基于人工智能技術(shù)的排水運(yùn)行調(diào)度決策系統(tǒng)構(gòu)建研究

羅 健，周 斌，王 磊

（上海市城市排水有限公司，上海 200000）

1 項(xiàng)目介紹

上海市城市排水有限公司污水輸送系統(tǒng)主要包括竹園、白龍港和石洞口三大污水片區(qū)，其中竹園片區(qū)、石洞口片區(qū)共涉及3條大型污水輸送系統(tǒng)，分別為合流一期、污水三期（含兩港截流）、西干線，污水處理總規(guī)模304萬m3/d。

目前排水泵站區(qū)域自動化控制系統(tǒng)不斷建設(shè)，合流一期、污水三期及西干線已逐步實(shí)現(xiàn)排水泵站日常“流動巡檢、遠(yuǎn)程控制”常態(tài)化運(yùn)行管理模式，而當(dāng)下人工調(diào)度決策所需關(guān)注數(shù)據(jù)量極大，無法及時獲悉相關(guān)異常類數(shù)據(jù)，且難以實(shí)現(xiàn)人工運(yùn)行調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)化、數(shù)字化積累及對調(diào)度決策手段進(jìn)行數(shù)字化評價(jià)，故基于人工智能技術(shù)構(gòu)建排水泵站運(yùn)行調(diào)度決策系統(tǒng)已成為必然的發(fā)展趨勢。

2 項(xiàng)目意義

日常排水運(yùn)行調(diào)度不僅需考慮目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站控制流量（保證終端污水處理廠工藝處理效果）、上游節(jié)點(diǎn)泵站控制水位及最大排水量限制、上游各排水泵站內(nèi)部閘門等連鎖工藝限制和上游節(jié)點(diǎn)泵站可用泵機(jī)限制（泵機(jī)保養(yǎng)或維修）等，所關(guān)注數(shù)據(jù)包括眾多靜態(tài)數(shù)據(jù)及各類動態(tài)數(shù)據(jù)，且需根據(jù)終端污水處理廠進(jìn)水量需求及節(jié)點(diǎn)泵站水位情況，對上游排水泵站進(jìn)行一體化、聯(lián)動化、動態(tài)化調(diào)度，不僅對調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn)要求高，且對計(jì)算能力及關(guān)注能力同樣要求極高。

因人工調(diào)度決策指令執(zhí)行過程需關(guān)注大量基礎(chǔ)信息（含靜態(tài)及動態(tài)數(shù)據(jù)），并基于基礎(chǔ)信息進(jìn)行計(jì)算、分析及預(yù)測，推導(dǎo)過程長，且耗時久，無法滿足排水泵站運(yùn)行調(diào)度決策的及時性要求，故目前人工調(diào)度基本采用時間段與泵站、泵機(jī)預(yù)設(shè)關(guān)聯(lián)性調(diào)度，而無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)度決策。

人工智能技術(shù)的排水運(yùn)行調(diào)度決策系統(tǒng)可基于現(xiàn)有人工調(diào)度方式，結(jié)合系統(tǒng)化、數(shù)字化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)人工調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)化積累，數(shù)字化評價(jià)，預(yù)案化提取，并避免人工調(diào)度所需關(guān)注數(shù)據(jù)量大、無法及時獲悉相關(guān)異常類數(shù)據(jù)的弊端，為大范圍排水泵站一體化聯(lián)動調(diào)度決策提供數(shù)字化平臺支撐，且可為后續(xù)排水系統(tǒng)全季節(jié)化、全面化調(diào)度提供基礎(chǔ)借鑒。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

基于人工智能技術(shù)的排水運(yùn)行調(diào)度決策系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用需求，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)調(diào)度決策執(zhí)行過程及系統(tǒng)各功能模組關(guān)系設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)調(diào)度決策執(zhí)行過程及系統(tǒng)各功能模組關(guān)系設(shè)計(jì)圖

3.1 排水泵站數(shù)字化管理

基于人工智能技術(shù)的排水運(yùn)行調(diào)度決策系統(tǒng)需基于排水設(shè)施資源進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)度，而排水設(shè)施投入或退出運(yùn)行存在相關(guān)限制（工藝限制、水位限制、排水量限制等）條件，并必須基于排水泵站數(shù)字化管理，為排水可用資源池構(gòu)建提供基礎(chǔ)支撐。

3.1.1 泵站數(shù)字化管理

（1）泵站關(guān)系管理：各上游排水泵站與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站關(guān)聯(lián)性配置，泵站關(guān)系管理包括如下。

a.目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站與末端接入泵站關(guān)系配置。

b.末端接入泵站與其上游泵站關(guān)系配置。

（2）泵站管理：對泵站運(yùn)行水位、最大可排水量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，用于后續(xù)可用資源池構(gòu)建工作。

