圈：当管径为100～400mm时，为0．6—1．Om／s；当管径大于或等于500ram时，为0．9～1．4m／s。为了统一各管段流速的评估标准，采用如下形式进行转换：一=肥：笨鬈删。@2s，各管段流速的数值转换后，就可以采用统一的评估标准，如表5．7所示．I淤优秀良好合格不合格I流速转换值O～O．50．5～0．8o．8～1．51．5～2 第5章供水调度决策多目标评估体系令尥G)表示各节点压力相对于各等级的隶属度函数，其形式与(5．21)、(5．22)、(5．23)式类似。表5．8中列出了参与评估的各管段管径、流速、转换值、隶属度以及权重。表5．8管段流速转换值、隶属度及权重管径流速隶属度管段权重(ram)(m／s)转换优秀良好合格不合格石湾一西出厂管6001．3640．1371．0000．4560．0000．22石湾一东出厂管7002．4701．058O．OooO．63l1．0000．369O．18石湾二出厂管12001．4940．2451．0000．817O．0000．000O．18石湾三出厂管12000．4780．6020．3971．0000．603O．ooO0．2l沙口出厂管22001．31lO．0931．0000．308O．0000．0000．2l￡，l由表5．8中各管段的隶属度构成reX4阶的模糊评判矩阵咫，由表5．8中各管段所占权重构1Xm阶的权重集％，进行单因素的模糊评判，结果向量为B．B=％oRs={0,220，0．210，0．180，0．066)(5．29)按最大隶属度原则得到最后的评判等级为“优秀”．5．3．5供水费用分级评价FS市供水管网共有五个二级泵站，可以用调度时段内单位水量的水处理费用与泵站运行电费之和作为评估指标。令各泵站对应的调度时段内单位水量最大供水费用为q。，单位水量最小供水费用为G。，实测或模拟的费用为q，首先，为了统一供水费用的评判标准，采用如下形式将数值转换到[O，l】：雄=0ck‘Ck№≠粤q。。≤q-=1)Il(FlowTwo_Open．Num爿&&FlowThr∞q瑚№m>=固U(FlowTwo_ope玎Num一---3&＆FlowTl缸eeOpenNum>=3)0fflowTwo_OpenNum==珥&&FlowThreeOpenNum>--4)0fflowTwo_删1．1ln一5&&FlowThree0l埘lN啪>_5)){FtowThree_Level一；)elseif((FlowTwo_OpenNum==l&&FlowThree_OpenNum<1)lI(FlowTwo．_OpenNum—吃&&FlowThr∞OpenNum乜)U(FlowTwo—OpcnNum一3&&FlowThreeOpen．Num<3)¨fflowTwo_OpertNum—=4&&F10wThreeOpcnNunl叫)IIfflowTwo_Opem"qum一5&&FlowThr∞OpenN唧<5) 第6章供水调度决策关键实用技术研究ff(FlowTw口_openNum==_6&&FlowThree_OpenNum《)){FlowTwo_Level～；})，，水处理均衡性水泵关机约束，／酗I．／／--流程与沙口水厂停机相同级别的机台均衡性约束if(FlowTwo_Level==ShaKou_Level){if(FlowTwo_OpenNum<4&&ShaKou_OpeaNum>=3){FlowTwo_Level一；"elseif(ShaKou_OpenNum<22、{ShaKou．_Level-一；}／／---流程与沙口水厂停机相同级别的机台均衡性约束ff(FlowThree_Level—ShaKotLeve!、{if(FlowThree_OpenNm<4&&ShaKou_OpenNum>=3){FlowThree_Leve|一；}elseif(ShaKou_．ope州um<--2){ShaKou_．．Level-·；)}通过专家系统知识库的判断，决策系统会确定出每一个泵站的操作优先级别即安全可靠性级别，系统将会依次按级别高低顺序对所有泵站进行方案的搜索，对于相同级别的每个方案再进行优化计算，最终产生的是安全可靠性级别高、经济性最优的方案。121 第6章供水调度决策关键实用技术研究6．6本章小结本章重点研究了供水调度决策支持系统的若干关建实用技术：(1)小步长时段状态跟踪和基于现状高效决策研究，使水泵运行具有连续性，避免了决策方案中水泵频繁开或停这种不合理的现象：(2)水泵工作特性和多泵高效组合方案研究，能够准确地掌握水泵真实的工作状况，利用泵站高效段组合成为方案知识库，可以快速地搜索优化决策方案；(3)水泵操作合理性约束条件的分析，考虑了设备现场操作安全规程，保证了决策方案的合理性；(4)管网监测点与泵站供水压力变化的灵敏度分析，有助于启发式地搜索优化决簏方案；(5)调度决策专家系统知识库的研究，可以将现场调度的实践经验或总结的运行规律转化为知识形式，参与供水调度的优化过程。 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用本章将按照软件工程要求，开发调度决策支持系统应用软件，将研究成果转化为实用工具，对实际供水运行调度进行决策支持。7．1功能需求分析调度决策支持系统软件作为通用计算机软件，原则上必须具有实用性、友好性、准确性、安全性、稳定性、开放性、可扩展性，前瞻性、经济性等基本特点。更为重要的是，该软件作为专业软件，在软件功能上具有特殊的需求．(1)状态仿真要求软件必须建立供水管网模型，能够对供水系统状态进行动态实时仿真，为了保障供水的可靠性，管网模型至少应具备水力模拟功能。