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1 i 7 8 r s 5 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 城市供水调度管理系统中管网压力的趋势面分析研究 摘要 城市供水是城市的命脉，它为城市的生产、生活提供着必 需的条件，是制约城市发展的决定性因素，甚至也构成了关系 社会安定的重要因素。由于水的不可代替性、不可选择性牵动 着城市的千家万户每个居民，所以城市供水是城市首要的基 础设施。作为供水管理的载体和实施者，供水企业担负人民生 活生命线管理的重任，其管理水平直接影响着经济和社会的发 展。所以优质、保量、足压、安全、可靠、节能是供水企业管 理的最高目标。 近年来，供水企业管理调度系统的开发研究已进入实际运 行阶段，但其中关键的管网压力模拟方法还停留在依靠有限的 几个测压点数据进行。尽管通过测压点的优化布置来解决压力 的代表性问题，而以此生成的管网压力只是离散的，并不能代 表整个管网压力的分布状况，实际上不能满足管网优化调度的 要求。 本课题通过分析管网的压力特征，依靠数量有限的测压点 t 压力数据，结合管网的水力特征，利用传统的平差原理，将测 压点以外的其它节点压力进行真实性校正，实现了通过有限测 压点数据对管网所有节点压力的全面了解。利用趋势面( t r e n d s u r f a c e ) 分析理论，将校正后的压力数据进行趋势面模拟，真 正实现了管网压力的连续性模拟，为管网优化管理调度提供了 重要基础。最后将该方法应用于实际工程中进行验证。 本研究的主要结论是： ( 1 ) 管网压力分布特征具有趋势性，符合趋势面分析原理， 利用趋势面分析法进行管网压力模拟是可行的： ( 2 ) 管网压力的趋势面包括趋势、偏差两部分。趋势代表了 管网压力的普遍规律，是调度中最有意义的部分；而偏差反映 了由于用水中多种不可预见的因素引起的节点或管段压力的波 动。 ( 3 ) 通过利用测压点进行其它节点压力的真实性校正，实现 了在不加密测压点的情况下了解整个管网节点压力的实时情 况，可大大节省自控工程费用。 ( 4 ) 压力数据的趋势面模拟结果，真正实现了管网压力的连 续性模拟。 ( 5 ) 通过实例分析证实本研究成果可应用于实际系统的管理 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 调度系统中，效果良好。 本研究的实例中只进行了二次趋势面的分析，主要考虑到 实例中地形条件和管网系统较为简单。当系统复杂时可考虑进 行更高次的趋势面分析，以增加拟合度。 关键词：供水企业，管理调度系统，测压点，压力模拟， 趋势面分析 1 1 1 t h et r e n ds u r f a c e a n a l y s i s s t u d yo f n e t w o r kp r e s s u r ei nt h e m a n a g e m e n ta n d s c h e d u l e o fc i t yw a t e r s u p p l ys y s t e m a b s t r a c r w a t e rs u p p l yo fc i t yi si t sv i t a la r t e r i e sa n do f f e r s n e c e s s a r y c o n d i t i o nf o rp r o d u c i n ga n dl i v i n g i ti st h e k e yf a c t o ro fc i t v d e v e l o p m e n ta n da l s ot h ei m p o r t a n tf a c t o ro fs o c i e t ys t a b l e n e s s b e c a u s ew a t e ri sn o tr e p l a c e d ，s e l e c t e da n dc o n n e c t sw i t ha l lt h e r e s i d e n t e r so f c i t y , w a t e rs u p p l yo fc i t yi st h ep r i n c i p a lu t i l i t vo ft h e c i t y a st h ec a r r i e ra n di m p l e m e n to fw a t e rs u p p l y m a n a g e m e n t w a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e st a k e so nt h e i m p o r t a n tt a s ko fm a n a g i n g t h el i f e l i n eo fp e o p l e sl i v i n g i t sm a n a g e m e n tl e v e la f f e c t sd i r e c t l v t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n d s o c i e t y t h u sh i g hq u a l i