城市供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度與智能控制策略研究

林嵐

（福州城建設(shè)計研究院有限公司，福建福州，350001）

1 案例概況

以某水廠為例，該廠新建一供水工程，該工程的需水量基于指標(biāo)分析法，并按照當(dāng)?shù)氐某鞘锌傮w規(guī)劃（近期至2025年，遠(yuǎn)期至2035年）中的用水量數(shù)據(jù)予以確定，根據(jù)水量預(yù)測結(jié)果，本工程的設(shè)計工作中，各個模塊的設(shè)計規(guī)模如表1所示。

表1 供水工程各模塊的設(shè)計規(guī)模

經(jīng)過相關(guān)分析檢測，現(xiàn)狀水源水質(zhì)及水量滿足本次擴(kuò)建工程需求，溶解氧、糞大腸菌群指標(biāo)部分超標(biāo)可通過常規(guī)處理處理后達(dá)標(biāo)，通過深度處理可達(dá)到優(yōu)質(zhì)飲用水要求。并且現(xiàn)狀取水泵站土建部分及原水管道已滿足本次擴(kuò)建工程需求，僅需增設(shè)泵組。因此本次擴(kuò)建工程在現(xiàn)有取水工程基礎(chǔ)上，通過增加泵組滿足供水規(guī)模要求。

為滿足上述要求，系統(tǒng)的供水優(yōu)化調(diào)度通常分為以下三個環(huán)節(jié)：（1）供水需求預(yù)測；（2）管網(wǎng)壓力模型分析，在完成用水量模型預(yù)測后，根據(jù)管網(wǎng)測壓點的壓力、以及水廠出水流量值這兩個要素進(jìn)行管網(wǎng)壓力模型的建立，確定管網(wǎng)壓力值的具體區(qū)間范圍；（3）通過相關(guān)的智能算法和設(shè)備，實現(xiàn)供水優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)。

2 城市供水系統(tǒng)智能控制調(diào)度基本理論分析

2.1 控制調(diào)度的基本規(guī)則和模型建立

城市供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度的最終目的是提高水資源的利用率，確保在用水量相對較低的情況下完成各行各業(yè)的需水目標(biāo)，這就需要考慮不同情況下的供水系統(tǒng)調(diào)度問題[1-2]。理論上來說，在總水量一定的情況下，通過某個標(biāo)準(zhǔn)，對城市各區(qū)域的用水情況進(jìn)行重新分配，達(dá)到某個指標(biāo)最優(yōu)后，即可實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)[3]。據(jù)此，即需要以城市各區(qū)域缺水率最小為優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)的調(diào)度結(jié)果。根據(jù)上述內(nèi)容，即可建立優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)[4]。

2.2 控制模型的求解

為實現(xiàn)對控制模型的求解，通常需要采用改進(jìn)的遺傳算法加以進(jìn)行。在此類問題中應(yīng)用遺傳算法（圖1），能夠充分發(fā)揮全局搜索能力，提高運算效率，并避免傳統(tǒng)遺傳算法中容易出現(xiàn)局部收斂的問題。

圖1 遺傳算法基本流程

通常，為實現(xiàn)遺傳算法的求解，研究人員使用MATLAB遺傳算法工具箱（GOAT）進(jìn)行求解，該工具使用方式較為簡單，不需復(fù)雜程序即可實現(xiàn)主程序的調(diào)用，直接自動生成相應(yīng)程序，同時其在迭代過程中還可根據(jù)需要停止或修改參數(shù)，便于求解[5-6]。

2.3 控制調(diào)度策略

“開源”和“節(jié)流”是解決城市供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問題中需要遵循的兩個基本理念，其中“開源”主要針對水資源較豐富但水資源利用率較低的地區(qū)，其主要措施是加強(qiáng)水利工程建設(shè)及設(shè)備應(yīng)用；“節(jié)流”則主要針對水資源相對短缺的地區(qū)，其主要措施是應(yīng)用各種節(jié)水技術(shù)方法。二者通常進(jìn)行組合應(yīng)用。

3 智能控制視域下城市供水系統(tǒng)的整體設(shè)計分析

3.1 取水泵站控制子系統(tǒng)的設(shè)計

在本次項目中，取水泵站主要針對區(qū)域內(nèi)的地表水系進(jìn)行取水作業(yè)，這些取水點的地勢相對較低，需要使用泵站將水抬升后再行沉淀、過濾等一系列工藝。在這一環(huán)節(jié)的優(yōu)化中，其關(guān)鍵在于以下幾個方面：（1）將自動控制系統(tǒng)接入到管道監(jiān)控信號中，將壓力表、流量表和水質(zhì)測試儀等多個儀器設(shè)備與PLC相連接，確保自動控制系統(tǒng)能夠更好控制泵站的設(shè)備，并及時將各個儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)分享給控制中心的PLC系統(tǒng)及上級系統(tǒng)，各泵站參數(shù)以及預(yù)設(shè)完成（表1），當(dāng)出現(xiàn)異常時，PLC設(shè)備可以及時介入予以調(diào)整。（2）將自動控制系統(tǒng)接入到配電房環(huán)境中，對配電房的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)對配電房中的電流、電壓和電量進(jìn)行監(jiān)測。

