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东北大学博士学位论文摘要 大型城市供水系统经济调度方法的研究 摘要 供水系统是维持城市发展和人民生活稳定的基本保障系统。随着社会的不断发展， 城市人口的不断增加，人民生活水平的不断提高，使得城市供水系统的规模不断扩大， 复杂性也大大提高。面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水水量、水压及水质要求 的前提下，合理优化的利用各种水资源，最大限度地提高供水系统的经济效益和社会效 益，是纂蠢所有供水部门共同的重要课题。 在城市供水系统中，水源泵站的调度是保证整个系统正常运行的重要环节。近些年 来，随着信息技术的发展，特别是用于管网监测的s c a d a 系统以及以s c a d a 系统为 核心的供水管网地理信息系统( g i s 系统) 的发展，使得掌握整个管网的实时运行状态 成为了可能。本文在研究当前技术条件下传统优化调度方法的基础上，进一步研究了基 于c b r ( 基于案例的推理) 的城市供水优化调度方法。具体的研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 城市用水量预测研究。分析城市历史用水量信息，针对用水量的变化规律，提 出了基于周时变系数的日用水量预测模型和神经元网络预测水量的方法。通过 大量源于实际的数据仿真计算表明，两种预测方法都能基本满足供水调度对水 量预测精度的要求。 ( 2 ) 供水管网模型的研究。分析微观模型法和宏观模型法的特点，提出了适用于大 型多水源复杂供水系统的宏观管网模型。分析模型的数学求解过程，提出了多 元回归和逐步回归两种模型求解方法。通过仿真计算能够表明，所建管网模型 能够比较准确、科学地模拟供水管网的实际情况，对指导供水调度决策有一定 作用。 ( 3 ) 供水优化调度决策方法研究。分析离心泵工况点的确定方法，首先提出了用于 供水调度决策的直接优化模型及其基于遗传算法的求解算法设计。然后进一步 研究了更为适用于大型供水系统的两级优化调度方法，分别提出了级调度的 多目标模型和二级调度模型以及相关的算法设计和仿真计算。 ( 4 ) 供水调度中c b r 应用的研究。首先提出基于c b r 的供水调度系统的思想和框 架，将以往城市供水实践中成功应用的调度整理为调度案例库中的案例存储下 来；在面对新的调度问题时，根据新问题的特征在调度案例库中搜索最匹配的 i i 查! ! 查兰堕主兰堡笙查塑i 墨 案例；并对匹配案例的解决方法进行调整作为新问题的解决方法。然后提出了 供水调度系统中c b r 各关键技术的实现方法，包括案例表示、案例匹配、案例 重用与修改和案例维护方法。实践表明在c b r 调度方法的支持下，整个供水系 统经济运行效果取得了较为明显的改善。 ( 5 ) 基于c b r 的供水调度软件设计研究。分析整个调度系统的组成和结构，提出该 系统的具体设计，包括流程分析、功能模块设计、数据库设计等a 目前该软件 已经在实际调度中应用，并取得了不错的效果。 关键词：城市供水，供水调度，水量预测，神经元网络，管网模型，多元回归，逐步回 归，两级优化，遗传算法，基于案例的推理 i i 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o ne c o n o m i cs c h e d u l i n gm e t h o d sf o rw a t e r s u p p l ys y s t e m i nl a r g ec i t y a b s t r a c t w a t e rs u p p l ys y s t e mi so n eo ft h ef r a m e s t r u c t u r et og u a r a n t e ec i t yd e v e l o p m e n ta n d p e o p l es t a b l el i v i n g w i t ht h es o c i e t yd e v e l o p m e n t ，t h ec i t yp o p u l a t i o ng r o w t ha n dt h el i v i n g s t a n d a r d sr i s i n g ，t h ew a t e rs u p p l ys y s t e me x t e n d sc o n t i n u a l l y t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m b e c o m e sm o r ec o m p l e x i ti sac r i t i c a lp r o b l e mt ot h ed e p a r t m e n to fw a t e rs u p p l yh o wt o g r e a t l ye n h i g h e nt h ee c o n o m i cp r o f i ta n ds o c i a lb e n e f i to fw a t e rs u p p l ys y s t e m ，a n