t y 、 e n o u g hq u a n t i t y 、s u f f i c i e n tp r e s s u r e 、s a f e t y 、r e l i a b l ea n de n e r g y c o n s e r v a t i o nt h a tw e r et h eh i g h e s ta i mf o rw a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e s m a n a g e m e n t i nr e n c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho fm a n a g e m e n ta n ds c h e d u l e s y s t e mo fw a t e rs u p p l ye n t e r p r i s ea l r e a d yg e ti n t oa c t u a lo p e r a t i o n a l s t a g e b u t h ek e yp o i n to fn e t w o r kp r e s s u r em o d e lm e t h o d ss t 订i 奎堕堡三查兰堡主堑塞尘兰堡垒苎 d e p e n d e n t l i m i t e d s e v e r a lp r e s s u r es u p e r v i s o r e v e nt h r o u g hi t s o p t i m a ld i s t r i b u t et h a tm a ys o l v et h er e p r e s e n tc h a r a c t e rp r o b l e mo f p r e s s u r e ，b u tn e t w o r kp r e s s u r et h a tp r o d u c e i nt h i sw a yw a sd i s c r e t e ， t h e nc a n t p r e s e n t t h ed i s t r i b u t ec h a r a c t e ro fw h o l en e t w o r k p r e s s u r e a l s oc a n ts a t i s f yt h er e q u i r eo fn e t w o r ko p t i m a ls c h e d u l e t h ep a p e rt h r o u g ha n a l y s i st h ec h a r a c t e ro fn e t w o r kp r e s s u r e ， r e l yo nt h ep r e s s u r ed a t eo fs e v e r a lp r e s s u r es u p e r v i s o r , c o m b i n e w i t hc h a r a c t e ro fn e t w o r k ，u s et r a d i t i o n a le q u a ld i f f e r e n c et h e o r y , t o d oa u t h e n t i c i t yc h e c kf o ro t h e rn o d e sp r e s s u r ee x c e p tp r e s s u r e s u p e r v i s o r , t h e nr e a l i z e t h et h i n k i n go ft h r o u g hl i m i t e sp r e s s u r e d a t e so fp r e s s u r es u p e r v i s o rt om a k et o t a l l yc o m p r e h e n df o rw h o l e n o d e so fn e t w o r k u s et r e n ds u r f a c ea n a l y s i st h e o r y ，t o d ot r e n d s u t r a c es i m u l a t ef o rp r e s s u r ed a t e st h a ta f t e rr e v i s e d ，a c t u a l l yr e a l i s e t h ec o n t i n u es i m u l a t ef o rn e t w o r kp r e s s u r e ，t h e np r o v i d e t h e i m p o r t a n t f o u n d a t i o nf o rn e t w o r k o p t i m a lm a n a g e m e n t a n d s c h e d u l e a tl a s ti no n ep r a c t i s ep r o j e c tu s et h i sm e t h o dt ov a l i d a t e i t sv a l i d i t y t h em a i nc o n c l u s