CN105353711B - 智能排水调度系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能排水调度系统和方法。该智能排水调度系统包括日常节能调度子模型和应急调度子模型。本发明基于泵站模型和管网模型。其中，日常节能调度子模型利用遗传算法求解管网最低能耗解决方案，能有效改进泵站日常电耗过大的问题；应急调度子模型在每次每个泵站进行调度时发挥管网最大排水能力排水，能有效解决防台防汛工作中管网无法发挥最大排水能力的问题。

Description

智能排水调度系统和方法

技术领域

本发明涉及排水管网排水模型，特别是一种基于动态系统监控以及设备自动化监控的智慧水务的智能排水调度系统和方法。

背景技术

现有排水系统分为多个环节，每个环节的运行都有关联，然而目前排水系统的各个环节基本属于独立的状态。它们没有互联，更不具有关联性分析后具有实际规则的智能化运行解决方案。在日常排水调度中，容易产生各个泵站无序排水，甚至出现对冲排水，造成能耗的浪费与管网的破损。在防洪防汛时期，由于缺乏系统性的调度方法，对于城市局部内涝问题而束手无策，在应急调度时不能充分发挥城市排水管网的蓄水、排水能力。

而且，现有的管网模型主要应用于仿真，就是利用现有的基础数据和历史数据对现况进行仿真模拟和校核，没有对系统的动态监测数据进行动态仿真，仅仅为某种状态下的静态仿真。在这种运行状态下没有依据管网的实际运行情况进行排水调度，当实际情况与仿真发生较大差异的时候，没有使用最优化的排水方法，造成很大程度的资源浪费。

现有的排水管网调度规则一般建立在早期泵站的设计时期，随着管网与泵站的更新改造，调度方法不适宜现有排水设施、设备的状况，导致设备寿命减少，管网损坏，而且易于引起管网漏损等，还有大量的电能被浪费，和管网蓄、排水能力的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能排水调度系统和方法，通过节能调度子模块可以在满足泵站日常正常排水需求的同时实现更低的耗能，通过应急调度子模块可以更大的发挥管网的整体排水能力。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能排水调度系统，包括控制子系统、调度子系统、报警子系统、水位检测子系统、显示子系统；其中控制子系统分别与调度子系统、报警子系统、水位检测子系统、显示子系统相连接；

该水位检测子系统用于检测单个泵站和/或其出入口检查井的水位高度并将反馈信号发送给所述控制子系统；

该控制子系统用于：(1)接收水位检测子系统发送的信号，并依据该信号：生成水数据，并发送水数据给显示子系统；生成调度信号，并发送调度信号给调度子系统；(2)获得水位信息，判断水位是否超过预设的警报高度，若超过，则发送报警控制信号至报警子系统；