dt om e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f w a t e ra m o u n t ，p r e s s u r ea n dq u a l i t yi nt h e c o m p l e xo p e r a t i o n e n v i r o n m e n t i nt h ec i t yw a t e rs u p p l ys y s t e m ，t h es c h e d u l i n go f p u m ps t a t i o n si sak e yt og u a r a n t e et h e n o r m a lo p e r a t i o no ft h es y s t e m i nt h er e c e n ty e a r s w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h ep i p en e t w o r km o n i t e rs y s t e ms c a d a a n dt h e g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mg i s ，i ti b e c o m e sp o s s i b l et om a s t e rt h er e a lt i m es i t u a t i o no f o n l i n eo p e r a t i o no fw h o l ew a t e rs u p p l ys y s t e m i nt h i sp a p e r , w es t u d yt h et r a d i t i o n a lo p t i m a l s c h e d u l i n gm e t h o db a s e do nc u r r e n tt e c h n o l o g y f u r t h e r m o r e ，w es t u d yt h eo p f i m i m a l s c h e d u l i n gs y s t e mv i at h em e t h o do fc a s eb a s e dr e a s o n i n g ( c b r l t h er e s e a r c h e dc o n t e n t si n c l o d i n g ： ( 1 ) s t u d yo nt h ef o r e c a s t i n go fw a t e rr e q u i r e m e n ta m o u n t w ea n a l y z et h er e c o r d e d h i s t o r yi n f o r m a t i o no f w a t e rr e q u i r e m e n t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n tc h a n g er u l e s ， w ep r o p o s et h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kb a s e df o r e c a s t i n gm e t h o da n dt h es e a s o n d a l l ya m o u n tf o r e c a s t i n gm e t h o dw i t hc y c l ev a r i a b l ep a r a m e t e r s t h es i m u l a t e d c o m p u t a t i o no nt h er e a ld a t af r o mp r a c t i c eh a sp r o v e nt h a tt h et w of o r e c a s t i n g m e t h o e d sb o t hc a na c h i e v et h er e q u i r e dp r e c i s i o nf o rw a t e rs u p p l ys c h e d u l i n g ( 2 ) s t u d y o nt h em o d e lo fp i p en e t w o r k b ya n a l y z i n gt h ef e a t h e r so f m i c r om o d e la n d m a c r om o d e l ，w ep r o p o s et h em a c r o m o d e lo fp i p en e t w o r kf o rl a r g es c a l eo f c o m p l e xw a t e rs u p p l ys y s t e m s b ya n a l y z i n gt h es o l u t i o np r o c e s s ，w ep r o p o s et w o s o l u t i o nm e t h e d so