本發(fā)明屬于城市供水領(lǐng)域，具體是一種供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)城市化及工業(yè)化的快速發(fā)展，城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模逐漸龐大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜。由此，當(dāng)前調(diào)度員依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的指揮調(diào)度方法，越來(lái)越不能滿足實(shí)時(shí)調(diào)度的要求。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題解決方案的探索大多是基于宏觀水力模型展開(kāi)的。由于宏觀水力模型是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，以此為基礎(chǔ)的調(diào)度方案必定存在缺陷，例如無(wú)法得到非測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，遇到改擴(kuò)建、檢修等引起管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變的情況時(shí)，原調(diào)度方法會(huì)因模型失準(zhǔn)而失效。

隨著國(guó)內(nèi)供水管網(wǎng)基礎(chǔ)自動(dòng)化、信息系統(tǒng)的逐步建立與完善，使得借助微觀機(jī)理模型的調(diào)度方法成為可能。為此，國(guó)內(nèi)也有專(zhuān)家學(xué)者出于實(shí)時(shí)性考慮，提出了在線構(gòu)架系統(tǒng)以及基于在線構(gòu)架的供水實(shí)時(shí)調(diào)度方法(zl201510078366.5)。該發(fā)明專(zhuān)利是直接利用實(shí)時(shí)水量數(shù)據(jù)開(kāi)展供水調(diào)度，雖在一定程度上可以提高響應(yīng)速度，但由于缺乏供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模型的支撐，無(wú)法全面了解供水管網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，必然會(huì)影響調(diào)度決策效果。

有鑒于此，本發(fā)明在供水管網(wǎng)全面數(shù)字化背景下，提出了一種基于實(shí)時(shí)水力模型的供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出了一種基于實(shí)時(shí)水力模型的供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)及方法，旨在通過(guò)供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的跟蹤分析，得到更準(zhǔn)確、高效的調(diào)度方案，具體系統(tǒng)框架如圖1所示。

本發(fā)明的一部分在于：從實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題的系統(tǒng)層面出發(fā)，提出一種基于實(shí)時(shí)水力模型的供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)，具體包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)調(diào)度決策三個(gè)模塊。其中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取模塊主要是利用管網(wǎng)信息系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊包含實(shí)時(shí)模型的建立、分鐘級(jí)需水量預(yù)測(cè)、管網(wǎng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)評(píng)估三部分，主要是利用實(shí)時(shí)的流量、壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)理建模，同時(shí)預(yù)測(cè)下一調(diào)度周期的需水量，并評(píng)估管網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)。實(shí)時(shí)調(diào)度決策模塊則是在上述工作基礎(chǔ)上確定調(diào)度指令。

本發(fā)明的另一部分在于：提出了一種更具時(shí)效性、全面性的供水管網(wǎng)調(diào)度方法；供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)調(diào)度決策的獲取并非片面的從預(yù)測(cè)的需水量出發(fā)，而是綜合考慮了管網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)。具體是：利用實(shí)時(shí)水量數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)分鐘級(jí)需水量，再利用實(shí)時(shí)模型模擬，預(yù)先評(píng)估管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài),然后通過(guò)優(yōu)化搜索確定下一時(shí)段調(diào)度決策。

本發(fā)明方法采取以下步驟：

1建立供水區(qū)域的實(shí)時(shí)水力模型

結(jié)合實(shí)時(shí)水力模型框架(如epanet-rtx)進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更新模型的狀態(tài)和邊界參數(shù)，反復(fù)校驗(yàn)修正以得到準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)水力模型。如供水區(qū)域的管網(wǎng)升級(jí)改造，可通過(guò)更新水力模型以確保其符合實(shí)際。

2預(yù)測(cè)分鐘級(jí)需水量

結(jié)合天氣、節(jié)假日等干擾因素，從趨勢(shì)性角度出發(fā)，利用arima模型對(duì)下一調(diào)度時(shí)刻的需水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

非平穩(wěn)序列arima(p,d,q)通過(guò)d次差分轉(zhuǎn)化，得到平穩(wěn)的arma(p,q)序列zt。又由于y1，y2…yd與d階單整序列yt相互獨(dú)立，所以對(duì)zt的預(yù)測(cè)不受y1，y2…yd的影響，故有：

