深圳市供水調(diào)度模擬系統(tǒng)設(shè)計

摘要：隨著珠三角水資源配置工程建設(shè)運行，深圳市原有以東江為主自東向西的供水系統(tǒng)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西江聯(lián)合供水的復(fù)雜環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，供水格局發(fā)生變化。為滿足深圳市多水源復(fù)雜供水網(wǎng)絡(luò)精準調(diào)度需求，同時為全市供水調(diào)度信息管理提供直觀的操作展示平臺，提升精細化供水調(diào)度能力，開發(fā)了深圳市供水調(diào)度模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)含綜合管理、水廠需水預(yù)測、境外水源需求、正常供水調(diào)度、檢修供水調(diào)度、應(yīng)急供水調(diào)度、調(diào)度模擬工具、用戶信息管理八大功能模塊，可支撐境外供水工程—水源水庫—輸水工程—水廠全過程多場景供水調(diào)度模擬。系統(tǒng)的開發(fā)可為深圳市供水調(diào)度方案及計劃制定、供水調(diào)度信息管理提供有力支撐，對提高城市多水源復(fù)雜供水網(wǎng)絡(luò)調(diào)度模擬的整體水平具有參考意義。

關(guān)鍵詞：調(diào)度系統(tǒng)； 多水源供水調(diào)度； 城市供水網(wǎng)絡(luò)； 深圳市

中圖法分類號：TU991

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.017

文章編號：1006-0081（2024）11-0106-06

0 引 言

深圳市已建成基于境外調(diào)水工程、本地水庫、輸水線路、水廠等工程體系的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)供水系統(tǒng)。隨著珠江三角洲水資源配置工程及其配套工程的建設(shè)運行，調(diào)度格局日益復(fù)雜。在深圳市供水調(diào)度管理中，需基于不同時空維度構(gòu)建調(diào)度場景，開展模擬計算［1-2］。

目前在區(qū)域及工程供水調(diào)度方面已有學(xué)者開展了研究，吳澤宇、馬立亞等［3-5］基于流域水系、水利工程、用水節(jié)點建立了長江流域水資源配置模擬模型；王汝科［6］針對城市供水智能調(diào)度系統(tǒng)屬性中可能或潛在的技術(shù)問題提出了解決辦法。但目前少有針對深圳市多水源復(fù)雜供水網(wǎng)絡(luò)供水體系調(diào)度的研究，且現(xiàn)有計算方式難以滿足深圳市多水源復(fù)雜供水網(wǎng)絡(luò)精準調(diào)度模擬需求。為提高深圳市供水調(diào)度模擬方案計算效率，同時為全市供水調(diào)度信息管理提供直觀的操作展示平臺，支撐精細化供水調(diào)度，開發(fā)了深圳市供水調(diào)度模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)可為深圳市供水調(diào)度方案及計劃制定、供水調(diào)度信息管理提供有力支撐。

1 深圳市供水調(diào)度基本情況

深圳市現(xiàn)狀供水系統(tǒng)是在東深供水工程、東江水源工程兩大骨干水網(wǎng)工程的框架下，配套建有北線引水工程、網(wǎng)絡(luò)干線工程和北環(huán)干線工程等自東向西的輸水通道，將東江水源輸送到全市，與本地水庫聯(lián)合調(diào)配保障全市供水安全［7-8］。為解決深圳市等珠江三角洲地區(qū)供水安全保障問題，目前已實施珠江三角洲水資源配置工程（簡稱“珠三角水資源配置工程”，于2024年1月正式通水），正在實施羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程（簡稱“羅鐵隧洞工程”）和公明水庫-清林徑水庫連通工程（簡稱“公清連通工程”）兩項配套工程［9-11］。

隨著珠三角水資源配置工程建成，深圳市原有以東江為主自東向西的供水系統(tǒng)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闁|西江聯(lián)合供水的復(fù)雜環(huán)路網(wǎng)絡(luò)，供水格局發(fā)生變化，供水網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)互通。到2035年，全市主要原水管線進一步完善，逐步形成“一網(wǎng)互聯(lián)、兩江并舉、三縱四橫”的供水系統(tǒng)格局，深圳市供水調(diào)度系統(tǒng)的復(fù)雜性急劇增加，需統(tǒng)籌考慮30余條原水輸配水通道、30座水庫、50余座水廠的統(tǒng)一調(diào)度。

