馬 悅

(寧波水表(集團)股份有限公司，浙江寧波315000)

近年來中國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，有效推動了城市化進程不斷加快，供水管網(wǎng)作為城市基礎設施的重要組成部分，日益凸顯出其安全運行管理對城市發(fā)展的重要性。供水管網(wǎng)運行管理水平的高低，涉及城市的資源、環(huán)境、能耗等眾多方面的有效管控和利用，直接關系著城市的承載能力和運行效率。要保障城市水務設施高效、經(jīng)濟運行，必須及時、準確、全面、系統(tǒng)地掌握各類相關信息和數(shù)據(jù)，并力求做到精準化調(diào)控，而傳統(tǒng)運管模式難以實現(xiàn)，必須借助于數(shù)字化水務公共服務平臺，充分利用互聯(lián)網(wǎng)思想架構，及時、有效匯集相關信息和數(shù)據(jù)，通過云計算、模擬仿真、大數(shù)據(jù)分析等技術手段，實現(xiàn)精準預判并及時反饋有效指令。

1 背景

近年來，“智慧水務”是水行業(yè)研究和討論的熱點。完美的智慧化，首先要具備透徹的狀態(tài)感知，能夠及時、準確、全面地獲取各水務應用系統(tǒng)的相關信息數(shù)據(jù)，以確保管線及附屬設施等基礎數(shù)據(jù)的完整性和真實性、監(jiān)測點狀態(tài)數(shù)據(jù)的及時性和準確性、計量設備布設的合理性和生命周期管理的效率性等，在此基礎上實現(xiàn)全面的信息互聯(lián)，利用模型、數(shù)據(jù)分析、云計算等方法實現(xiàn)對生產(chǎn)、調(diào)度的科學指導。

但是截至目前，在行業(yè)實際應用中并沒有建立特別顯著和具有突出應用效果口碑的工程標準項目，絕大部分供水企業(yè)仍然是依靠人的經(jīng)驗管理實現(xiàn)管網(wǎng)調(diào)度和生產(chǎn)控制管理，分析認為核心問題在于“數(shù)據(jù)”未能得到真正的挖掘和價值體現(xiàn)。

一是對管網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)采集的精準度重視程度遠遠不夠。GIS作為管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中心，很多供水企業(yè)均已對其進行項目建設，但這絕不是一項單純的項目工程，而是一項長期的系統(tǒng)工程，其中部分數(shù)據(jù)因原始數(shù)據(jù)資料缺失可能導致普查數(shù)據(jù)結果出現(xiàn)很大的偏差，一定要通過后期的工程維修、巡檢巡查、新改擴建工程等動態(tài)流程管理來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的糾正及補充，最終不斷提升管網(wǎng)數(shù)據(jù)的精準度，從而具備支撐計算和輔助計算的能力。

二是對管網(wǎng)中監(jiān)測點位置的布設缺乏科學、合理的依據(jù)。管網(wǎng)中所有被采集數(shù)據(jù)——實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，應具有高度的可計算或指導計算結果糾偏的價值，在投資成本受限的情況下，應選擇性價比最優(yōu)方案，再根據(jù)布設原則有條件地增加。不同城鎮(zhèn)的供水管網(wǎng)根據(jù)地形地貌、人口分布密度、大用水戶用水量規(guī)律及管材管徑設置等因素，都有其各自的運行特點，要科學布設參數(shù)采集點，應盡量優(yōu)先選擇管網(wǎng)中關鍵節(jié)點，包括供水不利點、末梢管段、瓶頸管段、長距離支線、用水量較低的斷頭管等，其數(shù)據(jù)對模型校核、水力計算都具有良好的支撐作用。

三是為了保證數(shù)據(jù)分析的全面性，需要將影響節(jié)點數(shù)據(jù)波動的變量參數(shù)一并記入統(tǒng)計分析，明確受其影響的節(jié)點數(shù)據(jù)波動的范圍和原因，確保計算結果可信度高，才可保證所輸出的數(shù)據(jù)具有指導實際運行的價值。

因此，為供水生產(chǎn)、調(diào)度提供科學有效的解決方案，首先要建立在完整、真實的數(shù)據(jù)基礎之上，最終通過簡潔、直觀的全方位可視化界面，展示運行工況數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析結果，聚焦問題、直擊痛點。而具備這樣系統(tǒng)性、可持續(xù)性和可拓展性服務能力的數(shù)字化平臺，將是今后智慧水務應用發(fā)展的主要趨勢，也只有通過數(shù)字化水務公共平臺的系統(tǒng)分析服務，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值體現(xiàn)，讓供水企業(yè)實現(xiàn)管理創(chuàng)新和數(shù)據(jù)轉型目標，從而提升管理效率和經(jīng)濟效益。

