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原水调度系统解决方案
北京亚控科技发展有限公司
一、 引言
近年来随着我国各大中小型城市的工业生产、城市规划、基础设施的迅猛发展，各种工业、生活用水需求都发生着巨大变化。处理好供需关系的关键是建立供水调度系统，进行优化调度。当前，我国供水企业的调度仍处于经验型阶段，其现状为基本合理、偏于保守。建立一个能满足变化、安全性能高、运行电耗低的一体化调度系统的要求正日益浮出水面。
原水调度系统以调度优化决策为核心，在整个供水系统中发挥着大脑的作用，它以“安全、经济、高效”为目标，在满足用水需求的前提下能保障日常供水的平稳，生成更为低耗的供水方案，增强应急处理各类供水事故的能力，使整个供水系统经济合理运行。
二、 现状分析
2.1 缺乏对供水设施的了解
目前对供水过程的监测只停留于水压、流量、水位等方面，并未对供水设施的供水能力进行分析，只是简单的以供水设施的理论最大供水能力或额定参数为调度依据。实际上，当供水设施投入使用后，随着时间的变化，其供水能力也会发生变化，若不考虑到这种变化，将造成调度的不准确。
2.2 粗放的调度计划
目前的调度计划主要由人工对水厂上报的数据进行分析得出的，这种方式对于人员的专业知识和综合素养要求较高。并且受各人经验的影响较大，容易出现供水波动大的情况，面对纷繁复杂的供水场景很难做到面面俱到、万无一失。另外，供水计划一般都以泵站为最小单位，而泵站内部的供水设备如何工作完全由工作人员主观决定。
2.3 缺乏对资源和成本的考虑
过去的原水调度主要关注的是对各泵站、水厂的输水，以满足全市对水资源的需求为最终目标。在完成供水需求的情况下对能源消耗量关注不多、能源使用过程及去向不明，从经济角度上对成本的投入考虑较少，造成了能源的不必要浪费。
2.4 计量方式单一、局限性大
供水企业一旦将原水供出就会面临统计和结算的需求，统计结算直接与供需双方的经济利益相挂钩，传统的计量方式是对测量设备的测量值进行统计。这种方式较为单一、依赖性大，一旦测量设备故障或统计方法错误，将给企业造成经济损失。
基于原水供水行业在整个城市发展的重要作用，从目前的现状出发，迫切需要建立一套面向用户的、准确灵活、可视化强、能适应各种场景及突发事件的原水调度系统。
三、 系统解决要点
Ø 将各供水单元相关信息（如规格、额定数据等）划分为独立的基础模型，并由各基础模型串联、嵌套最终组合成供水项目中的“工厂模型”。
Ø 对单个供水单元、单段供水线或多段供水线进行供水能力的评估。
Ø 对未来某时段内的日常需水量、特殊情况需水量进行搜集与预估。
Ø 制定不同周期内泵站级的供水计划。
Ø 制定小时级的水泵机组开停计划。
Ø 提供多种直观手段实现对计划的修正。
Ø 追踪供水计划执行情况、机组开停计划执行情况、供水质量、能源消耗情况。
Ø 对一定周期内的供水进行精确计量给未来供需双方的结算提供依据。
Ø 记录供水过程中的所有供水计划、供水特殊情况、突发事件、计划执行情况、供水质量、能源消耗情况等信息，形成经验库。
Ø 提供开放性接口，以便其它第三方系统调用。
四、 系统方案
4.1 系统结构
原水调度系统包括“供水工厂模型”、“调度计划系统”、“调度排程系统”、“调度追踪系统”、“调度计量系统”五个功能模块，“供水工厂模型”是整个系统的核心，各功能块之间相互联系而又分工明确，其内部原理如图2所示。
Ø 供水工厂模型
供水系统中的泵站是由各类供水设备（如水泵）组合而成的，各级泵站、管道组合嵌套最终就形成了一个具体的供水系统。原水调度系统中的“工厂模型”依据“有输出成果、可预测”的思想，针对各级供水单元进行基础建模，各基础模型包含该供水单元所有的基础信息、关键技术指标，如水泵机组的额定参数、性能特征曲线等，最终将形成工厂模型树，如图3所示。
工厂模型将对各供水设施进行能力的评估以便了解未来哪些设备的能力处于可用范围，能力评估是制定计划的前提，对于供水起着至关重要的作用。
Ø 调度计划系统
调度计划系统主要负责制定供水计划。在制定计划时，系统将充分考虑各供水单元的实际供应能力、各种特殊情况以及特定的场景，调度计划系统还会根据实际的情况对计划进行修正，最终将制定的初步供水计划输出给调度排程系统。
图4调度计划系统
Ø 调度排程系统
调度排程系统将根据泵站各供水单元的实际供应能力及外部的各种约束条件进行排程计算，组合出切实可行的泵站级供水计划，排出多个水泵机组的组合方式和启停计划，排程的目标是安全供水和节能。
图5调度排程系统
Ø 调度追踪系统
调度追踪系统的目的是使供水企业充分了解目前的供水情况，如供水计划是否达成、供水的质量如何、资源消耗如何，以便及时调整规划，对于追踪的结果，系统将以可视化的手段予以呈现。调度追踪系统最终的目标是确保供水计划的有效执行。
图6调度追踪系统
Ø 调度计量系统