3.1.2 泵機(jī)數(shù)字化管理

（1）泵機(jī)管理維護(hù)包括所屬泵站、泵機(jī)名稱、銘牌流量、泵機(jī)狀態(tài)（可用/不可用）、可投入運(yùn)行（可投入/不可投入運(yùn)行）。

a.可用/不可用為基于調(diào)度人員，結(jié)合泵站或泵機(jī)維修計(jì)劃進(jìn)行后端設(shè)置。

b.可投入/不可投入運(yùn)行為系統(tǒng)基于最大排水量限制、閘門關(guān)系限制及運(yùn)行液位限制等條件進(jìn)行判斷，可由調(diào)度人員對默認(rèn)判斷條件進(jìn)行強(qiáng)制性修正。

（2）對各泵站泵機(jī)排水量數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，為各排水泵站最大流量限制計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.1.3 運(yùn)行信息數(shù)字化管理

（1）對各排水泵站開/停車水位、開機(jī)與水位關(guān)系（含單水位控制及階梯水位控制）、警戒水位等運(yùn)行信息進(jìn)行管理。

（2）對泵機(jī)最大連續(xù)性運(yùn)行時間進(jìn)行管理（超出此時間將強(qiáng)制性換泵操作，且同排水量條件下，優(yōu)先投入停止時間較長泵機(jī)設(shè)備），最大連續(xù)性運(yùn)行時間將與各泵機(jī)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性設(shè)置。

3.1.4 工藝連鎖數(shù)字化管理

構(gòu)建各排水泵站內(nèi)部閘門與泵機(jī)關(guān)聯(lián)性，為后續(xù)資源池構(gòu)建提供基礎(chǔ)支撐，在閘門不滿足泵機(jī)開啟條件情況下，相關(guān)泵機(jī)資源將無法使用（可由人工對閘門狀態(tài)確認(rèn)后進(jìn)行強(qiáng)制投入泵機(jī)）。

3.2 運(yùn)行調(diào)度決策功能

運(yùn)行調(diào)度決策應(yīng)用為本系統(tǒng)核心功能，包括歷史預(yù)案數(shù)字化管理、預(yù)案評價(jià)指標(biāo)管理、評價(jià)指標(biāo)修正及完善、資源池構(gòu)建及歷史預(yù)案提取功能。

3.2.1 預(yù)案數(shù)字化管理

（1）利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，形成數(shù)字化預(yù)案記錄。

（2）根據(jù)泵站數(shù)字化管理功能所構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)泵站及上游末端泵站關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)性數(shù)字化預(yù)案提取。

（3）根據(jù)節(jié)點(diǎn)泵站的泵機(jī)排水量變化作為預(yù)案的開始時間至后次泵機(jī)排水量變化為截止時間，對應(yīng)抽取其上游泵站泵機(jī)的開停車記錄作為預(yù)案的過程記錄（包括上游泵站對應(yīng)開停車所對應(yīng)的液位數(shù)據(jù)信息）。

（4）基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對歷史預(yù)案中小流量影響因子（排水泵站）進(jìn)行標(biāo)注，并在后續(xù)預(yù)案提取階段進(jìn)行選擇，可根據(jù)預(yù)案運(yùn)行評價(jià)結(jié)果，對小流量影響因子進(jìn)行動態(tài)調(diào)整（各節(jié)點(diǎn)泵站所對應(yīng)小流量影響因子可進(jìn)行獨(dú)立設(shè)置及優(yōu)化調(diào)整）。

3.2.2 預(yù)案評價(jià)指標(biāo)管理

基于排水泵站運(yùn)行調(diào)度決策需求，構(gòu)建預(yù)案評價(jià)指標(biāo)及權(quán)重體系，對所存儲各項(xiàng)預(yù)案進(jìn)行數(shù)字化評價(jià)，為后續(xù)預(yù)案擇優(yōu)提取提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

將預(yù)案評價(jià)指標(biāo)及權(quán)重進(jìn)行數(shù)字化管理，包括并不限于如下指標(biāo)：

（1）預(yù)案累積持續(xù)時間。

（2）目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站水位偏離度。

（3）上游泵站單位時間切換車次數(shù)。

（4）總超出警戒水位次數(shù)（含上游泵站）。

根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)泵站可以設(shè)定不同評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重及評價(jià)基礎(chǔ)，系統(tǒng)將基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，相關(guān)系統(tǒng)所輸出調(diào)度預(yù)案是否被執(zhí)行，如系統(tǒng)所輸出相關(guān)調(diào)度預(yù)案未被執(zhí)行，則評價(jià)系統(tǒng)將不會對上述預(yù)案進(jìn)行數(shù)字化評價(jià)，并記錄系統(tǒng)將各預(yù)案被應(yīng)用次數(shù)。

3.2.3 預(yù)案評價(jià)指標(biāo)修正

預(yù)案評價(jià)指標(biāo)修正功能基于人工智能技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，可基于運(yùn)行調(diào)度人員對各次預(yù)案執(zhí)行評價(jià)結(jié)果對相關(guān)評價(jià)指標(biāo)及權(quán)重進(jìn)行修正，以不斷完善系統(tǒng)評價(jià)規(guī)則，為預(yù)案擇優(yōu)化提取應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