i o no ft h i sr e s e a r c hw e r e ： f 1 ) f o rt h ed i s t r i b u t ec h a r a c t e ro fn e t w o r kp r e s s u r eh a sd e f i n i t e t r e n dc h a r a c t e r ，a c c o r d i n gw i t ht h et r e n ds u r f a c ea n a l y s i st h e o r y ， u s et h et r e n ds u r f a c ea n a l y s i sm e t h o dt od on e t w o r kp r e s s u r em o d e l w a sr e l i a b l e ； ( 2 ) t h et r e n ds u r f a c eo fn e t w o r kp r e s u r ec o m p r i s e st w op a r t s a st r e n da n dd i f f e r e n c e t r e n dr e p r e s e n tt h eg e n e r a lr u l eo fn e t w o r k v 查垦堡三奎兰堡圭婴塞生鲎堡丝苎 p r e s s u r e ，t h a tw a st h em o s ts i g n i f i c a n c ep a r ti n t h es c h e d u l e ；b u t d i f f e r e n c er e f l e c t e dt h ef l u c t u a t eo fn o d eo rp i p ep r e s s u r et h a t a f f e c t e db ym a n yf a c t o r st h a tc a n ltb ef o r e c a s t ( 3 ) t h r o u g ht h ew a yt h a t u s ep r e s s u r es u p e r v i s o rt om a k e a u t h e n t i c i t yp r o o f r e a df o ro t h en o d e sp r e s s u r e ，r e a l i z et h em e t h o d t h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no fn o ta d d e dm o r ep r e s s u r es u p e r v i s o rt o f i n do u tr e a lt i m ec h a r a c t e ro fw h o l en e t w o r kp r e s s u r e ，t h e nl a r g e l y s a v e dt h ec o s to fa u t o c o n t r o lp r o j e c t s ， ( 4 ) t h em o d e lr e s u l t o fp r e s s u r ed a t et r e n ds u r f a c e ，i n d e e d r e a l i z e dc o n t i n u es i m u l a t eo fn e t w o r kp r e s s u r e ( 5 ) t h r o u g ha c t u a le x a m p l ea n a l y s i s m a k es u r et h a tt h e r e s e a r c hr e s u l tc a nu s ei n t ot h ea c t u a l l ym a n a g e m e n ta n ds c h e d u l e s y s t e m s ，a n db e t t e ri nf u n c t i o n i nt h ee x a m p l eo ft h i sr e s e a r c h ，t h a to n l ym a k e dt h ea n a l y s i so f t w ot i m e st r e n ds u r f a c et h a tw a st h r o u g hc o n c e r di n t h i se x a m p l e w h e r et h el a n d f o r mc o n d i t i o na n dn e t w o r ks y s t e m sw e r er e l a t i v e l y s i m p l e w h i l es y s t e m s w e r ec o m p l e xm a yc o n s i d e ru s em o r eh i g h e r t i m e st r e n ds u r f a c et od oa n a l y s i s ，t h a tw i l li n c r e a s et h es i m u l a t e d e g r e e