模型的精度是仿真的关键，直接关系调度方案的合理性，因此管网模型，应该定期进行校核。(2)用水量预测要求能够进行用水量的预测，为科学决策提供依据。它应该包括日用水量预测和时段用水量预测两个方面内容。日用水量需根据供水变化趋势、气温、湿度、节假日等信息进行预测，可以采用回归分析法与时间序列法相互组合的算法；时段用水量主要基于历史数据的统计，采用时间序列法进行预测。用水量预测的精度直接影响到调度方案的准确性，应该在多种预测方法中，根据具体城市用水量特点，选取比较适用的方法。(3)实时监控要求对管网运行状态能够进行实时监控。当状态发生变化时，立即对供水系统进行状态仿真和评估，目的是判断系统是否需要决策支持。实时监控执行的频率最高，它起到跟踪管网运行状态的作用。(4)离线调度决策要求能够生成当前设定时亥4之后的连续若干调度时段的调度方案。离线调 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用度决策在操作人员的请求下进行，可以设定某时段F困l"J关闭、水泵检修等工况，也可以设定离线调度决策的时段，这主要供操作人员进行计划事件的预案分析与参考．(5)在线调度决策要求能够进行当前供水状态下的调度决策。根据历史时段的供水状况，首先应该分别进行当前调度时段及未来若干调度时段的用水量预测和管网模拟，然后再根据变化趋势来进行决策判断及产生方案。在线调度决策是在实时监控条件下自动进行的，不必人工请求。(63人工调度决策一般情况下，系统根据状态仿真和用水量预测的结果自动产生在线或离线方案进行决策支持。但是当监测系统数据发生偏差或其它特殊工况时或操作人员发现系统调度决策存在缺陷时，应该允许人工直接设定或修改调度方案，人工调度方案同样要进行仿真与评估，结果反馈给有关人员，然后才能付诸实施。(7)运行状态评估要求能够对供水系统的运行状态进行全面评估。并辅助调度决策过程的方案优选。评估内容要包括供水系统的可靠性(即满足用户水量、水压要求)、安全性(即供水不间断性以及水质、水压对用户不构成危害)和经济性(减少制水与供水成本)三方面。(8)调度报表输出要求实现调度决策支持系统的报表定制、生成、显示、打印等功能，可以采用EXCEL、TEXT等格式输出报表，也可以由用户自定义报表格式进行输出，同时考虑与供水企业内部管理系统有相应接口。(9)WEB服务要求可以通过WEB实现调度决策支持系统的信息远程发布与交互功能。 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用7．2数据需求分析7．2．1静态数据包括节点、管段、泵站、水泵、测压点、测流管段、电费等基本信息．它们主要来自于供水系统地理信息系统(GIs)。(1)节点包括节点名称、节点编号、节点类型、节点高程、节点座标。(2)管段．包括管段名称、管段编号、上游节点编号、下游节点编号、敷设时间、管径、管长、管材、摩阻系数、供水方式。(3)水泵包括水泵名称、水泵型号、水泵类型、额定流量、额定扬程、额定转速、额定效率、额定轴功率、真空度、电机型号、电机功率、电机效率、水泵静态扬程、水泵系数、水泵流量功率系数、水泵最小扬程、水泵最大扬程、水泵最小流量、水泵最大流量、水泵运行状态(待开机、初运、续运、超运、待停机、修整、待运、超停、检修)维持时间。(4)泵站包括泵站名称、水泵数目、泵站类型，运行状态、单位制水费用、吸水井名称、出厂测压点名称、出厂测流管线名称、泵站最小供水流量、泵站最大供水流量、泵站最小供水压力、泵站最大供水压力、泵站最小开泵台数、泵站最大开泵台数。(5)测压点包括测压点名称、测压点编号、测压点类型、测压点级别、装表高度、对应数据库列表值、最小控制压力、最大控制压力。(6)测流管段包括测流管段名称、测流管段编号、测流管段类型、对应数据库列表值、 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用最小控制流量、最大控制流量．(7)电费包括各时段对应的电费单价。7．2．2动态数据动态数据指的是管网运行数据，包括流量、压力、水池水位、水泵状态、阀门状态等信息。它们主要来自于供水运行实时数据采集与监钡IJ(SCADA)系统。(1)流量主要指对应不同调度时段各泵站出水量和管网中各节点或测流管段的流量。(2)压力主要指对应不同调度时段各泵站供水压力和管网中各节点的压力．(3)水池水位主要指对应不同调度时段各清水池水位和管网中贮水池的水位。(4)水泵状态主要指对应不同调度时段水泵运行所处的状态(待开机、初运、续运、超运、待停机、修整、待运、超停、检修)，它是通过将实际运行时间与各状态定义的维持时间比较来加以确定的。(5)阀门状态主要指对应不同调度时段管网中各阀门的开关或开度情况． 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用7．3软件结构设计与开发7．3．1软件结构设计供水调度决策支持系统软件结构设计总体分为数据输入、优化决策和结果输出三部分，如图7．1所示。7．3．2软件开发图7．1供水调度决策支持系统软件结构图在软件结构设计基础上，本论文进行了软件的详细设计和代码编写。软件的开发工具采用Ⅵsu“SmdmC_H6．011巩1蜊，数据库系统为MSSQLServer2000，操作系统为Windows2000／XP。由于篇幅所限，以下仅列出了主要的类名，代码略。 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用(1)数据输入设置模块1)模型数据设置类(CHySimuDataSet)：配置模型数据与GIS和SCADA系统的关联。