城市智慧排水系統(tǒng)控制研究

石延龍

（南京市市政管理處，江蘇 南京 210036）

當前國內各大中城市的排水系統(tǒng)在信息化方面已經(jīng)取得較大的突破，一些發(fā)達城市的排水信息系統(tǒng)建設逐步完善。但是，各大中城市的排水信息系統(tǒng)很少涉及到遠程控制方面的功能與內容，這與當前的編制體制、就業(yè)壓力、責任承擔、風險評估等問題是分不開的。若對泵站實行無人值守和遠程控制，在控制系統(tǒng)發(fā)生故障而不能及時排水，從而造成一定的危害后果時，相關的政府部門與管理單位將面臨承擔責任的風險。但是從長遠來看，隨著技術水平的發(fā)展、設備性能的提高以及人們思想認識的逐漸解放，城市排水系統(tǒng)智慧化已成為必然趨勢。

1 城市智慧排水系統(tǒng)泵站控制原理

在城市智慧排水系統(tǒng)中各泵站的實時水位、污水流入量與流出量、機泵運轉臺數(shù)及運轉頻率等相關數(shù)據(jù)均由智慧排水中心進行全局監(jiān)控。智慧排水中心能夠計算出各泵站的最佳目標水位，通過決策調度子系統(tǒng)生成優(yōu)化調度指令對所有泵站進行統(tǒng)一的協(xié)調控制。

系統(tǒng)正常運行時，各泵站能夠根據(jù)自身的最佳目標水位Hi，通過控制器合理調節(jié)機泵組的開啟臺數(shù)與運轉頻率，在保證整個城區(qū)污水排放暢通及避免本泵站內部污水溢出的情況下，使所有泵站運行效率達到最優(yōu)化，減少資源損耗，達到節(jié)能環(huán)保目的。當突遇大（暴）雨時，泵站進水池水位將會急劇上升，此時就需要對相關聯(lián)的多個泵站進行合理的協(xié)調控制，保證整個城區(qū)不出現(xiàn)積水內澇災害，污水溢出等嚴重問題。其調度原理如圖1所示。

2 城市智慧排水系統(tǒng)控制模式

在圖1中，假設在某一時間段洪峰到達泵站A，根據(jù)傳統(tǒng)方法，一般是增加泵站A內部機泵的運行臺數(shù)，同時提高機泵的運轉頻率，這樣就可以最大化地提高泵站A的污水流出量從而降低進水池水位。但是此方法雖然能夠解決泵站A的污水排放問題，卻會引起泵站B的污水進水量進一步加大，如果泵站B進水池中的污水不能及時排出，將會造成污水溢出的危險。為了解決此類連鎖問題發(fā)生，在城市智慧排水系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡對泵站實現(xiàn)遠程協(xié)調控制。

控制原理為：當智慧排水中心檢測到洪峰到達泵站A時，首先通過開啟更多的機泵臺數(shù)和提高機泵的運轉頻率來加快排出泵站A內的污水量；然后根據(jù)泵站A與泵站B之間的排水管線長度計算出洪峰從泵站A到達泵站B的流動時間。以此時間跨度為依據(jù)遠程控制泵站B提前開啟相應的機泵臺數(shù)排出泵站B自身的污水量，提高泵站B內污水容納量以此迎接來自泵站A的洪峰。若泵站B的下級擁有多個泵站，例如擁有泵站C和泵站D，如果泵站C的進水池水位較高，而泵站D的進水池水位較低，此時可調節(jié)泵站B排出的污水送往泵站D，從而避免泵站C污水溢出的危險。

城市智慧排水系統(tǒng)對泵站的監(jiān)視控制功能旨在實現(xiàn)對城市排水系統(tǒng)中所有泵站的協(xié)調配合、無人值守、數(shù)據(jù)自動采集與處理等目標。但是，城市排水系統(tǒng)在運行過程中總會出現(xiàn)一些無法預測的、隨機的情況，比如突然掉電、突遇大暴雨、網(wǎng)絡不暢、機器本身故障等因素。為了使系統(tǒng)能夠應對諸多突發(fā)情況，滿足不同的協(xié)調控制需求，保證排水系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保、安全可靠、持續(xù)穩(wěn)定的運行。在城市智慧排水系統(tǒng)中，對泵站的協(xié)調控制設置了四種不同的控制模式：綜合協(xié)調模式、遠程遙控模式、自動運行模式和手動控制模式。

2.1 綜合協(xié)調模式

綜合協(xié)調模式是城市智慧排水系統(tǒng)的主要控制模式。在綜合協(xié)調模式下，服務器接收各下位機上傳的數(shù)據(jù)，進行決策運算，并將產(chǎn)生的優(yōu)化指令通過下位機送到控制器，由控制器執(zhí)行指令。如果網(wǎng)絡連接正常，沒有特殊情況發(fā)生時，系統(tǒng)基本在此模式下進行運行。綜合協(xié)調模式應盡可能保證泵站排水效率的最優(yōu)化、能耗的最小化和排水效果最佳化。

