给水管网仿真系统的开发

赵靓芳， 陈 兵， 朱世泰， 张 梦

(1. 华南理工大学 环境与能源学院， 广东 广州 510006； 2. 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，广东 广州 510006； 3. 广东省环境风险防控与应急处置工程技术研究中心， 广东 广州 510006)

给水管网仿真系统的开发

赵靓芳1,2， 陈 兵1,3， 朱世泰1,3， 张 梦1,2

(1. 华南理工大学 环境与能源学院， 广东 广州 510006； 2. 工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室，广东 广州 510006； 3. 广东省环境风险防控与应急处置工程技术研究中心， 广东 广州 510006)

为解决缺乏给水管网仿真装置的问题，自主设计开发了给水管网仿真系统。该系统由给水管网物理实验模型与在线监控云服务系统两部分构成。物理实验模型设置32个测控点、4条支路、14个出水口、6个压力传感器及26个流量传感器；云服务系统包括设备层、调度层、控制层和信息层，采用异网通信。系统可实现实时在线监测、调度控制、数据分析和信息服务等功能，已用于给水排水工程专业本科实验教学。

给水管网实验； 仿真模型； 在线监控； 云服务系统

给水排水管网是城市的大型基础设施，在整个给水排水工程中的投资约占70%。给水排水管网的合理设计和良好运行管理对于城市的环境和发展具有重要作用，也是给水排水工程专业长期研究的课题[1-4]。

实践教学在给水排水工程专业的教学中占有重要地位[5-7]，其中“给水排水管网系统”是专业课程体系中理论与实践相结合的主干课程。但是，由于缺乏管网仿真系统，无法开展相应的实验教学[8-11]。为此，在课题组自主开发排水管网(内涝)实验室仿真系统的基础上[12]，开发了给水管网实验室仿真系统。该仿真系统主要由给水管网物理实验模型与在线监控云服务系统两部分构成。该仿真模型可以动态仿真单水源管网与多水源管网的不同运行状态；在线监控云服务系统包含用户远程抄表智能终端，将管网运行的实时监测数据传回管理中心并实时显示，同时存储在数据库中供数据查询、统计和分析。

给水管网仿真实验的目的在于让学生通过对环状给水管网运行状况的观察，加深对管网平差流程和方法的了解；了解水源数量的增加对供水分布及路径的影响；通过给水管网在线监测系统，了解给水管网的运行管理方法和现代化信息技术；通过数据分析和建模，优化管网运行；通过设计性和探索性实验的创新环节，引导学生加深对理论知识的理解，并在实验过程中锻炼学生的创新能力。

1 教学模型实验装置

1.1 给水管网仿真模型设计

根据实验室实际占地面积及水力学仿真结果，搭建了给水管网仿真模型(见图1)。该模型实际占地面积约3 m2，净高约1.6 m。以回用水箱提供水源，水箱设计容积为0.15 m3，尺寸为0.8 m×0.5 m×0.5 m。为了节约用水，采用2台水泵供水，利用回水管收集各节点的出水，重新注入回用水箱。

仿真模型由室外供水模型和室内供水模型组成，共设置32个测控点、4条支路、14个出水口、6个压力传感器及26个流量传感器。为了全面了解管网的运行状态，在水泵出水处设置涡轮流量计及数字远传压力表。室外供水模型采用包括6个小环的环状管网形式，在每个出水点设置霍尔流量传感器，并且在6个小环的管段处分别设置数字远传压力表和霍尔流量传感器。室内供水模型仿真低层建筑由市政给水管网直接供水的情况。在其最不利管段处设置1个压力传感器，并在每层出水处设置3个远传水表，组成远传抄表系统。

图1 给水管网仿真模型简图

1.2 在线监控云服务系统的开发设计

系统采用异网通信(Internet、GSM、ZigBee网络、GPRS网络、LAN)架构，如图2所示。在大尺度空间的设备群和人群之间实现信息的泛在互联、深切感知和云计算的大数据智慧融合。