∞静态数据设置类(CHyOperStaticDataSet)：设置调度的静态参数。3)动态数据设置类(CHyOperDytmmicDataSe0：设置调度的动态参数。4)事故数据设置类(CHyOpcrAccidentDataSet)：设置事故状态参数。5)调度数据库配置类(CHyOperDatabaseSet)：配置调度数据库的参数．6)调度知识库配置类(CHyOperExpertbaseSet)：配置调度知识库的参数。C2)管网模拟模块1)构件基类(ZNetobject)：具备基本的构件属性信息．2)节点链路类(ZNetNodeChain)：继承于构件基类，扩展拓扑属性，具备遍历相连管线的功能。3)管线链路类(Z"NetPipeChain)：继承于构件基类，扩展拓扑属性，具备遍历相连节点的功能。4)节点类(ZNetNode)：继承于节点链路类，具备用水量节点的所有属性。5)折点类(ZG-isNode)：继承于构件基类，用于记录折线的折点信息。6)管线类(ZNetLirad：继承于线链路类，具备管线的所有属性。7)设备类(ZNetDevice)；继承于线链路类，增加设备基本属性．8)水泵类(ZNetPump)：继承于设备类，具备水泵所有属性．9)阀门类(ZNetValve)：继承于设备类，具备阀门所有属性。10)管网管理类(zWalerNet)：用于管理管网所有构件链表。(3)用水量预测模块1)预测方法类(CHyForecastMethod)：包括回归分析法和时间序列法。2)数据管理类(CHyForecastData)-．用于历史用水量数据的管理。3)曲线输出类(CHyForecastCurve)：用于预测结果的曲线表达。舢表格输出类(CHyForeeastTable)：用于预测结果的报表方式输出。 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用(4)调度决策模型计算模块1)决策条件判断类(CHyDecisionCon)：判断供水系统是否调度的依据。2)模型计算类(CHyDccisionCalcu)：根据现有水泵运行状态，搜索所有的可能性方案，进行模型求解计算。3)专家知识类(CHyDecisionExpert)s以if-then规则的形式参与决策过程。4)方案优选类(CHyDecisionSelect)：根据评估结果进行方案排序和优选。(5)决策方案评估模块1)压力评估设置类(CHyPressAsSet)：用于设置节点压力评估指标，即被评估节点各自允许的最小压力和最大压力．2)压力波动评估设置类(CHyPressVaryAsSct)：用于设置节点压力波动评估指标，即被评估节点各自允许的最大压力波动值。．3)水龄评估设置类(CHyWaterAgeAsSet)：用于设置节点水龄评估指标，即被评估节点各自的最大水龄值。4)管段流速评估设置类(CHyVdocityAsSet)：用于设置管线流速评估指标，即被评估管段各自允许的最小流速和最大流速。5)泵站费用评估设置类(CHyPumpCostA_sSct)：用于设置泵站运行费用评估指标，即各泵站的最小费用和最大费用。6)评估方法类(CHyAssessMethod)：模糊综合评估计算方法。7)评估管理类(CHyAssess)：用于管理所有指标参数和评估算法。(6)结果输出模块I)曲线输出类(CHyOutOawe)：将各种结果以曲线形式输出，如一天各调度时段的流量、压力等。2)报表输出类(CHyOutReport)：按格式以列表形式输出结果。3)报警类(CHyOutWarn)：对异常情况进行声音报警。4)WEB信息发布类(CHyOutWeb)z调度方案及其它结果进行运程发布。 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用7．4软件介绍7．4．1管网动态模拟模块调度决策支持系统是建立在管网微观水力模型基础之上。图7．2所示的是Fs市供水系统水力模型，基本数据来源于管网GIs系统，简化去除了直径100mm以下的所有管段后，其中共有管段6706根，节点6220个，供水管线总长476．6km。图7．2FS市供水科学调度管网模型模块7．4．2用水量预测模块城市用水量预测是进行供水系统优化调度的前提，它的准确度直接影响到调度决策的可靠性和有效性。本模块开发了指数平滑法、季节性指数平滑法、自适应过滤法、AR法、移动平均法、Al龇～法、线性回归法以及它们的复合秀法·可以在对城市用水量模式特点进行研究的基础上，从中选取比较适用的预测方法。130 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用图7．3FS市2005年5月4日离线预测结果列袭图7．4FS市2005年5月lO日在线预测结果曲线图7．3所示的是离线预测Fs市2005年5月4日各时段用水量的结果列表，100％的时段预测结果与真实值之间的相对误差在8％以内，85％的时段预测结果与真实值之间的相对误差在5％以内；图7．4所示的是在线预测Fs市2005年5月10日各时段用水量的结果曲线，99％的时段预测结果与真实值之间的相对误差在5％以内，85％的时段预测结果与真实值之间的相对误差在3％以内。13l 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用7．4．3离线调度决策模块离线调度的主要功能是产生预案。首先，对未来某时段或某日的用水量预测，接着对管网、水泵等供水设施进行相应状态的设置，如关闭阀门、检修水泵、发生火灾等等，然后进行管网模拟和调度模型的求解，计算得到设定工况下未来某段或某日的供水运行调度预案，供操作人员参考。