调度计量系统会对一定周期内的供水进行精确计量，如月供水量、年能耗量的统计等，它可以增强供水单位对较长时间范围内供水情况的了解，明确原水及电能的去向。调度计量系统的最终目标是为供水企业的结算提供依据。
图7调度结算系统
4.2 方案特点
Ø 评估供水设施的供水能力
每一个供水设备都有自己的最大理论供水能力，在实际的供水过程中由于多种因素的影响导致供水设备并没有以理论能力进行供水。另外，供水能力还具有变化的特性，随着时间的推移、场景的变换，设备供水能力也发生着变化。
原水调度系统中的“工厂模型”将各供水对象抽象成了独立的基础模型，由于各基础模型已包含能力评估所必须的算法及各项参数指标，因此可快速对其供水能力作出评估。而一个实际的供水系统是由若干个供水单元串联、嵌套而成，因此按照供水线的物理逻辑关系瞬间即可计算出整个系统当前的供水能力。
评估供水单元供应能力的工作将在制定供水计划之前进行，目的是了解供水单元最佳能力值、哪些设备的能力可用如图8所示，以便调度计划系统、调度排程系统制定出效率高、能耗省的供水计划。
Ø 假设未来的供水场景
每种供水计划都是针对具体供水场景而言的。场景不同，供水能力也不同，制定出的计划也就不同。因此有的时候当供水需求无法满足的时候可以通过改变供水场景的方式进行调节，以下举例说明：
如图9所示，1＃水厂某日需水量为100万吨，由1＃泵站提供，那么1＃泵站在理想状态下该日的供水计划即为100万吨，1＃泵站是由上一级的2＃泵站为其提供原水的。若2＃泵站中部分水泵机组正在维修，短时间内无法恢复工作，其实际日供水能力即为80万吨，在这种供水场景下，由于供水能力不足供水计划无法实现，将造成20万吨的供水缺口。
“调度计划系统”在面对这种情况时可以假设可能的供水场景，如，在3＃泵站能力允许的情况下，由3＃泵站向该方向供水20万吨， 弥补供水缺口，保证水厂的用水需求。调度计划系统的这一特点可以最大程度的满足用水需求，使得调度系统更加智能。
图9供水实例
Ø 考虑能力、时间及外在条件的约束
在实际供水过程中，总是存在这样或那样的约束，如各泵站有单位时间内供水量的约束、有供水能力的约束，当发生突发事件时有供水场景的约束。随着时间的推移，这些约束条件也在发生着变化，如水泵设备维修完毕，泵站可满负荷运作等。调度排程系统在将初步供水计划细化排程时会充分考虑这些约束条件。
调度排程系统通过工厂模型获得各供水单元在特定约束条件下的供水能力之后，在满足安全供水的需求下，还会进一步评估各种计划可能产生的能耗、对供水设备可能造成的损耗，最终提供一个或多个具体可辅助执行的计划。供水排程系统也会提供人工修正、选择的功能。在得出的多个供水计划之后，调度人员可选择、执行、下发。
Ø 可视化的计划执行追踪、能耗追踪、成本追踪
调度追踪系统会对供水计划进行管理，会对计划完成百分比、机泵开停计划执行情况、能耗情况进行追踪。它与过程控制软件、数据库系统相连接，可实时追踪所有供水环节的实时供应情况，形成的追踪结果按照供水单元的层级关系存储入库。除输出详细的追踪数据外，还输出供水企业高层所关心的概要性信息。
调度追踪系统除采用传统的表格形式展示追踪结果外，还以生动直观的可视化手段进行展示。如调度追踪系统会将泵站各时段的计划供水量和实际供水量采用柱状图方式进行展示；将供水线中的各泵站供水量以饼图、趋势方式进行展示。另外，追踪信息（如供水量）还可以供水单元的层级关系予以呈现。
调度追踪系统提供丰富的展现形式，调度人员基于这些精确的有效信息可以制定出更为有效的计划，对于可能发生的事故及时进行预判、调整计划，有利于供水目标的有效执行。
图11 供水追踪
图12 供水计划追踪
Ø 计量
供水企业需要对供水过程中水的去向、电能的去向有充分的了解，这与供水企业的利益息息相关。这也是供水计量系统存在的价值。
计量系统的目标是，对供水环节中原水的水量、能耗、水耗等信息进行精确的统计，最终形成日计量报告、月计量报告、年计量报告。与供水追踪不同的是，供水计量更倾向于分析原水去向，使用户对供水情况一目了然。
另一方面，供水企业也会涉及到结算等等问题，供水计量是其必然的选择。
计量系统的数据来源是数据库系统，可对过去任意时间段的供水数据进行统计。计量系统中也包含各种常用的统计方法，如求和、求平均等，并可自动生成报表、饼图、趋势等，确保工作人员对分析情况一目了然。如正常供水一天后，产生的日计量报告如图13所示。
另外，调度计量系统遵循“物质不灭”原则，根据工厂模型中各供水单元的特性，对水量等数据进行软计算，并与仪表实测数据进行比较，以便帮助用户及时发现仪表故障、设备泄露等问题。
五、 结束语
目前，国内各大城市的原水调度系统迅速发展，基于工厂模型的平台化的原水调度系统逐渐成为未来的趋势。本文对原水供水行业进行了深入分析，对原水调度系统的结构、工作原理及特性进行了分析和初步描述，希望能够起到抛砖引玉的作用，对原水供水行业有所促进。
