（模式识别与智能系统专业论文）某高校给水管网优化调试研究.pdf

士学 主席： 影：i i 委员： 蟛3 批咐、它勘哪鼍群胆岛， 幺绫钒砂天亭 葛，罐已饨2 a 埘 一导煨彳铆钥吃 别彖箍一 吕7 报扳 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金旦曼至些态堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：董永锣签字日期：加【f 年年月7 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒目墨王些盔 生l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 俐哩 签字日期：知c f 年年月刀日 学位论文作者毕业后去向： 工作靴唇惭删7 话1 p 屯 通讯地址： 电话：，岁7 多l - 。岁坪3 厂 邮编： 中日 ，乖7 童和 名 年 签 者 沙 睹 劢 文 期 淦 日 位 字 学 签 某高校给水管网优化调度研究 摘要 随着高校发展，高校给水管网的规模也在不断扩大，供水能量费用越来越 多，对高校给水管网进行优化调度研究具有重要意义。 简述了给水管网优化调度的国内外研究现状。针对给水管网存在供水压力 不均、管网漏损量大和爆管几率高等问题，结合合肥工业大学南校区给水管网 现状，论述了南校区给水管网优化调度研究的必要性。 分析南校区用水量变化规律的特征及其影响因素，建立了二次曲线指数平 滑模型和季节性指数平滑模型预测南校区用水量，通过分析预测结果，比较两 个模型的预测精度并进行优选，确定了利用季节性指数平滑模型进行南校区时 用水量预测。 ， 给水管网模型是给水管网优化调度决策计算中的重要环节。通过研究给水 管网的建模方法，根据南校区给水管网基础资料，建立了符合南校区给水管网 工况的管网模型，将管网中节点的水压、泵站流量和压力联系起来，建立了它 们之间的定量关系，为下一步的优化调度提供了必要的约束条件。 在研究优化调度时，结合南校区给水管网供水现状和特点，以加压泵站电 能费用最小为目标，以满足用户对水量、水压要求为约束条件，建立了南校区 给水管网的直接优化调度模型。利用动态规划法进行求解，编制了给水管网优 化调度计算程序，经计算确定了一天不同时段的优化调度方案，与实际经验调 度方案相比，优化方案降低了泵站运行电能费用，节能效果明显。 关键词：给水管网优化调度用水量预测动态规划 s t u d yo i lo p t i m a ld i s p a t c ho f w a t e r s u p p l ys y s t e mi na un i v e r s l t v a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu n i v e r s i t i e s ，t h es c a l eo fw a t e rs u p p l ys y s t e m 1 s e n l a r g e da n dt h ec o s t o fw a t e rs u p p l yi si n c r e a s e dc o n s t a n t l y s t u d yo no p t i m a l d i s p a t c ho fw a t e rs u p p l ys y s t e mi nau n i v e r s i t yi si m p o r t a n t t h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u si s d i s c u s s e da tf i r s t i na c c o r d a n c ew i t hw a t e r s u p p l ys y s t e mt ot h eu n e v e nw a t e rp r e s s u r e ，l a r g ep i p e l i n el e a k a g e ，h i g hp r o b a b i l i t y o fp i p e sb u r s ta n dt h es t a t u so f t h es o u t hc a m p u so fh e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ， t h en e c e s s i t yt os t u d yo p t i m a ld i s p a t c ho fw a t e rs u p p l ys y s t e mi ns o u t hc a m p u s 1 s d i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c a n df a c t o r so fw