考虑管网压力的城乡供水一体化调度系统设计

王 磊

（费县水利工程保障中心，山东 临沂 273400）

随着乡村和城市的不断发展，供水调度要求越来越高。一方面，由于乡村供水率低，居民用水困难；另一方面，城市工业化导致地表水受到污染，迫切需要开发新水源。因此，城乡供水一体化调度是十分必要的[1]。城乡供水一体化的目的是把城市和乡村作为一个整体进行统筹规划，实现城乡同步繁荣。城乡供水一体化调度也是国家经济发展到一定阶段后必须面对的现实问题。

传统的城乡供水一体化调度系统主要有基于梯度优化法的调度系统和基于动态顺推法的调度系统。传统的调度系统均未考虑管网压力[2]。基于梯度优化法的调度系统求解十分繁琐，无法对非线性的目标参数和约束条件进行求解。基于动态倒推法的调度系统只适用于水站较少的情况，而城乡一体化供水调度系统较为复杂。因此，本文提出了一种考虑管网压力的遗传法调度系统，能够满足城乡一体化供水系统调度的要求[3]。

在推进城乡一体化供水的过程中，要保证整个供水系统的稳定可靠，就必须利用先进的科技手段，建立数字化的用水平台，优化调度机制。管网压力反映了城乡用户在各个时刻的供水压力，监测供水系统管网压力能使相关机构掌握管网的实时状态，方便从各水源调度水资源，保证城乡居民的用水供应。目前，管网压力智能监测系统已被应用于各级单位，大大提高了供水系统的调度效率。本文将管网压力考虑进入城乡供水一体化调度系统中，可有效提高水站维护的效率，减少供水成本，提高供水质量。供水企业可利用本系统监测供水设备，及时发现漏损事故，以科学手段保障供水的最优化调度。

1 系统组成模块和主要功能

1.1 输入模块

在供水行业中，经常使用多台不同型号的离心式水泵并联组成复杂的多输入单输出供水系统，以满足供水需求。输入模块用于读取城乡一体化供水系统的数据，并对其进行编码和调制。输入模块结构，如图1所示。

图1 输入模块结构

输入模块选择的是Altera公司生产的FPGA芯片，型号为EP4CE55F23C8N。该款芯片采用焊球阵列封装，逻辑单元数目可达55856 LEs，还配有20条全局时钟网络资源。在芯片的右侧和上、下两侧分别有4个时钟引脚，左侧有3个专用时钟引脚。这15个引脚能够以多种加载模式排列组合，构成20种全局时钟网络[4，5]。本文输入模块的加载配置模式为快速被动并行模式，在该模式下，上电复位延时最短，配置电压范围最宽。除了数据输入的功能，该芯片还支持寄存器的打包和反馈，可应用于较大的系统设计[6]。

1.2 存储模块

存储模块的作用是存储城乡一体化调度系统的数据，接口可用于扩展系统功能，其采用三星公司生产的K4S561632H-UC75芯片。存储模块结构，如图2所示。

图2 存储模块结构

存储模块工作频率为133 MHz，供电电压为3.3 V。芯片由4个存储块组成，用于存储地址数据。在工作时，系统首先会给出数据的具体地址，再由存储器根据数据配置合适的工作模式，最后将数据写入内部寄存器。该芯片成本低、功耗低、集成度高，虽然结构较为复杂，但优势明显。存储器存在多种状态，有芯片初始化、读写数据以及定时刷新等。在运行大容量数据存储时，存储器在各个状态之间进行切换，达到存储数据的目的[7，8]。上电后，存储其中的数据被芯片读入片中，完成配置后，进入工作状态。掉电后，内部逻辑关系消失，恢复成白片。因此，存储模块能够反复编程使用。

1.3 控制模块

控制模块的作用是：①接收并处理输入模块的信息，协调各模块工作；②与存储模块进行数据交换；③根据输出信息设置终端系统参数。控制器采用PIC18F452型单片机。该单片机可直接与220 V电源相连接，工作频率为40 MHz。PIC18F452型单片机能够实现双口操作，具有多个外源设备接口。控制模块电路，如图3所示。