面對復(fù)雜的深圳市供水調(diào)度新格局，在開展深圳市供水調(diào)度模擬計算中，一方面要統(tǒng)籌復(fù)雜調(diào)度系統(tǒng)各調(diào)度要素的調(diào)度關(guān)系，基于深圳市供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，構(gòu)建全市供水調(diào)度模擬模型，考慮水量、水質(zhì)和經(jīng)濟性等多種要素，開展全市水量統(tǒng)一調(diào)度配置；另一方面，考慮工程建設(shè)進展，調(diào)度方案需要分別考慮珠三角水資源配置工程通水后（2023～2025年）、羅鐵工程通水后（2026～2028年）及公清工程通水后（2029～2035年）各階段供水調(diào)度方案，調(diào)度時間、空間維度大，業(yè)務(wù)功能場景復(fù)雜［12］。在管理上，深圳市供水調(diào)度管理涉及市、區(qū)水務(wù)局，環(huán)水集團，水管單位，供水公司，水廠等行業(yè)用戶，不同單位按照分級管理要求，負責(zé)相應(yīng)的供水任務(wù)，系統(tǒng)開發(fā)需適用于不同單位供水信息管理要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 設(shè)計思路

系統(tǒng)基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，采用模塊化設(shè)計思路，構(gòu)建總體框架結(jié)構(gòu)。在深圳市供水調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用需求分析的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合深圳市供水調(diào)度業(yè)務(wù)應(yīng)用功能的專業(yè)計算特點、流程搭建體系、業(yè)務(wù)耦合關(guān)系和數(shù)據(jù)耦合關(guān)系，深度融合組件化、組態(tài)化與流程化技術(shù)，開展功能模塊建設(shè)。各模塊間通過數(shù)據(jù)連接關(guān)系和業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系進行有機集成，支撐境外供水工程—水源水庫—輸水工程—水廠全過程供水調(diào)度模擬。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

深圳市供水調(diào)度模擬系統(tǒng)總體采用B/S架構(gòu)，共分為用戶訪問層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、可視化層、平臺支撐層、數(shù)據(jù)資源層和基礎(chǔ)設(shè)施層等6個層級，系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

（1） 用戶訪問層。主要用于區(qū)分和識別不同類型的系統(tǒng)用戶。根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用類型，主要考慮3類用戶：① 管理用戶主要為調(diào)度操作人員，可訪問系統(tǒng)所有功能，開展供水調(diào)度模擬計算及數(shù)據(jù)信息交互；② 填報用戶主要是水廠、水管單位調(diào)度人員，可以進行用水需求數(shù)據(jù)填報等操作；③ 訪問用戶可訪問調(diào)度綜合管理等數(shù)據(jù)顯示模塊，查看供水調(diào)度相關(guān)信息。

（2） 業(yè)務(wù)應(yīng)用層。主要用于為各類用戶提供交互操作和渲染展示，是整個系統(tǒng)的前端可視化部分，以支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用需求為主要原則，重點建設(shè)內(nèi)容包括調(diào)度綜合管理、水廠需水預(yù)測、境外水源需求、正常供水調(diào)度、檢修供水調(diào)度、應(yīng)急供水調(diào)度、調(diào)度模擬工具、用戶信息管理八大功能模塊。

（3） 可視化層。系統(tǒng)對 Google Maps API進行二次開發(fā)，將在線地圖資源與本地矢量數(shù)據(jù)集成為統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)環(huán)境，基于GIS技術(shù)和供用水?dāng)?shù)據(jù)，建設(shè)供水調(diào)度一張圖，實現(xiàn)調(diào)度對象的地圖操作，直觀展示年、月、季、日不同時間尺度及水庫、水廠、閘門、泵站、輸水線路等不同工程調(diào)度信息。根據(jù)方案計算結(jié)果，可針對珠三角水資源配置工程、羅鐵隧洞工程、公清連通工程通水等不同階段，開展正常供水、檢修期供水和應(yīng)急供水等不同工況下的方案可視化展示。

（4） 平臺支撐層。主要為各功能模塊提供后臺的模型調(diào)用與計算、業(yè)務(wù)功能操作響應(yīng)、數(shù)據(jù)讀寫與組織轉(zhuǎn)換、組件與服務(wù)集成、運行呈現(xiàn)等各類支撐服務(wù)，是整個系統(tǒng)的內(nèi)核支撐部分。

（5） 數(shù)據(jù)資源層。主要用于對各類地理空間數(shù)據(jù)、工程基礎(chǔ)信息、業(yè)務(wù)管理信息、系統(tǒng)配置信息的存儲和管理，并提供標準化的對外訪問接口，是整個系統(tǒng)的信息驅(qū)動部分。通過充分復(fù)用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，并開發(fā)外部數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)調(diào)度信息的獲取及發(fā)布。