a t e rc o n s u m p t i o n ， t h em o d e lo fq u a d r a t i ce x p o n e n t i a ls m o o t h i n g a n dt h em o d e lo fs e a s o n a l e x p o n e n t i a ls m o o t h i n ga r ee s t a b l i s h e di nw a t e rc o n s u m p t i o np r e d ic t i o no ft h es o u t h c a m p u s b ya n a l y z i n gt h ep r e d i c t e dr e s u l t sa n dc o m p a r i n gt h ep r e d i c t i o na c c u r a c y o ft w om o d e l s ，t h em o d e lo fs e a s o n a le x p o n e n t i a ls m o o t h i n gi s i d e n t i f i e dt ou s ei n w a t e rh o u r l yc o n s u m p t i o np r e d i c t i o n t h em o d e lo fw a t e rs u p p l ys y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti no p t i m a ld i s p a t c h a c c o r d i n gt ot h eb a s i ci n f o r m a t i o no fw a t e rs u p p l ys y s t e mi n s o u t hc a m p u s t n e m o d e lo fw a t e rs u p p l ys y s t e mi ns o u t hc a m p u si s f o u n d e db ys t u d y i n gt h ew a t e r s u p p l yn e t w o r km o d e l i n ga p p r o a c h t h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n1 ss e t u pa m o n g p o i n t s ，p r e s s u r e ，f l o wa n dp r e s s u r e f r o mp u m ps t a t i o n s ，p r o v i d i n gn e c e s s a r y r e s t r i c t i v ec o n d i t i o nf o rt h ef o l l o w i n go p t i m a ld i s p a t c h i na c c o r d a n c ew i t ht h es t a t u sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o fw a t e rs u p p l y i nt h e s o u t hc a m p u s ，c h o o s i n gm i n i m u me l e c t r i c a le n e r g yc o s to fp u m p i n gs t a t i o n s a st h e o b je c t i v ef u n c t i o n ，c o m b i n i n gw i t hr e q u i r e m e n t so ft h e f l o wa n dp r e s s u r e ，t h e o p t i m a ld i s p a t c hm o d e li s c o n s t r u c t e da n ds o l v e db yt h em e t h o do fd y n a m i c p r o g r a m m i n g ap r o g r a m i sd e s i g n e dt or e s o l v et h em o d e l ，a n dt h eo p t i m a ld i s p a t c h s c h e m ei nd i f f e r e n tt i m eo fad a yi s o b t a i n e db yc a l c u l a t i o n c o m p a r i n gw i t h s c h e d u l i n go fp r a c t i c a le x p e r i e n c e ，t h ee l e c t