图2 异网通信网络架构

设备层包括传感器、控制执行设备、通信网关、测控模块、GPRS通信模块以及后备不间断电源等，主要完成监控点实时数据的采集、传输以及执行调度层发出的控制指令。

调度层主要由管理中心服务器、交换机、打印机、信息服务终端等系统软硬件组成，完成采集数据的显示、接收、分析处理和计算的功能，并通过通信网络进行相应的操作。

控制层包括通信网关、GPRS通信模块等，主要负责各个层之间的通信，其中测控模块和通信网关之间采用ZigBee无线通信或RS-485接口的有线通信[13]；GPRS通信模块与调度层采用TCP/IP为数据通信协议的GPRS网络进行双向通信[14]。

信息层主要包括服务器、笔记本等终端，具有提供信息查询、信息发布等功能。

2 系统主要功能

给水管网仿真系统的中心软件采用IIS+ASP语言编写，以Windows 2003/2008/2010作为服务器的操作系统，以SQL Server 2008作为数据库系统软件。系统的主要功能是实时监测、调度控制、数据分析和信息服务。

2.1 实时监测

(1) 实时地图。可以在计算机上显示给水管网模型及各个监测设备的位置，并显示出设备的实时数据，如压力、流量、累加流量、设备工况等数据。

(2) 实时数据。终端通过中心服务器发出的最后一次数据作为实时数据，以图表形式显示当前监测点的压力、流量、水泵及闸阀等设备工况数据和底端设备的工作状况(电流、电压、是否在线等)。

(3) 视频监控。在各个监测点布设网络摄像机，可选用有线和无线两种接入方式。监控的视频通过网络发送到调度中心并显示在界面上，完成监控点的可视化管理。

(4) 实时报警。设定报警的上下限，若测得数据超过警戒值时会向中心自动报警，中心将报警信息转发给管理调度人员并记录相关信息，可查询有关报警信息。

2.2 调度控制

包括远程控制、定时控制和情景控制等。调度员根据监测设备采集的流量、用水量、压力等实时数据，通过自主远程控制或提前设定现场执行设备的开启或关闭时间，完成定时控制设备的指令。

2.3 数据分析

系统主界面如图3所示。

(1) 实测曲线。可以通过选择地点、设备类型和时间段查询监测设备的实时曲线、历史趋势曲线。

(2) 数据对比。可以通过选择不同时间段、不同监测点的任意两个测控终端显示出流量、用水量、压力等不同类型数据的对比柱状图。

(3) 峰均值表。系统通过不同时间段(以每月为单位)统计流量、用水量、压力等数据，显示出各个数据的峰值、均值的柱状图，直观显示出任意时间内的趋势。

(4) 用水量汇总。具有远传抄表功能，进行用水量的汇总，自动生成监测数据的统计报表，并提供导出和打印功能。

(5) 用水量变化。系统通过历史用水量汇总报表自动生成相对应的曲线，选择不同时间段可以显示其用水量变化。

图3 系统数据分析主界面

2.4 信息服务

系统具有事务通知功能，可在信息发布框编辑信息和发布调度管理信息；并可查询发布信息的历史记录。

3 实验教学的开展

课题组自主开发的实验室给水管网仿真系统实物如图4所示。

图4 给水管网仿真系统实物照片

目前，该系统已用于给水排水工程专业本科实验教学，实验内容如下：

(1)登录系统，通过观察系统主界面左下方的“ID-主控器-IP”选单确定各个网关在线情况，待网关全部在线后开始测试；

(2) 打开1号水泵，观察系统读数变化，待读数稳定后记录当前值，记录内容包括网关、终端、控制器/传感器、设备类型(流量设备或压力设备)和测量值；

(3) 打开2号水泵，2台水泵同时运行，观察系统读数变化，待读数开始变化时记录当前值，同时观察此时各个流量传感器的数据与单台水泵运行时的差异，根据读数的差别，理解不同供水形式对给水管网运行的影响；