图7．5所示的是软件中对离线调度参数进行设置的界面，包括各时段水量的预测、水池水位变化数值以及水泵的预期状态等。离线调度产生的决策方案如图7．6所示，它显示了某日各时段(FS市以15分钟为一个调度时段)的水泵运行调度策略。每个时段的调度方案可以通过压力变化曲线或评估系统进行分析。图7．5离线调度参数设置132 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用二级系站调度预案一离线调度●肼一坤图7,6FS市2005年5月10日离线调度方案7．4．4在线调度决策模块该模块只进行当前状态下一个时段的调度决策，决策结果仅与系统当前状态有关，在线调度决策是定时自动进行的，目前，在线调度决策的方案是经人工确认后再用于调度指令下达的。图7．7～图7．10所示的均是在线调度的主界面，它们具有组态的风格，操作十分简便。从操作交互界面中，可以同步知道SCADA系统监测的压力值、压力分布、各水泵运行状态等；可以根据当时监测得到的用水量值预测出未来若干时段的用水量；可以根据预测的用水量值和管网现行状态计算得到调度方案；操作人员可以对推荐方案实时进行修改，重新模拟得到新的结果。133■■●●●●●●_■■●●●●-●●■■●●-棚-锄一．蛐瑚=--=ll一-帏雠：竺●■■_●■■_『_■．●-§口■#■*■∞5iI篡i；塞．ii|．篓!iil釜．篓兰篓三攀liiiil暑l}：l|嚣}ir耋ll}llw嚣雾篓薹篓兰薹荤兰兰一显篡Ⅵll：Il={=．1l}=T嚣!ill口篡群蒸茎篓篓iiii等il兰寻il兰等篓||i|二量||=薰攀薹至==篇|=ll詈{111=l雪=『=i-ll}li6F-5{il篙1嚣|ili}：篓缫黧薰薰爱篡器兰聂一黧滋一篓罴三霉罴辫爱l|i|=il|||}薰萃lIllllilf^li_Ii；}．毒iiii妻卜Lii黧|llii}．ili{ii}．ilil篓．燕警誊篡篓}．篓篓一燕塞攀妻攀兰篓一riill篡-{r嚣-l|ill军iIli|{．竿黧髀熏醉鏖黧iil{i裂iii誊尉 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用图7．7泵站运行状况实时监控图7．8供水管网运行状况实时监控134 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用图7．9SCADA监测点压力动态变化图7．10供水区域压力分布显示135 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用7．4．5调度决策评估模块该模块主要对供水系统运行状态进行评估，以辅助调度决策过程中的方案优选，评估内容包括供水系统的可靠性、安全性和经济性三方面．现在根据已有的Fs市供水数据资料，从节点水压力、节点水压变化、节点水龄、管段流速、运行费用五个方面进行综合评估。图7．11评估结果列表显示图7．12评估结果柱状图显示 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用评估系统可以对离线调度方案、在线调度方案、人工调度方案分别进行综合评价．图7．7～图7．10中左下角“条状图”显示的均是对某时段在线方案评价的结果。图7．11和图7．12所示的是对离线调度方案或人工调度方案一整天各时段方案各项指标和综合指标的评价结果。7．4．6其它模块(1)结果输出模块输出模块主要是将决策模块计算出的调度方案及其评估结果用表格、图形、指令等各种直观方式表达给操作人员。图7．13所示的是各监控点的压力变化曲线，它可以表示实际的SCADA值，也可以表示模型模拟计算值，这样便于同一节点实测值与模拟值的比较。图7．14所示的是各测流管线的流量变化曲线。图7．15所示的二级泵站的供水信息，包括开泵台数、总流量、供水压力、总功率、供水单耗等。图7．16所示的某个泵站内某台水泵的供水信息，包括出水压力、流量、效率、功率、转速、真空度、供水费用、单耗等。图7．13监控点压力变化曲线137 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用图7．14测流管线流量变化曲线图7．15供水泵站供水信息 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用图7．16单台水泵供水信息图7．17WEB发布界面139 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用(2)远程WEB发布模块本模块还具有通过WEB进行信息远程发布的功能．一企业外部可以通过Intemet浏览器进行访问和查询。通过WEB可以发布监测点的压力变化(实测值或模拟值)、监测管线的流量变化(实测值或模拟值)等。图7．17表示的是2005年9月6日调度预案的WEB发布．7．5软件应用供水调度决策支持系统软件在FS市进行了应用研究．1989年，Fs市水业集团公司开始供水信息化技术的研究和应用，先后完成了营业信息管理系统、供水管网地理信息系统(GIS)、供水管网数据采集与监控(SCADA)系统、客户服务系统、工作流程系统、供水管网水力模型以及门户网站等建设，这为供水调度决策支持系统的研究，开发与应用奠定了良好的基础。选取2005年具有代表性的七天，即6月5日(星期日)、7月1日(星期五)、9月3日(星期六)、9月7日(星期--)、9月12日(星期一)、9月13日(星期二)、9月15日(星期四)。