r i c a l e n e r g yc o s to fp u m ps t a t i o n s 1 s l o w e d - a f t e ro p t i m a ld i s p a t c ha n di th a ss i g n i f i c a n te n e r g ys a v i n g s k e y w o r d s ：w a t e r s u p p l ys y s t e m ；o p t i m a l d is p a t c h ；w a t e rd e m a n d f o r c a s t i n g ；d y n a m i cp r o g r a m m i n g 本文是在导师徐得潜教授悉 间，徐老师给了我很大的帮助，为 博学和严谨的治学态度以及平易近 的学习、工作和生活中受益终生。 真诚的感谢在我研究生阶段 师、同学和朋友。 感谢我勤劳的父母，感谢他 2 0 11 年0 4 月2 0 日 3 4 2 预测结果2 5 第四章南校区给水管网模型2 7 4 1 给水管网模型概述2 7 4 2 南校区给水管网模型2 8 4 2 1 基础资料2 8 4 2 2 南校区给水管网模型3 7 第五章南校区给水管网优化调度4 3 5 1 优化调度模型概述4 3 5 2 南校区优化调度模型4 3 5 3 南校区给水管网优化调度4 6 5 3 1 基础资料4 6 5 3 2 优化调度结果与分析4 7 5 3 3 优化调度的实际效益分析4 9 第六章结论与展望5 2 6 1 结论5 2 6 2 展望b z 参考文献b 4 图1 1 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图5 1 图5 2 图5 3 动态规划序列系统图4 5 控制点1 经验方案与优化方案的压力比较4 9 控制点2 经验方案与优化方案的压力比较4 9 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表3 1 表3 2 表3 3 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 - 6 表4 7 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 南校区4 月4 - 6 日时用水量统计表2 4 南校区4 月7 日时用水量预测结果2 5 南校区管网节点编号及节点高程3 0 南校区各节点平均时流量3 1 南校区管网管段编号、管长和管径3 3 i sl0 0 6 5 2 0 0 水泵的流量与水压关系3 4 i s10 0 6 5 2 0 0 水泵的流量与效率关系3 4 k q w h l2 5 2 0 0 a 3 0 2 水泵的流量与效率关系3 5 k q w h l2 5 2 0 0 a 一3 0 2 水泵的流量与效率关系3 5 电机效率表4 6 各时段泵站最优开泵方案及电能费用4 8 优化方案与经验调度方案的电能费用对比4 8 日用水量低于7 0 0 0m 3 的泵站开泵方案5 0 日用水量为7 0 0 0 - 8 5 0 0m 3 的泵站开泵方案5 0 日用水量为8 5 0 0 m 3 以上的泵站开泵方案5 1 第一章绪论 1 1选题背景与意义 高等院校集教学、科研和生活于一体，是城市用水、能源消耗的大户。近 年来，我国教育事业发展迅速，高校在校学生和教职工人数逐年增加，用水量 也在逐年上升，其给水系统的规模越来越大，构造与设施也越来越复杂，这样 就使调度管理趋于复杂，经验调度的管理方法已不能适应发展的需要，因而， 实现管理现代化、决策科学化越来越成为一个迫切需要解决的问题。 合肥工业大学是一所教育部直属的全国重点大学，是国家“2 1l 工程 重 点建设高校。学校南校区坐落在合肥市包河区南部，现有在校学生和教职工 2 3 0 0 0 余人。2 0 0 9 年用水量超过2 8 9 万m 3 ，用水费用约6 2 2 万元，加压泵站运 行电能费用为2 1 万余元。由于缺乏合理科学的调度，南校区给水管网部分区域 水压过高，以致管网漏损水量严重，管段爆裂几率较高，如2 0 0 9 年本科宿舍片 区发生两次以上管段爆裂。对南校区给水系统进行优化调度的研究，不仅可实 现降低供水能源费用，而且可减少不必要的管网漏损水量，对降低办学成本， 建设节约型校园具有重要意义。 1 2给水管网优化调度的研究现状 给水系统的优化调度是在保证用户用水要求的前提下，根据管网监测或在 线预测的用水量及其分布情况，运用优化技术，研究制定系统总运行费用最小 的优化调度方案，从而确定系统中各类设备的运行工况，获得较好的经济效益 和社会效益。 给水管网优化调度主要由以下三个部分组成： 直接优化调度 二级优化调度 图1 - 1给水管网优化调度的组成 1 2 1用水量预测 进行用水量预测研究，准确地分析研究用水量的变化，建立正确合理的数 学模型，对于有效利用水资源具有非常重要的意义。