fm u l t i p l er e g r e s s i o na n ds t e p w i s er e g r e s s i o n t h es i m u l a t e d c o m p u t a t i o nh a sp r o v e nt h a tt h er e c o m m e d e dm o d e lc a np r e c i s s e l yd e s c r i b et h er e a l s i t u a t i o no f t h ep i p en e t w o r k i tc a nb eu s e dt ot h eg u i d et h ec i t yw a t e rs c h e d u l i n g 一 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t ( 3 ) s t u d yo nt h eo p t i m a ld e c i s i o no fw a t e rs c h e d u l i n g b ya n a l y z i n gt h ed e t e r m i n i n g m e t h o do ft h ep u m pw o r k i n gp o i n t , w ep r o p o s et h ed i r e c to p t i m i z a t i o nm e t h o df o r t h ew a t e rs c h e d u l i n gd e c i s i o na n dt h eg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e ds o l u t i o np r o c e d u r e t h e n ，t of u r t h e rs t u d yt h et w ol e v e lo p t i m i z a t i o nm e t h o ds u i t a b l et ol a r g es c a l eo f w a t e rs u p p l ys y s t e m s ，w ep r o p o s eam u l t i - o b j e c t i v em o d e lf o rs i n g l el e v e l s c h e d u l i n ga n dat w ol e v e ls c h e d u l i n gm o d e l ，r e s p e 吐i v e l y t h er e l a t i v e s o l u t i o n a l g o r i t h m sa n dc o m p u t a t i o n sa r ed o n ea l s o ( 4 ) s t u d yo nt h ec b ra p p l i c a t i o nt ow a t e rs c h e d u l i n g w ep r o p o s et h e i d e aa n d f r a m e w o r ko fc b rb a s e dw a t e rs u p p l ys y s t e m i tr e c o r d st h es u c c e s s f u lc a s eo f p r a c t i c a lc i t yw a t e rs c h e d u l i n gi n t ot h et h ec a s eb a s eo ft h ec b rs y s t e ma s t h e r e t r i v a b l ec a s e s o n c ean e ws c h e d u l i n gp r o b l e mh a p p e n s ，t h ec b rs y s t e mw i l l s e a r c ht h em o s tm a t c h a b l ec a s ei n i t sc a s eb a s e ，a n dr e s i v ei tf o rt h en e wp r o b l e ma s as o l u t i o n t h ev a r i o u sk e yt e c h n i q u e sa r o u n dt h ec b rb a s e dw a t e rs c h e d u l i n g s y s t e mh a v eb e e np r o p o s e d t h e yi n c l u d e ：t h e c a s er e p r e s e n t a t i o nm e t h o d ，c a s e m a t c h i n g ，c a s er e t r i e v e ，a n d c a s er e v i s i o na n dm a i n t a i nm e t h o d s t h eo p e r a t i o n p r a c t i c eh a sp r o v e nt h a tt