周克梅　　　　　　　劉遂慶
南京市自來(lái)水總公司 同濟(jì)大學(xué)

一、項(xiàng)目背景

　　南京市是江蘇省省會(huì)城市，現(xiàn)有水廠5座，主要增壓泵站7座，至98年底供水管道總長(zhǎng)度達(dá)2343千米，98年最高日供水量達(dá)141萬(wàn)立方米。
　　南京市自來(lái)水總公司歷來(lái)重視供水管網(wǎng)規(guī)劃及技術(shù)管理工作，80年代開(kāi)始就使用同濟(jì)大學(xué)研制的水力平差軟件，對(duì)南京市的管網(wǎng)進(jìn)行水力平差分析計(jì)算，并合作研究管網(wǎng)供水優(yōu)化調(diào)度計(jì)算機(jī)方法。90年代后，隨著南京市供水規(guī)模的迅速擴(kuò)大，上述軟件對(duì)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算數(shù)量的限制及軟件單一的計(jì)算功能已不能滿足需要，為做好管網(wǎng)規(guī)劃及改擴(kuò)建工程，南京水司曾先后委托上海水司和同濟(jì)大學(xué)，運(yùn)用他們的水力計(jì)算軟件對(duì)南京市的供水管網(wǎng)多次進(jìn)行分析計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在南京水司越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，以及社會(huì)的科技進(jìn)步和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，長(zhǎng)期以來(lái)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行供水調(diào)度、管網(wǎng)設(shè)計(jì)和改擴(kuò)建規(guī)劃的傳統(tǒng)模式，已不能適應(yīng)先進(jìn)供水行業(yè)的發(fā)展要求，供水企業(yè)必須不斷提高管理及運(yùn)行水平。使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，建立供水管網(wǎng)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)水力模型是分析管網(wǎng)最為有效的手段。近幾年來(lái)南京水司先后建成了供水管網(wǎng)GIS系統(tǒng)、供水調(diào)度SCADA系統(tǒng)及營(yíng)業(yè)抄收用戶管理系統(tǒng)，為建立管網(wǎng)模型所需的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集提供了優(yōu)越的條件。因此，99年起南京水司立項(xiàng)開(kāi)展供水管網(wǎng)計(jì)算機(jī)模擬軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用工作。
　　對(duì)于供水企業(yè)來(lái)說(shuō)，研究管網(wǎng)模擬技術(shù)及建立管網(wǎng)模型，選擇管網(wǎng)計(jì)算軟件及合作開(kāi)發(fā)方至關(guān)重要，立項(xiàng)伊始，南京水司曾先后對(duì)美國(guó)Stone公司、美國(guó)AMPAC集團(tuán)公司及同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行比選，經(jīng)比較權(quán)衡認(rèn)為，雖然國(guó)外軟件有成熟的版本及巨大的功能，但其開(kāi)發(fā)適合的是歐美的國(guó)情，與我國(guó)的國(guó)情有較大的差距，國(guó)外軟件雖然功能完善，但國(guó)內(nèi)水司不易在短期內(nèi)完全發(fā)揮其效能，且操作界面多為英文，大多數(shù)技術(shù)人員難以熟練操作，日后軟件的維護(hù)費(fèi)用也較高。而同濟(jì)大學(xué)在城市給水排水教育和科研方面，一直屬于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，具備供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理計(jì)算機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的良好條件和基礎(chǔ)，因此，南京水司決定與同濟(jì)大學(xué)合作共同承擔(dān)南京市供水管網(wǎng)計(jì)算機(jī)模擬軟件（TJW1.0）開(kāi)發(fā)與應(yīng)用工作。