显示子系统用于显示控制子系统发送的水数据；

调度子系统用于响应调度信号调度单个或多个泵站中泵的开或停；

报警子系统用于响应报警控制信号输出水位告警。

作为优选的，本智能排水调度系统还包括数据记录单元；

其中数据记录单元与控制子系统相连接；

且该数据记录单元至少用以记录有从上游到下游的所有泵站级别、泵站所在区域以及排水量的信息；

泵站级别信息用于确认泵站在智能排水调度系统中的位置；

在紧急控制调度时，控制子系统根据泵站所在区域、泵站当前的水位为泵站设定开/停优先级。

进一步的，控制子系统还用于：

在当前水位h_c高于开泵水位h_oh时，控制调度子系统打开该泵站默认启动的泵。

进一步的，在默认启动的泵打开后，检测当前泵站的当前水位h_c，在该泵站的泵未全部开启时：若h_c变大，控制调度子系统开启该泵站剩余泵中流量最大的泵；

若h_c变小，控制调度子系统维持该泵站当前状态；

若泵站的所有泵均开启且当前水位h_c仍然继续上涨，控制子系统控制报警子系统发送警报信息，并通知人工采取既定的紧急处理措施；且控制调度子系统关闭部分上级泵站的泵。

进一步的，当前水位h_c降低至开泵水位h_oh时，控制子系统控制调度子系统关闭默认启动的泵以外的其他泵；

当前水位h_c低于停泵水位h_sl时，控制子系统控制调度子系统停止该泵站的泵。

作为优选的，控制子系统能够连接网络获取天气预报以及降水量预报信息；

控制子系统根据获取到的天气预报以及降水量预报信息预估出水位上涨量，并根据预估的水位上涨量控制调度子系统开泵预排水。

作为优选的，还包括管网；

每个泵站通过管网与下一级中的其中之一泵站连接；

且管网中的泵站排水量满足以下两条件至少之一：

1)、大于或等于与其连接的上游一端的泵站的排水量与检查井入水量之和；

2)、大于或等于其上游所有泵站的总排量之和。

本发明中还提供了一种智能排水调度方法，运用了上述提到的智能排水调度模型，包括预排空步骤和最佳排水调度步骤；最佳排水调度步骤在预排空步骤结束之后启动；

预排空步骤包括：

S1.1、根据预测到的降雨曲线以及降雨影响因子，结合汇水模型估算降雨过程中进入泵站的雨水量V_降雨；

S1.2、根据泵站开泵水位与当前水位的差换算成可蓄水量V_可蓄水，采用正失衡可行流对泵站进行调度预排水，使V_可蓄水≥V_降雨；

S1.3、计算污水处理厂的剩余处理能力；

S1.4、根据污水处理厂的剩余处理能力进行预排空调度；

最佳调度排水步骤包括：

S2.1、控制子系统根据每一个泵站所服务的区域重要性设置调度优先级；

S2.2、在泵站完全可调度的条件下，采用平衡可行流调度排水或正失衡可行流排水；

S2.3、在泵站部分可调度的条件下，根据允许的最大排放量排水量采用负失衡可行流调度排水；

S2.4、在泵站不可调度的条件下，维持原状；

S2.5、当有泵站的集水池中的水位超过紧急控制水位线时则需要对其进行紧急控制调度。

作为优选的，在实时的调度排水过程中会根据泵站的实时水位更新泵站的调度优先级。

作为优选的，还包括日常调度步骤；

日常调度步骤包括：

S3.1、在当前水位h_c高于开泵水位h_oh时，控制调度子系统打开该泵站默认启动的泵；

S3.2、检测当前泵站的当前水位h_c，在该泵站的泵未全部开启时：若h_c变大，控制调度子系统开启该泵站剩余泵中流量最大的泵；

若hc变小，控制调度子系统维持该泵站当前状态；

若泵站的所有泵均开启且当前水位h_c仍然继续上涨，控制子系统控制报警子系统发送警报信息，并通知人工采取既定的紧急处理措施；控制调度子系统关闭部分上级泵站的泵；

S3.3、当前水位h_c降低至开泵水位h_oh时，控制子系统控制调度子系统关闭默认启动的泵以外的其他泵；

S3.4、当前水位h_c低于停泵水位h_sl时，控制子系统控制调度子系统停止该泵站的泵。

本发明相比现有技术的排水调度系统具有以下有益效果：

1、在正常工作状态下，本发明提供的智能排水调度系统能够根据当前水量计算出需要排出的水量，并自动控制相应排水量的泵开泵或停泵，实现能耗的降低；

2、在应急调度工作状态下，优先自动控制下游到上游泵站的开泵，避免管网污水溢出；

3、能够结合天气预报和降雨预报预测未来时间内可能的降雨量，提前进行预排水，防止因未能及时排水引发水浸；