h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo f t h ew a t e rs u p p l ys y s t e mh a s b ei m p r o v e de v i d e n t l yu n d e rt h es u p p o r to fc b rb a s e ds c h e d u l i n gs y s t e ( 5 ) s t u d yo nt h ed e s i g n o fc b rb a s e ds c h e d u l i n gs o f t w a r e b ya n a l y z i n gt h e s t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t so ft h ew h o l es c h e d u l i n gs y s t e m ，w ep r o p o s et h ed e t a i l d e s i g no f t h ec b s b a s e ds c h e d u l i n gs y s t e m i ti n c l u d e st h ew o r k i n gp r o c e s sa n a l y s i s ， f u n c t i o n a lm o d u l a rd e s i g n ，d a m b a s ed e s i g n ，a n ds oo n n o w , t h es o t h v a r es y s y e m h a sb e e na p p l i e di n t op r a c t i c a lw a t e rs c h e d u l i n g t h es a t i s f a c t o r yr e s u l t sh a v e b e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：c i t yw a t e rs u p p l y , w a t e rs u p p l ys c h e d u l i n g ，w a t e rr e q u i r e m e n tf o r e c a s t i n g ， n e u r a ln e t w o r k ，p i p en e t w o r km o l l ，m u l t i p l er e g r e s s i o n ，s t e p w i s er e g r e s s i o n ，t w ol e v e l o p t i m i z a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ，c a s eb a s e dr e a s o n i n g 一v 东北大学博士学位论文第一毒导言 第一章导言 1 1 问题的提出 随着工业生产能力的提高，城市人口的不断增加，以及人民生活水平的不断改善， 对城市供水系统的要求也越来越高 1 。而供水系统的规模在不断扩大，使得其复杂 性随之提高。我国数以百计的城市给水系统消耗的电能是很大的，传统的经验调度方 式能耗浪费甚大 2 j ，已不能适应现代社会发展的需要。如果采用优化调度，不仅能 节省大量能源，而且使供水管网能在合理的状态下运行，既保证供水的要求，也使管 网的压力更为合理。根据资料估计，送水泵站能节电6 1 2 3 ，如以节电5 计， 日供水量l o o 万m 3 的自来水系统，每年可节电3 0 0 万 - - 4 0 0 万k w h ，这个数字是相当 可观的。2 0 0 4 年全国城市供水总量达到4 9 0 3 亿m 3 ，如能实现优化调度，年节电将达 数亿k w h 以上，可见其经济效益是十分巨大的。面对日益复杂的供水系统，如何在满 足供水水量、水压及水质要求的前提下，最大限度地提高供水系统的经济效益和社会 效益，是摆在所有供水部门共同的重要课题。随着科学技术的不断进步，数学规划、 现代控制理论及计算机技术的发展，有力地促进了大型系统的控制和管理水平的提高， 使供水系统借助计算机工具进行科学的调度管理成为可能。 自上世纪6 0 年代一些发达国家就开始了以计算机作为供水系统辅助调度管理的 探索，他们一般是采用遥测设备将管网控制点的压力、出厂水压力、流量、贮水池水 位、机泵功率及温度等实际运行参数自动实时地传送到中心调度室，并对超常现象做 出自动报警，依此作为控制人员实际操作的依据。另外国外学者在调度管理的建模理 论上也进行了许多探讨，目前在美国、英国、日本、法国等地的有些城市已基本上实 现了供水系统的计算机优化调度管理，并编制了一些较通用的调度管理软件，如英国 的g i n a s 4 3 及美国的o p w a d 5 等。进入7 0 年代以后国内的许多专家、学者也开始尝 试将计算机技术应用于供水系统的模拟、优化设计及水厂水质控制等领域。在供水系 统优化调度管理方面也进行了很多有益的探索和尝试，制作了一些应用软件，如w n w 6 等。并在大庆、郑州、济南、深圳、广州、长沙等地进行了实际应用，但由于国内设 备条件及技术手段的限制，在供水的可靠性及经济性方面都较成功的实例尚不多见。 