基于人工蜂群算法的智能泵組技術(shù)研究與應(yīng)用

張?jiān)?陳鏡先,吳邊

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,成都,611730)

1 概述

近年國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市的供水行業(yè)普遍采用的是依靠人工以往經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)的傳統(tǒng)調(diào)度方式。面對(duì)日益復(fù)雜的現(xiàn)代化城市供水系統(tǒng),逐漸多元化的城市用水需求,這種人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)度方式的運(yùn)行效果不佳、能耗甚大,且普遍存在著人工調(diào)度操作時(shí)水泵在非高效狀況下運(yùn)行的問(wèn)題,水泵調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能潛力較大,存在的可提升空間也較為明顯。因此深入研究切實(shí)可行的供水泵組運(yùn)行調(diào)度技術(shù),以提升水泵泵組的運(yùn)行效率、節(jié)約能耗、降低運(yùn)行成本,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)今國(guó)內(nèi)、外供水行業(yè)提高泵組運(yùn)行效率、節(jié)約能耗的途徑一般有以下兩種:一是對(duì)供水泵組運(yùn)行工藝進(jìn)行優(yōu)化,即對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行優(yōu)選更換、對(duì)配水管網(wǎng)等輔助設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)改善單臺(tái)水泵設(shè)備運(yùn)行或多臺(tái)水泵設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行的效率,達(dá)到提效節(jié)能的目的;二是對(duì)供水機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行管理進(jìn)行優(yōu)化,即在保證供水安全穩(wěn)定的前提下,綜合考慮城市用水量的變化規(guī)律及供水各個(gè)工藝流程的調(diào)節(jié)作用,使供水泵組盡可能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在高效、較優(yōu)的工作狀態(tài),以達(dá)到優(yōu)化節(jié)能的目的。

對(duì)此,依托位于四川省樂(lè)山市夾江縣的青衣水廠(chǎng)開(kāi)展智能泵組技術(shù)研究。青衣水廠(chǎng)設(shè)計(jì)供水規(guī)模為14萬(wàn)m3/d。一期5萬(wàn)m3/d,采用“沉砂-絮凝沉淀-過(guò)濾-消毒”制水工藝,其主要設(shè)施包括預(yù)沉網(wǎng)格絮凝斜管沉淀池、V型濾池、清水池、反沖洗泵房、加氯加藥間、送水泵房、配電房、排水排泥池、污泥濃縮池、脫水機(jī)房及配套的生產(chǎn)輔助設(shè)施。水廠(chǎng)一期配置5臺(tái)安德里茨SFWP100-300型單級(jí)雙吸臥式離心泵設(shè)備,水泵流量834m3/h,揚(yáng)程48m,效率86%,轉(zhuǎn)速1480rpm。其中3臺(tái)工頻泵配西門(mén)子ILE0001-3AB53-3AJ5-Z Q04 Q5A型低壓電機(jī),2臺(tái)變頻泵配西門(mén)子ILE0001-3AB53-3AJ5-Z F70 Q04 Q5A型低壓電機(jī),電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)工作電壓均為380V,功率160kW,轉(zhuǎn)速1480rpm。

2 水廠(chǎng)智能泵組技術(shù)的研究

2.1 城市用水預(yù)測(cè)分析

隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展,智慧城市理念的提出,要求建設(shè)精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化、高效化的水務(wù)系統(tǒng)。城市用水的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)可為科學(xué)供水提供有效指導(dǎo),提高資源利用率。在城市供水管網(wǎng)中不利點(diǎn)水壓達(dá)標(biāo)的前提下,通過(guò)模型預(yù)測(cè)的供水量數(shù)據(jù)對(duì)供水模式進(jìn)行優(yōu)化,使得供水泵組在總功率相對(duì)較小的工況下工作,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