用水量预测是给水管网优 化运行调度的基础和前提，它的准确度将影响到调度运行的可靠性及实用性。 国外给水管网用水量预测研究起步于2 0 世纪5 0 年代，如英国的l e o n i d s h v a r s t e l ，m o r d e c h a if e l d r m a n 等人建立了模式识别模型进行短期用水量预测， 广jl 型模 型 度 模 调 析 化 测 分 优 预 网 网 量 管 管 水 水 水 用 给 给 厂ii、l 应用于马德里等城市生活用水量的预测；澳大利亚的s l z h o u ，t a m c m a h o n ， a w a l t o n j l e w i st 1 2 】等建立了时间序列预测方法用于m e l b o u r n e 的短期用水量 预测；m a y 3 】等建立了用水量的对数和半对数回归模型，该模型在美国t e x a s 州用水量预测中，获得了满意的效果；b r e k k e ，l e v i 4 1 等人用逐步回归法进行用 水量预测，它比用重回归分析法建立模型所需时间短；j a i n ，a s h u ，o r m s b e e ， l i n d e l l e 【5 1 等对八种模型分别进行了评价，对短期用水量进行了预测并进行了 测试、检验；d d a ya n dc h o w e 6 j 分析了对用水量产生影响的因素，并对短期 用水量进行了预测；g i s t a u l 7 1 , l e o n i ds h v a r s t e l ，u r i s h a m i ra n dm o r d e c h a i f e l d m a n 8 】等学者对时用水量预测模型作了大量的实践研究工作。 国内大批专家学者将许多预测方法应用于用水量预测中，如张雅君、刘全 胜、冯翠敏【1 0 】从多元回归分析的特点出发，探讨生活用水量的影响因素，并对 选定的影响因素进行回归分析，确定了多元线性回归预测模型。陶建科、信昆 仑、刘遂庆【1 1 】阐述了研究区域时总用水量数据整理、时总用水量预测、制作用 水模式曲线、节点流量预测值计算，建立了给水管网微观模型中节点流量在线 预测计算方法，并在实践中加以验证。刘洪波、张宏伟、田林【l 驯根据城市时段 用水量序列的季节性、趋势性及随机扰动性等特点，利用人工神经网络( a n n ) 法建立了短期用水量预测模型，并对某市时用水量进行了预测，得出该方法具 有预测误差小和计算速度快的特点。何文杰、赵洪宾、韩宏大i l3 j 通过对时间序 列分析方法的研究总结，提出了以季节性指数平滑法对用水量进行预测模拟。 建立了用水量预测模型，并应用于天津市用水量的预测。经预测残差和自相关 分析，证明该预测模型可以满足工程需要。 1 2 2 给水管网模型 给水管网系统是一个拓扑结构复杂、规模庞大、用水变化随机性强、运行 控制为多目标的网络系统。建立与实际给水管网的宏观特征相吻合的工况模型 是实现给水管网优化运行的先决条件和保证。2 0 世纪8 0 年代在计算机技术飞 速发展的推动下，英国在给水管网建模与应用方面做了大量的工作，并提出了 建模的标准。我国也在8 0 年代末着力开展了建模理论与实践的研究。 1 9 7 5 年美国的r o b e r t 最早提出了给水管网的宏观模型，基本上奠定了给水 管网宏观模型的框架。19 8 6 年陈跃春提出了时段比例负荷的概念，就此建立了 时段内宏观模型。l9 8 8 年王训俭等提出了非比例负荷的给水管网宏观模型。 l9 9 2 年，赵新华等人提出了等效网络模型，在实际管网中取少量的测压点与泵 站构成一个筒佬网络，根据个点之间的传递特性，建立宏观模型。此外国内外 许多学者致力于管网宏观模型的研究，如国外的o r m s b e e ，t a r q u i n ，d o w d y 1 4 】 及国内的孙伟、赵洪宾5 ，1 6j 等。 给水管网微观模型是在考虑管网拓扑关系及管网各因素间的水力关系基础 上建立的管网仿真模拟模型，该模型最大优点是它描述了整个管网系统内部的 2 运行工作状态，直观性强，对系统的变化适应性较强，便于指导给水系统的管 理。国外的d h a r o l d ，g i l m a n ，m a u r i c e ，u s h a m i r l l7 ，博j 等人在进行管网优化设 计和调度研究中，建立了管网的微观模型。赵洪宾、周建华l l 州( 2 0 0 2 ) 以天津 市给水管网系统建模为例，详细地阐述了给水管网系统微观模型建立的理论与 方法。周克梅、陶建科、刘遂庆1 2 0 】( 2 0 0 3 ) 在给水管网优化调度研究中，提出 了给水管网微观模型优化调度方法，并在给水管网运行调度中得到了验证。俞 国平、刘静( 2 0 0 4 ) 2 1 】在给水管网优化调度中，建立了管网微观模型，其计算 结果达到令人满意的结果。 