2 數(shù)字化水務公共服務平臺的建設

《水污染防治行動計劃》(“水十條”)的出臺，對防污染控制管理和漏損率提出了更為嚴苛的控制要求。近年來，水輿情事件頻有發(fā)生，尤其是水質(zhì)輿情事件本年度已攀升至總量的67%。水源地的污染防控，流域內(nèi)突發(fā)排污異常事件、冬季低溫水庫底層水富氧化問題嚴重、夏季高溫江河湖表層水富氧化問題嚴重等，對原水管理提出了更高的要求。管網(wǎng)中二次供水設施具備調(diào)蓄能力的箱式供水逐步被占地面積小、無二次污染的無負壓設備取代，但無負壓設備對進水口壓力的要求較高，在用水高峰且時間集中期，極易因大量抽水導致管道負壓而引發(fā)水質(zhì)渾黃、有異味等污染事件發(fā)生；多水廠供水的水力分界線區(qū)域不明朗，混水區(qū)因壓力調(diào)配不力導致的水錘等突發(fā)爆管事件，或因供水方式不同，重力流供水與壓力供水臨界處瞬時壓力高頻震蕩引發(fā)的爆管事件等，均對供水管網(wǎng)安全運行管理提出了更高、更嚴格的管理要求。

如何挖掘現(xiàn)有數(shù)據(jù)，通過對供水量、售水量、實際用水量、分區(qū)計量、總分表差量等進行分析計算，在滿足終端用戶基本用水需求條件下，給出最合理的出廠服務壓力以及管網(wǎng)各節(jié)點分配的流量和壓力，使管網(wǎng)各個管段結合自身參數(shù)特點處于最經(jīng)濟的優(yōu)化運行狀態(tài)，是供水企業(yè)追求的終極目標。這就要借助于信息化手段，通過系統(tǒng)連續(xù)性的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)科學控漏目標，并有效降低事故率，提高運行效率。

2.1 水務公共服務平臺的建設理念

供水管網(wǎng)是一個龐大復雜的系統(tǒng)，同一供水系統(tǒng)中，管網(wǎng)建設年代各不相同，承擔的卻是相同的輸配水任務和出廠服務壓力。同時，城市地下土壤環(huán)境不同，管線材質(zhì)種類繁多，敷設管線過程中的被動設計變更而導致的供水不利點的徒然增加，二次供水方式由箱式供水向無負壓供水方式的大規(guī)模轉變等，都是影響供水管網(wǎng)安全運行的重要因素，對生產(chǎn)調(diào)度也提出了更為嚴峻的考驗。

隨著城鄉(xiāng)供水一體化建設的不斷發(fā)展和供水普及率的不斷提高，安全供水，供上優(yōu)質(zhì)水、放心水是所有供水企業(yè)努力的主要方向。建設綜合水務公共服務平臺，不僅可以通過水力計算滿足優(yōu)化生產(chǎn)、優(yōu)化調(diào)度的需求，實現(xiàn)安全供水目標，還可以通過水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，科學調(diào)整運行參數(shù)，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)供水目標，在有效提高經(jīng)濟效益的同時提高社會效益，是保障安全供水的十分重要且必要的信息化建設手段。筆者以寧波水表(集團)股份有限公司(以下簡稱寧水集團)水務公共服務平臺項目的建設思路為例，說明平臺對水務行業(yè)數(shù)據(jù)服務能力的發(fā)展優(yōu)勢。

2.2 水務公共服務平臺的建設內(nèi)容

平臺供水管理系統(tǒng)主要具有基礎數(shù)據(jù)管理、營銷優(yōu)化、調(diào)度優(yōu)化、漏損控制和預測預警管理等功能。

2.2.1 調(diào)度與節(jié)能降耗

科學優(yōu)化調(diào)度、降低運行能耗始終是水務行業(yè)信息化建設的主要方向。借助大數(shù)據(jù)、在線水力和水質(zhì)模型、人工智能技術等構建供水數(shù)字化水務平臺，通過準確的水量預測和高效的水泵組合運行控制，實現(xiàn)從原水輸送到二次供水的全系統(tǒng)協(xié)同節(jié)能優(yōu)化運行，提升供水生產(chǎn)和輸配過程中的機泵效率，最大程度節(jié)約供水能耗，是未來的發(fā)展趨勢。