沈阳城市供水系统始建于1 9 1 5 年，经过9 0 年的发展，现已成为具有供水能力1 5 5 万立方米日，平均供水量1 3 0 万立方米日，城市供水面积1 8 6 平方公里，服务人口 一1 一 东北大学博士学位论文第一章导言 3 6 5 i 万，居民用水普及率1 0 0 的集设计、施工、运行管理为一体的大型供水体系。 现共有净水厂9 座，取水水源3 4 处，水源井4 1 3 眼。9 座净水厂中8 座为地下水 厂，一座取自大伙房水库。= 级泵站共有在装配水机组117 台套，在装设备总容量4 8 万余千瓦。市街管网总长度2 6 5 0 公里，小区内网总长度1 4 0 0 公里。整个供水系统采 用低压运行方式，典型压力自天为o 1 0 0 1 2m n 夜间为0 1 2 一o 1 4m p 。9 0 的居 民用水是依靠小区二次加压泵站供给，总计有二次加压泵站1 0 0 0 余处。管网的运行是 依据水压的连续监测，整个管网有4 2 个压力自动监测远传点，并且在生产调度中心显 示读数。另外还有3 5 0 个测压点，由人工每季测量一次水压，中心调度室根据这些信 息来确定每个水厂的制水量以满足管网压力要求。公司生产制水单耗为0 3 2 9 左右， 每年动力费约1 2 亿元。 沈阳市供水系统调度方法的发展可分为以下三个阶段： 1 ) 、7 0 年代以前，供水调度的方法非常简单，一般是依据水源制水能力，根据每 天人们的生活习惯早开晚停，既完全的经验调度。由于当时技术装备落后，全市有2 0 0 多个表盘式自动记录测压点，每天由各区到现场人工抄记。到了7 0 年代中期有线远传 测压代替了原有的手抄查压点，并开始绘制全市管网等压线图，调度工作有了简单的 依据。同时根据全市的管网水压由人工操作市街水门来基本满足生活和生产用水，这 种简单的供水调度方法一直延续到8 0 年代的中期，可称为初级阶段。 2 ) 、8 0 年代中期至9 0 年代，经济迅速发展，城市需水量的不断扩大。随着供需 矛盾的增加，要求供水调度的方法有新的改变；当时的基本矛盾是水量不足，为了平 衡供需矛盾，制定了高峰多送、低峰多储、提高水压、保证服务的三峰调度方法， 即 高峰时充分发挥现有设备的最大生产能力，尽量满足用水市场的需要，而低峰当生产 能力大于用水市场的需求时，应用蓄水池的调节能力存储水量，此时建设的小区二次 加压蓄水池调节能力可达5 0 ( 以满足日供夜储) 。同时调度方法也有了改进，开发 了以单板机加键盘、显示设备组成的调度监控端和远程终端站，无线远传水压监测点 配合市街水压等压线图开始普遍使用，并借以调整市街的水门平衡水压。 3 ) 、9 0 年代以后，随着远程检测技术、计算机技术的发展，城市供水的调度方法 有了较快的发展，对原有无线远传设备进行了技术改造，以个入计算机为主调度站， 初步实现了供水调度的s c a d a 系统，对各水厂、水源的水量、水位、机组的运行动态 进行监测，提高了供水系统调度的水平，为优化运行提供了科学的依据，供水系统的 调度方法在实践中也不断完善和充实，调度人员可通过电脑对重点永源的水位、配电、 一2 一 东北大学博士学位论文第一章导言 机泵、管道的工况实行全面的监控，根据全市4 2 处无线远测压点的压力监控，统一调 整，综合平衡，满足城市用水的需要，并采取科学优化、经济合理的调度方法形成运 彳亍方案。 目前整个供水系统的运行电费约占总制水成本的4 0 以上，如果能够实现优化调 度，那么不但可以提高服务质量，其节能将耗的潜力也相当可观，将会给企业带来更 大的经济效益和社会效益。从上世纪8 0 年代中叶沈阳市自来水公司就开始尝试利用科 学的方法实现供水系统的优化调度管理，但是由于受管网基础资料和计算技术的限制， 研究仅限于理论研究阶段，在实际供水中的应用效果并不明显。到了9 0 年代开始研究 黑箱模型及多目标混合实用优化调度方法，通过对各供水泵站的逐一分析，剔除那些 供水量很少及供水量变化不大、可调余地很小及相对独立的供水泵站，主要针对在调 度及工况建模中具有实际意义的十个泵站进行研究，在对应于每一个配水管网所要求 的泵站出口压力，通过水泵并联、调整调速泵的转速，使泵站供水扬程满足管网需要， 也就是说在满足供水量的前提下，保证供需水压平衡。在建立的直接优化调度模型中， 只把混合泵站的出口压力及出水量作为决策变量来考虑，寻优结果只是得到混合泵站 的最优出水量及最优出水压力，并没有实际泵站内的实际运行策略。近些年来，沈阳 市自来水公司进一步加大对全市的管道网络和供水系统的改造，引进了管网压力流量 监测的s c a d a 系统，并以s c a d a 系统为核心建立了供水管网的地理信息系统( g i s 系统) ，从而可以掌握整个管网的实时运行状态，能够分析管网各个构成部分的运行功 能，发现管网现状存在的问题，预测管网维护和改造对总体系统的影响，在管网的改 扩建规划中可以合理确定管径和水泵扬程。 在科学技术高速发展的今天，如何和用现有的现代化设施实现供水系统的优化调 度成为了当前自来水行业所共同面对的闯题。本文试图在传统的基于管网计算的优化 调度方法基础之上，寻找一种新的更能够适用于当前城市供水现状的更为实用的优化 调度方法。 基于案例的推理c b r 7 i s ( c a s e - b a s e dr e a s o n i n g ) 是一种新的处理非结构化 问题的人工智能方法，并已广泛地应用到工业和经济的许多领域。