4、在每一次应急调度前系统都会对泵站开启的优先级进行计算，确保做到每次排水能够达到最高效率。

附图说明

图1为本发明提供的节能调度子模型系统框图。

图2为本发明提供的节能调度子模型流程图。

图3为本发明提供的节能调度子模型求解子过程流程图。

图4为本发明提供的应急调度子模型流程图。

图5为本发明提供的应急调度自模型当前节点调度子过程流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

本发明的第一实施方式涉及一种智能排水调度系统，包括控制子系统、调度子系统、报警子系统、水位检测子系统、显示子系统；控制子系统分别与调度子系统、报警子系统、水位检测子系统、显示子系统相连接；水位检测子系统用于检测单个泵站的水位高度并将反馈信号发送给控制子系统；控制子系统用于：接收水位检测子系统发送的信号，并依据该信号：生成水数据，并发送水数据给显示子系统；生成调度信号，并发送调度信号给调度子系统；获得水位信息，判断水位是否超过预设的警报高度，若超过，则发送报警控制信号至报警子系统；显示子系统用于显示控制子系统发送的水数据；调度子系统用于响应调度信号调度单个或多个泵站中泵的开或停；报警子系统用于响应报警控制信号输出水位告警。

在本发明的泵站调度模型的泵站数学模型如下：

Pump_k(N，H，η，Q，R，f₁(Q)f₂(Q)f₃(Q))

Pool_in(S，h，h_ini，h_B，h_oh，h_sl，h_w，h_e，h_l，h_h，h_c)

Pool_out(h₀)

其中Pump_k表示k个泵，Pool_in表示进水池，Pool_out表示出水池。P表示泵站调度的优先级，I表示泵站的重要性，g(Q)表示管道的特性曲线，Q_life表示泵站所服务区域产生的生活污水量，Q_inmax表示泵站的最大允许入流量，Q_omax表示泵站的最大允许出流量，Num_max表示泵站允许的最大开泵数。

泵站的模型包括泵的模型和水池的模型：

其中N表示泵的轴功率，H表示泵的扬程，η表示泵的效率，Q表示泵的流量，r表示泵的转速，f₁(Q),f₂(Q)，f₃(Q)分别表示泵的扬程曲线、泵的功率曲线、效率曲线；S表示水池面积，h表示水池的深度，h_ini表示水池初始水位，h_B表示泵的最佳工作水位，h_oh,h_sl分别为开车水位、停车水位，h_w表示警戒水位，h_e表示紧急控制水位，h_h,h_l分别表示上限水位(溢流水位)、下限水位，h_c表示当前水位，h_o表示出水口的高度。其中h_l＜h_sl＜h_oh＜h_w＜h_e＜h_h。

管网模型包括检查井模型、管段模型和泵站模型。泵站按照哈夫曼编码方式给每个泵站唯一编号。

相应的管网数学模型如下：

PipeManhole_i(h)

Pipe_j(L，n，h_in，h_out，D)

其中SewagePipeNetworks表示管网，h表示检查井的水位，L表示管段长度，n表示管壁的粗糙系数，h_in表示管段入口处管底标高，h_out表示管段出口处管底标高，D表示管径。

管网模型中泵站与泵站之间关系数学模型为：

智能排水系统包括一个数据记录单元，通过数据记录单元中的基础数据、管网的实时数据、内置规则、工作规则进行调度。

较佳的，在本系统中，每个泵站通过管网与下一级中的其中之一泵站连接，且管网的排水量满足以下两条件至少之一：1、大于或等于与其连接的上游一端的泵站的排水量与检查井入水量之和；2、大于或等于其上游所有泵站的总排量之和。

较佳地，基础数据包括水力数据、水文数据、水质数据、泵站的基础数据；泵站的基础数据包括水泵数量、水泵基础信息、泵站日流量、蓄水池数据；水泵基础信息包括流量、功率、转速、效率；管网的实时数据包括管网中的水位数据、流量数据、水质数据、泵站的实时数据；泵站的实时数据包括泵站当前水位、泵站当前开泵量；内置规则包括系统状态的预设参数，系统的最大容忍限度，与时间相关联的系统运行数据；工作规则具有优先级顺序。

较佳的，在本发明中，控制子系统能够连接网络获取天气预报以及降水量预报信息；并根据获取到的天气预报以及降水量预报信息预估出水位上涨量，提前控制调度子系统开泵预排水，这样可以有效地防止因强降水时导致水位过高，影响系统整体的排水，甚至可以有效防止因来不及排水而造成大量积水。

