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东北大学硕士学位论文 摘要 供水调度系统中相关模型与优化算法的研究 摘要 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，复杂性也不断提高。传统的经验调度方式过多的考 虑供水系统运行的安全性和可靠性，而忽视了城市供水的经济效益和社会效益， 从而造成能源消耗甚大。因此，传统的经验调度方式己不能适应现代城市的发展 需要，建立适合城市自身特点的优化调度系统已经成为在当前自来水行业中人们 最为关注的热点之一。 本论文中所论述的内容是以沈阳市城市供水系统优化调度项目为背景，主要 研究了该市供水系统优化调度的建模与优化问题，为项目中利用c b r 方法实现供 水优化调度提供相应的模型和算法支持。 本文首先讨论了供水管网建模问题。论文通过比较常用的几种供水管网微观 模型和宏观模型的特点，同时分析和研究了管网压力流量之间关系，建立了适用 于类似沈阳市供水系统这样的多水源复杂供水系统的管网模型，并利用此模型进 行实际供水数据的计算，获得了比较满意的结果。结果表明，此模型能够比较准 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。然后研 究了城市日用水量预测问题，论文通过分析沈阳市历史供水信息，总结出该市日 用水量的变化规律，提出了多元回归预测和b p 网预测两种方法，通过数据仿真证 明两种方法都能够满足供水调度系统中对预测水量精度的要求。最后给出了供水 优化调度模型及其算法，论文针对沈阳市供水系统的实际情况，提出了利用两级 调度方案。论文中重点讨论了一级调度模型的建立及其基于遗传算法的求解方法， 并利用数据仿真证明模型和算法的有效性，同时还给出了二级优化模型及其算法 设计。此外，论文还给出了沈阳市供水系统优化调度软件的功能模块设计方案。 关键词：供水系统、供水优化调度、管网模型、多元回归、逐步回归、水量预测、 b p 网、二级优化、遗传算法 n 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o fr e l a t i v em o d e l sa n d o p t i m i z a t i o na 1 6 0 r i t h m sf o r aw a t e rd i s p a t c h i n 6s y s t e m a b s t r a c t a t p r e s e n t , t h ec i t yw a t e rs u p p l ys y s t e m ( w s s ) i sb e c o m i n g m u c h l a r g e ra n d m o r e c o m p l i c a t e d a sar e s u l to f d e v e l o p m e n t o f s o c i e t y , h i g hp o p u l a t i o ng r o w a n d i m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s t h ec o n v e n t i o n a le m p i r i c a ld i s p a t c h i n gm e t h o di s b a s e do no p e r a t i o n a ls e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e ma n di g n o r e st h e e c o n o m i cr e t u r n sa n dt h es o c i a lb e n e f i t s ，w h i c hc o n s e q u e n t l ym a k em u c hl o s si nt h e e n e r g yu s i n g s ot h ec o n v e n t i o n a ld i s p a t c h i n gm e m o d d o e s n tm e e tt h er e q u i r e m e n to f t h em o d e r nu r b a nd e v e l o p m e n t e s t a b l i s h i n ga no p t i m a ld i s p a t c h i n gs y s t e mb a s e do n t h ea c t u a lc o n d i t i o no fac i t yi sb e c o m i n go n eo ft h ec r i t i c a li s s u e si nt h ef i e l do fw a t e r s u p p l yi n d u s t r y b a s e