（6） 基礎(chǔ)設(shè)施層。主要包括滿足系統(tǒng)運行所需的各類服務(wù)器硬件配置和網(wǎng)絡(luò)通信資源，是整個系統(tǒng)的環(huán)境保障部分。

2.3 技術(shù)框架

平臺采用前后端分離的B/S架構(gòu)模式，其中后端采用Java+Maven+Spring Boot+Spring Cloud的技術(shù)路線，前端主要采用HTML5+JavaScript+Node.js+Vue2的技術(shù)路線，技術(shù)框架見圖2。

（1） Java具有簡單性、面向?qū)ο蟆⒎植际?、健壯性、安全性、平臺獨立與可移植性、多線程、動態(tài)性等特點。

（2） Maven基于項目對象模型（Project Object Model，POM）的概率開展Java項目的構(gòu)建和管理，通用性較好。另外，Maven也作為一個插件框架，Maven插件與Maven生命周期綁定在一起。該系統(tǒng)開發(fā)的后端技術(shù)采用Maven進行管理。

（3） Spring Boot是一套功能強大的企業(yè)級系統(tǒng)框架，集成了嵌入式的Web服務(wù)器、系統(tǒng)監(jiān)控等功能，可幫助開發(fā)人員實現(xiàn)自動配置，支持快速構(gòu)建企業(yè)級應(yīng)用程序。在該系統(tǒng)開發(fā)中，Spring Boot作為后端服務(wù)的建設(shè)框架，負責(zé)維護整個系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)、運行方式等。

（4） Spring Cloud Alibaba包含開發(fā)分布式應(yīng)用微服務(wù)的必需組件，方便開發(fā)者通過Spring Cloud編程模型開發(fā)分布式應(yīng)用服務(wù)。

（5） HTML5的主要特性元素包括用于繪畫的Canvas元素，用于媒介回放的video和audio元素，article、footer、header、nav、section等特殊內(nèi)容元素，calendar、date、time、email、url、search等表單控件。

（6） JavaScript是一種基于對象和事件驅(qū)動的腳本編程語言，涉及jQuery、AngularJS、React、Vue等諸多框架。

（7） Node.js是一個開源且支持跨平臺的JavaScript運行環(huán)境。Node.js在其標準庫中提供了一組異步的I/O原生功能，并使用非阻塞的范式編寫。

（8） Vue2是一套用于構(gòu)建用戶界面的漸進式框架，可以自底向上逐層應(yīng)用，是當(dāng)前最主流的前端開發(fā)框架之一。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 模型庫建設(shè)

系統(tǒng)建設(shè)模型庫用以構(gòu)建需水預(yù)測模型及面向不同供水對象的供水調(diào)度模擬模型，根據(jù)供水調(diào)度各項業(yè)務(wù)流程，將水廠、水庫、輸水工程、調(diào)水工程的水量關(guān)系進行緊密耦合。其中，需水預(yù)測模型針對水廠用水需求，內(nèi)置趨勢法、定額法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等不同計算方法；供水調(diào)度模擬模型集成了水庫、調(diào)水工程、輸水工程、供水節(jié)點等水量調(diào)度模塊，各模塊通過供水水力聯(lián)系及水量平衡關(guān)系進行銜接。模型庫作為系統(tǒng)的運算核心，支撐水量調(diào)度專業(yè)計算功能，模型庫建設(shè)內(nèi)容見圖3。

3.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1） 基于調(diào)度業(yè)務(wù)需求，結(jié)合流程控制開展功能設(shè)計。調(diào)度系統(tǒng)緊密結(jié)合深圳市供水調(diào)度業(yè)務(wù)需求，在系統(tǒng)梳理調(diào)度流程的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)各功能模塊，功能業(yè)務(wù)涵蓋調(diào)度信息統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)填報及管理、境外水源用水需求預(yù)測、年度供水調(diào)度計劃編制及調(diào)整、檢修供水調(diào)度、應(yīng)急事件庫管理及應(yīng)急供水調(diào)度，并針對重點工程的調(diào)度情景提供供水調(diào)度模擬工具，以滿足不同時間尺度的調(diào)度模擬計算。