通过本发明提供的智能排水调度系统，可以获知排水系统运行的最大能力，排水管道的实时运行情况，泵站的同步状态，污水厂的运行，溢水口等排水系统各个环节之间的动态关联关系，并且可以找出他们的关系并建立系统最优的调度方案，而且可以对调度方案产生的影响和后果进行模拟，并且是实时的进行决策和可知结果的执行。基于上述动态关联关系，在本发明的实施例中，至少包括了日常调度步骤、预排空步骤和最佳排水调度步骤。

其中，日常调度步骤包括了以下四个步骤：

S3.1、在当前水位h_c高于开泵水位h_oh时，控制调度子系统打开该泵站默认启动的泵。

S3.2、检测当前泵站的当前水位h_c，在该泵站的泵未全部开启时：若h_c变大，控制调度子系统开启该泵站剩余泵中流量最大的泵；

若h_c变小，控制调度子系统维持该泵站当前状态；

若泵站的所有泵均开启且当前水位h_c仍然继续上涨，控制子系统控制报警子系统发送警报信息，并通知人工采取既定的紧急处理措施；还控制调度子系统关闭部分上级泵站的泵；

S3.3、当前水位h_c降低至开泵水位h_oh时，控制子系统控制调度子系统关闭默认启动的泵以外的其他泵；

S3.4、当前水位h_c低于停泵水位h_sl时，控制子系统控制调度子系统停止该泵站的泵。

预排空步骤包括以下四个步骤：

S1.1、根据预测到的降雨曲线以及降雨影响因子，结合汇水模型估算降雨过程中进入泵站的雨水量V_降雨；

S1.2、根据泵站开泵水位与当前水位的差换算成可蓄水量V_可蓄水，采用正失衡可行流对泵站进行调度预排水，使V_可蓄水≥V_降雨；

S1.3、计算污水处理厂的剩余处理能力；

S1.4、根据污水处理厂的剩余处理能力进行预排空调度；

在预排空步骤完成后，系统自动转入最佳排水调度步骤，包括以下五个步骤：

S2.1、控制子系统根据每一个泵站所服务的区域重要性设置调度优先级；

S2.2、在泵站完全可调度的条件下，采用平衡可行流调度排水或正失衡可行流排水；

S2.3、在泵站部分可调度的条件下，根据允许的最大排放量排水量采用负失衡可行流调度排水；

S2.4、在泵站不可调度的条件下，维持原状；

S2.5、当有泵站的集水池中的水位超过紧急控制水位线时则需要对其进行紧急控制调度。

其中，在紧急控制调度下，在满足其他兄弟泵站可行流的情况下，尽最大的能力排水。假定将集水池中的水位未超过紧急控制水位线的所有兄弟子节点泵站停泵，计算此时下游父节点泵站的进水总管的剩余排水能力；在此剩余排水能力前提和假定停泵的情况下，其他兄弟泵站按照优先级的顺序调度排水，依次决定兄弟泵站的开泵量。

在预排空步骤中，为了能够充分调动泵站的蓄水和排水能力，需要在暴雨来临前，对泵站进行预排空。具体为，将泵站抵抗暴雨的调蓄能力，换算成降雨深度，能够以此作为判别不同降雨强度下，泵站开启运行情况的参考。在换算与排空分析中，以泵站集水井开车水位为参考，污水处理厂剩余处理能力为指标，换算为流域面积降水深度，确定泵站在预排空调度方案中需要排出的水量。

在最佳排水调度步骤中，所述平衡可行流调度排水指的是流入泵站的水量与流出泵站的水量相等，正失衡可行流排水指的是流入泵站的水量少于流出泵站的水量，且两者的差值的绝对值小于集水池中积水量，负失衡可行流排水指的是流入泵站的水量多于流出泵站的水量，且两者的差值的绝对值小于集水池剩余容量。