表1 設(shè)備參數(shù)一覽表

編號 規(guī)格 流量m3/h 揚程 功率 備注5#機(jī)組 空置6#機(jī)組 空置

3.2 加壓泵站控制子系統(tǒng)的設(shè)計

在本項目中，城市供水系統(tǒng)中的部分線路距離較長，在長距離供水過程中會受到管道阻力的影響而降低供水壓力，遠(yuǎn)端的水壓很可能因此達(dá)不到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。為解決這一問題，技術(shù)人員對供水管路加壓站進(jìn)行智能化改造（圖2）。具體來看，首先，要將壓力表、流量表、溫度計、pH計、二氧化氯檢測儀等多個設(shè)備接入到智能控制系統(tǒng)當(dāng)中，確保其能夠及時采集各類生產(chǎn)指示信息，對設(shè)備的運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，提高管路壓力的穩(wěn)定性，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

圖2 智能化加壓泵站

3.3 消毒機(jī)控制子系統(tǒng)的設(shè)計

在本項目中，供水系統(tǒng)的消毒環(huán)節(jié)仍沿用已發(fā)展成熟的二氧化氯消毒技術(shù)，通過自動化的二氧化氯發(fā)生器實現(xiàn)消毒的目的。但這種自動化的二氧化氯發(fā)生器仍需與智能控制系統(tǒng)進(jìn)行對接，這就需要增加一個PLC，使用現(xiàn)場總線，將多臺自動型二氧化氯發(fā)生器進(jìn)行連接，利用新增的PLC系統(tǒng)對現(xiàn)場的多臺二氧化氯發(fā)生器進(jìn)行通信，并控制消毒設(shè)備供水的泵和藥桶的液位，這些控制的邏輯關(guān)系可以通過PLC編程加以實現(xiàn)。在本次項目中，已經(jīng)預(yù)設(shè)了相應(yīng)指標(biāo)（見表2），當(dāng)指標(biāo)超出范圍時，則PLC系統(tǒng)會對消毒環(huán)節(jié)進(jìn)行及時優(yōu)化調(diào)整。

表2 消毒過程中的微生物指標(biāo)限值

3.4 在線生物毒性預(yù)警子系統(tǒng)

雖然城市供水系統(tǒng)相對獨立，但其仍然有可能受到一些化學(xué)藥物的意外泄露影響而出現(xiàn)污染，一旦出現(xiàn)污染問題則會對供水質(zhì)量造成嚴(yán)重的危害，為此，在供水系統(tǒng)的取水點安裝生物毒性預(yù)警系統(tǒng)也是必不可少的。在本項目中，生物毒性預(yù)警系統(tǒng)為在線系統(tǒng)，主要通過在線采集水系中部分水生生物的行為變化指數(shù)，對水質(zhì)污染情況進(jìn)行實時分析。通過數(shù)字化計算和人性化顯示，能夠綜合分析當(dāng)前水體對水生生物的行為影響，判斷水質(zhì)污染指數(shù)，從而實現(xiàn)對監(jiān)測水體的生物在線水質(zhì)安全預(yù)警。該系統(tǒng)主要包括生物感應(yīng)器、自動監(jiān)測和軟件分析系統(tǒng)、操作和顯示單元三部分，為實現(xiàn)高效的通信，現(xiàn)場總線多采用Modbus協(xié)議（圖3）。

圖3 Modbus協(xié)議基本原理圖

除此之外，該系統(tǒng)還需要配備一個PLC控制柜，與其他各部分之間進(jìn)行Modbus通訊，在通訊過程中，PLC通過Modbus采集到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再通過以太網(wǎng)發(fā)送到組態(tài)軟件當(dāng)中，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。在這種情況下，如果智能控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線采集到的上述數(shù)據(jù)出現(xiàn)了異常，說明系統(tǒng)生物毒性系統(tǒng)檢測到生命特征異常，證明水質(zhì)有問題，則水廠的其他設(shè)備可進(jìn)入臨時應(yīng)急狀態(tài)。

3.5 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

供水系統(tǒng)整體的智能控制工作，需要基于一個整體的智能控制網(wǎng)絡(luò)加以進(jìn)行，內(nèi)容則包括取水泵站、管道壓泵站、交換機(jī)等多個方面。為實現(xiàn)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的完整，在現(xiàn)場需要進(jìn)行組態(tài)軟件的安裝，作為上層邏輯控制。PLC為下層邏輯控制，配以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線組成總的網(wǎng)絡(luò)。組態(tài)軟件的主要作用是實現(xiàn)人機(jī)交互，由此，操作人員即可監(jiān)控水廠內(nèi)各流控制參數(shù)，也可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，同時產(chǎn)生日志，對生產(chǎn)過程進(jìn)行記錄，也可產(chǎn)生水廠運行計劃，根據(jù)報表進(jìn)行對水廠控制系統(tǒng)中的狀態(tài)按計劃自動控制[9]。具體的層級結(jié)構(gòu)則如表3所示。

表3 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層級結(jié)構(gòu)

除此之外，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，對于供水系統(tǒng)各個點位的IP地址分配也需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，為消除諸如搶占IP地址等問題，需要將辦公I(xiàn)P和工業(yè)IP進(jìn)行分段處理，這就應(yīng)當(dāng)增加一些路由器，將網(wǎng)絡(luò)分段管理，將辦公網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)分開。

4 結(jié)束語

為實現(xiàn)城市供水系統(tǒng)的“與時俱進(jìn)”，應(yīng)用智能控制領(lǐng)域的相關(guān)理念和方法，對城市供水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，是供水系統(tǒng)未來發(fā)展的大勢所趨。為此，應(yīng)當(dāng)基于智能控制策略，從多個角度入手，對現(xiàn)有的供水系統(tǒng)及其調(diào)度不斷進(jìn)行優(yōu)化升級，結(jié)合實際情況，利用高科技的現(xiàn)代化設(shè)備，對我國的供水系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，實現(xiàn)智能化控制。