（2） 基于信息交互，實現(xiàn)復(fù)雜供水網(wǎng)絡(luò)全鏈條、多對象、多場景統(tǒng)一管理。系統(tǒng)基于深圳市全市供水網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系，打通境外供水工程—水源水庫—輸水線路—水廠全鏈條供水調(diào)度方式，整合境外調(diào)水工程、水庫、輸水線路（輸水管道、泵站、閘門）、水廠等供水對象調(diào)度信息，考慮不同管理單位業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。在調(diào)度信息管理模塊，設(shè)置年、月、季、日等不同時間尺度歷史數(shù)據(jù)查詢，以及實際供水與歷史數(shù)據(jù)、調(diào)度計劃的對比分析；在計算相關(guān)模塊，靈活調(diào)整調(diào)度對象參數(shù)，滿足計算需要?；诘貓D管理，以信息交互為基礎(chǔ)，實現(xiàn)調(diào)度信息靈活調(diào)用、有效管理。

（3） 構(gòu)建全階段模型，適配不同時期調(diào)度模擬。隨著珠三角水資源配置工程、羅鐵工程、公清工程先后通水，深圳市供水格局發(fā)生變化，水庫、水廠、輸水工程等工程條件發(fā)生變化。為靈活應(yīng)對不同調(diào)度場景的計算，建設(shè)全階段統(tǒng)一供水調(diào)度模擬模型，將工程條件的變化作為輸入變量，設(shè)置不同的工程運行狀態(tài)參數(shù)、供水限制條件等，適配近、中、遠不同時期調(diào)度方案。

（4） 綜合多要素系統(tǒng)分析，考慮水量、水質(zhì)、運行能耗等指標。深圳市供水調(diào)度是一個多目標的調(diào)度過程。系統(tǒng)設(shè)計及開發(fā)中，考慮方案涉及的調(diào)度要素，在模擬模型中集成水量、水質(zhì)、運行能耗等指標要求，作為方案推求的約束條件或調(diào)度判別條件。水量方面，通過水庫蓄水量反映后續(xù)時段供水保障能力及應(yīng)急儲備能力；水質(zhì)方面，考慮水庫的水質(zhì)保障水位等要求；能耗方面，模擬不同調(diào)度方案供水能耗，用于在調(diào)度路徑推求中進行方案尋優(yōu)。統(tǒng)籌考慮多要素開展模擬分析，以提高調(diào)度的精細化、智能化水平。

4 業(yè)務(wù)功能應(yīng)用

4.1 調(diào)度綜合管理模塊

調(diào)度綜合管理模塊主要提供供水信息顯示查詢，并可通過系統(tǒng)界面填報供水總結(jié)數(shù)據(jù)的總結(jié)，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，通過用戶交互操作查看調(diào)度計劃執(zhí)行情況。本模塊由調(diào)度信息、總結(jié)填報、數(shù)據(jù)查看三項子功能模塊組成（圖4）。

調(diào)度信息模塊主要呈現(xiàn)年度、季度、月度、日供水?dāng)?shù)據(jù)；基于統(tǒng)計信息，對調(diào)度計劃執(zhí)行情況進行對比分析。通過系統(tǒng)頁面可進行地圖操作，對水庫、水廠、閘門、泵站、輸水管道等工程調(diào)度信息進行查詢。

總結(jié)填報模塊中，用戶基于供水月報數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)內(nèi)置填報模板，以統(tǒng)一的格式上傳供水總結(jié)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)查看模塊中，用戶可通過表格、圖形的形式查看不同行政區(qū)域、不同供水工程及管理單位的供水量、水質(zhì)監(jiān)測情況等調(diào)度信息。調(diào)度綜合管理界面見圖5。

4.2 水廠需水預(yù)測模塊

水廠需水預(yù)測模塊通過用戶填報或多種模型預(yù)測等方式，采用系統(tǒng)對需水預(yù)測結(jié)果進行分析比選，提出需水預(yù)測成果。模塊包括方案計算、方案管理兩大功能。

方案計算模塊中，用戶可以采用直接上傳數(shù)據(jù)的方式上報需水預(yù)測成果，或選用系統(tǒng)內(nèi)置需水預(yù)測模型（趨勢法、定額法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法）開展計算，生成需水預(yù)測成果。對于不同成果，通過“方案比較”界面進行數(shù)據(jù)比對，選擇推薦方案。

方案管理界面對歷史方案進行存儲及管理，可通過名稱查詢或點擊相應(yīng)按鈕，設(shè)置為關(guān)注方案或默認方案。系統(tǒng)可對方案進行編輯、刪除等操作。

4.3 境外水源需求模塊

境外水源需求模塊主要根據(jù)水廠需水預(yù)測成果，結(jié)合本地水庫供水，基于全市供水平衡開展模擬計算，明確三大境外水源（東深供水工程、東江水源工程、珠三角水資源配置工程）需水過程，包括方案計算、方案管理功能。