c b r 可以通过表示 ( r e p r e s e n t a t i o n ) 、找回( r e t r i e v e ) 、重用( r e u s e ) 、修改( r e v i s e ) 及其保存( r e t a i n ) 在案例 库中的案例解决没有数学模型的复杂问题。c b r 的5 r 循环使其获得了很好的自适应 能力。 在城市供水系统的调度实践中，各个供水公司都积累了大量的案例，这些案例中， 一3 一 东北大学博士学位论文第一章导言 大量的是成功的经验，也有一些是失败的教训，对于一些大型供水系统，在难以对其 供水系统进行精确数学描述的情况下，将这些案例应用科学的方法加以整理，用过去 成功的调度建立案例库，搜索最相似的案例供当前调度使用；当差别较大时基于管网 模型或专家系统搜索最优调度方案；如果获得的调度方案效果好，就将其作为新案例 存入案例库。随着系统的运行，好案例不断增加，差的案例不断摒弃，系统的性能势 必越来越好。这就是本文将利用c b r 技术实现供水优化调度的主要思路。 l 。2 本文的研究思路 本文的研究思路主要包括以下几个方面： ( 1 ) 首先要了解沈阳市给排水系统的概况和当前国内外城市供水优化调度管理的 研究情况，了解c b r 技术的发展研究现状和未来的研究方向，对相关文献进行查阅和 总结。 ( 2 ) 在基于案例推理的供水调度系统中，主要的研究工作包括城市供水调度相关 理论研究和c b r 实现方法研究两大部分。前者的研究是理论基础，可以分为用水量预 测、管网模型和调度决策三个部分( 见下图所示) ；后者的实现建立在前者的研究之上， 用水鳓n 船震雾 建立供水系统工况模型f 蠢翌鬟篓 调度决策仨萋雾 可以分为案例表示、匹配、重用、修改和保留等几个方面。 ( 3 ) 在实际供水调度过程中，除了进行在正常状态下的供水调度研究之外，当遇 到突发性事件比如停电，设备损坏，或者爆管等情况时如何维持系统的正常运行也应 该是本文考虑的一个问题。 ( 4 ) 最后还需要设计和开发基于c b r 的供水优化调度系统软件( c b r w s s ) 。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 查阅了国内外大量的期刊、书籍、会议文集、研究报告等文献，一方面了解 4 东北大学博士学位论文第一章导言 城市供水调度管理的研究现状以及需要急需研究的问题，另方面了解c b r 的研究现 状和未来的研究方向，掌握c b r 的特点以及如何建立实用有效的c b r 系统。并结合 沈阳城市供水系统的供水实际制定系统的总体规划。 ( 2 ) 介绍城市用水量的影响因素和常用的水量预测方法，通过分析沈阳市实际用 水量情况，总结用水量的变化规律，建立了两种水量预测模型一多元回归模型和神经 元网络模型，并比较了两种模型的特点。 ( 3 ) 介绍几种城市供水管网简化方法，然后通过比较分析管网建模的微观模型即 管网平差和宏观模型的特点，建立沈阳城市供水管网模型，最后给出了管网模型参数 的求解方法一多元回归和多元逐步回归方法，并讨论了求解方法的现实意义。 ( 4 ) 比较直接优化调度和二级优化调度的优缺点，重点讨论了二级优化调度中一 级调度模型的建立及其基于供水案例的g a 求解方法，通过沈阳市供水实践，证明算 法有效性，此外还给出了二级优化模型及其基于遗传算法的理论求解方法。 ( 5 ) 在供水调度中c b r 技术是建立在传统方法的基础上的，通过完整的案例库， 以期达到人的经验和计算机技术的有效结合。论文中详细讨论了c b r 系统的实现，设 计了4 r 循环的整体框架结构，建立了相关的模型，并给出了相关的算法，通过在生 产实际中的应用，表明该系统能够有效地应用到供水优化调度中。 ( 6 ) c b r 技术在工业和经济领域取得了许多成功的应用，尤其是在一些紧急救 援系统中c b r 表现出了良好的性能，所以在城市供水调度的c b r 系统中也应该考虑 当遇到突发性事件的时候，如何实现有效可行的调度方案。因此，本文中建立了较为 完整的事故案例库，进一步完善整个c b r 系统，使其具有更强的实用性。 ( 7 ) 设计并开发了基于c b r 的优化调度软件，包括系统流程分析，数据库设计和功能 模块设计以及详细设计，目前该软件已经通过了验收。 5 东北大学博士学位论文第二章相关问题研究综述 2 。1 引言 第二章相关问题研究综述 供水系统调度的基本任务是充分发挥利用有限水的资源，用优化调度的方法经济 合理、安全可靠地保证生活及工业生产的用水，以最低的成本实现水量充沛、水压均 衡、水质良好、漏损较低，最终达到社会效益和企业的经济效益双受益。随着经济的 不断发展，对供水企业的调度方法提出了新的要求。作为供水企业，采取什么样的调 度方法，使企业适应用水市场的发展需要，实际上是供水系统调度方法的更新与创新； 城市供水作为城市的动脉，即要在运营中保证服务质量，使用户达到最大的满意，也 要在依靠科技进步降低制水成本，达到产、供、销和服务等形式有机的统一与协调， 这些要求在高速发展的现代社会表现的尤为重要。本文所提出的基于c b r 的供水调度 方法就是为了适应现代社会发展和人民生活要求的一种实用的优化调度方法。 