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1 城市供配水系统概述
随着现代科学技术的进步，在世界范围内，计算机已经进入工业生产的各个环节，并取得了飞速的发展。在我国经济建设飞速发展的今天，以电子信息技术改造传统产业和大力倡导工业自动化，已成为不可逆转的趋势。面对城市建设的快速发展，供水行业已充分认识到：对城市供配水管网系统，必须采用现代化的管理手段，对其进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水资源，改善面向社会的服务水平。人们已经深刻地认识到，加强城市自来水系统综合自动化建设，是达到这一目标的重要措施。这里所说的“城市自来水系统综合自动化解决方案”，通常包括以下四个方面内容：
(1) 企业生产过程的SCADA系统；
(2) 企业现代化管理MIS/DSS；
(3) 城市供配水管网系统数学模型建立、系统仿真与优化设计；
(4) 网络自动抄表（AMR）收费系统等四大部分。
利用计算机及信息技术，以上述四大内容为基础，对城市供水行业进行企业现代化改造，是保证企业实现信息化，并与国际接轨的重要举措；“城市供配水系统综合自动化解决方案”的主体结构如图1所示。本文仅涉及上述城市自来水系统综合自动化解决方案中的“城市供配水管网系统数学模型、仿真与优化设计”部分，并简化定义为 “城市优化供配水系统”，其它部分内容另文进行分析研究。
城市优化供配水系的统全称应该是“城市供配水管网系统数学模型、仿真与优化设计”，它是以城市供配水管网地理信息系统（GIS）为背景，进行开发和建立起来的一个优化系统，其主要任务有：
(1) 对现行城市供配水管网各功能子系统进行调查研究，并进行系统需求分析；
(2) 建立城市优化供配水系统的建设目标，进一步对该系统的功能进行再分析；
(3) 以地理信息系统为工具，建立城市供配水管网系统数学模型，并针对该供配水管网系统数学模型，进行系统仿真与优化设计；
(4) 建立新系统的日常运行机制，颁布新系统的管理与维护法规。
图1 城市供配水系统综合自动化解决方案主体结构
2 城市优化供配水系统的功能描述
城市优化供配水系统是以城市供配水系统管网GIS为背景，建立起来的一个软件系统。它具有以下功能：城市供配水系统管网GIS功能、高度现代化的生产调度指挥系统功能、完全信息化的在线优化供配水系统功能、应急事故处理的社会服务功能等。
(1) 城市供配水系统管网GIS功能
城市供配水系统管网GIS功能，是“城市优化供配水系统”的核心功能，具有以下六大功能子系统，它们分别是基础平台的图库管理子系统、管网编辑子系统、管网管理子系统、管网运行调度子系统、事故处理子系统、管网维护管理子系统等；通常每个子系统均可由数个模块组成，下面将分别叙述各个子系统的功能和其模块的功能。
? 地形图库管理子系统 本子系统除提供了分别对点、线、区三种图元的空间数据和图形属性进行输入和编辑的功能，以从图形表格输出的功能之外，最主要的是实现地形图建库、对图库灵活的管理和方便的数据转换。
? 管网输入编辑子系统 管网输入编辑子系统提供丰富有力的网络输入手段，构造网络拓扑关系，建立与管网元素相关的属性数据库和提供供水管网的图形属性编辑工具。
? 管网管理子系统 管网管理子系统用于对管网信息进行全面的了解和详细的分析，提供属性与管线的双向查询工具查询检索各种需要的数据和信息。
? 管网运行调度子系统 管网运行调度子系统实际上就是“供配水优化系统”的具体实施，它是在GIS系统的基础上建立起来的，该子系统同时需要查表收费系统和SCADA系统的数据支持。
? 事故处理子系统 事故处理子系统包括爆管事故处理和火灾事故处理两个模块，爆管事故是指管网中突发的爆管等漏水事故。用户只需指定漏水处，系统将能够制定出合理的处理方案，以便及时排除故障。当需检修某个或某些阀门时，则需利用扩大关闸搜索寻找需关哪些阀门，以便进行抢修。火灾事故处理，是指在城市中突发火灾时，用户只需指定失火处，并给定搜索条件，系统将能够根据搜索条件找出可用的消防栓，提供给消防部门。
? 管网维护管理子系统 该子系统主要是对管道完工档案、闸门和管网运行状态进行管理日常业务管理。