do nt h ew a t e r s u p p l ys y s t e m o f s h e n y a n gc i t y , t h ei n a i nf o c u s o ft h ep a p e ri s t h em o d e la n da l g o r i t h mo nc i t yw a t e rs u p p l yo p t i m a ld i s p a t c h i n gs y s t e m , w h i c hc a l l f i n a l l yb e u s e di nt h eo p t i m a l d i s p a t c h i n g m e t h o d b y c b r f i r s t l y ，t h ep a p e rd i s c u s s e sh o w t os e tu pt h ew a t e rs u p p l yp i n en e t w o r km o d e l a c c o r d i n gt oc o m p a r i n gt os e v e r a lu s u a ln e tm i c a x c o s m i cm o d e l i n ga n dm a c r o s c o p i c m o d e l i n gw a y so fc i t yw a t e rs u p p l ys y s t e m , an l a c r o s c o p l cm o d e lo fp i n en e t w o r k , w h i c hi ss u i t e df o rc o m p l e xw a t e r s u p p l ys y s t e m w i t hm u l t i p l ew a t e rs o u d p ) e s ，i sb u i l tu p t h r o u g ha n a l y s i so f t h er e l a t i o nb e t w e e np r e s s u r ea n df l o wi nt h i sp a r t t h er e s u l to f t h e m o d e li ss a t i s f a c t o r yt h r o u g ha n a l y z et oc o m p a r e dt or e a l w a t e rs u p p l yd a t a , w h i c h s h o w st h a tt h ep i n en e t w o r km a c r o s c o p i cm o d e lc a l lp r o v i d eaq u i c k , a v a i l a b l ea n d s c i e n t i f i cd e c i s i o nm e t h o df o r t h ed i s p a t c h i n gm a n a g e m e n to fc i t yw a t e rs u p p l ys y s t e m t h e n t h es t u d y i s m a d e o n t h e f o r e c a s t o f d a i l y w a t e r d e m a n d o f ac i t y a c c o r d i n g t o t h e h i s t o r i c a ld a t ao nw a t e rs u p p l ya m o u n to fs h e n y a n g 。t h ep a p e rs u m m 鲥z e s t h ec h a n g e r o l eo fw a t e rd e m a n du s i n g ，a n dc a l c d a t e sa n dc o m p a r e * w a t l 玎d e m a n du s i n gt h et w o i i i 东北走学硕士学位论文a b s t r a c t f o r e c a s tm e t h o d s 一一m u l t i p l er e g r e s s i o na n db pn e t i tc a nb e p r o v e d t h a tt h et w om e t h o d s a r eb o t ha p p l i c a b l et ot h ef o r e c a s to f d a i l yw a t e rd e m a n d o fac i t y t h ep a p e rc o n c l u d e s w i t ht h em o d e la n da l g o r i t h mo nw a t e rs u p p l yo p t i m a ld