本章主要从三个方面综述了相关的研究情况： ( 1 ) 国内外城市供水调度相关研究情况的综述，了解当前供水调度发展的趋势， 以获得适用于当前沈阳市供水系统的经验； ( 2 ) 对国内供水企业的相关调研总结，了解当前国内供水企业调度管理的现状； ( 3 ) c b r 技术的综述，了解c b r 的历史，现状和发展趋势。 2 2 国内外相关研究情况 自6 0 年代起一些发达国家就开始以计算机作为供水系统辅助调度管理 9 的探 索，如像美国的费城，丹佛及加拿大的多伦多等城市，就是采用遥测设备将管网中控 制点的压力、水厂出厂压力、出厂流量、水位、功率及温度等实际运行参数适时地传 送到中心调度室，并对超常现象作出自动报警，依此作为控制人员实际操作的依据。 另外国外学者如：美国的k e l a n s e y 1 0 3 、r o b e r td y m o r y e r 、l e o r m s b e e ，英国的 r 。s p o w e l l u l l 、b 。c o u l b e c k 、p j o w i t t ，目本的k a z u m a s a r l 2 、m u g u r u m a 、m t u s k i y a m a 及以色列的u s h a m i r 、c d d h o w a r d 1 3 等人也在调度管理建模理论上进行了许多 有益的探讨。目前在美国、英国、日本、法国等地的一些城市已基本上实现了供水系 统的计算机优化调度管理，并编制了比较通用的调度管理软件，如英国的g i n a s 及 美国的o p w a d 等。 7 一 东北大学博士学位论文 第二章相关问题研究综述 国内的许多专家学者从7 0 年代起，开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模 拟、优化设计及水厂水质控制等方面。在供水系统优化调度管理方面也进行了一些有 益的探索和尝试，制作了一些相应的应用软件，如w n w 等。并在大庆、郑州、济南、 深圳、广州、长沙等地进行了实际应用，尤其是长沙自来水公司的c z c m i s 系统是 目前国内唯一的国家级8 6 3 项目。但由于国内设备条件和技术手段的限制，能在供水 的可靠性及经济性都较成功的实例尚不多见。但随着科技水平的发展及人类对供水要 求的不断提高，建立供水系统的优化调度系统是供水行业发展的必然趋势。 国内外在供水系统调度运行管理方面，由于设备基础不同、管理体制不同，特别 是近代计算机技术和监控仪表的起步与发展速度不同，存在着很大的差距。国外对于 与居民息息相关的自来水基础设施极为重视关注，赋于足够的供应能力。对于投资与 能耗费用比重都较大的管网系统更是作为重点对待，因此调度安排上有较大的选择余 地。建立管网数学模型情况国内外差距更为悬殊。建立管网数学模型工作要基于资料 测定工作。国外在这方面不惜花费很大的人力、物力与时间，期望获得可靠实用的管 网模型后，利用计算机快速准确地对各种供水状态分析比较，然后可以作各种各样的 设想方案比较以便从中筛选，其中当然也能用以对各种调度设想的状态进行比较。对 于复杂的管网则略去次要管道保留其主要骨干，使模型简化而不失真。 建立管模的困难有二：一是管段摩阻系数的测试，二是节点流量的分配。前者靠 点滴测定资料很难代表整个管网系统的摩阻系数，后者从每月不同的抄表资料推算到 某一特定时间的节点流量，准确性实在太差，更无法推测随着时间推移的变化而及时 修正。这种困难，特别是后者，国内外学者都碰到而为之棘手。近年英美等国在主要 管道上设置了大量测流测压点，铡流用自动记录装置设置于管段的上游与节点的下游， 通过测其差值即可推算该节点的流量输出，再与两节点所测压力的差值而求得该管段 的摩阻系数。用这样大量的同步资料建立的管模，其可靠程度就提高多了。将管模计 算所得节点压力同实测节点压力比较，用误差不大于某一值来判别模型的准确率，作 为通过的目标而付诸实用，以后则作定期测定跟踪修正。在此基础上，优化调度则还 要进- 步即时探求用最省的电能去满足平差的结果要求作实时决策控制。这就还需解 决两个问题：一是配泵优化问题；二是节点流量预测问题。前者国内外学者多将泵站 内机泵组合成各种谓之等价泵的并联泵曲线，然后根据平差计算结果从所有曲线中去 扫描搜索符合其需要的机泵组合。由于各条曲线是离散的，计算处理上会有困难，且 管网平差要求的工况点不一定刚好落在曲线上。其最大缺陷无法作运行效率上的选择 一8 一 东北大学博士学位论文第二章相关问题研究综述 比较，也就谈不上优化调度了。后者国内外学者很多根据季节气候、气温、节假日， 或者用过去到最近的水量资料用时间序列来预测，但因各种社会因素变化以及过去属 于供应不正常的资料，很难达到准确的预测。 近几年，国内很多城市的自来水公司在加大这方面资金和人员的投入，而且已经 取得了相当不错的成绩，并开始尝试将计算机技术应用于供水调度系统模拟、优化设 计及管网状态仿真等方面。目前在国内，深圳、南京、无锡、北京、上海等大中城市 都有关于管网模型中水力计算的工作见诸报端，这为我们解决沈阳市供水管网的建模 和简化问题提供了帮助。 深圳市自来水( 集团) 有限公司负责特区范围内绝大部分地区的供水工作，现有 水厂5 座，供水能力达1 6 2 万m 3 d ，3 0 0 r a m 以上的输配水管网总长近8 0 0 k i n ，日均 供水量1 3 5 万m 3 左右。