k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l ye n t e r p r i s e ，o p t i m a lm a n a g e m e n ta n d s c h e d u l es y s t e m ，p r e s s u r es u p e r v i s o r ，p r e s s u r em o d e l ， t r e n ds u r f a c ea n a l y s i s v i 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景 第一章文献综述 给水管网系统是一个由各种管道、泵站、水塔、调节阀f 阀门、减压阀、 检查阀等) 等多种设施构成的水输送系统，通过系统的合理设计及运行管 理，可以节约大量工程投资，提高企业经济效益和现代化科学技术水平i l j 。 随着社会经济的发展，城市供水系统也日益壮大完善，该系统的特点 是：状况复杂，随机性强，涉及因素多等。近年来由于城市规模的曰益扩 大，加上周边水源地供水的有限性，使得城市管网规模在不断延伸的同时， 也使得其可操作管理性降低，而且由于邻近水源地供水能力的日益缩小， 使得远距离甚至跨流域输水成为必然，这使得整个供水系统如何保持和谐 的运作成为一个亟待解决的问题。传统的管理手段只能有限度的保持系统 低效率的运作，在这种情况下供水优化管理日益显出它的重要性和迫切 性。随着供水系统与信息技术的进一步融合，供水系统运转状况变得更加 明了，使得管理者能适时掌握供水系统各部分的信息，可以采取相应的措 施指挥调度，所以目益受到人们重视。 作为供水管理的载体和实施者，供水企业担负着人民生活生命线管理 重任，其管理水平直接影响着经济和社会的发展，所以各国供水企业都在 不遗余力提高管理效率，改进管理水平，发展壮大自己的基础工业。 目前我国城市建设迅速发展，各个城市对市政建设日益重视。随着城 市供水设施的不断完善和供水管网模型的智能化、图形化，建立一套完整、 准确的供水管网管理系统，提高供水系统管理的效率、质量和水平，是现 代城市发展的需求【2 】。 供水管网管理系统的核心是优化调度，优化调度的水平很大程度上反 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 映了供水企业的生产水平。目前国内外的很多学者主要将精力集中在对各 种优化调度算法的改进和发展上即提高理论上的可行性。虽然优化调度 在西方有些较为成功的例子，但各种优化调度方法的推广应用仍然受到很 大制约，也就是说它的实用性仍然没有很好地得到改善。 另外，目前优化调度只是基于宏观模型或微观模型的泵站调度，没有 充分利用阀门的调节作用，以实现阀门与泵站的管网优化调度。阀门的优 化调度也是国内外的学者研究的重要课题。 优化调度系统的应用，在很大程度上依赖于系统监测控制设备及数据 获取水平的提高、可用软件的普及程度及用水量预测模型的预测精度。 选择恰当的方法将起到事半功倍的作用，趋势面以其独特的优势即寻 求管网反馈信息所包含的普遍规律，对局部异常能进行融合，使之对管网 信息的干扰降低，能真实的把管网运行的实时情况反映出来，再加上趋势 面有很强的图形生成能力，配合专门的软件，能把这些信息用鲜明的三维 图形显示出来，使管理者能直观的把握管网运行状况，为制定调度方案提 供第一手的信息资料，同时对趋势面的异常分析能及时发现管网是否发生 漏损。所以研究趋势面在管网中的应用有很强的实际意义。 1 2 供水企业管理模式 1 2 1 现状及现代企业管理模式 1 2 1 1 现状企业管理模式 ( 1 ) 供水企业管理要求 现状供水企业除了与一般的工厂企业相同的管理要求之外，还有其特 殊的管理要求，归纳起来主要有三点：系统性、预见性和规划性n 2 太原理工夫学硕士研究生学位论文 系统性 供水企业是产、供、销统一的流水线系统工程，某一个环节发生故障 或是薄弱，都会影响到供水服务质量，因此供水企业管理必须十分重视流 水线的系统性。任何个环节都会卡住自来水服务供应，所以应经济合理 地设置备用设备，同时加快系统故障反应能力。 预见性 供水企业要全面考虑社会效益、环境效益和企业效益，要提高供水可 靠性和服务质量，就要对供水区域范围内，人口增长速度、分布情况，工 业发展的结构类别、用水情况、地理分布等情况充分了解，精确预测，这 样才e 对供水企业各项建设提供科学依据，使给水系统建设及供水企业管 理和城市发展相适应。 规划眭 供水企业管理要有规划性，要配套协调，使各个环节都能充分发挥效 益。由于给水企业是流水线生产，每个环节相互衔接协调，主要是依靠给 水设备和监控管理设备等来生产运转的，而这些构筑物和设备投资大，施 工时期较长，必须及早定入计划，统筹兼顾，分期实施，这是供水企业管 理中很重要的一面。 ( 2 ) 供水企业经济分析 以对供水企业的管理有一个清楚的认识，使我们能够准确把握企业进 步的关键环节，协调发展，整体提高。 水价是供水企业投资利润率最敏感的因素之一【4 】，按照s t e v em a x w e l l 分析水价f 5 会持续上涨，供水企业要把握好水成本与水价的关系。提高 水压、改进水质、改善服务等行为势必增加供水成本，而供水企业必须通 过提高管理效率、降低水损耗率( 产销差) 、优化调度降低能耗等途径来 太原理工大学硕士研究生学位论文 降低水成本。