若已知yt及其以前時(shí)段的值，則由上式可得arima(p,d,q)序列{yt}的預(yù)測(cè)模型為：

一旦求出將其帶入上式，即可求出yt+h的預(yù)測(cè)值。

其中p為自回歸項(xiàng)，q為移動(dòng)平均項(xiàng)數(shù)，d為差分階數(shù)，y1，y2…yd為初始值。實(shí)際調(diào)度對(duì)需水量的預(yù)測(cè)誤差須<5％。

3評(píng)估管網(wǎng)狀態(tài)

(1)參數(shù)選擇

<1>水壓

圍繞最低服務(wù)水頭hmin、最高服務(wù)水頭hmax、平均服務(wù)水頭have、歷史數(shù)據(jù)水頭標(biāo)準(zhǔn)差hs角度出發(fā)，對(duì)節(jié)點(diǎn)壓力定級(jí)評(píng)估。

<2>流速

以經(jīng)濟(jì)流速vd為基礎(chǔ)，對(duì)流速評(píng)估。

<3>水壓波動(dòng)

用下式無(wú)量綱化水壓波動(dòng)數(shù)據(jù)：

其中x(k),x(k+1)分別為兩相鄰時(shí)刻的水壓值，|j|為水壓波動(dòng)率。

(2)評(píng)估指標(biāo)

通過(guò)設(shè)置各個(gè)待評(píng)估參數(shù)的評(píng)估指標(biāo)表，可以把各參數(shù)的統(tǒng)一化結(jié)果轉(zhuǎn)化為在同一標(biāo)度下的評(píng)估結(jié)果。其中bh、bdh、bv分別為水壓、水壓波動(dòng)、流速的評(píng)估結(jié)果。

<1>水壓評(píng)估指標(biāo)表(帶格式表格)

<2>流速評(píng)估指標(biāo)表

<3>水壓波動(dòng)評(píng)估指標(biāo)表

4決策實(shí)時(shí)調(diào)度指令

實(shí)時(shí)調(diào)度決策圍繞供水區(qū)域的實(shí)時(shí)調(diào)度問(wèn)題及其優(yōu)化求解展開(kāi)。先由需水量預(yù)測(cè)確定下一時(shí)段的供水量，然后在滿足管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、水量水壓等約束條件下，通過(guò)調(diào)節(jié)水泵、水塔、增壓泵、閥門(mén)開(kāi)度等，使管網(wǎng)系統(tǒng)保持在供需動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，水量和水壓達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)供水要求。

優(yōu)化是以下一周期管網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，調(diào)節(jié)水泵、水塔、增壓泵、閥門(mén)開(kāi)度為決策變量。具體的，在實(shí)時(shí)調(diào)度決策時(shí)，首先把分鐘級(jí)需水量預(yù)測(cè)值投入管網(wǎng)實(shí)時(shí)模型，并利用狀態(tài)評(píng)估得到當(dāng)前調(diào)度周期的狀態(tài)。然后在管網(wǎng)約束條件下，以下一周期狀態(tài)評(píng)估最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，利用優(yōu)化算法ga求解最優(yōu)調(diào)整方案，從而得到實(shí)時(shí)調(diào)度指令。

目標(biāo)函數(shù)為：maxf(x)＝αbh+βbv+γbdh，其中α、β、γ分別為水壓、流速、水壓波動(dòng)評(píng)估結(jié)果的權(quán)重系數(shù)，其由估價(jià)準(zhǔn)則的估價(jià)結(jié)果決定。估價(jià)準(zhǔn)則體現(xiàn)了當(dāng)前調(diào)度方案對(duì)評(píng)估參數(shù)的重視程度。具體是：根據(jù)本調(diào)度周期所處時(shí)段，確定供水管網(wǎng)所屬水量狀態(tài)。水壓可表征水量狀態(tài)，不同的水量狀態(tài)對(duì)供水、經(jīng)濟(jì)、安全指標(biāo)的重視程度各不相同，這直接影響估價(jià)準(zhǔn)則的設(shè)置。此外，估價(jià)準(zhǔn)則還和水壓波動(dòng)率直接相關(guān)。當(dāng)水壓波動(dòng)率超過(guò)3％，則認(rèn)為供水管網(wǎng)處于較大波動(dòng)狀態(tài)，水壓波動(dòng)對(duì)調(diào)度影響大。本發(fā)明采用的估價(jià)準(zhǔn)則如下：