1 2 3给水管网优化调度 l国内外高校给水管网优化调度研究现状 与城市给水管网相比，高校给水管网系统具有规模小，管道直径小；用水 不均匀，昼夜用水量变化大，时变化系数大；给水设备运行效率低，能量浪费 严重等特点。 由于高校给水管网的特殊性，国内外在高校给水管网优化调度方面的研究 还是一个空白。高校管网系统技术力量的配备特别是调度部门相对薄弱，甚至 有些高校给水管网系统无专门调度机构，无专业调度管理人员，更谈不上采用 计算机监控系统进行优化调度，其给水管网的调度管理基本凭人工经验，调度 水平较低。 2国内外城市给水管网优化调度研究现状 国外城市给水管网优化调度研究起步于2 0 世纪6 0 年代，一些发达国家开 始以计算机作为给水管网系统辅助调度管理的探索，如美国的费城、丹佛及加 拿大的多伦多等城市，7 0 年代进入实用性研究阶段，8 0 年代以后开始了在线调 度的研究，就是采用遥测设备将管网中控制点压力、水厂出厂压力、出厂流量、 水位、功率及温度等实际运行参数自动适时地传送到中心调度室，并对超常现 象作出自动报警，以此作为控制人员实际操作的依据。英国的f f a l l s i d e ， p f p e r r y 和b c o h e n l 2 2 】等人，日本的m t u s k i y a m a 和t f u k n d a t 2 3j 等人及美国的 h s r a o 2 4 】等人在优化调度方面做了大量的研究工作。目前在美国、英国、日 本和法国等地的一些城市己基本实现了供水系统的计算机优化调度管理，并编 制了一些较通用的计算机优化调度管理软件，如美国的o p w a d 等。 v i l a sn i t iv a t t a n a n o ne ta l l 2 5 1 ( 1 9 9 6 ) 考虑水泵开启次数的约束，建立了以泵 站运行电费为目标函数的优化调度模型。建立长期优化模型、短期优化模型和 水泵组合分析的优化结构。长期优化模型优化目标函数中的功率，以一个月为 周期，短期优化模型优化水泵最佳出水流量，以一天为一个调度周期。 pj o w i t t ，gg e r m a n o p o u l o s l 2 纠( 1 9 9 2 ) 以满足用户对水量、水压的要求为约 束条件，选取加压泵站电能费用为目标函数，建立了给水管网优化调度模型， 应用动态规划法求解，计算得到水泵最佳出水流量。 c h a s ea n do r m s b e e 2 7 】( 19 8 9 ) 用 用非线性规划求解，应用微分方法 件，可能导致无解存在，且计算耗 o r m s b e e 2 8 】f 1 9 8 9 ) 建立了二级 为决策变量，利用动态规划法求解 寻求各泵站的水泵优化组合方案。 g m a c k l ea n dd a s a v i c ( 19 9 型进行求解计算。遗传算法对求解含各种不同约束条件且目标函数复杂的最优 化问题十分有利。作者应用二进制编码和适应度排列技术对含有四个水泵、单 蓄水池的简单供水系统进行了优化调度研究。 g o l d m a n ( 1 9 9 8 ) 和s a k a r y ae ta l t 2 9 ( 2 0 0 0 ) 在给水管网优化调度研究中考虑水 质约束条件，应用模拟退火算法，并结合e p a n e t 模拟软件对给水泵站运行调 度进行了优化。 国内的许多专家和学者从7 0 年代起，开始尝试将计算机技术应用于城市供 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，编制了一些相应的软件，如w n w 等，并 在大庆、深圳、广州、郑州等地开始应用。但由于国内设备条件和技术手段的 限制，能在供水的可靠性和经济性方面都较成功的实例很少，但随着科技水平 的发展及人类对供水要求的不断提高，建立给水管网的优化调度程序是供水行 业发展的必然趋势。 钟伟俊等3 0 l ( 19 9 0 ) 提出了分解协调算法求解给水管网优化调度模型，并应 用于含水池和水塔的给水系统，但该算法仅适用于简单给水系统。 王增义、张宏伟1 3 1 , 3 2 1 ( 1 9 9 1 ) 在给定泵站流量、水头情况下，研究了给水泵 站内最优开泵方案，应用约束非线性混合离散变量方法( m o o d ) 进行求解。吴 学伟3 3 ，3 4 ( 1 9 9 5 ) 以测压点压力宏观模型为基础建立了直接优化调度模型，采用 约束非线性混合离散变量方法进行求解。由于文中没有将泵站和管网结合考虑， 其计算结果不能满足实际管网用水量需求。 赵新华( 1 9 9 2 ) 、孙伟和赵洪宾f 3 5 。7 1 ( 1 9 9 3 ) 根据我国给水管网现状，将一天 划分为若干个时段，建立时段内宏观工况模型，在此基础上建立了管网优化调 度模型，确定了泵站内水泵的最优开停方案。 刘敏南3 8 1 ( 19 9 5 ) 建立了两级优化调度模型，第一级采用广义简约梯度法寻 求各泵站最佳出水流量和供水压力；第二级是在一级优化的基础上，用整数规 划法确定泵站内开启水泵的型号、台数及转速。 