在激烈的市场竞争中，供水企业只有在满足不断提高的供水 要求的前提下，最大限度地降低供水成本中的可降成本，实现成本与利润 的平衡，这样供水企业才能生存和发展。 ( 3 ) 管理的特点 根据企业管理的系统性、预见性、规划性要求，供水企业必须设立一 个高于各职能部门的机构，来实现企业的各职能部门的系统协调。打破现 有以条状分割机构设置来实现各自功能，而不是以功能要求来设置职能部 门。换句话说将由部门一功能的本末倒置，到正常的由功能一部门的合理 设置。 1 2 1 2 现代企业管理模式 现代企业管理把企业管理作为一个系统来研究的，企业管理是为了达 到组织的目标，针对管理对象，由具体特定管理职能、相互联系的各种管 理机构、管理制度、管理方法和技术等所构成的完整的组织管理体系f 6 l 【”。 从现代管理的角度看，企业管理是把人也作为结构成分的组织系统， 管理就是由一个人或更多的人协调他人的活动，以达到任何人单独行动无 法达到的目标。人既是现代供水企业管理的手段之一，也是管理对象之一， 同时也是服务的对象。因此，现代供水企业的管理必须重视人的因素。 在供水企业管理活动中，人具有巨大的能动性；在实施环节中，人的 活动往往是提供劳动力，而在计划、控制、管理过程中更多的是提供脑力 劳动；在服务过程中，除供应生产需要，主要是为居民服务。因而对管理 过程的分析研究，不能离开对人的思维活动、心理状态、人际关系、行为 习惯的考察分析。 根据现代管理系统理论，任何一个组织或企业都是一个复杂的系统， 对于这个系统的管理，必须从整体的观点出发，强调各子系统( 职能部门) 之间的相互协调，显然协调必须通过各部门之间的信息联系才能完成。因 4 太原理工火学硕士研究生学位论文 此，各部门之间的信息联系构成了组织系统的一个极为重要的“神经网”。 这个神经网起着保证各部门信息畅通，并协调各部门动作的作用。因此必 须从系统的观点对整个组织的数据资源进行合理的数据处理。 1 2 2 供水企业管理调度系统的组成和调度方式 1 2 2 1 管理调度系统的组成 按照供水企业服务对象的不同可大体分为两类： ( 1 ) 环境图 企业作为整体与外部进行业务往来，运用环境图来说明系统的外部实 体以及系统与这些舞部实体之闯的数据交换，即系统与外部实体之闻的接 口 曳x 。渗兰 。声源；蠢巴：! 竺兰：圣! 盖麓罢i 三善一苎协作亚硅 厂泵站f i 云高i i 手； 调度系统i = i 云：；_ 。! ! 鼢”早怔 一一瓷l f 摹剥遥釜 内部虫体 ：元件l ” 印 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 l ：磊r 藏1f 五f l 毋二专矿 i 零矮二二二季零渣 、 、 “、。一 、其它终端 图i - 2 供水企业管理调度系统零层图 f i g u r e l 2 t h ez e r ol a y e rf i g u r eo fm a n a g e m e n ta n ds c h e d u l es y s t e mo fw a t e r s u p p l ye n t e r p r i s e ( 2 ) 数据流程图 在供水企业内部各系统间进行信息交流，总体数据流程图( o v e r v i e w d a t af l o wd i a g r a m ) 描述了系统主要的子系统或功能，以及它们之间的相 互联系。 6 广， 矿j户 用一 太原理工大学硕士研究生学位论文 图1 - 3 生产调度系统数据流程图 f i g u r e l 3t h ed a t ef l o wc h a r to fp r o d u c i n gs c h e d u l es y s t e m 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 2 管理调度系统的调度方式 ( 1 1 概述 由上所述，管理调度系统就是根据外部反馈的信息来制定下一阶段的 系统运作机制，保障供水企业经济有效的运行，具体的管理调度系统分为 两类：企业管理调度系统与生产管理调度系统。 企业管理调度系统主要考虑的是供水企业作为一类生产运营单位如 何与市场以及其它单位协调运作，方式、方法大多运用的是管理学方面的 理论与经验。 生产管理调度系统是在供水企业内部进行技术管理，根据各个系统间 的相互影响，以反馈的信息为依据，运用先进的计算机技术，综合各方面 的因素，制定生产调度方案，使得城市供水系统顺畅的运转，调节供水系 统的各个组成部分使它们能和谐的为了共同的目的而工作，从而使有限的 资源发挥最大的功效。 f 2 ) 优化调度 优化调度的目的是确定每一时段各水厂配水量和配水压力的最佳组 合。由于各地的情况千差万别，优化调度计算数学模型的目标函数也不尽 相同，在我国管网优化管理调度- f 处于初步阶段，而目前在国外的一些城 市已基本上实现了供水系统的计算机优化调度管理，并编制了一些较通用 的管理调度软件m 1 9 】。根据本课题的研究内容属于生产管理调度系统。其 主要部分是管网的优化调度，从整体上柬院城市给水系统的优化调度就是 在保证安全、可靠、保质、保量的满足用户用水要求的前提下，根据管网 监测系统反馈的运行状态数据或科学的预测手段以确定水压及分布情况 运用趋势面分析方法，确定管网实时水压分布状况，进而制定一个使系统 总运行费用最省，可靠性最高的优化调度方案，从而确定系统中各类设备 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 的运行工况，获得满意的经济效益和社会效益。 