i s p a t c h i n g o nt h eb a s i so f p r a c t i c a ls i t u a t i o n o fs h e n y a n gw a t e rs u p p l ys y s t e m , t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e s e c o n d h a n do p t i m a ld i s p a t c h i n gs c h e m e t h ep a p e rd i s c u s s e sm o s t l yt h ep r i m o p h a s e m o d e la n ds o l u t i o nm e t h o d b yg e n e t i ca l g o r i t h m ，w h i c hi sp r o v e da v a i l a b l yb y r e a ld a t a e m u l a t i o n a lc a l c u l a t i o n a n dt h ep a p e ra l s op r e s e n t st h es e c o n dp h a s eo p t i m a lm o d e l a n da l g o r i t h ma s s i g n i na d d i t i o n ，t h ep a p e rd e s i g n st h ef u n c t i o n a lm o d u l eo fs h e n y a n g w a t e r s u p p l yo p t i m i z e d c o n t r o ls o f t w a r e k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l ys y s t e m ( w s s ) ，w a t e rs u p p l yo p t i m a ld i s p a t c h i n g ，p i n e n e t w o r km o d e 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 ，w a t e rd e m a n d u s i n gf o r e c a s t ，b pn e t ，s e c o n d h a n do 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 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 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 的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 协p 邳 矿尸i 孑 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 第一章绪论 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。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，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。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面前的重要课题。 随着科学技术的不断进步，数学规划、现代控制理论、人工智能以及以计算 机技术和网络技术为代表的信息技术的不断发展，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。 自从上世纪7 0 年代开始，国内一些城市开始尝试将计算机技术应用于城市供水领 域，并在供水优化调度管理领域进行了许多有益的探索。随着越来越多的人们开 始研究城市供水优化调度管理，使得自来水这个城市系统中最古老的行业之一正 在成为社会关注的焦点问题。 沈阳市自来水公司作为东北地区自来水行业的龙头，自从上世纪8 0 年代开始， 我国城市给排水行业的著名专家赵洪宾等人就开始进行沈阳城市优化供水方面的 研究【j l ，但是由于城市供水系统水源众多、网络复杂、管道老化，当时的技术条件 无法获得准确的管网参数和供水信息，因此当时的优化供水调度仅限于理论研究 阶段，在实际供水中的应用效果并不明显。进入9 0 年代，沈阳市自来水公司进入 了改革与发展的重要转折时期。近年来。为了适应新世纪市场化的要求，沈阳水 司对全市的管道网络和供水系统进行了一系列改造，遥测、遥感和遥讯的三遥系 统( 又可以称之为s c a d a 系统) 和g i s 系统l 删( 地理信息系统) 等技术设备的 引进，使得城市供水系统全面数据信息的获取成为现实，也使褥实现城市供水优 化调度管理信息化成为了可能。