若水壓波動(dòng)率過(guò)大，為保障供水管網(wǎng)系統(tǒng)的安全需率先進(jìn)行平復(fù)水壓操作。

優(yōu)化算法ga尋優(yōu)的主要步驟為：

<1>染色體編碼將解空間映射到編碼空間，而每個(gè)編碼空間對(duì)應(yīng)問(wèn)題的一個(gè)解。

<2>初始化對(duì)種群迭代次數(shù)，交叉概率，變異概率等參數(shù)初始化。

<3>適應(yīng)度評(píng)價(jià)適應(yīng)度用于衡量群體中各個(gè)體在優(yōu)化計(jì)算中最優(yōu)解的優(yōu)良程度。

<4>選擇將種群中較好的個(gè)體通過(guò)選擇遺傳到下一代。

<5>交叉種群中的個(gè)體兩兩配對(duì)，并對(duì)染色體某些位置的基因交換以獲得最優(yōu)染色體并遺傳到下一代，具體計(jì)算方式為：

其中n1、n2表示一組配對(duì)的個(gè)體，n1ˊ、n2ˊ表示一組配對(duì)后的個(gè)體，α為交叉概率。

<6>變異隨機(jī)對(duì)染色體位置進(jìn)行變異，避免得到局部最優(yōu)解。

<7>當(dāng)?shù)玫阶顑?yōu)解或達(dá)到迭代次數(shù)時(shí)，終止算法。

本發(fā)明的有益效果：系統(tǒng)基于epanet-rtx供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模型，充分利用供水管網(wǎng)基礎(chǔ)自動(dòng)化、信息系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在準(zhǔn)確反映供水管網(wǎng)狀態(tài)基礎(chǔ)上，利用短期需水量預(yù)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估等指導(dǎo)調(diào)度決策，較一般調(diào)度方法有更優(yōu)的效果。

附圖說(shuō)明

圖1為城市供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)框架圖；

圖2為epanet-rtx實(shí)時(shí)建模邏輯關(guān)系圖；

圖3為實(shí)時(shí)調(diào)度流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)易于理解，下面結(jié)合附圖和實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式做進(jìn)一步詳細(xì)敘述。本發(fā)明是以s市核心城區(qū)2016-6-298:55:0-9:0:0的運(yùn)行背景為實(shí)例，調(diào)度周期為5分鐘，描述實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程的。具體步驟如下：

1實(shí)時(shí)水力模型的建立

結(jié)合epanet-rtx水力模型框架進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，利用s市核心城區(qū)供水管網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，更新模型狀態(tài)和邊界參數(shù)，反復(fù)校驗(yàn)修正以得到該供水區(qū)域?qū)崟r(shí)水力模型。

針對(duì)管網(wǎng)正常改擴(kuò)建及異常應(yīng)急等情況，先調(diào)整離線水力模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，再經(jīng)周期性校驗(yàn)、人工校驗(yàn)，然后在epanet-rtx實(shí)時(shí)模型框架基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)離線水力模型，通過(guò)scada、mis系統(tǒng)的在線數(shù)據(jù)更新模型狀態(tài)和邊界參數(shù)，不斷重建、校核模型。邏輯關(guān)系如圖2所示。

2需水量預(yù)測(cè)

用arima模型從趨勢(shì)性角度對(duì)出入水口需水量做分鐘級(jí)預(yù)測(cè)。首先采用預(yù)測(cè)時(shí)段以前90個(gè)時(shí)段的用水量和天氣、節(jié)假日等數(shù)據(jù)建立訓(xùn)練樣本。此時(shí)d＝0，即模型可看作arma模型。然后通過(guò)計(jì)算自相關(guān)函數(shù)、偏相關(guān)函數(shù)確定p、q的范圍，并利用aic準(zhǔn)則和平穩(wěn)性、可逆性檢驗(yàn)確定預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而通過(guò)調(diào)用arima函數(shù)得到需水量預(yù)測(cè)值。