传统优化调度方法可分为两个阶段。第一个阶段，离线调度阶段：这 个阶段的主要任务是确定今后一个调度周期内的调度方案。由于检测信息 的类型与调度所需的信息类型不同，因此本阶段的主要任务是将检测获得 的信息转化为调度所需信息，这就是管网的状态估计；本阶段的另一个任 务是短期需水量预测。由于检测点获得的信息是管网当前的运行状况，而 优化调度是确定以后一个周期内的调度方案，因此，必须进行需水量预测。 在以上任务的基础上，确定下一个调度周期内的调度方案。第二卜阶段， 在线调度阶段，该阶段的任务是以第一阶段离线调度中所确定的调度方案 为基础，确定当前某一时间区间中系统的调度方案。在这一阶段中，首先 确定管网所处的状态。如管网处于事故状态，首先确定事故发生的位置， 从而确定最优关阀方案和事故时的调度方案；如系统处于正常状态，则首 先判断当前系统的运行工况是否与第一阶段确定的工况一致，如果一致， 则第一阶段确定的方案直接投入运行；否则，修正原调度方案再投入运行 【1 0 】，【1 1 1 。 ( 3 ) 管网生产调度系统 供水系统优化调度主要由三部分组成，可表示如下1 1 2 1 ： f 年用水量预测 用水量预测 日用水量预测 【时用水量预测， 建立供水系统网络分析模斟蠢翌蓑篓 调度决策f 兰羹季蓑要萋 当前给水管网生产调度系统总体上由五部分组成：管网远程控制和监 测系统( 即s c a d a 系统与g i s 系统) 、管网水量预测、水力模拟、漏损 9 太原理工大学硕十研究生学位论文 控制、与事故分析。 s ( a d a 系统与g i s 系统 g i s 系统 g i s 系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 作为集计算 机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科 学及相关学科等为体的新兴边缘学科，近3 0 年来迅速兴起。g i s 将计 算机技术和空间地理分布数据相结合，通过系统建立、空间操作与模型分 析，为地球科学、环境科学和工程设计、乃至企业管理等方面的规划、管 理和决策提供有用的信息 目前，g i s 在国内供水系统中的应用集中在输配水管网的日常管理中， 如上海、深圳、唐山等城市。天津大学环境工程系通过建立城市供水管网 管理系统，实现了供水管网图形数据和属性数据的计算机录入、修改：对 管线及各种设施进行属性查询、空徊j 定位以及定性、定量的统计、分析： 对各类图形( 包括管线的横断面图和纵断面图) 及统计分析报表显示和输 出；除此之外，还为爆管、漏水事故的抢修、维修提供关闸方寨及相关信 息，从而基本实现了供水管网的信息化管理。通过g i s 的集成，使管网图 形库、属性数据库及外部数据库融为一体，不仅图文并茂、准确高效，而 且易于动态更新，从而大大提高了管网管理工作的效率和质量 1 3 】。 当然，g i s 应用于供水系统所产生的功效还远不止于此。就g 1 s 本身 而言，对空间数据的管理只是最基本的功能，而更深刻的内涵在于g i s 的 空间分析、模型分析所产生的信息，能够对自然过程或决策方案进行模 拟和趋势预测，以便从中选择最优方案，避免管理和决策的失误【1 4 1 ，【1 5 j 。 因此，g i s 在供水系统中的应用，就不能仅仅作为一个图形库和数据 库只是停留在管网日常管理的水平上，还应该利用g i s 分析、模拟与预 测的强大功能，与专业理论、方法相结合，进行深度丌发，为管网规划设 1 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 计、建设施工、各种运行状态下的优化调度以及事故抢修等提供决策支持。 s c a d a 系统1 1 6 】 计算机自动化s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 技 术又称计算机四遥( 遥测、遥控、遥信、遥调) 技术，在给排水行业得到广 泛的应用，取得了良好的经济效益与社会效益，已形成了造福社会的产业 规模。s c a d a 技术建立在3 c + s ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n t r o l 、 s e n s o r ) 基础上。它可以对远程现场的运行设备进行监视和控制，以实现 远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。 在目前国内所应用的供水调度系统中，使用s c a d a 系统所有功能的不多， 绝大部分使用其中的遥测( 模拟量采集1 和遥信( 数字量采集) 功能，少部 分实现了遥控( 数字量控制) 。至于遥调( 模拟量调节) ，目前在国内供水行 业很少应用。但目前应用成熟的主要是测压、余氯检测，然后是管网模拟， 其它仍在研究阶段【1 7 】。 当前s c a d a 系统组成【1 8 】 目前，国内供水调度的s c a d a 系统一般由二级调度中心台和若干执 行端站( 测站) 组成。