利用系统软件分别对这七天进行在线调度决策的模拟．由于篇幅所限，图7．18、7．20、7．22仅列出了6月5日，9月12日、9月15日系统在线调度方案，为了对比，图7．19、7．21、7．23列出了上述三天人工在线调度方案。经有经验的调度人员分析，认为由决策支持系统产生的调度方案是完全可行的。将系统决策方案与人工调度方案进行供水经济性的比较。表7．1中分别列出了每天的总供水费用比较的数据，决策方案均低于人工调度方案。为了更加直观地进行分析，图7．24显示了这七天每天系统决策方案与人工方案的供水总费用相比较的柱状图，图7．25显示了这七天每天的人工方案供水总费用减去系统决策方案供水总费用的差额图。将系统决策方案与人工调度方案进行水质安全性的比较，表7．2中分别列出了两类方案在多目标评估体系中水质目标评估的结果，表中统计了一天96个调度时段(调度时段为15rain)，评估结果出现优秀、良好、合格、不合格的次数。很显然，决策方案的水质评估结果偏重在良好等级，部分为优秀等级；人工调度方案的水质评估结果偏重在合格等级，没有优秀等级。 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用=二绂袋站峭应敞：鬟一离线硝庖■-F■^_⋯㈣■‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯㈣一m■●⋯⋯一⋯一⋯⋯⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一■●⋯⋯●⋯⋯⋯⋯⋯⋯～一⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯xⅢ■■⋯岫⋯⋯⋯a■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯#—●■■■Ⅲ⋯㈣⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯一一⋯一一⋯一■㈣⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～一一一⋯■⋯‘㈣⋯⋯#■t⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯●f■■=黼㈣㈣⋯⋯一一～⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯●￥■*¨■⋯⋯-⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯岫⋯籼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯h*⋯⋯⋯⋯⋯一■■●■⋯⋯㈣㈣⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯●⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯"⋯⋯懈㈣⋯t￡■⋯㈣⋯■⋯日n⋯⋯⋯删⋯●’⋯⋯㈣⋯⋯一⋯⋯M⋯⋯⋯⋯⋯⋯一●。．．+。L：：：：：：．⋯～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯～⋯⋯一．～”芦军；=譬翟脊竺罩=写竺掣等等竺等筘等；器喾≮竺喾荨驾2茹霉写2图7．18FS市2005年6月5日系统在线决策方案斑裂髓明履照襞一人工嘲眶●种■张⋯rP■⋯Ⅷ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■■●miiBmnmmli⋯⋯⋯mEmu⋯⋯Mni⋯●NININN⋯一⋯⋯⋯⋯⋯ii⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～￥■№⋯_{⋯M～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯#■x⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯t■■⋯一⋯⋯⋯⋯一⋯一⋯⋯i—BNINmENin～⋯一i～⋯⋯■●●⋯“⋯⋯’t1⋯⋯⋯■“Y⋯⋯⋯⋯一⋯‘⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯#l糟：孵，■ENI一㈣⋯⋯⋯～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯●■⋯⋯￡##⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯¨⋯一一一⋯№⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯i⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯¨≈HⅢ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯#■■⋯t％⋯⋯⋯⋯⋯⋯t⋯⋯⋯⋯懒⋯⋯⋯■■J{t目嚏¨⋯㈣‰⋯⋯⋯㈣■⋯⋯⋯·■⋯⋯㈣h⋯⋯⋯一⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯¨㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯～⋯⋯⋯⋯■■■■⋯⋯⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯iN～n⋯n⋯～⋯∞■g⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯⋯■■■，*⋯一⋯一-⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯wl‘十-m豪：=蕊鬈：=：=蕊黧=：====：：：：：：：盏：=黧==：=：=：=：：=：=：：===：=：=：：：：：器竿=竺=竽#等=掣#写=等等等竺筹=；=尝竺芦=：!!