基于Matlab算法的单站系统设计与实现∗

黄丽莎 陈 峰

（1.武汉邮电科学研究院 武汉 430074）（2.武汉虹信技术服务有限责任公司 武汉 430205）

1 引言

过去，泵站工程建设受限于工农业生产的需要与工程投资，很少考虑到泵站能耗和运行费用，导致不少泵站长期在效率偏低的工况下运行。不仅浪费了能源，而且增加不必要的运行费用。据统计，我国大中型机电灌排泵站平均效率仅30%～50%，甚至有的效率仅有20%～30%。可见，我国泵站效率普遍偏低。当前，随着泵站［5～7］投入的增加，我国泵站自动化水平有所提高，对提高泵站工程技术水平发挥了重要作用，也对泵站运行管理水平提出了新的需求。为解决当前泵站系统中，决策水平导致的泵站运行效率低，运行能耗大，运行费用高的问题，本文提出了一种基于Matlab优化算法的单级泵站系统，由于多级泵站也可拆分为单级泵站，故该系统针对单级泵站设计。本文主要介绍B/S模式下基于Matlab 优化算法的单级泵站系统的设计与实现。

2 系统总体设计

2.1 系统架构与主流程

系统整体框架如图1所示，其框架采用Spring+Spring MVC+Mybatis［12～13］。 其 逻 辑 架 构 可 分 成 三层：表现层位于最外层（最上层），最接近用户，用于显示数据和接收用户输入的数据，为用户提供一种交互式操作的界面［11］；业务逻辑层是系统架构中体现核心价值的部分，其关注点主要集中在业务规则的制定、业务流程的实现等与业务需求有关的系统设计；持久层主要是负责数据库的访问，实现对数据表的基本操作。系统数据库采用MySQL［10，14～15］。系统主流程图如图2所示。

图1 系统框架图

图2 系统主流程图

2.2 功能结构

如图3 所示，系统共有六大功能模块：数据监测模块主要是管理传感器、基础设施、监测数据等；异常告警模块主要是管理告警信息；优化调度模块主要是进行优化运算，计算最佳运行方案，即能耗最小方案，为泵站调度提供决策支持；方案管理模块主要是进行运行方案管理，包括实际运行方案与优化运行方案；统计报表模块主要是已产生的数据如提水量，能耗等进行统计。

图3 系统总体功能结构图

3 优化算法

优化算法是系统核心，包括基于可调角机组和基于不可调角机组两种优化算法，其中实现涉及大量复杂的计算，若使用java语言实现这部分计算的编程，则实现难度大，且计算结果亦不准确，相比较而言，使用Matlab［8～9］编程，计算效率更高，实现更为简单，且Matlab 可支持将m 文件编译成jar 文件，供Java 使用。故本系统利用Matlab 进行优算法部分的编程，开发效率更高，计算结果更为准确。

3.1 基于可调角机组优化算法

该算法是建立在水泵性能曲线基础之上的［12］。以1600ZLB（）Q8.5-7.5 型水泵为例，其性能参数如图4 所示。根据水泵的性能曲线可得水泵扬程和水泵流量的关系H=（fQ）（叶片角度一定），水泵功率和水泵流量的关系N=（fQ）（叶片角度一定）。

图4 水泵性能曲线

在可调角水泵中，水泵效率不仅与叶片角度有关，同时也与水泵扬程有关，因此优化不仅要考虑水泵叶片角度也要考虑水泵扬程。在扬程H 固定时，可根据H=（fQ）得到不同角度时水泵的流量，从而根据N=（fQ）得到不同角度时水泵的功率。利用拉格朗日插值法，得到θ=f(Q)和N=g(θ)，即叶片角度与水泵流量及叶片角度与水泵功率的关系，从而得到水泵功率与水泵流量的关系N=F(Q)。优化以运行能耗最小为模型，其目标函数如下：