城市优化供配水系统的以下功能，笔者将另文予以分析研究。
(2) 高度现代化的生产调度指挥系统功能
(3) 完全信息化的在线优化供配水系统功能
(4) 应急事故处理的社会服务功能
3 城市优化供配水系统的目标及设计原则
3.1 城市优化供配水系统的总目标
(1) 确定目标的原则
系统目标是指未来的计算机管理信息系统的目标，目标是建立在对现有系统的调查和分析的基础上，新系统所追求的目标，体现了计算机信息管理的水平和企业实现信息化的水平。确定目标的原则有以下两点：
? 目标既要有先进性，又要稳定可靠，有实现的可能；新系统决不是用计算机单纯去代替原手工管理方式，而是应比原有系统有本质的提高；
? 目标的系统化，具体化；需要首先确定系统的总目标，总目标是由分目标组成，构成一个目标系统（目标树），同时目标尽可能避免抽象化，力求具体化，目标系统使系统开发的各阶段方向明确，同时也是开发工作各阶段的评价标准。
(2) 系统总目标的确定
根据确定目标的原则，通常“城市供配水管网优化系统” 总目标确定为“以城市供配水管网GIS为背景，建立完善的城市供配水管网数学模型，利用科学的计算机仿真技术和方法，对供配水管网数学模型进行仿真分析，从而实现城市供配水优化调度的目的”。
系统的总目标通常可以具体划分为多个分目标，而分目标又可由若干个子目标组成；系统的总目标构成一个目标树，目标树反映了系统预期要达到的效果。这里进一步分析上述总目标，该总目标可具体划分为以下三个分目标：
? 高效规范的管网图档信息管理；
? 严谨科学的管网运行状态管理；
? 及时有效的辅助决策服务。
供配水优化系统的特点是建立在GIS系统基础上的将查表收费系统数据、SCADA系统数据综合利用，达到优化系统管理、优化系统运行节约资源和提高服务水平的作用。这一系统目标的实现，将对大量的管网信息进行综合分析和深加工处理，从而为领导及有关部门提供管网预测、计划、管理等多方面有效的辅助决策服务，这是管理信息系统最高层的管理目标，反映了系统的管理水平和标准。
3.2 城市优化供配水系统的需求分析
城市供配水管网优化系统总体方案设计的前提，是有一个确切的系统需求分析，它决定着系统设计的成功与否。本系统需求分析，主要集中在以下几点：
? 对自来水公司生产过程与日常对外服务过程中所产生的信息和数据进行科学的整理，努力提高对供水管线的管理水平；
? 要求系统能够存储全部管网图形和属性信息，并可随时更新，能方便对管网信息进行双向查询，能对自来水爆管事故提出应急方案与工程意见；
? 探索利用系统对自来水漏水区进行预测，对水质污染源的查询提供线索，在此基础上逐步实现管网平差与自来水优化调度调度功能。
3.3 城市优化供配水系统的设计原则
由于城市供配水管网优化系统是以城市供配水管网地理信息系统为背景进行开发的，在该系统设计和建设中应突出反映下列几方面原则与特点：
(1) 实用性原则 做到灵活实用和最大可能的满足供配水业务要求，是本系统建设的最高要求，也是本系统设计的基本出发点。实用性原则体现在：便于用户应用、便于系统管理、便于数据更新和便于系统升级等；同时实用性原则还体现在，具有优化的系统结构和完善的数据库系统，以及灵活简便的用户界面，逐步形成城市自来水公司业务处理的计算机化和网络化，进而达到全公司的信息化。
(2) 可靠性原则 可靠性原则包括数据可靠性原则和系统可靠性原则。数据可靠性原则是指数据库中的所有数据应是准确可靠的；系统可靠性原则是指系统应有很强的容错能力和处理突发事件的能力，不致于因某个动作或某个突发事件导致数据丢失和系统瘫痪。该原则是本系统设计的最核心的原则。
(3) 科学性原则 以城市供配水管网地理信息系统为背景进行开发的“城市供配水管网优化系统”是一个含建立城市供配水管网系统数学模型，进行系统仿真和优化设计的大型软件系统。因此，它的开发与建设是―项较为复杂的系统工程，必须以“软件工程”的思想和方法来建立该系统，从而保证系统结构的科学性和合理性。
(4) 完备性与规范性原则 系统中的各种数据应是全面的、完整的，能最大限度的满足系统各项功能的需要；同时系统各项功能也应符合自来水公司供配水管网管理的要求，信息编码应遵循行业标准和地方/国家颁布实施的规范。