2.2 遠程遙控模式

為了方便智慧排水中心的值班人員、檢修人員以及相關管理人員在泵站因出現(xiàn)特殊情況而無法自動運行的狀況下也能對排水系統(tǒng)進行管理與控制而設置了遠程遙控模式。相關人員通過網(wǎng)絡遠程登錄到智慧排水中心，根據(jù)自身的管理權限，通過遠程監(jiān)控子系統(tǒng)能夠查看到泵站內的報警信號、實時畫面、聲音、視頻等超媒體信號，對設備進行查看、檢修、診斷、故障復位以及對相關泵站進行遠程的啟停與變頻等控制操作。在此模式下，由于是對泵站內部相關的機器設備進行人為的遠程遙控，可能會發(fā)生誤操作等情況，所以需要對相關設備性能非常熟悉、具有較高技能的操作人員，同時還需要對操作人員進行嚴格的權限控制。

2.3 自動運行模式

自動運行模式的設置是為了滿足即使在某些特殊情況發(fā)生時，也能保證泵站的正常運轉。譬如網(wǎng)絡失效與維護、服務器故障等情況，此時泵站無法接收到智慧排水中心所發(fā)送的控制指令，客觀上要求泵站能夠根據(jù)當前降雨情況以及自身的目標水位、進水池水位等相關情況，通過內部決策調度子系統(tǒng)進行決策運算，協(xié)調控制泵站內部機泵組的運行數(shù)量與頻率，從而避免了因泵站失控而導致污水溢出等一系列問題發(fā)生，同時也為泵站實現(xiàn)無人值守提供可靠基礎。在自動運行模式下，完全由本地協(xié)調調度子系統(tǒng)根據(jù)泵站污水流入量與流出量、本地控制策略來控制本泵站內機泵組的運行臺數(shù)與運轉頻率來控制泵站內進水池水位，在無需人工干預的情況下實現(xiàn)單個泵站自動運行效率最優(yōu)化與排水效果最佳化的目標。

2.4 手動控制模式

正常情況下，城市智慧排水系統(tǒng)擁有綜合協(xié)調模式、遠程遙控模式和自動運行模式后基本能夠實現(xiàn)污水的合理排放與統(tǒng)籌調度，達到智慧化的排水目的。但考慮到存在某些不可控原因、特殊操作需求以及發(fā)生緊急事件等（如對系統(tǒng)進行調試、對機泵的應急啟停、對網(wǎng)絡的維護、現(xiàn)場設備檢修、故障恢復、人員落水等）臨時的操作控制需求，同時也保證對整個城市排水系統(tǒng)進行協(xié)調控制的全面性與完備性，在系統(tǒng)中還設置了手動控制模式。

手動控制模式主要在泵站內部完成相關操作，設置有傳統(tǒng)的手動按鈕控制和高科技的觸摸屏控制兩種手段。手動按鈕控制通過操作控制柜上的按鈕完成對泵站內部相關設備的控制，具有操作簡單，通俗易懂等特點。觸摸屏控制通過可編程控制器完成對相關設備的控制，具有操作視覺化，直觀明了，方便簡潔等特點，在進行復雜的控制時具有較大的應用優(yōu)勢。手動控制模式屬于傳統(tǒng)的控制方法，在四種控制模式中具有最高的控制權限。但是此模式過于依賴值班人員的工作經(jīng)驗和工作責任心，操作稍有不慎就可能會有事故發(fā)生，存在一定的安全隱患，需要對操作管理人員進行嚴格的專業(yè)技術培訓和思想教育，提高操作人員的技能水平和安全意識。

3 控制模式的轉換

在城市智慧排水系統(tǒng)中，為了保證在任何情況下都能保持對污水的合理排放與協(xié)調控制，要求能在綜合協(xié)調、自動運行、遠程遙控和手動控制四種控制模式之間進行平滑的模式轉換，以應對各種不同的控制需求。

在四種控制模式中，根據(jù)不同控制模式所需完成的功能以及實際操作的需要，設定其優(yōu)先級由高到低分別為：手動控制模式、自動運行模式、遠程遙控模式和綜合協(xié)調模式。手動控制模式具有最高的優(yōu)先級，主要為了滿足現(xiàn)場進行測試或維修時，可以屏蔽所有的自動運行指令和遠程遙控指令；當網(wǎng)絡無法建立連接時，為了完成污水排放任務，相關泵站運行于自動運行模式，故自動運行模式具有次優(yōu)先級；當泵站處于無人值守并且網(wǎng)絡連接通暢時，泵站根據(jù)接收指令是否為遠程遙控請求，判斷是否運行于遠程遙控模式，不過通常只有當泵站內部發(fā)出報警或故障信號時，值班人員或管理人員才會請求遠程遙控操作，故將其優(yōu)先級設置為第三級；在正常情況下，整個城市智慧排水系統(tǒng)運行于綜合協(xié)調模式，各泵站接收智慧排水中心的協(xié)調控制指令并根據(jù)指令完成全局的最優(yōu)化運行，故綜合協(xié)調模式屬于最低優(yōu)先級。

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