城市供水主要是自來(lái)水廠(chǎng)為城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供必要的水資源,水廠(chǎng)每日供水量有著明顯的變化,小時(shí)供水量有明顯的周期性變化(早高峰、晚高峰),且與天氣狀況、節(jié)假日等諸多因素密切相關(guān)[1]。供水量的變化大致有周、季節(jié)、年的一些時(shí)序性規(guī)律。同時(shí),由于一些極端天氣、大型活動(dòng)、社會(huì)熱點(diǎn)事件等狀況的發(fā)生,供水量也有一些隨機(jī)的波動(dòng)。

供水量預(yù)測(cè)建模采用特征工程、相關(guān)性分析和模型訓(xùn)練三大步驟。其中,特征工程構(gòu)建了與天氣狀況、日期、時(shí)間等與供水量息息相關(guān)的因子。在此基礎(chǔ)上,采用四種預(yù)測(cè)模型:

(1)ARIMA模型,差分自回歸移動(dòng)平均模型,是一種時(shí)間序列模型[2];

(2)隨機(jī)森林模型,一種集成算法,由多個(gè)弱學(xué)習(xí)器組成[3];

(3)XGBoost模型,由陳天奇提出的一種分布式的算法框架,對(duì)傳統(tǒng)的梯度提升算法的一個(gè)改良,核心思想是基于殘差的訓(xùn)練[4];

(4)LSTM長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,一種特定形式的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),包括輸入、輸出和遺忘找尋[5]。

運(yùn)用四種模型算法對(duì)夾江縣城區(qū)供水量進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的短期預(yù)測(cè),對(duì)比發(fā)現(xiàn)XGBoost模型對(duì)短時(shí)供水量預(yù)測(cè)有明顯優(yōu)勢(shì),具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、方便等優(yōu)點(diǎn)。

在對(duì)四種算法進(jìn)行比較后選擇基于XGBoost算法建立水廠(chǎng)的短時(shí)供水量預(yù)測(cè)模型。將天氣、日期等數(shù)據(jù)傳入模型后,模型可將數(shù)據(jù)進(jìn)行特征擴(kuò)充并快速、準(zhǔn)確推理出未來(lái)一小時(shí)的供水量,依據(jù)模型的推理結(jié)果,再結(jié)合生產(chǎn)人員的歷史經(jīng)驗(yàn)對(duì)城區(qū)的供水量進(jìn)行合理調(diào)度,達(dá)到用科學(xué)技術(shù)提高管理經(jīng)驗(yàn)的目的,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、減少水量損失的效果?；赬GBoost算法的供水量預(yù)測(cè)見(jiàn)圖1所示。

圖1 基于XGBoost算法的供水量預(yù)測(cè)曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)青衣水廠(chǎng)自2020年7月25日-2021年8月21日共10160條小時(shí)供水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到夾江縣城市用水需量,驗(yàn)證了供水量預(yù)測(cè)模型分析,直接用于指導(dǎo)水廠(chǎng)供水調(diào)度,更好地、高效地實(shí)現(xiàn)城市用水保障和安全。夾江青衣水廠(chǎng)的供水量日變化情況見(jiàn)圖2所示。

圖2 青衣水廠(chǎng)日供水量變化曲線(xiàn)

2.2 水廠(chǎng)恒壓供水控制

水廠(chǎng)恒壓供水的核心是變頻泵的PID控制,PID工作原理見(jiàn)圖3所示。

圖3 PID變頻器工作原理

恒壓供水中,輸入是目標(biāo)壓力,即供水管網(wǎng)所需的壓力,對(duì)于恒壓供水專(zhuān)用變頻器,該值可直接設(shè)置。輸出是實(shí)際壓力,即供水管網(wǎng)實(shí)際測(cè)量的壓力,該值與水泵的功率相關(guān),靠壓力傳感器或遠(yuǎn)傳壓力表測(cè)得。

在變頻器收到實(shí)際壓力數(shù)據(jù)后,與目標(biāo)壓力進(jìn)行對(duì)比,有三種情況:

(1)實(shí)際壓力<目標(biāo)壓力,變頻器內(nèi)部經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后輸出一個(gè)遞增的頻率值,該值對(duì)應(yīng)水泵轉(zhuǎn)速,隨著水泵轉(zhuǎn)速升高,實(shí)際壓力同步增加;

(2)實(shí)際壓力=目標(biāo)壓力,該情況下已經(jīng)達(dá)到控制的目的,此時(shí)變頻器PID停止調(diào)節(jié),保持一個(gè)恒定的頻率輸出,同時(shí)水泵轉(zhuǎn)速恒定;

(3)實(shí)際壓力>目標(biāo)壓力,如果水量減少,但水泵轉(zhuǎn)速不變,則實(shí)際壓力會(huì)增加,此時(shí)由變頻器監(jiān)測(cè)該值后通過(guò)PID調(diào)節(jié),水泵的轉(zhuǎn)速降低,實(shí)際壓力同步降低。

由以上三種方式組合使用,變頻器通過(guò)PID調(diào)節(jié),使水泵轉(zhuǎn)速一直在動(dòng)態(tài)變化,以實(shí)現(xiàn)實(shí)際壓力保持一個(gè)穩(wěn)定的值。供水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 供水系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

恒壓供水系統(tǒng)具備的控制功能:

(1)手動(dòng)功能。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置,能直接啟停每臺(tái)工頻水泵,每臺(tái)水泵狀態(tài)由對(duì)應(yīng)手動(dòng)開(kāi)關(guān)位置決定。

(2)自動(dòng)功能。轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位置,設(shè)備進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),PLC按變頻水泵循環(huán)工作方式對(duì)水泵泵組進(jìn)行自動(dòng)控制。

通過(guò)對(duì)分布式壓力檢測(cè)的恒壓供水控制系統(tǒng)的介紹、原理分析及數(shù)學(xué)模型建模,并通過(guò)matlab仿真分析可得知,使用基于分布式壓力檢測(cè)的恒壓供水控制系統(tǒng),可有效提升供水系統(tǒng)的效能,降低浪費(fèi)率?？刂葡到y(tǒng)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用顯示出良好的控制效果,適應(yīng)性強(qiáng),穩(wěn)定可靠,節(jié)能環(huán)保,使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力,最終達(dá)到高效運(yùn)行的目的。夾江縣青衣水廠(chǎng)供水管網(wǎng)恒壓供水信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)界面見(jiàn)圖5。

圖5 青衣水廠(chǎng)供水管網(wǎng)恒壓供水信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)界面

2.3 基于人工蜂群算法的智能泵組技術(shù)研究

人工蜂群算法是由Karabogo于2005年基于蜜蜂群體覓食行為提出的,并且通過(guò)測(cè)試函數(shù)進(jìn)行適用性測(cè)試,結(jié)果表明可以有效解決帶有約束條件的優(yōu)化問(wèn)題。后來(lái),有很多學(xué)者將人工蜂群算法應(yīng)用于水泵泵組運(yùn)行優(yōu)化問(wèn)題。2017年,郭昕等利用人工蜂群算法求解泵組優(yōu)化運(yùn)行模型,并與標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行比較[6];2018年,劉偉等針對(duì)礦山井下排水系統(tǒng)能耗優(yōu)化問(wèn)題,利用人工蜂群算法求解,得到優(yōu)化運(yùn)行方案[7];2021年,王陽(yáng)等針對(duì)供水泵站優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題建立以單位產(chǎn)量電耗最小為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化調(diào)度模型,利用人工蜂群算法進(jìn)行尋優(yōu)求解[8]。然而,人工蜂群算法也存在不足:隨著優(yōu)化問(wèn)題復(fù)雜度的提高,尋優(yōu)區(qū)域的擴(kuò)大,收斂速度會(huì)下降,精度會(huì)降低。青衣水廠(chǎng)開(kāi)展基于人工蜂群算法的智能泵組技術(shù)研究,對(duì)人工蜂群算法進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整步長(zhǎng),同時(shí)改進(jìn)偵察蜂搜索策略,平衡人探索和收斂精度的能力,將改進(jìn)的人工蜂群算法應(yīng)用于水廠(chǎng)供水泵組運(yùn)行優(yōu)化的工程實(shí)例,驗(yàn)證算法的適用性和優(yōu)化效果。