(5) 经济性原则 在保证各项功能完满实现的基础上，以最好的性能价格比配置系统的软、硬件。双方共同合作，在较短时间内完成系统的建立，使系统尽快发挥经济效益与社会效益。
(6) 可扩展性和开放性原则 系统开发采用控件技术和面向对象的软件技术，使系统的重构和搭建非常方便，可推广性好。同时方便系统不断地扩充、求精和完善；系统在输入输出方面应具有较强的兼容性，能进行标准数据格式的转换。
(7) 先进性和可操作性原则 信息技术发展非常之快，硬件更新换代不到一年，软件整体升级也只是三至五年。在GIS软件行业中，各种系统纷纷移植到NT平台，可以看出基于NT平台的GIS是一个发展方向。本系统可选择Delphi和Visual Basic作为GIS开发工具，同时在硬件配置和系统设计中应充分考虑系统的发展和升级，使系统具有一定的扩展能力，处于应用系统技术领先的地位；但这一切必须服从于系统要有良好的用户界面和用户易学易懂、操作简便、灵活、符合供水行业的实际工作模式，也就是有良好地可操作性。
4 城市优化供配水系统的开发方法
4.1 城市优化供配水系统数学模型的建立
(1) 建立“城市优化供配水系统数学模型”的意义
人类进入21世纪，由于全球性水资源的短缺（我国更为严重），极大地威胁着人类的生存。因此，科学合理的利用水资源、节约城市工业与生活用水已迫在眉睫，建立“城市优化供配水系统数学模型”，实施城市管网优化供配水，从而达到城市节约用水的目的。
建立了“城市优化供配水系统数学模型”以后，就具备了深刻理解城市供水系统地下管网运行的条件。该模型不仅提供城市供水系统中不同泵的供水范围，而且还可明显的反映出城市供水系统地下管网可能发生的瓶颈现象，模型同时还可提供各种供配水方案的直观模拟演示，这就为系统操作者进行实时在线优化供配水提供了有利条件。
在城市供配水系统管理方面，由于有了“城市优化供配水系统数学模型”，对城市因其发展而需要进行管网扩展，模型提供了有力的数据支持，从而保证了城市供配水系统的优化管理，用户也得到了高质量的服务。
(2) 城市优化供配水系统数学模型的结构及建模前的准备
“城市优化供配水系统数学模型”的结构如图2所示。城市优化供配水系统数学模型在建模前，必须进行前期的各种数据的准备工作，如管网数据的确定、需水量数据的确定、现场测试数据等。下面一一予以说明。
图2 “城市优化供配水系统数学模型”的结构
? 管网数据的确定
模型中的全部管网管线数据，均需要利用GIS系统的数据库及相应的应用程序来实现数据转换。通常需要进行转换的参数有：确定建模用管网图（基本管道口径及特殊管道的处理），确定管线在图中的位置、连通情况、管长、管径、管材、管龄及管线的相应分区和确定管网中模型的节点（在1：500已标明水表位置的图上注明节点）。
? 需水量数据的确定
通过对用户用水情况的调查及测试，将清楚地掌握其用水规律。利用GIS系统中的用户位置数据及收费系统数据，利用编写相应程序来关联得到节点需水量数据，从而可准确分配节点流量，并进行优化配水。
? 现场测试数据
测试目的为了进一步了解管网运行状况，掌握管网中的实际压力及其变化规律，验证已有测压设备及其结果的准确性和测压精度的可靠性，并为管网模型的校验积累资料，有效地提高模型精度，使模型更能反映出管网实际情况，使管理者能及时地发现问题，减少事故隐患的发生，使供配水系统始终处于良好的状态。
(3) 用于建模的数据正确性控制
基础数据提供的准确程度，直接支持影响着模型精度，在进行数据处理时必须认真负责，并随时采用相应措施验证，基础数据主要有如下三类：GIS系统数据、收费系统数据和现场测试数据等，由于后两类数据一般准确性较高，所以重点放在对于GIS系统有异议的数据，可进行再验证。
(4) 建模与模型计算
供水系统的管网建模，近年来在国内外引起了不少专家学者的注意和研究。归纳起来，城市供水系统管网的数学模型，大致可分为以下几种：
? 供水系统管网宏观模型
供水系统管网宏观模型的建模思想主要是：利用获取的几类重要的管网参数（如管网测压点压力、泵站出口水压力、泵站出口水流量、水池水位及管网系统用水量等），以统计分析理论为基础建立系统网络的结构性分析模型，其数学表达式为：
qr (t) = fr (x(t),v(t),g(t),h(t))