；；竺；=竺等等竺#学号竺图7．19FS市2005年6月5日人工在线调度方案141舭坩舯删恤-iil～ 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用二级袈站哺虚预集一离线硼鹰iH一蚰l■c撼’“⋯¨_·_-n_㈨⋯㈨⋯⋯m一㈣⋯·⋯Ⅲ№⋯一—-，o⋯⋯⋯⋯一⋯一一一⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯·F4一⋯⋯一⋯⋯～⋯一⋯⋯一⋯一～⋯⋯⋯⋯一⋯一⋯P⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯·-P射⋯《_t⋯⋯⋯～_日_-ⅫH⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯--口哺P‘_tq一⋯㈣⋯⋯w⋯㈣⋯_·_⋯⋯一⋯⋯⋯·⋯laoar,_al}4删簟—㈣一I_-籼-～-—o一～删～咖■·⋯哪I●●●r‘⋯—⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯即一⋯⋯⋯档⋯一⋯一⋯⋯-$·■‘·帮∞_Ⅺ—⋯⋯⋯●w罐，o⋯-⋯⋯⋯⋯⋯⋯-#·’H⋯⋯㈣⋯～⋯F⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯～⋯⋯_⋯■P“⋯⋯⋯⋯M·⋯⋯m⋯⋯⋯⋯⋯⋯m⋯⋯圈7．20Fs市2005年9月12日系统在线决策方案援采站渊膻1．馥絮一人I：酾J趣■-口一声mf■州。P’⋯M⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯㈣㈣⋯⋯一卜iNiNIIIIⅢ⋯⋯_-_一⋯⋯㈣⋯Ⅲ⋯⋯m⋯⋯Ⅷ㈣⋯⋯，”⋯㈣⋯⋯㈣⋯⋯㈣⋯⋯㈣⋯⋯⋯“一⋯⋯Fo⋯⋯一#·⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯¨⋯⋯～⋯⋯一⋯P*⋯⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯II-⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯∞⋯⋯，o⋯一⋯一Inn⋯～⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯_⋯⋯⋯⋯一⋯群⋯■⋯⋯㈨⋯日㈣㈣⋯⋯㈣⋯㈣⋯_·f■E：啊p⋯㈣㈣一⋯⋯㈣一⋯⋯㈣⋯⋯～⋯⋯_·■⋯㈣⋯⋯⋯一⋯Ⅷ⋯⋯⋯㈣·⋯⋯㈣⋯⋯⋯-“⋯⋯⋯⋯⋯⋯m⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯≈⋯⋯⋯Po⋯㈨㈣⋯～⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯一⋯⋯qⅫ_-_P-⋯⋯⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯P⋯㈣⋯⋯⋯⋯-⋯一⋯～⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯图7．21FS市2005年9月12日人工在线调度方案142黧攀ji篡篇llv童}溢篡|l『jlill{il—j!=lljll_llill暑}v莹；篓篡～菇i；鬟篡l{}，篡誊攀ii盏鬣jiwi-=怒．1T著；芝黧；；Pii翟一=篙iiil-lll}：i-慧．1-lr篙篡嚣i11．薰篓一耄i詈菩裟ilr兰兰举i-篡；l=T5l}illll}．il黧5l蓦．㈣ii嚣ilii|Ⅻ¨=暑I一㈣T誊i=：；；一％=ill!洋拦￡东：巴。荔燕li黧～搿¨付¨MwiI-i～篡篓¨w”¨Miiii～ 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用_始铤站蠲鹰摊：艇一离线埘蹬一啊一·_㈣_IHIIIIHIII删IIINIHNiBBH■mMNIIIIIaIIIIII⋯■■●■■■■⋯⋯⋯⋯⋯⋯III●HIIIIMilm叫tliiiiii⋯■ii⋯i⋯⋯⋯■III⋯⋯■％⋯⋯⋯⋯⋯_■IIIIRIIIMI⋯～IUmII⋯nIi⋯IHIIIH⋯■■●■m⋯㈣⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯∞⋯t—⋯⋯⋯■*㈣t蝴⋯⋯⋯⋯删⋯■㈣⋯⋯⋯删㈣⋯●⋯■￥⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯⋯I⋯ImI_ⅢIIINnIIilIIIIIIIIIIIIIIUI"⋯⋯⋯⋯一⋯一一⋯⋯一⋯m⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯*_⋯⋯⋯⋯⋯⋯㈣⋯⋯㈣㈣㈣⋯⋯⋯⋯⋯●p⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯IIII●IIIIl⋯■，■雠㈣Ett⋯⋯■o⋯⋯⋯Imi⋯⋯⋯⋯IIimiill⋯啊iiIIr—1——，——r—1——r—1——r——广—r—1r—书——口—、r—i——F—1r—m——F—1r—面——亨—1r—葛一图7．