尽管根据系统规模大小不同有所区别，但其典型结 构基本相同，如图1 4 所示： 图卜4 当前s c a d a 系统典型结构 f i g u r e l 4t h et r a d i t i o n a lc o n f i g u r a t i o no ft h es c a d as y s t e m 太原理工大学硕士研究生学位论文 中心调度台( 主站) 主站一般为p c 机组成，结构形式有p c 单机、p c 双机，前置机加后 台机、n o v e l l 网络等。主站加装能在w i n d o w s 操作系统运行的中心台软件， 软件一般具有以下功能： 1 数据遥测功能：定时巡测、随机点测、分组召测、设置定时时间间隔； 【2 遥控、遥信功能：控制电机的丌停、阀门的启闭：遥信各控点的开关状 况； 【3 具有基于优先级别的任务调度功能，事故、越限报警。 此外，还有系统组态、数据库管理、报表及图形曲线显示等功能。 主站主要负责采集各二级分中心及测站的信息，向二级分中心和测站发送 命令，对数据进行处理等。 二级调度中心台 二级调度中心台( 二级分中心) 的设置是按照用户的实际情况而定。 它具有中心调度端的基本功能，往下可以在自己的子网内进行调度管理， 往上可与上一级网络进行通讯( 例如：接受主站命令、向主站发送数据等) 。 它主要负责本级网络内数据的采集和处理。 测站 由终端处理机、无线数传电台、直流稳压电源、天线、一次仪表等组 成。主要将一次仪表数据传送到主站。 无线组网技术 通讯网是s c a d a 系统的传输媒介，它把中心台计算机的命令准确传 送给远端执行端站( 或测站) ，并把远端执行端站( 或测站) 数据无偏差 地传送回中心台。s c a d a 通讯网可采用无线通讯网、公用g s m 无线通讯 网、公用有线拨号网、d d n 专线网等。 目前，绝大多数供水调度s c a d a 系统采用专用的无线通讯网。通讯 1 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 网络主要由数传电台、天线、电缆、电源组成。数传电台是网络通讯的核 心，工作频段一般为2 3 0 m h z 1 1 。主站和各远端执行端站( 或测站) 的通 讯主要由数传电台取执行，因此数传电台的数传速率是影响s c a d a 通讯 网络通讯速度的重要因素。 s c a d a 技术是成功应用于供水管理的一项成熟技术，在实际供水管 网监控的过程中，主要是考虑如何用最少的监控点，最完美的控制系统， 即找到经济与技术的最佳平衡点。 水量预测 实现了管网远程控制与监测，即可给据管网检测的数据来进行用水量 预铡【1 9 】。 用水量预测属于优化调度的前期工作，也是进行供水系统优化调度的 基础和前提，它的准确度直接影响到它的可靠性及实用性。 用水量预测从时间上来看：可分为中长期预测和短期预测。常用的预 测方法有两类：一类是因果解释性预测方法，即假定用水量与另外几个独立 的影响因素之间的因果关系，从而建立起预测变量与影响因素之间的关系 模型；另一类为历史数据法，它只依赖于被预测量的历史观测数据及观测模 式，通过序列分析我出其j 颐序变化规律并外推出未来的值。 用水量预测从空间上来看主要有：总用水量预测与节点用水量预测。 前者是指预测供水系统内每时或每日用户的总用水量，该类预测采用的算 法较多，主要是为供水系统优化调度的宏观模型服务的；传统的节点流量 的计算是根据管段的沿线流量来计算节点流量，它忽略了沿线供水人数和 用水量的差别，计算的节点流量很难真实地反映实际的用水量，本文提出是 指根据系统内各用户的特点及以前观测所得数据，来预测分配到各用户节 点的用水量，它主要是为微观模型服务的1 2 0 】。 表2 1 列出了几种主要的预测方法，在现有众多的模型方法中，根据 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 时间序列的数据特征，选择实际实际预泓方法是豆前最先进的总水量预铡 方法【2 1 】。 节点流量由大量户、小量户以及漏失量三部分组成。大量户是整个管 网中比较确定的量，根据其位置以及实测得到的变化曲线计算而成：小量 户按权值分配到整个管网；漏失部分考虑管径、铺设年代、压力等因素按 不同权值计算。节点流量的计算是基于大量的现场实测数据、大用户现场 读表数据和用户每月读表抄见数数据库f 2 2 】，具体参考图1 5 。通过大量用 户用水数据建立分类用水模式曲线，预测节点水量。 1 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 表卜1 主要的预测方法 t a b l e l - 1t h em a i nf o f e e a s tm e t h o d s 方法名称 主要原理特点 指数平滑 对过去数据进行非线性平滑，而用于非线性变化情况，有 法后进行预测。 一定的计算量。 移动平均 根据一定范围 i = | 的历史数据加简便易行，可用于摆动情 法权平均值来预测近期发展。 况，不适于中长期。 趋 自回归预 由自身过去观测值的线性组台不受模型“相互独立”假 势 测法 来预测近期的发展。定条件的约束。 外 季节数法 用消去季节波动后的数据估计对具有季节性周期波动的 推 预 基本趋势方程，建立预测模型。时间序列，精度较高。 趋势法 利用指数增长曲线对历史数据简便易行，但适用范围窄， 测 法 进行拟台，而后进行预测。长期预测效果差。 灰色预测利用灰色系统原理对数据进行理论较复杂，精度较好， 法 处理，建立灰色模型进行预测。