qp (t) = fp (x(t),v(t),g(t),h(t)) (1)
hp (t) = gp (x(t),v(t),g(t),h(t))
hj (t) = gj (x(t),v(t),g(t),h(t))
式(1)中：
qr (t)为水库流量向量；qp (t)为泵站出口水流向量；hp (t)为泵站出口压力向量；hj (t)为管网测压点压力向量；t为调度时段；x(t)为调节水池蓄水量向量；v(t)为系统中阀门控制向量；g(t)为系统节点流量向量；h(t)为系统节点水头向量。
式(1)中的右端函数，一般表现为多项式形式，v(t)属于可以选择项，通过回归分析方法，可以确定该函数的具体表达形式。该方法的特点是建模过程中所需数据量少、建模快、计算效率高，但缺点是适用范围有一定***，当管网系统用水量及其它各已知参数变化幅度较大时，可能产生明显的误差。
? 供水系统管网微观模型
供水系统管网微观模型的建模思想主要是：从供水管网的拓扑关系出发，依据管道管径、管长、管材及节点用水量等主要参数，构造出拓朴结构模型。该模型的基本数学方程包括质量平衡方程和能量平衡方程两大部分，即：
质量平衡方程：∑qi,j + Qi = 0 (2)
能量平衡方程：∑hi,j -△Hk = 0 (3)
式(2)，(3)中：
i,j为节点编号；qi,j为连接在节点i的各管段流量；Qi为i节点的流量；hi,j为属于基本环k的管段水头损失；△Hk为基环k的闭合差或减压装置产生的水压差。
上述供水管网拓朴结构模型又称为“供水管网系统微观模型”，它的具体求解方法有：节点水头法、环流量法和管段流量法等。
与供水系统管网宏观模型相比，微观模型对系统的变化及节点用水量分布的变化适应性较强。例如当某水池或主干管中断使用时，将管网拓扑关系校正后，仍可使用(2)和(3)式进行系统工况模拟。而宏观模型就需要重新获取原始数据，进行回归分析，校正回归曲线，建立新的模型形式。但供水系统管网微观模型的缺点也是非常明显的，这就是建模过程中需要大量的数据，模型的校验工作量大，计算耗费大量机时。
? 供水系统管网集结模型
为了克服供水系统管网微观模型的缺点，近年来提出了“供水系统管网集结模型”，该模型是建立在“微观模型”基础之上的。所谓“管网集结”，其实就是一种简化网络结构的近似方法，它把整个配水系统管网划分成P个区域，使管网中每个节点必须且仅属于一个区域。通常划分区域的原则是：同区域内的各节点压力大致相等，用水规律相仿。将每个区域内的所有节点“集结”在一起，形成一个“虚拟”节点；区域（即用“虚拟”节点组成的）之间的关联用一条“虚拟”管道表示。这样原来的管网模型（微观模型）就简化成一个新的管网模型，称之为“集结模型”。集结模型在计算上大大节约了机时，在建模上更科学合理。
4.2 城市优化供配水系统的模型数据库与应用软件开发
城市优化供配水系统模型数据库的作用，是将GIS系统数据、网络收费系统数据及管网现场测试数据进行存储和转换，为模型的建立提供数据支持。具体的流程如图3所示。
图3 城市优化供配水系统的模型数据库与仿真和优化软件包的开发过程
4.3 城市供配水系统在线仿真过程及运行环境
城市供配水系统在线仿真过程是完善“供配水管网系统模型”不可缺少的一环，通常的做法是在计算机上，将“供配水管网系统模型”转换成为“供配水管网系统仿真模型”。可以首先利用该仿真模型的离线运行，不断修正管网供配水系统各主要参数，以达到所建立的“供配水管网系统模型”准确性。在城市供配水管网系统实际调度过程中，城市供配水系统在线仿真过程，就是一种寻优调度的过程。
城市优化供配水系统建成以后，在正式投入运行时，是将该系统并入“城市供配水管网管理信息系统”之中的，对于一个城市自来水公司来说，“城市供配水管网管理信息系统”的总体结构可如图4所示。
图4 城市供配水管网管理信息系统总体结构
5 结语
城市供配水系统优化模型的建立对供配水系统有着非常重要的实际意义，它能方便、快捷地计算出城市供水管网各种不同的运行工况，优化系统运行方案，供水行业管理者能直观地发现管网中存在的问题，减少事故的发生。同时系统还为供水调度部门，提供预测方案及实际运行指导，可保证供配水系统的安全性和合理性，从而大大提高城市供水的经济与社会效益。