人工蜂群算法模擬蜂群采蜜過(guò)程進(jìn)行隨機(jī)迭代搜索。蜂群中的蜜蜂根據(jù)分工不同分為三類(lèi):引領(lǐng)蜂、跟隨蜂和偵察蜂。人工蜂群算法將優(yōu)化模型的求解范圍對(duì)應(yīng)蜜蜂的飛行區(qū)域,模型的解對(duì)應(yīng)蜜蜂搜尋到的花蜜。

工頻泵以固定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,均有其固有的特性曲線(xiàn),水泵的特性曲線(xiàn)主要描述揚(yáng)程、軸功率和效率隨著流量變化的規(guī)律,是科學(xué)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行的必備條件。水泵性能參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系沒(méi)有準(zhǔn)確的表達(dá)式,一般采用擬合的方式得到,首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出各性能參數(shù)的具體對(duì)應(yīng)值,然后采用最小二乘原理進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。水泵性能曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 水泵性能曲線(xiàn)

3 水廠(chǎng)智能泵組系統(tǒng)技術(shù)成果的應(yīng)用

夾江青衣水廠(chǎng)按5萬(wàn)m3/d供水能力和恒壓變頻供水模式計(jì)算,供水泵組日耗電量達(dá)9600kW·h,應(yīng)用智能泵組系統(tǒng)技術(shù)成果后,經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得知,水廠(chǎng)供水泵組日耗電量降低至8160kW·h,節(jié)約能耗15%,按目前電能單價(jià)年能耗成本節(jié)約34萬(wàn)元,有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗和運(yùn)行成本控制,相對(duì)減少了二氧化碳排放,助力了碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)。同時(shí),通過(guò)智能泵組系統(tǒng)技術(shù)能將經(jīng)驗(yàn)性的供水調(diào)度模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒?、自?dòng)化和智能化的生產(chǎn)模式,不僅解放了生產(chǎn)運(yùn)行人力資源,配合設(shè)備生命周期管理系統(tǒng)來(lái)度量水泵設(shè)備的工作效能和狀況,實(shí)現(xiàn)預(yù)見(jiàn)性的設(shè)備保養(yǎng)與檢修,降低設(shè)備故障率,提升水泵設(shè)備運(yùn)行效率和供水保障安全,并且從設(shè)備使用生命周期角度分析,可提升設(shè)備的運(yùn)行壽命約20%。夾江縣青衣水廠(chǎng)智能泵組系統(tǒng)運(yùn)行界面見(jiàn)圖7。

圖7 夾江縣青衣水廠(chǎng)智能泵組系統(tǒng)運(yùn)行界面

4 結(jié)語(yǔ)

供水泵組是自來(lái)水廠(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行的重要組成部分,是城市用水民生的保障,智能泵組系統(tǒng)技術(shù)是現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)與信息化技術(shù)的深度融合,通過(guò)夾江青衣水廠(chǎng)智能泵組技術(shù)的研究與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)多泵組設(shè)備并聯(lián)智能控制,解決了傳統(tǒng)節(jié)流控制模式和簡(jiǎn)單變頻啟停控制方式下系統(tǒng)運(yùn)行能耗高、運(yùn)行可靠性低的問(wèn)題,提高了城市供水保障和安全,為供水企業(yè)節(jié)約了運(yùn)營(yíng)成本,同時(shí)推動(dòng)了水務(wù)行業(yè)創(chuàng)新、節(jié)能、綠色、開(kāi)放、共享發(fā)展,取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。