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 项目的研究过程 2 0 0 2 年7 月起，沈阳市自来水公司与东北大学系统工程研究所合作进行沈阳 市城市供水优化调度项目的研究工作，本论文就是基于这个项目完成的。 项目的前期工作首先是认真学习了城市给排水的基础知识，对沈阳市供水系 统现状进行了解，获得了第一手数据资料和相关信息，然后通过了解目前国内城 市供水系统中优化调度管理的现状，对国内几个城市的供水系统情况进行了调研， 其中重点考察了国家8 6 3 项目c z c i m s 系统开发情况。 项目的中期工作主要是制定项目总体规划。该项目的研究工作分为城市供水 调度相关理论研究和基于城市供水调度的c b r 实现方法研究两大部分。前者的研 究是后者的理论基础，为最终c b r 系统的实现提供相应的模型和算法。本论文中 主要讨论了城市供水调度相关理论研究工作，这项工作可以分为城市供水管网模 型的建立、城市日用水量预测模型研究和优化供水调度模型与方法研究等三个方 面。 晟后，按照制定的项目总体规划的要求，利用j a v a 语言和s q ls e r v e r 高级数 据库管理系统，开发了基于c b r 技术的沈阳城市优化供水调度系统软件。目前该 系统软件已经通过了沈阳市自来水公司方面的初审，正处于系统调试阶段。 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 介绍城市给排水系统的基础知识，了解沈阳城市供水系统的概况。 ( 2 ) 查阅国内外大量的书面和电子期刊、会议和网站有关城市供水系统的相关 信息，介绍国内城市供水优化调度管理的研究状况，结合沈阳城市供水系统的供 水实际制定了该项目的总体规划。 ( 3 ) 多水源供水系统管网模型的建立方法研究，首先介绍了几种城市供水管网 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 ) 沈阳市日用水量预测模型研究，首先介绍了城市用水量的影响因素和常用 的水量预测方法，然后分析沈阳市历史日用水量情况。总结用水量变化规律建 立了两种水量预测模型一基于周时变系数的多元回归模型和人工神经元网络模 型，晟后求解上述两种模型的参数，并比较了两种模型的特点。 - 2 - 东北走学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 优化供水调度建模方法研究，这部分内容主要指的是如何制定城市供水调 度方案，本文中提出了两级优化调度方案，并重点讨论了一级优化调度模型的建 立及其适合城市供水调度的遗传算法的求解方法，通过沈阳市供水实践，证明算 法有效性，同时也给出了二级优化模型及其基于遗传算法的理论求解方法。 ( 6 ) 沈阳市供水优化调度系统软件的功能模块设计，介绍该系统软件的系统结 构以及各功能模块的功能。 东北大学硕士学位论文 第二章城市给水系统的基础知识 第二章城市给水系统的基础知识 2 1 给水系统的分类 给水系统f 4 】是保证城市、工矿企业的等用水的各项构筑物和输配水 管网组成的系统。根据系统的性质，可分类如下； ( 1 ) 按水源种类，分为地表水( 江河、湖泊、蓄水库、海洋等) 和地 下水( 浅层地下水、深层地下水、泉水等) 给水系统； ( 2 ) 按供水方式，分为自流系统( 重力供水) 、水泵供水系统( 压力 供水) 和混合供水系统： ( 3 ) 按使用目的，分为生活用水、生产用水和消防用水系统； ( 4 ) 按服务对象，分为城市给水和工业给水系统：在工业给水中，又 分为循环系统和复用系统。 水在人们生活和生产活动中占有重要地位。在现代化工业企业中， 为了生产上的需要以及改善劳动条件，谁更是必不可少，缺水将会直接 影响工业产值和国民经济发展的速度。因此，给水工程成为城市的一个 重要基础设旋，必须保证以足够的水量、合格的水质、充裕的水压供应 生活用水、生产用水和其他用水，不但能满足近期的需要，还需兼顾到 今后的发展。 2 2 给水系统的组成 给水系统有相互联系的一系列构筑物和输配水管网组成。它的任务 是从水源地取水，按照用户对水质的要求进行处理，然后将水输送到用 水区，并向用户配水。 为了完成上述任务，给水系统常由下列工程设施组成： ( 1 ) 取水构筑物。用以从选定的水源( 包括地下水和地表水) 取水。 ( 2 ) 水处理构筑物。是将取水构筑物的来水进行处理，以期符合用户 对水质的要求。这些构筑物常集中布置在水厂范围内。 ( 3 ) 泵站，用以将所需水量提升到要求的高度，可分抽取原水的一级 东北大学硕士学位论文 第二章城市给水系统的基础知识 泵站、输送清水的二级泵站和设于管网中的增压泵站等。 ( 4 ) 输水管渠和管网，输水管渠是将原水送到水厂的管渠，管网则是 将处理后的水送到各个给水区的全部管道。 ( 5 ) 调节构筑物，他包括各种类型的储水构筑物，例如高地水池、水 塔、清水池等，用以储存和调节水量。高地水池和水塔兼有保证水压的 作用。大城市通常不用水塔。中小城市或企业为了贮备水量和保证水压， 常设置水塔，根据城市地形特点，水塔可设在管网起端、中间或末端， 分别构成网前水塔、网中水塔和对置水塔的给水系统。 泵站、输水管渠、管网和调节构筑物等总称为输配水系统，从给水 系统整体来说，它是投资最大的子系统。 l 一取水构筑物；2 一缓泵站l3 水处理构筑物； 4 清水池：5 二级泵站；6 管用j7 一调节构筑物 圈2 1 地表水源的培水系统 f i g u r e2 1w a t e rs u p p l ys y s t e m o fs u r f a e ew a t e rs o u r c e l 管井群l2 集水池；3 泵站 4 水塔# 5 管网 圈2 2 地下水潭的给水系统 f i g u r e2 2w a t e rs u p p l ys y s t e m o fg r o u n dw a t e rs o u r c e 图2 1 表示以地表水为水源的给水系统。相应的工程设施为：取水 构筑物1 从江河中取水，经级泵站2 送往水处理构筑物3 ，处理后的 清水贮存在清水持4 中。二级泵站5 从清水池取水，经管网6 供应用户。 有时，为了调节节水量和保持管网的水压，可根据需要建造水库泵站、 高地水塔或水塔7 。一般情况下，从取水构筑物到二级泵站都属于水厂 的范围。当水源远离城市时，须由输水管渠将水源引到水厂。 以地下水为水源的给水系统，常凿井取水。因地下水水质良好，一 般可省略水处理构筑物而只需加氯消毒，使给水系统大为简化，见图2 2 。 图中水塔并非必需。视城市规模大小而定 一5 一 东北大学硕士学位论文 第二章城市给水系统的基础知识 图2 1 和图2 2 所示的系统称为统一给水系统，即用同一系统供应生 活、生产和消防等各种用水，绝大多数城市采用这一系统。在城市给水 系统中，工业用水量往往占较大的比例，可是工业用水的水质和水压要 求确有其特殊性。在在工业用水的水质和水压要求与生活用水不同的情 况下，有时可根据具体条件，除考虑统一给水系统外，还可考虑分质、 分压等给水系统。当然，在小城市，因工业用水量在总用水量中所占比 例一般较小，仍可按一种水质和水压统一给水。又如城市内工厂位置分 散，用水量又少即使水质要求和生活用水稍有差别，也可采用统一给 水系统。对城市中个别用水量大，水质要求低的工业用水，可考虑按水 质要求分系统( 分压和分质) 给水。分系统给水，可以是同一水源，经 过不同的水处理过程和管网，将不同水质的水供给各类用户；也可以是 不同水源，例如地表水经简单沉淀后，供工业生产用水，地下水经消毒 后供生活用水。也有因永压要求不同而分系统给水，由同一泵站内不同 水泵分别供水到水压要求搞得高压管网和水压要求低的低压管网，以节 约能量消耗。 2 3 城市给水管两介绍 在一个城市的给水工程中，供水管网( 主要指给水管道，还包括阀 门以及附属设施等等) 是整个工程的一个很重要的组成部分，其投资一 般约占工程总投资的7 0 8 0 ，而且管网计算无论对于新建管网、旧 管网扩建或改建，还是在日常供水调度管理中都具有相当重要的意义。 给水管网按其功能一般可以分为输水管和配水管。输水管是指从水 源输送原水至净水厂或配水厂的管。当净水厂原理供水区时，从净水厂 至配水管网间的干管也可作为输水管考虑。输水管按其输水方式可以分 为重力输水和压力输水。一般输水管区的输送流量比较均匀t 沿程无流 量变化。 配水管是指有净水厂、配水厂或由水塔、高地水池等调节构筑物直 接向用户配水的管道。配水管内流量随用户用水量的变化而变化t 配水 管一般分布面广且形成网状故称给水管网。给水管网遍布整个给水区内， 根据管道的功能。可划分为千管和分配管。前者主要用以输水，管径较 大，后者用于配水到用户，管径较小。给水管网设计和计算往往只限于 东北大学硕士学位论文第二章城市给水系统的基础知识 干管。但是干管和分配管并无明确的界限，须视管网规模而定。大管网 中的分配管，在小型管网中可能是干管。大城市可略去不记得分配管， 在小城市中可能不允许略去。 给水管网的布置【5 1 应满足以下要求： ( 1 ) 城市规划平面图布置管网。布置时应考虑给水系统分期建设的可 能，并留有充分的发展余地； ( 2 ) 管网布置必须保证供水安全可靠，当局部管网发生事故时，断水 范围应减到最小； ( 3 ) 管线遍布在整个给水区内，保证用户有足够的水量和水压； ( 4 ) 力求以最短距离铺设管线，以降低管网造价和供水能量费用。 尽管给水管网有各种各样的要求和布置，但不外乎两种基本形式： 树状网( 图2 3 所示) 和环状网( 图2 4 所示) 。树状网一般适用于小城 市和小型工矿企业，这类管网从水厂泵站或水塔到用户的管线布置成树 枝状。显而易见，树状网的供水可靠性较差，因为管网中任一段管线损 坏时，该管段以后的所有管线就会断水。另外，在树状网的末端，因用 水量已经很小，管中水流缓慢，甚至停滞不前，因此水质容易变坏，有 出现浑水和红水的可能。 