(4) 通过各传感器采集节点和管段上的流量、压力数据，推算管道内部水流的各种变化过程；

(5) 通过对水泵工况的调整和控制阀门的开启，实现管网中水流、压力的适当调整，获取管网不同的运行工况；

(6) 仿真管道内水量、水压随时间和位置的变化，绘制管网的等水量线、等水压线。

4 结语

课题组自主开发设计的实验室给水管网仿真系统，仿真模型结构紧凑、直观、明了，在线监控云服务系统功能强大、操作简单，不仅用于给水排水工程专业本科实验教学，还可满足学生进行探索性实验的需要。给水管网仿真系统不仅能帮助学生系统掌握给水管网功能、系统结构，了解给水管网的运行管理方法和现代化信息技术，而且有助于培养学生分析问题、解决问题和进行探索性实验设计的能力，激发他们开拓创新的思维能力。

References)

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[2] 戴红玲,胡锋平,李欢欢.给排水科学与工程特色专业实验教学体系建设[J].实验室研究与探索,2015,34(5):163-165.

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[4] 孙柏,供水管网水力水质模型及其校核研究[D].长沙:湖南大学,2012.

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[6] 王志勇,邱战洪,胡梦娇,等.给水排水工程专业创新实验教学的探索与实践[J].实验技术与管理,2012,29(5):195-197.

[7] 崔福义,张晓健,高乃云,等.给排水科学与工程(给水排水工程)专业的建设与发展[J].给水排水,2013,39(4):1-3.

[8] 何嘉莉,陈兵,姜涛,等.城市内涝在线监控与信息服务数字化系统设计[J].中国给水排水,2014(1):94-98.

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[11] 郭迎庆.《给水排水管网系统》课程教学改革与探讨[J].科技信息，2010(30):387-388.

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[13] 陈莉.基于ZigBee协议的环境监测无线传感器网络测量节点的设计[D].上海:上海交通大学,2008.

[14] 赵印,姜涛,陈兵.智慧城市排水管网云服务系统设计与实现[J].中国给水排水,2017(5):99-103.

Development of simulation system for water distribution network

Zhao Liangfang1,2, Chen Bing1,3, Zhu Shitai1,3, Zhang Meng1,2

(1. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. Key Laboratory of Ministry of Educationfor Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industrial Clusters, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China; 3. Guangdong Provincial Engineering and Technology Research Center for Environmental Risk Prevention and Emergency Response, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

To solve the problem that there is a shortage of the water distribution network simulation device, the simulation system of the water distribution network is independently designed and developed. The system consists of the two sections including the physical experimental model of the water distribution network and the online-monitoring cloud service system. The simulation model sets up thirty-two measuring and controlling points, four branches, fourteen outlets, six pressure sensors and twenty-six flow sensors. The cloud service system includes the equipment layer, the scheduling layer, the control layer and the information layer, and adopts the different network communications. The system can realize the functions such as the online monitoring in real time, scheduling control, data analysis, information service, etc., which has been used for undergraduate experimental teaching for the Water Supply and Drainage Engineering major.

water distribution network experiment; simulation model; online monitoring; cloud service system

TU991.3; TP391.9

A

1002-4956(2017)10-0121-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.030

2017-04-13

广东省科技计划项目(2014A020216006)；广州市科技项目(201604020010)；华南理工大学2015年本科探索性实验项目(Y1150660)

赵靓芳(1994—)，女，江西南昌，硕士研究生，主要研究方向为给排水管网云服务监控系统

E-mail：1019770580@qq.com

陈兵(1968—)，女，吉林长春，博士，研究员，系副主任，研究方向为给排水管网云服务监控系统、给排水管网系统优化运行、城市内涝预测预警.

E-mail：chenbing@scut.edu.cn