在排水调度过程中，水位会不断地变化。如果一直保持着同样的调度优先级，可能会影响到其他泵站的排水调度，因此，本发明的一种较佳调度方法中，控制子系统会根据泵站的实时水位更新泵站的调度优先级，进而实现以最大地发挥管网的排水能力。在日常节能优化调度中，控制子系统，在满足日常排水的要求下，让每台泵工作在高效节能区域，以达到节能的效果，从长远来看，此种设计方式不仅可以有效地减少能耗，还能够通过更换开启的泵来实现泵的均衡利用。

根据泵的流量-功率特性曲线N＝f₂(Q)知，当流量一定时，对应的功率是一定的，特定功率N下的能耗E与时间是成正比的，即若泵在该功率下工作t时间，则有：

E＝N·t

上式中f₄(Q)表示的是流量——排单位立方水的耗能函数。

若工作区间存在耗能最小值的工作流量点时，则排一吨水，在该点状态工作所需能耗最小。对应的有一个Q_best满足：因高效区间的特性曲线是连续的，故Q_best附近某个区间里的Q都能使得相对较小，若选中一个区间Q_best∈ΔQ＝[Q₁,Q₂]，根据水位流量函数h＝f₀(Q)，则其对应的水位变化区间为Δh＝[h_sl，h_oh]

在本实施例中，控制子系统通过对每个泵站设有高效工作水位区间Δh＝[h_sl，h_oh]；当前水位h_c高于开泵水位h_oh时，所述控制子系统控制所述调度子系统开泵；当前水位h_c低于停泵水位h_sl时，所述控制子系统控制所述调度子系统停泵，从而实现本发明中应用于全管网的能耗最低的解决方案。

本发明中，智能排水调度系统工作在正常情况下时，启用节能调度子模型，该节能调度子模型根据泵站分布走向图将管网表示为树。

该树的存储结构采用双亲孩子链表表示法。

图2的整个过程是对树采用非递归的深度优先遍历(后序遍历式)。

图3为图2求解操作子过程，表示当对某个节点进行问题求解操作时，首先需要获取其所有直接子节点的可行解集，将该可行解集作为当前节点进行目标函数求解时的输入值的候选集。

通过图2的遍历过程，得到应用于整个管网的能耗最小的调度方案。

在本发明中，智能排水调度系统工作在应急状态下时，启用应急调度子模型，该应急调度子模型据泵站分布走向图将管网表示为树。

图4的整个过程从根节点开始按照优先级进行遍历。

图5为图4调度操作子过程，表示当对某个节点进行调度操作时，首先判断其是否不可调度、是否完全可调度。

若不可调度，采用负失衡可行流进行调度；若完全可调度，采用正失衡可行流或平衡可行流进行调度；若部分可调度，采用负失衡可行流进行调度。

通过图4的遍历过程，得到一次管网的调度方案。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种智能排水调度系统，其特征在于，包括控制子系统、调度子系统、报警子系统、水位检测子系统、显示子系统；所述控制子系统分别与所述调度子系统、报警子系统、水位检测子系统、显示子系统相连接；