基于預(yù)案評價(jià)需求，預(yù)案評價(jià)指標(biāo)功能將采用遺傳算法為核心構(gòu)建。

3.2.4 資源池構(gòu)建

（1）歷史預(yù)案基于可用設(shè)備設(shè)施資源池為基礎(chǔ)進(jìn)行擇優(yōu)化提取，故必須先行構(gòu)建可用資源池。

（2）系統(tǒng)基于排水泵站數(shù)字化管理功能及各上游泵站實(shí)時運(yùn)行水位構(gòu)建調(diào)度決策資源池，高液位泵站（根據(jù)接近開車水位進(jìn)行排序）優(yōu)先投入運(yùn)行，低液位泵站（根據(jù)接近停車水位進(jìn)行排序）優(yōu)先退出運(yùn)行（高、低液位為基于與目標(biāo)設(shè)定開、停車水位數(shù)值進(jìn)行比較，并根據(jù)接近程度進(jìn)行排序，而非絕對液位數(shù)值排序）。

（3）根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站流量影響程序不同，系統(tǒng)將對大流量影響泵站及小流量影響泵站單獨(dú)進(jìn)行資源隊(duì)列構(gòu)建。

3.2.5 歷史預(yù)案提取

根據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站設(shè)定排水量目標(biāo)，基于歷史預(yù)案提取，并擇優(yōu)選擇，對上游節(jié)點(diǎn)泵站（歷史大流量因子泵站）進(jìn)行調(diào)度決策，并基于資源池對泵機(jī)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度、控制，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站流量平衡的目標(biāo)。

歷史預(yù)案提取原則如下：

（1）基于節(jié)點(diǎn)泵站泵機(jī)狀態(tài)變化時間作為預(yù)案開始提取時間，至上游末端節(jié)點(diǎn)泵站與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站流量平衡時作為預(yù)案提取終止時間（相關(guān)歷史運(yùn)行預(yù)案流量平衡后信息將存儲，不再進(jìn)行提?。?/p>

（2）預(yù)案提取信息將包括目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站排水量設(shè)定值及預(yù)案開始時間目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站水位值，并根據(jù)預(yù)案評價(jià)指標(biāo)，對預(yù)案提取過程中目標(biāo)節(jié)點(diǎn)泵站液位的近似區(qū)間進(jìn)行不斷優(yōu)化。

3.3 人機(jī)交互應(yīng)用功能

人工交互應(yīng)用功能將以人機(jī)界面輸出各項(xiàng)調(diào)度決策指令供運(yùn)行管理人員參照后執(zhí)行，并可提供各類數(shù)據(jù)分析、決策功能。

3.3.1 運(yùn)行調(diào)度決策頁面

運(yùn)行調(diào)度決策頁面可基于運(yùn)行調(diào)度決策功能輸出各類調(diào)度決策指令，由人工參照后執(zhí)行，并基于執(zhí)行后歷史數(shù)據(jù)偵測功能，動態(tài)消除、刷新各類調(diào)度決策信息，以系統(tǒng)化方式指導(dǎo)排水泵站日常運(yùn)行調(diào)度工作。

3.3.2 資源動態(tài)管理頁面

資源動態(tài)管理頁面可顯示各排水泵站設(shè)備設(shè)施資源情況及開、停車隊(duì)列信息，并可由人工對相關(guān)基礎(chǔ)信息核查后，強(qiáng)制相關(guān)設(shè)備設(shè)施進(jìn)入可用資源隊(duì)列。

3.3.3 數(shù)據(jù)動態(tài)分析頁面

運(yùn)行管理人員可經(jīng)由數(shù)據(jù)動態(tài)分析頁面對運(yùn)行調(diào)度決策系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評價(jià)，相關(guān)分析頁面包括并不限于如下：

（1）可調(diào)用運(yùn)行曲線圖（含以數(shù)據(jù)框方式顯示水位時間偏離度、上游單位時間泵機(jī)切換次數(shù)、泵站及上游泵站水位累積超限次數(shù)、預(yù)案累積持續(xù)時間等統(tǒng)計(jì)信息）。

（2）可調(diào)用累積排水量柱狀圖（含小時級別、日級別、月級別累積流量數(shù)據(jù)），將同時顯示目標(biāo)設(shè)定流量與實(shí)際排水量（實(shí)際排水量數(shù)據(jù)將基于流量計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集），并進(jìn)行比對。

4 結(jié)束語

基于人工智能技術(shù)的排水運(yùn)行調(diào)度決策系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人工調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)、優(yōu)化，并基于評價(jià)體系進(jìn)行數(shù)字化評價(jià)，將有效彌補(bǔ)人工調(diào)度經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算力的不足，有效降低排水泵站運(yùn)行調(diào)度決策對人的依賴性。

基于人工智能技術(shù)的排水運(yùn)行調(diào)度決策系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上游各末端支線泵站的調(diào)度決策功能，為后續(xù)綜合考慮管網(wǎng)負(fù)荷、水位情況，末端污水處理廠平穩(wěn)輸送需求及防汛泵站截流對管網(wǎng)的影響的調(diào)度決策應(yīng)用提供基礎(chǔ)借鑒。