22Fs市2005年9月15日系统在线决策方案rf。l、～缀采训一嘶I圣地茗一～I：栅废■耵霸*Mlo蟹，⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-_IHIII■HI■--iiimiNmIUI⋯⋯_NIIIHIHIIIIII_inuiIiIi一⋯⋯iI■ii⋯-■■■p⋯⋯⋯一⋯一一⋯⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯一日4■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯mⅢ■■⋯⋯⋯⋯⋯iiiI⋯■朋IIIHIIIHimNIIII●⋯⋯一IIIIIIIlIR■■■■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■■⋯ⅧⅢ⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯一⋯一一⋯⋯⋯⋯⋯P⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯#■}w●●q：l嚏p⋯⋯㈣一⋯⋯⋯⋯№⋯⋯⋯⋯～⋯p⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一_●}⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯一●■●，■⋯⋯⋯⋯⋯⋯BtIIII⋯■⋯i■i⋯⋯INI⋯⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯⋯"以～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯■p⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一J釉=●t_⋯⋯㈣㈣⋯㈣Ⅷ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯㈣㈣⋯■H■#)I)IIlllill)IIlllI)llllgllll棚lflllllgI)llIlfllNllJlllIflJlllflIHlNIIlgIlllflllQ¨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一“^p⋯Ⅷ⋯⋯⋯⋯●⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一_w⋯⋯⋯⋯⋯⋯一～一⋯一一㈣⋯⋯一⋯⋯⋯_IIII一，o一■■删■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1日—Ⅲ■⋯一一⋯⋯⋯●■⋯一⋯⋯⋯⋯-⋯⋯p⋯Ⅷ⋯㈣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅷ㈣⋯Ⅷk：：：：：：．⋯一⋯⋯⋯⋯一⋯。。。-—。-。⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一■iiiiiI⋯⋯～一)U叫IHIlJitelJaaIeHNIIIW)ININIHIIJINNgIIININIJJINININIglNI图7．23FS市2005年9月L5日人工在线调度方案143删甜：；"*liii～ 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用表7．1系统决策与人工调度供水方案经济性比较系统决策人工调度供水差额费用差额日期供水(m3)费用(元)供水(m3)费用(元)(m3)(元)6月5日616866．85140781．57616866．89146987．02O．05-6205．457月1日647973．90145339．55647973．95150970．12O．05-5630．579月3日685092．83156340．10685092．87161227．68O．03-4887．599月7日671246．98152063．99671247．01i56825．500．03-4761．519月12日692755．73159816．56692755．70163118．7lO．03-3302．169月13日698279．25160188．12698279．25163935．48O．01．3747．369月15日710325．63161359．69710325．64166029．82O．01-4670．13平均J1743．54图7．24系统决策与人工调度在线方案经济性比较144 第7章供水调度决策支持系统软件开发与应用IRV鞭制畦矗6月5日7月l目9月3日9月7目9月i2日9月13日9月15日图7．25系统决策方案与人工方案供水总费用差额袁7．2系统决策与人工调度供水方案水质评估结果比较系统决策水质目标评估(时段数，日)人工调度水质目标评估(时段数，日)日期优秀良好合格不合格优秀良好合格不合格6月5日57813．