方案計算模塊中，用戶通過系統(tǒng)依次設(shè)置水廠、水庫、輸水工程、境外引水工程調(diào)度條件，明確工程運用參數(shù)及計算邊界條件，采用模型計算境外水源需水過程。

方案管理界面對方案計算結(jié)果進行存儲及管理，其功能參考“水廠需水預(yù)測”中“方案管理”模塊。

4.4 正常供水調(diào)度模塊

正常供水調(diào)度模塊根據(jù)水廠需水預(yù)測成果、境外引水工程確定的引水過程，統(tǒng)籌深圳全市水廠、水庫、輸水工程調(diào)度，通過模擬計算提出供水調(diào)度計劃。正常供水調(diào)度模塊包括方案計算、方案管理功能。在方案計算模塊中，依次設(shè)置水廠、水庫、輸水工程、境外引水工程調(diào)度條件，并采用深圳市供水調(diào)度模擬模型計算供水調(diào)度配置結(jié)果。對于方案結(jié)果，可通過系統(tǒng)界面在地圖中顯示水廠供水路徑，數(shù)據(jù)結(jié)果按照深圳市年度供水調(diào)度計劃規(guī)范格式進行整理，輸出水廠、水庫、可供水天數(shù)，以及管道、泵站、水閘等輸水工程供水過程表。

4.5 檢修供水調(diào)度模塊

檢修供水調(diào)度模塊針對不同境外引水工程檢修安排調(diào)整，設(shè)置檢修前水量儲備目標及調(diào)度邊界條件，動態(tài)調(diào)整更新供水調(diào)度方案，保障檢修期供水安全。

4.6 應(yīng)急供水調(diào)度模塊

應(yīng)急供水調(diào)度模塊包括應(yīng)急事件登記、歷史事件、事件管理3個子功能模塊。基于應(yīng)急事件庫，將歷史事件梳理存入系統(tǒng)，便于后續(xù)查找管理。針對新增事件，提供事件登記及方案模擬計算功能。

4.7 調(diào)度模擬工具模塊

調(diào)度模擬工具模塊主要為規(guī)劃決策或年內(nèi)水庫調(diào)度提供計算工具，適用于調(diào)度人員靈活改變工程條件或供水調(diào)度關(guān)系，快速推求方案。調(diào)度模擬工具包括中長期模擬、水庫調(diào)度工具兩個子模塊，輸入、輸出采用導(dǎo)入或?qū)С鐾獠课募男问健?/p>

5 結(jié) 語

深圳市供水調(diào)度模擬系統(tǒng)從深圳市供水調(diào)度業(yè)務(wù)需求出發(fā)，基于深圳市供水網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系及境外調(diào)水工程—水源水庫—輸水線路—水廠全鏈條供水調(diào)度方式，整合多級供水對象調(diào)度信息，考慮不同供水管理單位調(diào)度需求進行開發(fā)。系統(tǒng)在提升深圳市供水調(diào)度管理能力方面發(fā)揮了重要作用，隨著流域、區(qū)域及調(diào)水工程水資源調(diào)度管理工作的不斷深入推進，系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵思路和技術(shù)對提高城市多水源復(fù)雜供水網(wǎng)絡(luò)調(diào)度模擬的整體水平具有參考意義。

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（編輯：張 爽）

Design of water supply dispatching simulation system in Shenzhen City

LU Wei1，MA Liya2，ZHANG Yunqian1，LIU Shaohua2，GUO Da2

（1.Shenzhen Raw Water Co.，Ltd.，Shenzhen 518003，China； 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

With the construction and operation of the Pearl River Delta Water Resources Allocation Project，the original water supply system in Shenzhen，which was mainly composed of the East River and runs from east to west，would gradually transform into a complex loop network of combined water supply from the East and West Rivers，and the water supply pattern would change.In order to meet the precise scheduling needs of Shenzhen′s complex water supply network with multiple water sources，and to provide an intuitive operation display platform for the management of water supply scheduling information of the city，and to enhance the ability of water supply scheduling，a Shenzhen water supply scheduling simulation system was developed.The system contained eight functional modules including comprehensive scheduling management，water demand prediction，water diversion demand，normal water supply scheduling，maintenance period water supply scheduling，emergency water supply scheduling，scheduling simulation tools，and user information management.The system can support whole process and multi-scenario water supply scheduling simulation of water diversion project-water source reservoir-water conveyance project-water plant.The development of the system can provide a support for the formulation of water supply scheduling plans and information management in Shenzhen，and had an promoting and reference significance for improving the overall level of simulation of complex water supply networks with multiple water sources in the city.

Key words：

water supply scheduling system； multi-source water supply scheduling； urban water supply network； Shenzhen City