結(jié)果如表1、表2所示(單位：m³)。將預(yù)測(cè)的需水量作為下一時(shí)段的實(shí)際供水量反饋到實(shí)時(shí)模型中。對(duì)于預(yù)測(cè)的入水口流量?jī)H作為第一次運(yùn)行的初始值。8:55:0-9:0:0四個(gè)入水口供水量預(yù)測(cè)平均誤差為3.65％，出水口出水量平均預(yù)測(cè)誤差為3.52％，滿足調(diào)度的要求。

表1入水口預(yù)測(cè)供水量

3管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

<1>水壓評(píng)估詳表

參照由歷史水頭標(biāo)準(zhǔn)差和最低、高及平均服務(wù)水頭制定的評(píng)估指標(biāo)，對(duì)當(dāng)前水壓定級(jí)，并最終轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標(biāo)度下的評(píng)估值。評(píng)估明細(xì)如表3所示(單位：m)。

表3節(jié)點(diǎn)壓力評(píng)估明細(xì)表

<2>流速評(píng)估詳表

參照基于經(jīng)濟(jì)流速vd的流速評(píng)估指標(biāo)，對(duì)當(dāng)前流速定級(jí)，并最終轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標(biāo)度下的評(píng)估值。評(píng)估明細(xì)如表4所示(單位：m³/h)。

表4管道流速評(píng)估明細(xì)表

<3>水壓波動(dòng)評(píng)估詳表

根據(jù)公式無(wú)量綱化待評(píng)估參數(shù)水壓波動(dòng)，水壓波動(dòng)率記為|j|。參照基于水壓波動(dòng)率的水壓波動(dòng)評(píng)估指標(biāo)，對(duì)當(dāng)前水壓波動(dòng)定級(jí)，并最終轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標(biāo)度下的評(píng)估值。評(píng)估明細(xì)如表5所示(單位：m)。

表5節(jié)點(diǎn)壓力波動(dòng)評(píng)估明細(xì)表

4獲得實(shí)時(shí)調(diào)度指令

根據(jù)本調(diào)度周期所處時(shí)段，確定供水管網(wǎng)所屬水量狀態(tài)。按照對(duì)供水、經(jīng)濟(jì)、安全指標(biāo)的重視程度，并結(jié)合水壓波動(dòng)率確定最適宜的估價(jià)指標(biāo)，進(jìn)而確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。最后在管網(wǎng)約束條件下，利用優(yōu)化算法ga求解最優(yōu)調(diào)整方案，從而得到實(shí)時(shí)調(diào)度指令，如圖3所示。

鑒于實(shí)例的運(yùn)行時(shí)段，本次調(diào)度應(yīng)屬于用水高峰、水壓波動(dòng)較大情形，故目標(biāo)函數(shù)為：maxf(x)＝αbh+βbv+γbdh，其中選取價(jià)值參數(shù)為：α＝4/9,β＝1/9,γ＝4/9。運(yùn)用優(yōu)化算法ga求解最優(yōu)調(diào)整方案。

對(duì)染色體進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼，具體編碼形式見(jiàn)表6。

表6染色體編碼形式

根據(jù)歷史入水口供水量數(shù)據(jù)，劃定染色體(入水口)的取值范圍，具體見(jiàn)表7(單位：m³)。

表7染色體(入水口)取值范圍

初始化確定種群數(shù)n＝200，迭代次數(shù)20，交叉概率0.95，變異概率0.95，采用模擬輪盤(pán)賭操作進(jìn)行選擇。單周期運(yùn)行實(shí)時(shí)水力模型，每運(yùn)行一次對(duì)結(jié)果的水力性能進(jìn)行評(píng)估，包括節(jié)點(diǎn)壓力、節(jié)點(diǎn)壓力波動(dòng)、中間管道流速，并給出目標(biāo)函數(shù)。然后搜索，進(jìn)化求解，得到當(dāng)前調(diào)度周期的實(shí)時(shí)調(diào)度方案。同理根據(jù)8:55:0-9:0:0的調(diào)度詳情，得到9:0:0-9:30:0的實(shí)時(shí)調(diào)度方案，具體見(jiàn)表8(單位：m³)。

表8實(shí)時(shí)調(diào)度方案明細(xì)