0O2373O7月1日868200O3264O9月3日10711503065l9月7日156516O2868O9月12日68010O2076O9月13日9563104550l9月15日1562．1905838O可以得出结论：2005年6月5日、7月1日、9月3日、9月9日、9月12日、9月13日、9月15日这七天系统决策调度方案在供水经济性和水质安全性方面均优于人工调度方案，系统决策的调度方案具有合理性和实用性。咖湖咖啪o765432i 第7章供水调度决镱支持系统软件开发与应用7．6本章小结本章主要进行了供水科学调度决策支持系统的软件开发与应用．首先对系统软件的功能需求和数据需求进行了分析，软件应该具有状态仿真、用水量预测、实时监控、离线调度决策、在线调度决策、人工调度决策、运行状态评估、调度报表输出、WEB服务等专业功能；软件运行必须具备节点、管段、供水设施等静态数据和动态数据：将系统软件的结构设计为数据输入、优化决策和结果输出三部分，对各部分模块进行了详细设计和代码编写。以FS市供水管网为例对系统软件中的水力模型、用水量预测、离线调度、在线调度、状态评估、结果输出等模块进行了详细的介绍；最后将开发出的软件应用到FS市日常供水调度运行生产中，特别选取了有代表性的七天来进行计算分析，将结果与人工调度方案比较，系统决策的调度方案在供水可靠性、安全性和经济性各方面均取得了理想效果。 第8章结论与展望8．1结论城市供水调度决策支持系统的研究与开发应该在供水管网地理信息系统(GIS)、供水系统实时数据采集与监控(SCADA)系统基础上进行。本次研究完成了如下一些工作：(1)确定供水调度决策支持系统在科学调度大系统中的核心地位。对调度决策支持系统的基本数学模型——管网宏观水力模型、微观水力模型、水质模型以及供水调度多目标优化决策模型进行了详细地理论研究。提出决策支持系统的研发方案，设计了系统的基本结构和工作流程。(2)分析了管网微观水力建模与校核的理论方法，并结合FS市供水系统进行了应用性研究。0)在对用水量预测方法进行综述基础上，完成了适合FS市用水特点的水量预测方法研究，在分析用水量影响因素的基础上，将回归预测方法和时间序列预测方法相结合，建立了日用水量预测与时段模式预测相组合的模型。另外，利用数据过滤方法对原始监测数据进行预处理，显著地提高了用水量预测精度。(4)对供水调度优化决策数学模型的求解算法进行了研究。对遗传(GA)算法、模拟退火(sA)算法以及遗传模拟退火(GASA)算法的基本流程和操作进行了总结，分析了各种算法的优缺点。经验算比较，证明GASA算法较GA算法和SA算法具有更高的寻优效率。利用GASA算法求解FS市供水调度优化决策模，取得了较为理想的结果。(5)鉴于国内大多城市供水系统尚未建成水质模型的现状，本文研究并建立了多目标综合评估体系，能够对决策方案模拟的运行结果进行水压、水质和费用多方面的评估，利用综合评估结果对单目标优化决策方案进行优选，保障了供水的可靠性、安全性和经济性。(6)进行了供水调度若干关键实用技术的研究，包括基于现有工况跟踪的短时段高效决策技术、水泵工作特性分析和水泵高效组合方案库的研究、水泵操作规程合理性约束分析、管网监测点压力与泵站供水压力相关性分析、以及建 第8章结论与展望立调度专家系统知识库。这些实用技术的运用保证了调度决策方案的可行性与合理性．(7)将所有理论和实践研究成果进行系统集成，从软件工程角度，利用VisuslC"H"6．0开发出了供水调度决策支持系统软件，该软件在FS市供水管网系统中进行应用，结果是比较理想的。8．2展望本论文对供水管网调度决策支持系统的研究，属于初级阶段的工作，下一个阶段要进行如下的研究工作。(1)继续进行供水调度相关软件系统的研究与开发，完善软件的功能，继而开发出通用性系统平台，进一步考虑利用管网中的设施进行供水区域调度，例如主控阀门远程调节、贮水池水量调度等。(2)继续完善硬件设施的建设：改进调度决策支持系统的配套硬件设施；增加管网中水量和水质方面的监测设施；通过先进技术手段提高监测数据的稳定性和准确性。(3)对供水状态仿真系统进行重大改进和扩展。建立供水管网水质模型、水资源模型和水处理模型，由供水管网水力模拟扩展到取水，净水和供水的全系统状态仿真。(4)采用分布式计算技术，实现供水系统状态仿真等大型复杂的运算。(5)在调度决策过程中全面采用专家决策支持系统，研究供水事故的自动侦测技术，实现管网水量漏失和爆管预测功能，研究建立供水安全预警系统，建立和完善供水突发事故应急体系。 致谢感谢尊敬的导师刘遂庆教授，老师渊博的学识、严谨的治学态度、谦逊的为人原则、强烈的振兴民族事业的精神，给我指引了学习目标和前进方向。回首往昔，深深感悟老师的谆谆教诲，这是我攻读博士生涯获得的最宝贵财富。论文初稿完成之即，正逢刘老师六十岁生日，在此衷心地祝愿老师身体健康!感谢师兄李树平副教授对论文提出了宝贵的修改意见，给予了大力帮助，感谢师姐陶涛副教授和师兄信昆仑博士对本人学习和生活上的关心和帮助。感谢佛山市水业集团总公司曹国栋副总经理、信息中心王煜明主任、何志勋主任和调度中心郭五珍主任、林建敏、何芳、吴迪、杨伟明、何小青以及所有调度员对本论文科学调度决策支持系统的研究和调试给予了全力合作．感谢同济宏扬软件有限公司高级程序员刘勇对论文中科学调度决策支持系统软件开发的大力帮助。感谢马力辉、喻良、陈宇辉等同学对本论文工作的关心帮助。感谢课题组的所有同门师兄、师姐、师弟、师妹们，给我带来了轻松愉悦的工作环境，大家的鼓励帮助我克JIlT生活和工作中的许多困难，与大家共处的美好岁月将让我一生怀念。149王强2006年4月29日．于同济园 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