武福平1 3 9 1 ( 19 9 5 ) 对二级优化调度模型进行了研究，第一级优化采用约束函 数双降法( s c d d ) 寻求加压泵站的最优出水流量和供水压力，第二级优化采用枚 举法确定使运行电能费用最省的最优开泵方案。 4 郑爽英【4 0 1 ( 19 9 7 ) 以管网测压点宏观状态模型为基础建立了两级优化调度 模型。第级，以满足用户对水量、水压要求为约束条件，寻求使总费用最小 的水厂出水流量和供水压力，第二级，以满足水厂的供水量和压力为约束条件， 确定使电耗最小的水泵最优开启方案。 吕谋、赵洪宾 4 1 , 4 2 1 ( 2 0 0 0 ) 在给水管网优化调度研究中，提出了对不同的给 水泵站采取不同的求解方法。针对定速泵调节余地小，运行策略有限，选择采 用一次寻优求解，就可得到可行满意解；对于存在调速泵的给水管网，采用分 级寻优求解，可简化数学模型和求解难度。 田一梅、李江涛等【4 副( 2 0 0 1 ) 建立了给水系统直接优化调度模型，通过对连 续或离散混合变量进行编码，提出了采用遗传算法进行求解。 杨芳、张宏伟等【2 4 1 ( 2 0 0 2 ) 建立了节水状态下的城市给水系统优化调度模型， 并采用混合离散变量组合型算法寻优求解。 郑大琼、王念慎等【4 副( 2 0 0 3 ) 将两级递阶优化原理运用到多水源的给水管网 优化调度中，第一级以耗电量最小为目标，以满足管网用户对水量、水压的需 要为约束，确定各泵站的最优供水流量和供水压力。第二级确定泵站内各型号 泵的开停数量、组合方式和调速泵的调速因子。然后反复协调两级优化过程， 以逼近最优解或次优解。 1 2 4存在问题 由于国内设备和技术手段的限制，即满足供水的可靠性要求又降低经济运 行费用的实例较少，目前国内给水管网调度应注意以下几方面问题： 以往国内大多以宏观模型为基础建立给水管网优化调度模型。其原因： 一是由于管网系统的复杂性，基础数据难以收集全面或准确度不够，对于建立 准确的线性函数关系式比较困难，二是由于先前计算机计算速度较慢，优化调 度决策时间较长，导致难以实现在线调度。给水管网宏观模型建立在数据统计 与分析基础上，在计算精度、可信度以及对实际工况发生变化的适应性方面， 越来越难以满足供水安全、可靠和经济的要求。 用水量预测结果会直接影响到调度决策方案的正确性。在用水量预测方 面存在的主要问题有：一是由于给水管网系统用水量变化影响因素多，时间序 列法可以满足在线预测的要求，但难以满足离线对未来用水量的预测要求，因 此需进行数据相关性分析，研究适用于当地用水变化的复合预测模型。二是在 监测系统对原始数据进行采集过程中，由于监测或传感设备的误差，造成了原 始数据样本缺乏准确性，因此，必须进行原始监测数据误差分析，去除不合理 的原始数据，以提高用水量的预测精度。 大多数给水管网一般以水泵的运行状态作为调度的决策变量。实际运行 中，水泵由于磨损或技术改造等各种原因，其特性曲线发生变化，调度时必须 采用水泵的实际工作特性。 1 2 5发展趋势 对各种优化调度算法的改进和发展，即提高理论可行性，成为目前国内外 的大批专家学者的研究重点。虽然国外发达国家在给水系统优化调度方面已有 较为成功的例子，但优化调度方法的应用推广仍受到许多制约，其实用性存在 定的局限，尤其在中国，因而，其研究发展的潜力是十分远大的，主要有以 下几个发展趋势： 在很大程度上，给水系统优化调度的应用依赖于管网监测设备及数据采 集水平的提高、用水量预测模型的预测精度和相关软件的普及程度。因此，地 理信息系统( g i s ) 和数据采集与监控系统( s c a d a ) 在给水管网优化调度中 的应用研究具有广泛前景和重要价值。各种用水量预测模型都有它的优缺点， 考虑两个预测模型的优点，建立用水量预测的组合模型将成为用水量预测的一 个发展趋势。 给水管网微观模型的准确性高于宏观模型，今后微观模型在国内应用的 研究将成为一个重要的研究方向。 求解模型算法的不同将可能导致不同的调度决策，对调度方案有着较大 的影响，虽然国内外学者在模型算法方面的研究已有了很多成果，但还应作更 深入的研究。 分析给水管网系统的可靠性对于城市或区域的用水非常重要。目前将给 水系统的可靠性和经济实用性两者结合考虑的模型研究较少，因此，基于可靠 性的优化调度模型的研究也将是今后的一个发展方向。 1 3 本课题研究内容及思路 1本课题研究内容 南校区给水管网现状分析： 南校区用水量预测； 南校区给水管网模型； 南校区给水管网优化调度模型； 南校区优化调度方案研究。 2 本课题研究思路 本文在研究分析南校区给水管网现状的基础上，通过分析南校区用水量变 化规律，建立用水量预测模型、给水管网模型和优化调度模型，研究思路如下： 时用水量的预测是优化调度的前提与基础，本文根据收集的南校区给水 管网用水量资料，分析用水量变化规律及影响因素，建立不同用水量预测模型 并选择符合南校区用水量变化规律的模型。 