二、管網(wǎng)計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展簡(jiǎn)史

　　給水管網(wǎng)水力分析計(jì)算最早始于1936年，是由運(yùn)用Hardy Cross平差求解方法對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)算而提出的，隨著計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用軟件的發(fā)展，給水管網(wǎng)水力計(jì)算也有很大的發(fā)展。國(guó)外在管網(wǎng)設(shè)計(jì)、計(jì)算和實(shí)現(xiàn)上經(jīng)歷了三個(gè)階段：
　　第一階段：管網(wǎng)平差計(jì)算技術(shù)（1960年-1980年），計(jì)算和校核管網(wǎng)運(yùn)行狀況，提高設(shè)計(jì)和管理水平。
　　第二階段 ：管網(wǎng)運(yùn)行與優(yōu)化調(diào)度計(jì)算和管理（1980年—1990年），利用優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化調(diào)度及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，提高了運(yùn)行效率和數(shù)據(jù)資料管理水平。
　　第三階段：自動(dòng)化運(yùn)行和管理（1990年—），由計(jì)算機(jī)總控系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和程序控制，實(shí)現(xiàn)源水水質(zhì)、水位監(jiān)視、管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、系統(tǒng)運(yùn)行核算等給水系統(tǒng)全過(guò)程運(yùn)行模擬、控制和管理。
　　在國(guó)內(nèi)，上海、廣州、深圳、杭州、中山等大中城市均在不同的程度上開(kāi)始了信息監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、圖形信息系統(tǒng)（GIS）和管網(wǎng)建模系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，但大多數(shù)處于信息收集和數(shù)據(jù)管理階段，尚未能發(fā)揮對(duì)企業(yè)生產(chǎn)管理的作用，其原因主要是仍然缺乏與其配套的、符合生產(chǎn)實(shí)際需求的給水系統(tǒng)專業(yè)應(yīng)用軟件及軟件應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成熟經(jīng)驗(yàn)。

三、 軟件功能需求與實(shí)施

　　南京水司面臨的主要問(wèn)題是如何科學(xué)、直觀地了解現(xiàn)有管網(wǎng)的運(yùn)行狀況，找出其中的不合理之處，并進(jìn)行管網(wǎng)的改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約工程造價(jià)；如何適應(yīng)城市的發(fā)展，科學(xué)合理的制定供水規(guī)劃；如何對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)、合理的調(diào)度，既滿足用戶需求，又節(jié)約水泵電耗；如何在重大工程停水施工前作出科學(xué)的預(yù)測(cè)及調(diào)度方案，軟件設(shè)計(jì)就是針對(duì)上述使用要求，實(shí)現(xiàn)以下五大功能：
　　1、水力平差功能
　　建立管網(wǎng)水力平差模擬和計(jì)算程序，平差計(jì)算多水源管網(wǎng)水力運(yùn)行狀況，進(jìn)行包括最高時(shí)、消防時(shí)、事故時(shí)等多工況的計(jì)算，可計(jì)算包含多種管材、水泵、水塔、閥門等特殊設(shè)備的管網(wǎng)，并可對(duì)平差計(jì)算結(jié)果進(jìn)行工程標(biāo)注。
　　2、管網(wǎng)規(guī)劃及改擴(kuò)建方案優(yōu)化計(jì)算功能
　　對(duì)供水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)及改擴(kuò)建方案進(jìn)行計(jì)算和比較，合理地確定管徑，使管網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用最低。管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算采用了遺傳算法，不需要用戶進(jìn)行預(yù)分配管段流量，軟件能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行管段流量、流速、管徑、節(jié)點(diǎn)水頭等多方面約束，計(jì)算出一定設(shè)計(jì)年限內(nèi)，管網(wǎng)建造費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用之和為最小時(shí)的市場(chǎng)規(guī)格管徑和水頭損失。
　　3、管網(wǎng)水力狀態(tài)實(shí)時(shí)模擬計(jì)算功能
　　建立用水量動(dòng)態(tài)分配模型和計(jì)算程序，進(jìn)行實(shí)時(shí)水力模擬。實(shí)時(shí)模擬的基本方法是以管網(wǎng)水力平差計(jì)算為基礎(chǔ)，將分時(shí)段的用水量做為近似動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)一定時(shí)期內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)連續(xù)模擬計(jì)算，反映供水系統(tǒng)運(yùn)行管理質(zhì)量，并進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，為合理調(diào)度提供基礎(chǔ)依據(jù)。可模擬一天內(nèi)各個(gè)時(shí)段的管段流量、流速、水力坡度、水頭損失、節(jié)點(diǎn)流量、壓力、水池水位、水泵工況點(diǎn)、功率和效率。
　　4、數(shù)據(jù)庫(kù)信息查詢及管理系統(tǒng)功能
　　建立城市背景地圖及管網(wǎng)圖形表達(dá)系統(tǒng)，運(yùn)用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)提供數(shù)據(jù)報(bào)表功能，方便用戶快速瀏覽管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和平差計(jì)算的結(jié)果。數(shù)據(jù)報(bào)表與管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)直接連結(jié)，可在數(shù)據(jù)報(bào)表上修改管網(wǎng)屬性，方便用戶使用。并能讀取SCADA數(shù)據(jù)庫(kù)中的壓力、流量等數(shù)據(jù)，讀取GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中管網(wǎng)數(shù)據(jù)信息、讀取營(yíng)業(yè)抄收數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶水量信息。
　　5、圖形引擎功能
　　為將抽象的管網(wǎng)系統(tǒng)直觀地表達(dá)，本軟件子系統(tǒng)采用多窗口、多視圖的用戶界面，具有菜單、工具條、滾動(dòng)條、狀態(tài)條，界面漢字化，提供超強(qiáng)縮放、移動(dòng)引擎，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)級(jí)圖形放縮、平移，提供豐富的標(biāo)注功能?？筛鶕?jù)管徑、流量、坡度、流速等設(shè)置顏色梯度，可引入AutoCAD的dxf文件格式，在管網(wǎng)背景圖上進(jìn)行多種方式的成果表達(dá)。

