城市供水系统的优化调度与智能控制策略研究

林岚

（福州城建设计研究院有限公司，福建福州，350001）

1 案例概况

以某水厂为例，该厂新建一供水工程，该工程的需水量基于指标分析法，并按照当地的城市总体规划（近期至2025年，远期至2035年）中的用水量数据予以确定，根据水量预测结果，本工程的设计工作中，各个模块的设计规模如表1所示。

表1 供水工程各模块的设计规模

经过相关分析检测，现状水源水质及水量满足本次扩建工程需求，溶解氧、粪大肠菌群指标部分超标可通过常规处理处理后达标，通过深度处理可达到优质饮用水要求。并且现状取水泵站土建部分及原水管道已满足本次扩建工程需求，仅需增设泵组。因此本次扩建工程在现有取水工程基础上，通过增加泵组满足供水规模要求。

为满足上述要求，系统的供水优化调度通常分为以下三个环节：（1）供水需求预测；（2）管网压力模型分析，在完成用水量模型预测后，根据管网测压点的压力、以及水厂出水流量值这两个要素进行管网压力模型的建立，确定管网压力值的具体区间范围；（3）通过相关的智能算法和设备，实现供水优化调度的目标。

2 城市供水系统智能控制调度基本理论分析

2.1 控制调度的基本规则和模型建立

城市供水系统的优化调度的最终目的是提高水资源的利用率，确保在用水量相对较低的情况下完成各行各业的需水目标，这就需要考虑不同情况下的供水系统调度问题[1-2]。理论上来说，在总水量一定的情况下，通过某个标准，对城市各区域的用水情况进行重新分配，达到某个指标最优后，即可实现优化调度的目标[3]。据此，即需要以城市各区域缺水率最小为优化调度的目标函数，得到最优的调度结果。根据上述内容，即可建立优化调度的目标函数[4]。

2.2 控制模型的求解

为实现对控制模型的求解，通常需要采用改进的遗传算法加以进行。在此类问题中应用遗传算法（图1），能够充分发挥全局搜索能力，提高运算效率，并避免传统遗传算法中容易出现局部收敛的问题。

图1 遗传算法基本流程

通常，为实现遗传算法的求解，研究人员使用MATLAB遗传算法工具箱（GOAT）进行求解，该工具使用方式较为简单，不需复杂程序即可实现主程序的调用，直接自动生成相应程序，同时其在迭代过程中还可根据需要停止或修改参数，便于求解[5-6]。

2.3 控制调度策略

“开源”和“节流”是解决城市供水系统优化调度问题中需要遵循的两个基本理念，其中“开源”主要针对水资源较丰富但水资源利用率较低的地区，其主要措施是加强水利工程建设及设备应用；“节流”则主要针对水资源相对短缺的地区，其主要措施是应用各种节水技术方法。二者通常进行组合应用。

3 智能控制视域下城市供水系统的整体设计分析

3.1 取水泵站控制子系统的设计

在本次项目中，取水泵站主要针对区域内的地表水系进行取水作业，这些取水点的地势相对较低，需要使用泵站将水抬升后再行沉淀、过滤等一系列工艺。在这一环节的优化中，其关键在于以下几个方面：（1）将自动控制系统接入到管道监控信号中，将压力表、流量表和水质测试仪等多个仪器设备与PLC相连接，确保自动控制系统能够更好控制泵站的设备，并及时将各个仪器设备的数据分享给控制中心的PLC系统及上级系统，各泵站参数以及预设完成（表1），当出现异常时，PLC设备可以及时介入予以调整。（2）将自动控制系统接入到配电房环境中，对配电房的环境参数进行远程监控，同时也能够实现对配电房中的电流、电压和电量进行监测。