其中Ni(Q，H)为水泵的轴功率，与通过水泵的流量和扬程有关，即前述的N=F(Q)。约束条件如下：

机组流量约束：minQi≤Qi≤maxQi

机组功率约束：minNi≤Ni≤maxNi

机组扬程约束：minHi≤Hi≤maxHi

机组角度约束：minθi≤θi≤maxθi

3.2 基于不可调角机组优化算法

针对不可调角机组，以泵站能耗最低为准则，根据泵站内机组的类型，台数，设计流量，设计功率等，在满足所需流量的情况下，对泵站内机组进行组合，取能耗最小时的机组开机组合为优化运行方案，避免不必要的能量浪费与造成经济损失。

其目标函数为

其中n 表示泵站机组类型总是，Ni表示各类型机组开机台数，Pi表示各类型机组的设计功率。

求解此目标函数最小值是一个线性规划的问题，而在Matlab 中求解线性规划问题的函数是linprog，该函数集中了几种求线性规划的算法，如内点法和单纯形法。利用linprog函数解出目标函数，需要将目标函数以及约束条件转化成矩阵表达式。当有n=2时，可转化为如下表达式：

其中lb=zeros（n，1），NTi表示第i种机组的总数，Fi表示第i 种机组的设计流量，needFlow 表示泵站所需流量，将参数代入［w，fv，ex］=linprog（f，a，b，［］，［］，lb）中，运行即可得到所需结果。

4 关键技术

4.1 Maven

Maven［1～2］是Java 目前比较流行的项目管理工具，基于项目对象模型（Project Object Model，POM）的理念，Maven 管理项目的构建、报告等，并提供中央仓库，可帮助自动下载构件，并管理构件，具有管理方便、易于扩展等特点。本系统采用了Maven来对项目进行管理控制，它能够有效地在项目开发时处理繁琐的代码清理、编译、打包、部署等工作。且Maven 是是跨平台的，最大地消除了构建的重复。POM 的实现形式是项目根目录下的pom.xml 文件，pom.xml 是maven 的 项 目 描 述 文 件 。pom.xml 文 件以xml 的形式描述项目的信息，包括项目名称、版本、项目id、项目的依赖关系等等。同时POM 还具有继承性，可以从其他的POM 文件中继承已有配置［3］。

4.2 MBG（MyBatis Generator）

MyBatis［4］属于一种半自动的ORM（Object Relational Mapping）框架，采用元数据来描述对象关系映射细节，元数据一般采用XML 格式，并且存放在专门的对象映射文件中，所以主要的工作将是书写映射文件，但是由于手写映射文件很容易出错。而MBG 即MyBatis 发生器可以自动生成底层Model模型类、Dao接口类以及Mapping映射文件，提高开发效率，节省时间成本，同时减少人工手写导致的错误，而且使用简单方便。可在官网下载该工具，生成配置文件generatorConfig.xml，在配置文件中设置数据库驱动、用户名、数据库URL、密码、生成模型的包名和位置、生成映射文件的包名和位置、生成DAO 的包名和位置以及最后需要生成的表名和对应的类名等。

5 优化算法在系统中的应用

该系统重点在于优化算法在本系统中的应用，由于可调角算法与不可调角算法在系统中的展示界面类似，故此处仅以不可调角算法在系统的应用为例。优化结果是以小时为单位进行展示，其界面如图5 所示。在实际运行方案中，从13h 到16h 中第二类型机组开机6台工作，流量为42m3/s，满足所需最高流量42m3/s，功耗为14400kW，而优化方案在满足所需流量的情况下，功耗为10755kW，比实际方案能耗更低，且避免水流量的浪费，减少运行成本，其中界面的优化结果是根据前述所得，此处机组类型名无实际意义。

图5 优化调度界面展示

6 结语

综上所述，该系统能够为用户提供决策支持，为用户提供能耗最小的运行方案，可避免能源极大的浪费，同时一定程度上还可节约经济成本，这在当今能源紧张，全球倡导环保节能的情况，具有极大的意义。