多年以来，公司一直重视管网技术工作，1 9 9 4 年建立了管网 的计算机管理系统并不断完善，现在管网图及用户用水接管资料较为齐全。同时，公 司在管网中设置了相当数量的测压点、测流点、水质点，这些测点的运行数据可及时 传送至公司供水调度中心。此外，他们对管网进行物理层面上的简化 1 4 1 ，即去细留 粗和并行合并。在管网水力模型中只保留管径在2 0 0 m m 以上的管段，并将流量、水 头损失、摩阻系数和构筑材料等参数相近的并行管段合并成在一起等等做法，建立了 一个具有1 2 2 0 条管段6 2 0 个节点的模型，并在多项实际工作中得到应用，精度及应用 效果良好。 东南大学陈森发教授提出了对复杂管网进行数学简化的最优集结法 1 5 ，管网系 统的集结，指的是把系统中绝对压力“大致相等”的多个节点，合并为简化管网中的 一个节点；简化系统相邻节点间的多跟实际系统的管段也合并成该系统的一根管段， 这样处理以后整个系统的节点数和管段数都将大大减少。所谓最优集结，就是在满足 一定精度要求下，将实际系统集结成具有尽可能少节点的简化系统。这种基于数学图 论和最t b - - 乘理论的方法已经在无锡和南京两个城市得到了比较好的应用。利用该方 法，南京市供水管网系统由1 2 7 个节点、2 4 5 根管段( 不考虑小于3 0 0 m m 以下的管段) 简化成由2 6 个节点和4 8 根管段组成的简化系统；无锡市供水管网系统有9 5 个节点， 1 5 2 根管段( 不包括1 5 0 m m 以下的管段) ，通过最优集结获得的简化系统中只有1 9 个 节点和3 7 根管段。而且在利用简化系统进行优化调度时，结果都是比较满意的。 在国内其他城市，供水管网技术也得到了相当的重视。上海自来水1 9 9 9 年裂变分 组成为四个公司，其中最大的是浦东威望迪自来水有限公司，它是由原上海市自来水 9 东北大学博士学位论文 第二章相关问题研究综述 浦东有限公司与法国通用水务公司共同组建的，并于2 0 0 2 年9 月1 日正式挂牌运行， 这是全国第一家集制水、输配、销售于一体的中外合资区域性自来水公司。他们从英 国引进全套s c a d a 技术，通过安装在供水管道上的自动检测设备能够比较准确的获 得管网当前的工作状况，而且可以随时查询当前或者以前各个分厂的出水量、出水压 力、水位水质，监测点的压力值以及当天的天气情况等信息，还可以了解到各水厂机 组的运行现况，另外还可以对数据进行汇总给出近期管网中压力水量的变化曲线。 随着供水技术的发展和遥测技术的推广应用，人们已经能够越来越容易的获得供 水管网信息，但是还应该看到仅仅利用少量测流测压值及管网的拓扑结构推求其他状 态量以确定整个管网状态依然是一个值得研究的问题。 2 3 对国内城市供水系统的调研情况 为了进一步了解当前国内供水企业在调度管理方面的先进经验，2 0 0 2 年1 0 月下 旬我们对南京、上海、长沙和重庆四市的水司进行了为期1 0 天的考察和调研，从总体 上看，目前国内各城市的自来水公司对优化调度是比较重视的，很多城市都正在做或 有意向去做，但由于实际操作过程中的困难，特别是大量数据的采集，所以效果并不 是很理想，也没有真正形成一个完善的产品。但值得一提的是在供水自动化技术特别 是s c a d a 技术的应用相当广泛，而且随着各地自来水公司在这方面人力、物力和财 力的大量投入，使得该项自动化技术在自来水行业的应用正在趋于完善。 在调研过程中，长沙自来水公司的c z - - c i m s 系统相对而言比较完善，而且可以 代表当前国内城市给排水系统信息化的最高水平。长沙自来水公司目前有八个水厂， 日供水能力1 2 0 万吨，供水人口是1 3 0 多万，入均供水量据全国第三位。在长沙我们 仔细听取了关于8 6 3 c z - - c i m s 系统的介绍，这是目前国内自来水行业唯一的一个 国家级8 6 3 项目。它是由长沙自来水公司、长沙华博信息技术股份有限公司和中南大 学三方合作共同开发的。长沙自来水公司从8 0 年代末开始开发决策支持系统，管理信 息系统，而后逐步向制造业信息系统和c i m s 转变。他们于1 9 9 6 年就开始在供水调度 和管网检测方面应用“四遥”技术，1 9 9 8 年与中南大学迸行合作，并共同合资成立了 华博公司，开始进行8 6 3 c z - - c i m s 系统的开发。这是采用各种计算机辅助技术和 先进的科学管理方法，使企业优化运行，降低企业生产、管理成本，提高企业的效益 和市场竞争能力的一种高新技术。它的总体目标是：实现企业生产全过程中有关人、 技术、设备和经营四要素以及信息流和物流的有机集成，融制水过程优化控制，管网 一】o 一 东北大学博士学位论文 第二章相关问题研究综述 供水优化控制和企业现代化管理于一体，以实现企业的整体优化，将企业建成2 1 世纪 的现代化企业。该系统又包括：经营决策系统、生产指挥系统、过程控制系统、质量 保证系统、营销管理系统、综合办公管理系统等六个分系统。各分系统的职能目标是： ( 1 ) 对经营决策分系统，应能为决策层提供必要的经过筛选的有关信息，进行必要的 能力分析，并提供辅助决策支持。( 2 ) 对生产指挥分系统，应能帮助企业制定中、短 期计划，经粗细能力平衡后