环状网中，管线连接成环状，这类管网当任一段管线损坏时，可以 关闭附近的阀门使和其余管线隔开，然后进行检修，水还可以从另外管 线供应用户，断水的地区可以缩小，从而供水可靠性增加。环状网还可 以大大减轻因水锤作用产生的危害，而在树状网中，则往往因此而使管 线损坏，但是环状网的造价明显比树状网为高。 一 一 东北大学硕士学位论文 第二章城市给水系统的基础知识 圈2 3 树状网 f i g u r e2 3t h ed e n d r i f o r mn e t w o r k 2 4 沈阳市城市给水系统概况 图2 4 环状罔 f i g u r e2 4t h er i n g e dn e t w o r k 沈阳市城市供水系统始建于1 9 1 5 年，经过8 5 年的发展，现已成为 具有供水能力1 8 0 余万m 3 ，日、供水量1 3 0 万m 3 ，日、管网长度2 5 0 0 k m 、 城市供水面积1 8 5 平方公里、居民用水普及率达1 0 0 的大型高效的现代 化体系。 城市供水系统的取水水源既有地下水又有地表水，在1 3 0 万吨的日 供水量中，9 0 万吨来自地下水，4 0 万吨取白地表水，地下水取水是通过 遍布城市周边的浑河近河区的4 0 0 余眼管井，管井深1 0 0 余米，管径约 5 0 0 毫米，每眼井的日取水量平均3 0 0 0 吨左右：地表水取水是利用水塔 分层取水。目前沈阳共有9 个水厂，其中只有一个地表水水厂一8 水厂， 它主要取大伙房水库的深层水：3 5 个水源地，水厂是行政单位，一个水 厂通常管理若干个水源地，处理水源地与公司之间的行政事务，比如设 备维修，工资发放等：真正的制水单位是水厂下辖的各个水源地，沈阳 市各自来水厂的最大制水能力见表2 1 。 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章城市给水系统的基础知识 表2 1 沈阳市水厂制水能力( 万m ) t a b l e2 1t h e t h r o u g h p u to fw a t e rs u p p l yf a c t o r i e si ns h e n y a n g l水厂 一厂二厂三厂四厂五厂六厂七厂八厂。九厂 i 制水能力 2 192 l2 071 344 01 0 沈阳市的供水系统属于地下水和地表水共同供水的统一供水系统， 其中大型水源位于城市四周，占城市供水量的主体部分，小型水源分布 于城市中间，主要起补压作用，给水水源、市区管网、补压泵站构成了 一个环状给水系统。主要制水工艺包括：地下水加氯消毒( 见图2 5 ) ； 地下水除铁除锰( 见图2 6 ) ；地表水常规处理( 见图2 7 ) 。地表水需要 经过隔板絮凝、斜板沉淀、过滤等若干道工艺才能将水注入清水池里。 管井取水 圈2 5 地下水处理工艺 f i g u r e2 5f l o wd i a g r a m o fg r o u n d w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s f i g u r e 2 6r e m o v a lp r o c e s so fi r o na n dm a n g a n e s ef r o mg r o u n d w a t e r 东北大学硕士学位论文第二章城市给水系统的基础知识 i i ? 阻h i 、 加氯消毒 吵 i i k 力混台隔板絮凝 斜板沉淀 过滤( v 型滤池) 图2 7 地表水处理工艺 f i g u r e2 7f l o wd i a g r a mo fs u r f a c ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s 目前沈阳市城市供水管网总长度大约2 5 0 0 k m ，其中输水干管 4 0 0 k m 左右，配水管网2 1 0 0 k m 左右。输水干管7 0 以上是混凝土管， 配水管网中9 8 以上为铸铁管。管网的运行是依据水压的连续监测，整 个管网设有4 0 多个自动压力监测点，并且在生产调度中心连续显示读 数；另外还有3 0 0 多个测压点。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整个管网的压力需要。整 个供水管网采用低压运行方式，典型压力为0 1 4 m p 。大多数居民住宅楼 一般介于6 1 0 层之间，少数楼层更高一些。这样，8 5 的供水是靠二 次加压泵站供给，每个二次加压泵站都有一个储水池，加压泵自储水池 吸水送至用户。 