原水智能调度系统的建设与应用

匡海鹰 曹丽华 张淑敏(上海城投原水有限公司，上海 200135)

0 引言

水资源的优化配置和高效利用支撑经济社会持续健康发展，而水资源的优化配置和高效利用需要系统的、科学的统筹全局域的取用水，物联网、大数据、云计算的快速发展，为水资源的智慧化运营提供了理论和技术支撑，现阶段原水供应的调度方式以人工经验方法进行生产调度管理，导致运行效率低，运营成本高，能耗不精简，另外，预警监测都是由人工完成的，对异常情况反应力极低，极大影响生产，通过开发一套集预测、预警、调度于一体的智能化调度系统[1,2]，实现精准高效敏捷的调度模式。

1 系统架构

整个软件系统的框架采用B/S 的架构设计，开发平台采用JAVA 平台，服务器端为Web Server 和相应的中间件，后端应用大型关系数据库。水量预测、原水预警和泵组寻优的模型训练和算法开发通过R 和Python 实现。前端采用HTML5 进行开发，可兼容各种浏览器，同时使用WebSocket 技术，实现生产数据的实时展示，方案推送，警报提醒，客户端只需浏览器即可访问。所有的系统维护和管理工作通过服务器端进行，客户端实现零维护。

2 算法介绍

原水智能调度系统整个算法流程(如图1 所示)。

在原水智能调度系统的每个环节都有监控机制，全面保障原水调度支线的安全性。

2.1 城市用水量预测[3]

采用BP 神经网络模型对城市用水量进行预测，对2019 年11 月1 日到2019 年11 月30 日的预测值和实际值进行对比分析，平均误差为3.88%，为降低城市用水量的短期波动偏离长期静态模型的程度，引进误差校正算法对BP 神经网络的预测值进行修正，经过修正后平均预测误差为2.86%，预测误差降低了1.02%。

2.2 自来水水厂原水需水量预测[4]

原水需水量预测根据运筹学库存论的原理，由城市用水量预测值反向推导水厂原水需水量，结合水厂的制水工艺，在保障自来水水厂的清水库库存安全的条件下，开发一套可以预测24 小时原水需水量的算法。同时辅助一套独立运行原水水量调节程序，当水厂清水水库达到设置限值时，会立即触发原水水量调节程序，确保水厂安全生产。

因自来水厂原水需水量为分阶段恒定不变数据，故原水需水量算法只需预测需要调整需水量的时间节点和水量，需水量预测结果，如表1 所示。

2.3 原水预警

原水预警技术路线图，如图2 所示。

图1 原水智能调度算法流程图

表1 原水需水量预测结果

图2 原水预警技术路线图

原水预警通过实时监测原水异常信息，及时反馈到原水需水量预测算法中，并及时调整原水需水量，维持供需平衡和降低管网运行负荷。

2.4 泵组寻优[4]

2.4.1 泵组间流量分配

原水泵站有4 台水泵负责金海川沙支线的原水供应，合理的安排单泵流量，是降低水泵负荷，降低整体能耗的关键。

泵组寻优算法从单台泵运行的健康性和高效性出发，避免水泵高负载运行和过度的开停泵。从管线的层面出发，分析原水输送损耗和泵站运行机理，在泵站向水厂传输数据时，必然会由于管线过长等原因导致传输时水量损耗，故在流量分配时，加入管损因素。最后，在使整个系统安全稳定运行的前提下，运用非线性规划模型求取最佳的单泵流量。

2.4.2 确定单泵转速

变频泵是通过转速控制，已知泵需要输出的流量，不能直接控制泵。通过拟合新的水泵特性曲线和管路特性曲线，确定变频泵的高效区间，最终把泵需要输出的流量代入水泵的高效区间内，求出泵的转速。

最后由机泵寻优算法计算出原水泵站泵组的开停和调速信息，并由PLC 监控和微调机泵寻优算法调速的精确度。

3 系统应用

3.1 原水智能调度系统首页设计

原水智能调度系统首页汇总全部重要模块，通过首页可以总览需水量预测值、预测方案执行情况、原水预警信息及各支线实时的流量压力参数等信息。

3.2 原水需水量预测方案展示

原水需水量在实际需水量变动后30 分钟页面展示下次需水量变化时间和水量，并每隔30 分钟更新预测方案。

3.3 原水需水量预测方案弹框推送

系统时间到了预测时间时，立即弹窗推送需水量调度方案，调度员可以根据实际情况接收、修改、拒绝系统推送的需水量调度方案。

3.4 机泵寻优方案弹框推送

调度员同意系统推送的需水量方案后，立即弹框推送机泵寻优方案，确认后指令直接下发，直接对机泵进行调速和开停操作。

4 结语

原水智能调度系统的建设与应用，促进原水调度领域进行智慧化运营，切实提高原水调度的智能化水平，同时，改革现有的人工经验调度的方法，用科学的高精度模型精准调度，并在原水智能调度的各个环节加入保障机制程序，确保原水管网安全、稳定、优质、经济的运行。