图3 控制模块电路

PIC18F452单片机中有32 KB的程序存储器、1.5 KB的数据存储器和256 MB的E2PROM存储器。该单片机的结构采用精简指令型，在保证功能的前提下缩小了系统规模。该单片机最主要的2个优点是快速和可靠。一方面，得益于精简指令型结构，该单片机能够在读取指令的同时读取数据；由于单片机的指令线宽于一般指令线，其处理数据的效率更高、速度更快。另一方面，该单片机不与外部总线连接，自带有看门狗，因此系统安全可靠[9]。

1.4 电源模块

由于城乡一体化供水系统较为复杂，因此对电源模块的要求较高。电源模块负责为各模块输出合适的电压并维持各电路电压稳定。因本文用到的存储器为大容量DSRAM存储器，故专门设计了特殊电源。又因各模块的电压相差较大，要维持稳定的电压，就必须用到稳压芯片[10，11]。本文采用的稳压芯片为LT1084（X），该芯片能够支持1.5～12 V范围内的输入电压。LT1084（X）芯片使用简单，对系统其他模块干扰小，缺点是散热慢，需要系统提供额外的空间供其散热。在工作时，为减少辐射，将电源与0.01μF左右电容相连，达到高频去耦的效果。为得到更稳定的信号，将芯片的管脚与晶振的时钟管脚进行连接，可大大提高电源设计的可靠性。

2 系统供水管网压力计算与优化模型建立

2.1 供水管网压力计算

城乡供水一体化管网压力计算一般需根据用户最高用水量决定[12]。压力指的是某处水源相对于零地面所具有的能量，用H表示，单位为Pa或MPa。计算压力时，需要用的几个关键指标分别为节点流量、自由水头和管道损失，其中管道损失对压力的计算至关重要。

节点流量用Q表示，反映某节点用水量的大小，单位为m3/s。自由水头指的是地面高度与用户压力的相差值，最小自由水头能够保证城乡用户对供水的最低要求。管道损失量计算公式为：

式中：Δh ab为管道损失量（m3）；h a为节点a损失量（m3）；hb为节点b损失量（m3）；k为比例系数；Q a b为节点a和节点b之间的流量差（m3/s）；l为管道长度（m）；d为管道直径（mm）；A为管道的横截面面积（m2）。

考虑到系统的供水能力，得到日最高供水流量差公式：

式中：Qmaxa为水站的日最高供水流量差（m3/s）；其余变量含义同上。

相应地，供水压力应满足以下条件：

式中：H a,b为节点a和节点b之间的压力（MPa）；Hmina,b为水站技术范围内运行的最低压力（MPa）；Hmaxa,b为水站能承受的最高压力（MPa）[13]。

由海森威廉公式推导可得以下公式：

式中：n a,b为管网粗糙系数，与管网的材料和寿命有关；其余变量含义同上。

管网压力的计算是整个城乡一体化供水调度系统设计的基础。经计算得出管网压力后，可对城乡一体化供水管网进行进一步设计。

2.2 供水管网设计

城乡一体化供水调度系统设计指的并不是城市和乡村采用完全相同的模式，而是要因地制宜采用与传统方式不同的调度设计方法。城乡一体化供水管网设计一般分3步，即确定服务要求、确定管网特性、确定约束条件。

确定服务要求指的是对于不同用户而言，节点压力不同。针对各地不同的自然条件、经济条件，选用不同的调度方法。要想做到最优调度，必须清楚已知用户用水压力，将城市和乡村或者不同的乡镇、村庄联合起来。在确保服务质量的前提下，使用户缴纳水费最低、受益最高。

城乡一体化供水管网包括树状管网和环状管网。树状管网较为简单，节点之间只有一个流向。但乡村地形较特殊，城乡一体化供水管网通常采用环状管网。环状管网的计算较为复杂，是管网设计的关键步骤。利用数学工具，可以将环状管网设计看作一个函数，函数的参数包括运行能耗、流量、水头、水费和水泵数量等。

当管网特性确定后，还需要加入一定的约束条件。受约束的条件有：①水位：水池的水位必须在最高水位和最低水位之间；②水头：在最高和最低水头之间；③流量：各调度期内流量应低于供水系统可调度的供水流量[14]。