给水管网模型是管网优化调度模型的水力约束条件，对南校区给水管网 图形进行适当简化，研究各泵站供水量、各管段中流量和全部节点水压之间的 定量关系，依据给水管网基础数据，建立南校区给水管网模型。 6 在满足用户水量、 校区给水管网优化调度模 各加压泵站的最佳开泵方 减少管网水量漏损。 第二章南校区给水管网现状分析 2 1南校区管网供水现状 合肥工业大学南校区坐落在合肥市包河区南部，校区内地势起伏较大，基 本走势为西高东低、北高南低，学校东侧学生宿舍片区为学校地势最低区域， 平均地面高程为1 8 m ，合肥工业大学幼儿园南面教职工住宅楼为学校地势最高 区域，平均地面高程为2 5 m 。南校区供水主要集中在屯溪路以南、宁国路以东、 九华山路以北和马鞍山路以西的区域，供水区域面积大，服务人口为2 3 0 0 0 余 人，涉及到校园的各个用水单位。 2 0 0 8 年学校对南校区给水管网进行了改造和扩建，在一定程度上解决了给 水管网管线分枝复杂、供水安全性差、部分管道超负荷运行、管道水量漏损现 象较为严重以及部分区域供水压力不足等问题。给水管网管材基本采用普通铸 铁管，管径有5 0 m m 、1 0 0 m m 、1 5 0 m m 、2 0 0 m m 和2 5 0 m m 。供水主干管主要有： 由南校区东门沿聚英路自东向西至学校西大门，管径为d n 2 0 0 - d n 2 5 0 m m ， 管材为铸铁管；由升华楼沿集贤路自南向北至聚英路，管径为d n 2 0 0 m m ， 管材为铸铁管；由三立苑自南向北至幼儿园，管径为d n 2 0 0 m m ，管材为铸 铁管；由主教学楼沿中兴路自南向北至九华山路，管径为d n 2 0 0 - d n 2 5 0 m m ， 管材为铸铁管；由东教学楼沿春华路自南向北至聚英路，管径为 d n 2 0 0 d n 2 5 0 m m ，管材为铸铁管；由2 号泵站至学生浴室，管径为 d n 2 0 0 d n 2 5 0 m m ，管材为铸铁管。图2 1 为南校区给水管网现状图。 8 图2 1南校区给水管网现状图 整个校内管网共有4 个进水管同市政给水管网相连接。4 个市政水源口分 别为：屯溪路市政水源口，位于南校区西北角，设于屯溪路上，进水管管径为 d n 2 0 0 ；宁国路市政水源口，位于南校区西大门南侧，设于宁国路上，进水管 管径为d n 2 0 0 ；马鞍山路市政水源1 ：3 ，位于南校区东北角，设于马鞍山路上， 进水管管径为d n 2 0 0 ；九华山路市政水源口，位于南校区北侧，设于九华山路 上，进水管管径为dn 2 0 0 。 南校区用水基本上是通过加压泵站加压后供给的，管网中无水塔、高位水 池等调节构筑物。现有l 号、2 号和3 号三个加压泵站：其中l 号泵站位于南 9 校区西大门附近，由宁国路市政水源供水，设有四台水泵，水泵型号均为 i s10 0 6 5 2 0 0 离心式清水泵；2 号泵站位于南校区东北角，由马鞍山路市政水 源供水，设4 台水泵，水泵型号均为k q w h l 2 5 2 0 0 a 3 0 2 给水加压泵；3 号泵 站位于管网中南部，其水来源于宁国路市政水源，设4 台水泵，水泵型号均为 i s l 0 0 6 5 2 0 0 离心式清水泵。其中1 号泵站主要供学科楼等区域；2 号泵站主 要供学生宿舍区域以及月光花园等区域；3 号泵站主要供工大南村与行政楼等 区域。 泵站每天运行时间从早晨六点到次日凌晨，其余时间段采用市政水源直供， 其中屯溪路市政水源主要供主教学楼、西教学楼、西二教学楼等区域，马鞍山 市政水源主要供学生宿舍与月光花园等区域，宁国路市政水源主要供学科楼与 南村等区域，九华山路市政水源主要供南村区域用水。 2 2南校区用水现状的调查 为了了解南校区用水量现状，以提高对用水量预测的精度，须对南校区的 用水现状进行现场调查研究。学校相当于一个小社会，用水单位种类繁多，包 括教学楼、宿舍楼、住宅区、医院、实验楼、办公楼等，供水特点突出，主要 供水区域有学校教学区、科研实验区、学生宿舍区域、学校食堂、学生浴室以 及南村居民住宅等区域。 南校区东北片区为学生宿舍区，用户基本为高校学生群体，由于上课时间 安排，该片区用水主要集中于上午6 1 0 时、1 6 - 2 0 时；南校区北侧区域为教 学区，其主要建筑为主教学楼、东教学楼、西教学楼和西二教学楼，用水量主 要集中于白天的课间；南校区西北片区为科研实验区，其主要建筑为科研楼与 实验楼，用水量变化较大，主要集中于白天科研实验时段；南校区中部为学校 食堂和学生浴室，上午8 1 0 时、下午1 5 1 7 时为食堂洗涤用水高峰，下午 1 7 2 0 时为学生浴室淋浴用水的高峰时段；南校区南侧区域为学校教职工及家 属居住区，上班前6 8 时和下班后1 8 - - - 2 0 时段是该区域用水高峰期。 南校区各建筑物编号见表2 1 ，对应用水量计算见表2 2 、表2 3 和表2 4 。 