表1 设备参数一览表

编号 规格 流量m³/h 扬程 功率 备注5#机组 空置6#机组 空置

3.2 加压泵站控制子系统的设计

在本项目中，城市供水系统中的部分线路距离较长，在长距离供水过程中会受到管道阻力的影响而降低供水压力，远端的水压很可能因此达不到预期标准。为解决这一问题，技术人员对供水管路加压站进行智能化改造（图2）。具体来看，首先，要将压力表、流量表、温度计、pH计、二氧化氯检测仪等多个设备接入到智能控制系统当中，确保其能够及时采集各类生产指示信息，对设备的运行参数进行监测，提高管路压力的稳定性，并实现远程监控的目的。

图2 智能化加压泵站

3.3 消毒机控制子系统的设计

在本项目中，供水系统的消毒环节仍沿用已发展成熟的二氧化氯消毒技术，通过自动化的二氧化氯发生器实现消毒的目的。但这种自动化的二氧化氯发生器仍需与智能控制系统进行对接，这就需要增加一个PLC，使用现场总线，将多台自动型二氧化氯发生器进行连接，利用新增的PLC系统对现场的多台二氧化氯发生器进行通信，并控制消毒设备供水的泵和药桶的液位，这些控制的逻辑关系可以通过PLC编程加以实现。在本次项目中，已经预设了相应指标（见表2），当指标超出范围时，则PLC系统会对消毒环节进行及时优化调整。

表2 消毒过程中的微生物指标限值

3.4 在线生物毒性预警子系统

虽然城市供水系统相对独立，但其仍然有可能受到一些化学药物的意外泄露影响而出现污染，一旦出现污染问题则会对供水质量造成严重的危害，为此，在供水系统的取水点安装生物毒性预警系统也是必不可少的。在本项目中，生物毒性预警系统为在线系统，主要通过在线采集水系中部分水生生物的行为变化指数，对水质污染情况进行实时分析。通过数字化计算和人性化显示，能够综合分析当前水体对水生生物的行为影响，判断水质污染指数，从而实现对监测水体的生物在线水质安全预警。该系统主要包括生物感应器、自动监测和软件分析系统、操作和显示单元三部分，为实现高效的通信，现场总线多采用Modbus协议（图3）。

图3 Modbus协议基本原理图

除此之外，该系统还需要配备一个PLC控制柜，与其他各部分之间进行Modbus通讯，在通讯过程中，PLC通过Modbus采集到数据后，对数据进行处理，再通过以太网发送到组态软件当中，并实现数据共享。在这种情况下，如果智能控制系统通过现场总线采集到的上述数据出现了异常，说明系统生物毒性系统检测到生命特征异常，证明水质有问题，则水厂的其他设备可进入临时应急状态。

3.5 控制系统的网络设计

供水系统整体的智能控制工作，需要基于一个整体的智能控制网络加以进行，内容则包括取水泵站、管道压泵站、交换机等多个方面。为实现控制系统网络拓扑结构的完整，在现场需要进行组态软件的安装，作为上层逻辑控制。PLC为下层逻辑控制，配以太网及现场总线组成总的网络。组态软件的主要作用是实现人机交互，由此，操作人员即可监控水厂内各流控制参数，也可进行远程操作，同时产生日志，对生产过程进行记录，也可产生水厂运行计划，根据报表进行对水厂控制系统中的状态按计划自动控制[9]。具体的层级结构则如表3所示。

表3 控制系统的网络层级结构

除此之外，在网络设计中，对于供水系统各个点位的IP地址分配也需要进行优化改进，为消除诸如抢占IP地址等问题，需要将办公IP和工业IP进行分段处理，这就应当增加一些路由器，将网络分段管理，将办公网络与控制网络分开。

4 结束语

为实现城市供水系统的“与时俱进”，应用智能控制领域的相关理念和方法，对城市供水系统进行优化调度，是供水系统未来发展的大势所趋。为此，应当基于智能控制策略，从多个角度入手，对现有的供水系统及其调度不断进行优化升级，结合实际情况，利用高科技的现代化设备，对我国的供水系统进行升级改造，实现智能化控制。