所述水位检测子系统用于检测单个泵站和/或其出入口检查井的水位高度并将反馈信号发送给所述控制子系统；

所述控制子系统用于：

接收所述水位检测子系统发送的信号，并依据该信号：

生成水数据，并发送所述水数据给所述显示子系统；

生成调度信号，并发送所述调度信号给所述调度子系统；

获得水位信息，判断水位是否超过预设的警报高度，若超过，则发送报警控制信号至所述报警子系统；

所述显示子系统用于显示所述控制子系统发送的水数据；

所述调度子系统用于响应调度信号调度单个或多个泵站中泵的开或停；

所述报警子系统用于响应报警控制信号输出水位告警；

所述智能排水调度系统还包括数据记录单元；

所述数据记录单元与所述控制子系统相连接；

所述数据记录单元至少用以记录有从上游到下游的所有泵站级别、泵站所在区域以及排水量的信息；

所述泵站级别信息用于确认所述泵站在智能排水调度系统中的位置；

在紧急控制调度时，所述控制子系统根据所述泵站所在区域、泵站当前的水位为所述泵站设定开/停优先级；

所述控制子系统还用于：

在当前水位h_c高于开泵水位h_oh时，控制所述调度子系统打开该泵站默认启动的泵；

所述默认启动的泵打开后，检测当前泵站的当前水位h_c，在该泵站的泵未全部开启时：若h_c变大，控制所述调度子系统开启该泵站剩余泵中流量最大的泵；

若h_c变小，控制所述调度子系统维持该泵站当前状态；

若泵站的所有泵均开启且当前水位h_c仍然继续上涨，所述控制子系统控制所述报警子系统发送警报信息，并通知人工采取既定的紧急处理措施；控制所述调度子系统关闭部分上级泵站的泵；

所述控制子系统能够连接网络获取天气预报以及降水量预报信息；

所述控制子系统根据获取到的天气预报以及降水量预报信息预估出水位上涨量，并根据所述预估的水位上涨量控制所述调度子系统开泵预排水。

2.根据权利要求1所述的智能排水调度系统，其特征在于，当前水位h_c降低至开泵水位h_oh时，所述控制子系统控制所述调度子系统关闭所述默认启动的泵以外的其他泵；

当前水位h_c低于停泵水位h_sl时，所述控制子系统控制所述调度子系统停止该泵站的泵。

3.根据权利要求1所述的智能排水调度系统，其特征在于，还包括管网；

每个泵站通过所述管网与下一级中的其中之一泵站连接；

且所述管网中的泵站排水量至少满足以下两条件之一：

1）、大于或等于与其连接的上游一端的泵站的排水量与检查井入水量之和；

2）、大于或等于其上游所有泵站的总排量之和。

4.一种智能排水调度方法，其特征在于，运用了权利要求3中所述的智能排水调度系统，包括预排空步骤和最佳排水调度步骤；所述最佳排水调度步骤在所述预排空步骤结束之后启动；

所述预排空步骤包括：

S1.1、根据预测到的降雨曲线以及降雨影响因子，结合汇水模型估算降雨过程中进入泵站的雨水量V_降雨；

S1.2、根据泵站开泵水位与当前水位的差换算成可蓄水量V_可蓄水，采用正失衡可行流对泵站进行调度预排水，使V_可蓄水≥V_降雨；

S1.3、计算污水处理厂的剩余处理能力；

S1.4、根据污水处理厂的剩余处理能力进行预排空调度；

所述最佳排水调度步骤包括：

S2.1、控制子系统根据每一个泵站所服务的区域重要性设置调度优先级；

S2.2、在泵站完全可调度的条件下，采用平衡可行流调度排水或正失衡可行流排水；

S2.3、在泵站部分可调度的条件下，根据允许的最大排放量排水量采用负失衡可行流调度排水；

S2.4、在泵站不可调度的条件下，维持原状；

S2.5、当有泵站的集水池中的水位超过紧急控制水位线时则需要对其进行紧急控制调度。

5.根据权利要求4所述的智能排水调度方法，其特征在于，在实时的排水调度过程中会根据泵站的实时水位更新泵站的调度优先级。

6.根据权利要求4所述的智能排水调度方法，其特征在于，还包括日常调度步骤；

所述日常调度步骤包括：

S3.1、在当前水位h_c高于开泵水位h_oh时，控制所述调度子系统打开该泵站默认启动的泵；

S3.2、检测当前泵站的当前水位h_c，在该泵站的泵未全部开启时：若h_c变大，控制所述调度子系统开启该泵站剩余泵中流量最大的泵；

若h_c变小，控制所述调度子系统维持该泵站当前状态；

若泵站的所有泵均开启且当前水位h_c仍然继续上涨，所述控制子系统控制所述报警子系统发送警报信息，并通知人工采取既定的紧急处理措施；控制所述调度子系统关闭部分上级泵站的泵；

S3.3、当前水位h_c降低至开泵水位h_oh时，所述控制子系统控制所述调度子系统关闭所述默认启动的泵以外的其他泵；

S3.4、当前水位h_c低于停泵水位h_sl时，所述控制子系统控制所述调度子系统停止该泵站的泵。