一1 0 - 东北大学硕士学位论文第三章沈阳市供水优化调度项目总体规划 3 1 国内外相关研究情况 国外自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【6 】 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 口】、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 、b c o u l b e c k 瞪】、p j o w i t t ，日本的k a z u m a s a i 、 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 i i o l 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 些城市己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。 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 1 1 - 1 5 l 。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1 1 6 1 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。 3 1 1 城市给水系统信息化情况 随着信息技术( r r ) 的迅猛发展，1 1 r 技术在国民经济的各个行业中获得了广 泛的应用。如工业制造行业中的计算机集成制造系统c i m s 和企业资源计划e r p ， 银行、保险和证券等金融行业中的大型管理信息系统d i s 。电力行业中的能量管 理系统f _ m s 等都是1 1 r 技术应用的典型范例。 由于城市供水系统的行业特点，特别是像沈阳这种历史悠久、工业化较早的 大型城市，供水管网复杂度高。历史数据缺损严重，检测仪表不规范，这些因素 给自来水行业的信息化带来了很大的困难。这也是北京、上海等特大型城市在供 东北大学硕士学位论文第三章沈阳市供水优化调度项目总体规划 水系统的信息化方面反而走在了一些中小型城市后面的原因。 但是信息化是不可阻挡的必然趋势，我国一些中小城市已经开始在供水系统 推行信息化。如，长沙市在国家8 6 3 计划c i m s 主题的支持下提出了包括集散控 制，三遥系统和优化调度的供水企业c i m s 的方案；福州、宝鸡、蚌埠等中等城 市的供水系统的计算机系统的设计与实现情况也在文献中有报道。大型城市中， 天津市则在部分新区实现了供水调度的信息化。哈尔滨工业大学的著名教授赵洪 宾就沈阳市的供水调度提出的优化方法也曾见诸报道。 3 1 2 复杂管网系统等效简化的研究情况 城市供水系统的调度优化是一个吸引了许多研究者不断探索的，且难度极大 的研究问题。大型老工业城市的供水系统的调度优化之所以难于实施，其根本原 因就是复杂的地下管网系统中部分历史久远的管段没有必要的数据资料，很难建 立准确的管网平差的计算模型。因此，复杂管网的建模和模型简化一直就是供水 优化调度的一项最重要的基础性工作。 传统的优化调度方法主要是基于管网平差的微观模型法，该方法每迭代一次 就要进行一次管网平差计算。由于计算繁琐，占用计算机内存量大，计算时间长。 虽然理论上计算结果很精确，但是由于实际管网数据的不准确，应用过程中并不 能取得理想的结果。 1 9 7 5 年，美国学者r o b e rd e m o r y e d l 7 , 1 8 】提出管网调度优化的宏观模型法。该 方法的特点是：以比例负荷为前提，利用大量实测数据建立管网内部水压和水厂 出水压力和流量的统计关系表达式，再基于以上关系式做优化调度。我国同济大 学的著名教授杨钦进一步根据中国的实际情况提出分时段的宏观模型法。对于沈 阳这样的大型工业城市来说，基于宏观模型法的思想来建立供水管网的计算模型 无疑更具有可行性和实际意义。 3 1 3 供水优化调度研究中的应用方法介绍 很多实际问题的解决都离不开基础研究尤其是数学方法的广泛应用，供水系 统优化调度也不例外。目前已经有许多数学方法和算法在供水调度领域成功应用 的范例。例如多元回归方法在管网模型建立和用水量预测中的应用，利用大型线 性规划建立优化调度模型等等尤其是在近几年随着计算机技术的突飞猛进的 发展，许多新出现的智能化技术( 例如神经元网络和遗传算法等) 也渐渐的应用 于自来水行业中，使得这个城市系统中最古老的行业正在逐渐成为人们关注的热 一1 2 一 东北大学硕士学位论文 第三章沈阳市供水优化调度项目总体规划 点之一。 沈阳市供水优化调度项目中拟采用的c b r 技术”2 0 1 就是一种全新的人工智能 技术，传统的人工智能技术如专家系统和决策支持系统应用到生产计划和调度中 的实例早已累见不鲜。但是由于专家系统基于规则的推理方式要求建立完备的规 则库和推理机这在复杂系统中的应用往往困难较大。而c b r 方法的基本思路是， 将过去成功应用的案例，即实例，存储在案例库中，对于需要提供决策支持的情 况，按科学的搜索规则查对、寻找类似的案例，作必要修正后，提供给决策者参 考。应用成功的案例可以迸一步补充到案例库中，同时通过案例库的维护，尽可 能保留最有参考价值的案例，而将重复的、效果不好的案例删去，从而提高c b r 系统的运行效率。