表2 1南校区各建筑物编号表 建筑物编号建筑物名称建筑物编号建筑物名称 l 一1主教学楼 1 0 s 4 1 南村4 1 号楼 1 2东教学楼1 0 s 4 3 南村4 3 号楼 l 一3电教馆1 0 s 4 4 南村4 4 号楼 1 4建筑学系教学实验楼 1 0 s 4 5 南村4 5 号楼 一 1 5 建工系教学实验楼 1 0 s 一4 6 南村4 6 号楼 l 一6土木系教学实验楼 1 0 s 一4 7 南村4 7 号楼 1 7 成人教育培训楼 1 0 s 一5 4 南村5 4 号楼 1 8西二教学楼 1 0 s 一5 5 南村5 5 号楼 1 0 1 9培训楼 1 0 s 一5 6南村5 6 号楼 2 1老图书馆 1 0 s 一5 7南村5 7 号楼 2 2 图书新馆 l o s 5 8 南村5 8 号楼 3 1微机所 l o s 5 9南村5 9 号楼 3 2微机所 l o s 。6 0南村6 0 号楼 3 3科技楼 1 0 s 6 1南村6 1 号楼 4 1 西教学实验楼 l o s 一6 2 南村6 2 号楼 4 2电机楼 1 0 s 一6 3南村6 3 号楼 4 3化工楼 1 0 s 一6 4南村6 4 号楼 4 4综合实验楼 1 0 s 6 8南村6 8 号楼 4 6 铸造实验室 1 0 s 6 9南村6 9 号楼 4 7铸造实验室车间 1 0 s 一7 0 南村7 0 号楼 4 8真空实验室 l o s 7 1南村7 1 号楼 4 9化工原理实验室 l o s 7 2南村7 2 号楼 4 1 0土木系实验室 1 0 s 一7 5微机所住宅楼 4 1 2土木系实验室 l o s 一7 6机械系住宅楼 4 一1 3 锻压实验室 1 0 s 7 7材料系住宅楼 4 1 4原化工厂光电车间 l o s 7 8化工系住宅楼 4 15原聚合车问 1 0 s 8 0南村2 2 0 号楼 4 一1 6 原化工车间 1 0 s 8 1南村2 2 1 号楼 4 一1 7原化工复合材料研究所 l o s 8 2南村2 2 2 号楼 4 2 0机械实验楼 1 0 w 1 预测所住宅楼 5 2 工厂钳装车间 1 0 w 2西村2 号楼 5 5工厂精工车间 1 0 w 3西村3 号楼 5 1 0机电楼 1 0 w 6西村6 号楼 7 1 行政办公楼 1 0 w 一7 西村7 号楼 8 2学生宿舍一号南楼 1 0 w 8 西村8 号楼 8 3学生宿舍一号北楼 l o w 1 0西村10 号楼 8 4学生宿舍二号楼 1 0 w 1 1西村11 号楼 8 5学生宿舍二号北楼 1 0 w 1 4 西村1 4 号楼 8 6学生宿舍三号楼 1 0 w 1 5西村l5 号楼 1 7 一 学生宿舍四号楼 1 0 w 2 5西村新1 号楼 8 8学生宿舍五号楼 l o w 2 6西村新2 号楼 8 9学生宿舍六号南楼 l o w 一2 7西村新3 号楼 8 一1 0学生宿舍六号北楼 l o w 2 8伙食科宿舍楼 8 1l 学生宿舍七号楼1 l 一1 ，2 ，科技街1 ，2 号楼 8 一l2 学生宿舍八号南楼1 2 一l 总务处办公楼 8 1 3学生宿舍八号北楼 1 2 2 幼儿园 8 一1 4学生宿舍九号楼 1 2 一3 新建校医院 8 15 学生宿舍十号楼 1 2 1 0 澡堂 8 一1 6研究生宿舍一号楼1 4 一1 1印刷厂 8 17研究生宿舍三号楼1 4 一1 5 综合服务楼 9 1学生一食堂1 4 一1 8外招辅助用房 9 4学生三食堂 1 4 2 1 宁国路1 号楼 1 0 a 一4 学科楼 1 4 2 3 宁国路3 号楼 1 0 a 一5逸夫楼 表2 - 2南校区各建筑物用水量统计表1 建筑物编床位或 使用时变平均时 最高时 时数 化系 平均时用最高时用 用水量用水量 号人数 水量o h )水量o h ) ( h ) 数 ( 1 s ) ( 1 s ) 1 2 25 0 01022 5 0 0 0 00 6 95 0 0 01 3 9 1 4 1 12 082 51 2 5 o o0 0 33 1 2 50 0 9 8 1 631 6 2 4 32 6 3 3 3 30 7 37 9 0 02 19 8 一l7 31 02 43 2 5 8 3 3 3 0 7 2 7 7 5 02 15 8 66 3 22 435 2 6 6 6 71 4 615 8 0 0 4 3 9 8 31 3 5 0 2 4 311 2 5 0 0 03 133 3 7 5 09 3 8 8 76 3 2 2 4 35 2 6 6 6 71 4 615 8 0 04 3 9 8 8 2 2 6 82 43 l8 9 0 0 0 05 2 55 6 7 0 01 5 7 5 8 一ll l5 0 42 43 1 2 5 3 3 3 3 3 4 8 3 7 6 0 01 0 4 4 8 21 2 3 02 43l0 2 5 0 0 02 8 5 3 0 7 5 08 5 4 8 57 5 22 436 2 6 6 6 71 7 41 8 8 0 0 5 2 2 8 1 03 2 02 432 6 6 6 6 70 7 48 0