近3年的年鑒數(shù)據(jù)顯示，水廠電耗占供水系統(tǒng)總電量的80%左右，普遍存在機組泵站運行效率低下(約為50%～75%)的情況，一方面是因為設備本身陳舊老化，需要更新改造提升效率；另一方面則是泵站運行調(diào)度仍以傳統(tǒng)人工經(jīng)驗為主，缺乏實用的優(yōu)化調(diào)度預案和運管平臺，機泵運行工況不夠合理，變頻調(diào)速不夠優(yōu)化，導致系統(tǒng)運行的大量無效能耗增加了制水成本。加之城市化進程的快速發(fā)展，供水管網(wǎng)的不斷擴張，規(guī)劃布局與管網(wǎng)自身結構缺乏優(yōu)化節(jié)能考慮，單純?yōu)闈M足管網(wǎng)末端用水量要求，水廠出廠壓力過高，導致管網(wǎng)中大范圍存在壓力冗余情況，無形中增加了背景漏失量和暗漏漏量。

此外，隨著城市中高層建筑不斷增多，二次供水能耗在供水系統(tǒng)中的占比也逐年攀升。由于前期在設計過程中對節(jié)能運行不夠重視且缺乏與整體管網(wǎng)運行管理的技術銜接，二次供水泵站普遍存在選型配置不合理、管理粗放和水泵低效運行等問題，使得經(jīng)過改造的二次供水設施大多無法形成與市政管網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度，無法達到削峰填谷、系統(tǒng)節(jié)能降耗的目標。結合寧水集團新一代多參數(shù)智能3.0水表的安裝數(shù)據(jù)，對G鎮(zhèn)的M水廠進行了數(shù)據(jù)分析，以建立的供水管網(wǎng)水力、水質(zhì)模型為核心，構建可靠性保障和節(jié)能降耗運行的多目標優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)市政管網(wǎng)-二次供水設施的多級協(xié)同運行優(yōu)化(圖1)，充分利用水箱等設施的調(diào)蓄能力進行水廠供水的削峰填谷，降低系統(tǒng)整體運行能耗。

圖1 供水管網(wǎng)多級協(xié)同優(yōu)化技術原理Fig.1 Principle of multi-level collaborative optimization technology for water supply network

M水廠共有3臺水泵，其功率分別為75，55和37 kW，年供水總量約為250×104m3，年制水電耗約為100×104kW·h。

(1)目標函數(shù)

單臺水泵工作時，水泵效率的有功功率消耗：

(1)

式中K——換算系數(shù)；

QP——水泵的出水流量;

HP——水泵的出水揚程;

ηP——水泵在當前流量、揚程下的運行效率。

同時考慮水廠的制水成本，泵站的總供水費用：

(2)

式中pj——泵站j對應水廠的制水成本；

X(i)——該泵站第i臺水泵的開關狀態(tài)，水泵開啟時取1，關閉時取0；

Fj(t)——j泵站第t時段的電費；

E(t)——t時段調(diào)度時間間隔，t一般指該調(diào)度時段的起始時刻。

(2)約束條件

① 最小服務水頭約束

管網(wǎng)服務區(qū)域內(nèi)各節(jié)點的自由水壓不低于相應的最小服務水頭：

Hi,t

其中Hi∈Ωn，Ωn為控制點集合，t為調(diào)度時刻。

② 泵站的出水量約束

minQj,t≤Qj,t≤maxQj,t

p=泵站1Λj,t=時段1ΛT

③ 管網(wǎng)中水池或水庫的水位約束

為避免水池(庫)出現(xiàn)放空和溢流的情況，需要設置水池(庫)的最高、最低水位約束：

minVr,t≤Vr,t≤maxVr,t

④ 初始邊界條件

要求在調(diào)度周期(一般為24 h)內(nèi)，水池(庫)的初始時段水位與末時段水位相等：

Vr,init=Vr,end

r=水池(庫)1ΛR

建立以節(jié)點壓力的實測值與模擬值之間的差值平方和最小，以及管段流量的實測值與模擬值之間差值平方和最小為目標的多目標校核模型。

式中Lmax——工況數(shù)；

N，M——分別為測壓點和測流點的數(shù)目；

Hti，Hti，0——分別為第t種工況下第i個測壓點的模型計算值和現(xiàn)場監(jiān)測值；

Qtj，Qtj，0——分別為第t種工況下第j個測流點的模型計算值和現(xiàn)場監(jiān)測值。

利用差異校核模型，使管網(wǎng)模型能夠模擬實際的管網(wǎng)工況。在模型建立時，需要校核的參數(shù)通常包括節(jié)點流量、管徑、管道粗糙系數(shù)、閥門開度和水泵特征曲線等，其中主要是對管道粗糙系數(shù)和節(jié)點流量的校核。隨著供水企業(yè)信息中心的建立和營業(yè)收費管理系統(tǒng)的應用，節(jié)點流量的統(tǒng)計趨于準確，摩阻系數(shù)的校核就成了管網(wǎng)模型參數(shù)校核中的重點。管道粗糙系數(shù)與管材、管徑和敷設年代都存在一定的關系，相對比較穩(wěn)定，但也會隨著時間而變化。由于供水管道大多都敷設在地下，數(shù)量眾多，管道摩阻系數(shù)難以一一測量，所以主要考慮將其作為校核的對象。