这样，c b r 系统就具有对问题的自适应能力即随着系统的不 断运行，性能越来越好。根据沈阳市供水调度系统的实际情况，认为以c b r 作为 供水优化调度系统的基本方法是有可能获得成功的。由于国内外目前还未见到 c b r 在供水系统中应用的范例，本项研究还会有较好的创新性。 3 2 对国内城市供水系统的调研情况 在初步了解了目前城市供水系统的现状和学习了有关给排水的相关知识以 后，本项目开发小组在沈阳自来水公司生产调度部的张宝志调度长的带领下，于 2 0 0 2 年1 0 月下旬对南京、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，人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 东北大学硕士学位论文第三章沈阳市供水优化调度项目总体规身 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 学进行合作，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 l 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 粗细能力平衡后下达执行，能对制水、供水进行优化调度，对生产过程进行监控， 及时发现问题，必要时对计划进行调整，能确保物资能源供应，又要防止库存积 压，提高能源的利用率。( 3 ) 对过程控制分系统，通过d c s 和s c a d a 采集有关 制水和供水过程的实时信息，实现优化调度并对制水和管网供水进行有效控制， 提高制水、供水过程的可靠性，降低生产成本。( 4 ) 对质量保证分系统，应能对 水质等产品的质量问题进行实时跟踪控制，对质量问题进行统计分析，发现问题 应辅助查找原因，确保制水质量和输配水质量。( 5 ) 对营销管理分系统，从制水、 供水主业来说，营销管理关系到企业的社会效益和经济效益，是企业的重要环节， 是供水企业的重要窗e l 。本分系统应当对广大用户负责，对水表进行有效管理， 辅助收费管理，并对水费的抄收以及回收进行统计分析，发现问题及时提示。( 6 ) 综合办公管理分系统，它主要包括一般的m i s ( 管理信息系统) 的功能，是办公 自动化的重要组成部分，它涉及到人、财、物等各个方面，包括：党政工团管理、 综合财会管理、劳动人事管理、台同管理、后勤管理和档案管理等。特别是财会 综合管理中，除财会管理外还包括成本管理和计算机审计。到目前为止c z - - c i m s 一期工程( 应用示范工程) 已经通过了国家的验收，并且经过近一年的努力，二 期工程也取得良好的新进展，已基本完成或即将完成如下一些分( 子) 系统：质 量保证分系统已基本完成，并交付业务部门试用；生产子系统已基本完成，并交 付业务部门试用；计划管理子系统己基本完成，即将交付业务部门试用； 管网 管理子系统取得重大进展；综合办公管理系统等多个分( 子) 系统；调度管理子 系统也已取得了重大的进展；管网检测设备r t u 即将研制成功。在系统开发的前 期先进行基础设施建设。整个c l m s 系统是利用铺在地下的光纤将各个水厂与公 司总部衔接在一起，形成一个企业的内部网，然后一方面对各个水厂进行自动化 东北夫学硕士学位论文 第三章沈阳市供水优化调度项目总体规划 改造；另一方面在公司总部进行六个分系统的开发，利用企业内部网建立起一个 操作平台，所有的软件都是基于这个平台开发的，应用b s 模型：服务器的后台 使用o r a c l e 数据库，前台用j 2 e e 编制界面，以达到跨平台的效果，终端用浏览器 访问服务器。整个系统被称为长沙市自来水公司现代集成制造系统，简称c z c i m s 系统。其研发的最终目标是建立一个功能强大的网络平台，利用安装在各个 水厂和管网的自动采集数据的自动化设备，将所得到的数据信息分类交付各个分 系统进行处理，达到完成一个现代企业所有业务范畴内工作的目的。另外，该系 统还设有对外的网络接口，可以与银行等金融服务部门和工矿企业以及用户进行 必要的业务联系。整个系统开发无论是从资金、人力、物力还是从时间上的投入 都是相当大的，仅对一个厂进行技术改造的费用就高达五六百万，时间大约需要 一年左右，目前长沙市八个水厂中仅仅完成了对五厂和三厂的自动化改造工作( 其 中三厂是新厂，是一个民营企业，也是完全按照系统需要设计建造的) ，对一厂的 刚刚完成基础设旋建设工作，正处于对仪器设备进行调试阶段。从目前来看，长 沙自来水公司在国内自来水行业无疑是走在了前沿，也是给我们帮助最大的地方。 在我们最感兴趣的供水优化调度方面长沙水司已经作了相当多的工作，供水调度 属于生产指挥系统，整个自来水的生产过程包括如下几个部分：公司生产调度( 即 一级调度) ：它是根据公司的制水计划及领导层指示负责所有水厂制水，供水的调 度，并按调度策略与要求不断下达调度指令，指挥生产，要求达到经济调度( 或 者说合理调度) ：水厂生产调度(