2.3 优化调度模型建立

在确定大体管网设计之后，建立模型对城乡供水一体化的调度进行优化。供水系统的调度必须是切实可行的，因此需要建立在真实的用户压力数据基础上。建立模型实质上就是建立供水成本与压力和流量之间的关系。

节点压力模型可表示为：

式中：H i为供水站提供压力（MPa）；a0和a1为拟合常数；n i和n0为管网粗糙系数；Q i为供水站出水量（m3/s）。

对于节点流量，应满足以下条件：

式中：NPi为出水泵开机台数；Q P i为各出水泵出水流量（m3/s）；k为水泵的种类数。

供水成本计算公式可表示为：

式中：F为供水成本（元）；H P i为泵站i所提供的压力（MPa）；ηi为水泵效率（t/d）；其余变量含义同上。

优化调度的目的是确定水泵的台数、种类数以及最佳转速，使供水成本最低。在用户节点流量已知的情况下，总流量很容易确定，调度的关键是合理分配各供水系统源头的流量。各供水源头的流量与管网的结构和水头损失有关，本文根据各节点的管道流量计算各节点的水头损失，推算各节点的水压，进而确定了各水源的水压[15]。

当供水系统规模较大时，变量增加，供水成本计算更为复杂，因此本文采用了遗传模型来达到调度的最优化。其原理是将供水系统中可操作的变量如水压、流量、水泵数等视为遗传学中的染色体，将其置于一定的约束条件下，对其进行组合、变异、重生等操作，在多重挑战之下，最终留下来的调度方案被称为最优解。

对于城乡供水一体化调度，建立遗传模型的基本步骤为：首先，对供水压力、水泵种类、供水流量等参数进行编码，生成初始的参数集团；其次，对参数集团中的单个参数进行适应度评估，若参数满足低成本要求，则该参数被选择，反之被淘汰；再次，对被选择的参数执行变异组合操作，操作后仍能满足低成本要求的参数被保留，反之被淘汰，反复多次，最终得到城乡一体化供水最低成本的调度方案。

3 试验研究

应用上文提出的遗传模型，对姚河地下水工程进行计算分析，用于判断系统的实用性。调度模型，如图4所示。

图4 调度模型

为验证本文提出的考虑管网压力的城乡供水一体化调度系统的有效性，对同一片区域城乡供水进行调度。基于有无调度系统的调度面积试验结果，如图5所示。

图5 调度面积试验结果

由图5可知，加入本文设计的调度系统后，调度面积要比未加入调度系统时有了很大的扩充，调度能力更强。

基于不同调度面积的调度时间试验结果，详见表1。

表1 调度时间试验结果

由表1可知，加入本文提出的调度系统后调度时间明显减少。本文设计的调度系统是先掌握了姚河地下水水源分布后再择优建立5处供水水源，用于城乡一体化供水。在加入调度系统后，在遗传模型中输入6个变量，分别为5处供水水源的管网压力和所有水源的总管网压力。基于不同调度面积的调度成本试验结果，详见表2。

表2 调度成本试验结果

由表2可知，在加入本调度系统后调度成本明显减少。本文设计的调度系统充分分析了管网压力，确定了管网状态，实现了供水优化调度。将调度结果与实际情况进行对比后，发现遗传模型下的城乡供水一体化调度系统供水成本比人工调度成本约节省10%，确实能达到降低成本的目的。

综上所述，本文提出了一种考虑管网压力的城乡供水一体化调度系统。其具有以下特点：①计算了管网压力，为系统的设计奠定了基础；②将用户服务要求、管网特性、约束条件等因素考虑到系统设计中去；③引入了遗传模型，对城乡一体化供水调度系统进行了整体设计。管网压力的引入不仅对供水流量的计算起着举足轻重的作用，而且在遗传模型中输入管网压力也能得到合适的调度模型。

4 结语

随着社会经济的发展，城乡一体化是必然要求。在城乡一体化规划中，供水系统是重要内容。城乡供水一体化能保证农村共享城市基础设施，配合相关部门的管理，使城市从真正意义上发挥促进和引导作用。城乡供水一体化能够很好地解决目前城乡供水不平衡的问题。这是因为，城乡供水一体化系统将城乡空间看成一个整体，从平等的视角出发，设定区域协调发展框架，预测供水量并优化选择水源，使城乡都能使用到优质水，确保城乡共同发展和繁荣。