對于大型供水管網(wǎng)，如果把所有管段全部作為決策變量，需要較多的個體數(shù)量和大量的計算時間，進化過程比較緩慢，難以達到實用效果。對此，可以運用全局靈敏度分析方法對供水管網(wǎng)模型中的管道摩阻進行靈敏度分析，分析摩阻的變化對監(jiān)測點壓力和流量的影響，然后選取靈敏度較大的管道進行校核，其他管道仍取經(jīng)驗值，從而顯著縮短計算時間。

M水廠供水服務范圍內(nèi)地勢平坦，沒有高層建筑物且無二級泵站，故采取直接優(yōu)化調(diào)度模型進行優(yōu)化調(diào)度方案設計。以泵站在不同時段的流量和給水壓力為決策變量, 計算求解各節(jié)點的流量和壓力優(yōu)化分配，實現(xiàn)降耗目標，見表1。

表1 M水廠供水電耗的變化Tab.1 Change of water supply power consumption of the M Waterworks

2.2.2 漏損控制分析

針對目前供水行業(yè)漏損控制實施分區(qū)計量缺少科學的計量分區(qū)劃分方法、計量設備選型及布局不夠優(yōu)化、建立計量分區(qū)后所采集的數(shù)據(jù)缺乏智能分析手段等問題，寧水集團水務公共服務平臺項目結合新一代多參數(shù)智能3.0水表，開展了計量分區(qū)多目標優(yōu)化方法研究及方案設計，并擬開發(fā)漏損監(jiān)測工程化應用軟件，為供水分區(qū)計量與漏損控制提供智能化硬件設備以及與之匹配的先進、實用的科學分析軟件工具。計量分區(qū)是從水廠通過復雜的管網(wǎng)系統(tǒng)到小區(qū)的層級體系(見圖2)，而分區(qū)數(shù)量和規(guī)模是整體方案的技術難點，其關鍵問題之一是僅根據(jù)管線基礎資料無法判斷分區(qū)后對管網(wǎng)水力水質(zhì)產(chǎn)生的影響。

圖2 多級計量分區(qū)層級體系Fig.2 Hierarchical system of multi-level measurement district

根據(jù)管網(wǎng)水力模型工況模擬數(shù)據(jù)計算基礎，結合分區(qū)方案應考慮的關鍵因素，轉化為可量化計算的目標函數(shù)和約束條件，建立供水管網(wǎng)多目標分區(qū)問題的圖論模型和數(shù)學模型。分區(qū)方法采用多層均衡細化算法(圖3)，通過簡化管網(wǎng)圖得到節(jié)點分組，再逐層細化并調(diào)整分區(qū)邊界上的節(jié)點，計算分區(qū)間連接管上安裝的管件類型，最終得到大量分區(qū)方案。利用多目標優(yōu)化方法，同時考慮水壓、水質(zhì)、分區(qū)結構和經(jīng)濟性指標，篩選得到一組分布在四維曲面上的帕累托解，靈活選擇分區(qū)方案。

圖3 管網(wǎng)分區(qū)多層均衡細化原理Fig.3 Principle of multi-layer balanced refinement of pipe network partition district

通過管網(wǎng)動態(tài)水力模型的智能分析，快速、準確地判斷漏損區(qū)域是分區(qū)計量發(fā)揮實際效能的關鍵?；趬毫Α⒘髁康乳L時間序列的持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡等算法工具，結合DMA分區(qū)情境下的管網(wǎng)水力學特征，利用夜間最小流量法識別出夜間流量過高、可能存在明顯漏損的小區(qū)(圖4)，最終通過節(jié)點壓力的精細化調(diào)控管理，實現(xiàn)降低管網(wǎng)背景漏損的目標。

圖4 DMA 小區(qū)最小夜間流量與物理漏損量的關系Fig.4 Relationship between minimum night flow and physical leakage of DMA residential area

3 結論

水的取、凈、輸、配、供是一個多參數(shù)、非線性特點的過程，既可能與水量有關，也可能和水質(zhì)有關，科學指導生產(chǎn)運行并不能僅僅通過簡單的監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)。水務公共服務平臺具有數(shù)據(jù)統(tǒng)籌分析的系統(tǒng)性、持續(xù)性和可拓展性等優(yōu)勢，能通過復雜的水量、水壓、水質(zhì)參數(shù)收集統(tǒng)計、多維分析，實現(xiàn)快速堵塞低能低效管理漏洞的目標，是水務智慧化、信息化發(fā)展的必要途徑。