但适用范围窄。 马尔可夫确定变化趋势后，利用马尔可 可用于振荡情况及短期预 法 夫链对过去偏差情况进行整测，但结果不太稳定，偏 理，而后确定未来具体变化值。差较大。 回归预测 选取若干影响因素建立回归可用于中长期预测，但因 法 方程进行预测。素不宣过多且难以确定。 结 弹性系数利j _ h 工业用水量变化与产值变只用于工业结构较稳定的 构 法化之间的关系来进行预测。工业用水量预测。 分 指标下降 利朋单位需水指标未来发展的简单方便，但只能用于结 析 法 具体要求进行预测。构稳定的短划预测。 法 系统动力利用系统动态分折，掌握系统考虑因素不限制，借助计 学方法 内部反馈机制，借以进行系统算机可用丁中艮期预测。 整体水平的预测。 太原理工大学硕士研究生学位论文 埔卜悔 水表川术修址硅投馘冉 住地，f 三i 冬li j 划定轴点供水k 域墙抖 ，i j 窟协义尢甩t5 产0 0 ”，il 竺! ! 掣! 查竺j 【! 三堡专竺堕曼il 厂i 五茹i j i 埘朋木敏5o o o t h 的，h p 州矗j | 尤计tj f j 求| | 幕辅片lj ：* t 魁蜥诜知蛮测 弹太i i p m 承授a f 蟪 t 广i 扩 m 哦埘 一班t1 1 奠骈i l i 斑f 作制j | l 牛1 制p t l r i | 作制 i 户 1 一_ r 一r i l 冲锋一、：。i 班鲥， 束幔a 曲列 t _ 广一 i ：紧点装鬻崔| li 嚣点袭鬣掣l 堆朋求t 节点l 广l _ 一 水嵌教臼r t i 所li 脑鹏， j 产 有水柽百分藏ii 节点讯精 丹雉划铘竹点lif = r 一 b 熏芽 ：班：c 忭捌m li 屯 慨埘木ll j 1 竹点谴鞋lj 甘a 漉叠e li 雕j 赶rm 个川木垃耵电的抽m 城艟赦擗雕 图i - 5 节点水量计算方法圈 f i g u r e l 5t h ec a l c u l a t i o nm e t h o df i g u r eo fn o d ef l u x 水力模拟 在供水综合管理调度信息系统中，供水管网的水力模拟处在一个菲常 关键的位置，是整个系统的“核心”所在。水力模拟主要包括三部分的内 容：模型建立、模型应用、模型完善。 建立给水管网系统建模是自来水公司实现科学管理、提高效益、提高 服务水平的重要手段。对于城市给水管网系统这么一个结构复杂、规模庞 大、用水随机性强、运行控制为多目标的网络系统，欲实现科学管理，必 须建立管网模型，仿真管网的实际运行工况。国外在管网建模方面起步于 6 0 年代，8 0 年代随着计算机及相应技术的发展、遥测远传设备的应用， 进入了实用化阶段，而国内目前仅在个别城市实现。管网建模包括宏观模 型、微观模型、简化模型和集结模型，应根据不同使用目的，采用不同的 模型。 给水管网的水力模型之所以受到人们的广泛重视，就因为它具有极大 的应用价值。首先，通过建立管网的水力模型，对现有管网的运行状态做 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 出正确评价，提出今后一年或几年的管网改造计划，便于给水工程的投资 管理；其次，通过对管网的分析计算，核定各水厂的布局合理性；第三， 结合给水系统优化调度模型的建立；对各水厂的出水流量、出水压力进行 合理调配，以满足管网的需要；第四，在供水系统发生重大事故时，利用 管网水力模型对配水管网运行状态的模拟，分析事故时管网中存在的供水 问题，以便采取合理的调度策略，尽可能减少事故的影响范围。因此，建立 一个实际运行的管网水力模型、分析管网运行状态、预测各类操作对供水 管网运行状况的影响，是十分必要的。 目前，管网的建模理论不断发展和完善，但已有水力模拟的软件对管 网进行实时模拟及其有效性还有一定的差距，本文将引入一种分析方法趋 势面法，探讨其在管网中的作用。 漏损控制 城市供水管网在运行一段时间之后，不可避免的会产生漏损，造成供 水企业的经济损失，甚至引发严重的社会问题。而城市供水管网漏损控制 是一项复杂的系统工程，如何有效地控制供水管网漏损，节省大量宝贵的 水资源，已成为一项非常重要的研究课题。 城市供水管网漏损控制，按控制作用发生在管道漏损的前后而分为事 前控制和事后控制两种。城市供水管网漏损事前控制是根据供水管网系统 ( 受控系统) 的干扰因素及系统的变化规律，预测干扰因素和受控系统的 变化趋势，提前采取控制的措施，避免可能出现的系统偏差。因而城市供 水管网的漏损控制是主动的漏损控制，同时由于管网的漏损受到外界诸多 随机因素的影响干扰，所以决定了供水管道漏损的事前控制往往具有综合 性、概括性强而具体应用性、精度差的特点。 城市供水管网漏损的事后控制是根据系统的漏损信息，调整改变供水 管网，减少和消除系统的漏损。使供水管网的运行保持在一个允许的系统 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 镳差范围内，提高管网运行过程中的稳定性。因漏损在前、控制在后，所 以浚种类型的控制是被动的控制，由于事后控制的各种手段应用和发展时 间比较长，故具有精度相对高的特点。 由于城市供水管网漏损的事前控制和事后控制具有各自的优缺点，且 能够形成互补，所以我们考虑将二者有机的结合起来，各取所长。即在实 际的供水管网漏损控制中，采取事前控制与事后控制相结合的思路，采取