　　軟件界面、等壓線分布、延時(shí)模擬曲線及平差成果見(jiàn)附圖。 附圖1 軟件界面圖 附圖2 等壓線分布圖

附圖3 延時(shí)模擬曲線圖 附圖4 平差成果圖

五、軟件應(yīng)用

　　南京水司一直建有DN500以上管網(wǎng)模型，用于指導(dǎo)管網(wǎng)規(guī)劃及改擴(kuò)建方案設(shè)計(jì)。結(jié)合這次軟件開(kāi)發(fā)，去年對(duì)模型進(jìn)一步維護(hù)、更新和擴(kuò)展，特別是進(jìn)一步核準(zhǔn)了全市用戶與管段、節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)用TJW1.0軟件進(jìn)行水力平差計(jì)算，水力計(jì)算公式采用海曾—威廉姆公式，通過(guò)調(diào)整管網(wǎng)摩阻系數(shù)和管網(wǎng)局部阻力系數(shù)，進(jìn)行模擬校驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果表明：水力模擬計(jì)算結(jié)果與SCADA實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在2米誤差范圍內(nèi)，延時(shí)模擬曲線與實(shí)測(cè)典線也能較好地吻合，證明軟件計(jì)算模式是可靠的，DN500以上管網(wǎng)模型精度也基本滿足要求。
　　2000年8月，南京市城北水廠一期工程（25萬(wàn)噸/日）完工投產(chǎn)，并網(wǎng)供水前，利用該軟件進(jìn)行多種出水量、管網(wǎng)閥門開(kāi)關(guān)組合工況的預(yù)測(cè)，得出了較為合理的供水方案，并預(yù)測(cè)新水源并網(wǎng)后管網(wǎng)壓力及流速變化情況，采取有效措施成功地防止了由于管道水流方向改變而造成的渾水現(xiàn)象，使城北水廠輸配水管網(wǎng)順利并網(wǎng)供水，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
　　今年，南京水司配合市政道路改造工程，在北河口水廠DN1800、DN1500管道遷移工程中，也應(yīng)用該軟件對(duì)工程實(shí)施期間的停水降壓范圍及調(diào)度可行方案進(jìn)行模擬計(jì)算預(yù)測(cè)，科學(xué)地指導(dǎo)了供水系統(tǒng)的事故運(yùn)行管理，取得了較好的效果。

六、結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)南京水司和同濟(jì)大學(xué)的共同努力，供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)模擬軟件已完成第一階段開(kāi)發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)了平差計(jì)算、規(guī)劃與優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)模擬、數(shù)據(jù)庫(kù)及圖形引擎功能，今年已轉(zhuǎn)入第二階段的優(yōu)化調(diào)度軟件研制工作。南京水司的技術(shù)人員與同濟(jì)大學(xué)的科研人員緊密配合，在整個(gè)軟件研制過(guò)程中，既提高了水司人員的理論水平，也使大學(xué)的科研工作，更注重于解決生產(chǎn)實(shí)際中的問(wèn)題。水司人員在軟件開(kāi)發(fā)研制全過(guò)程中的直接參與，對(duì)軟件日后的使用與維護(hù)有極大的幫助。我們渴望能得到大家的指導(dǎo)和幫助，以促進(jìn)今后的版本升級(jí)與完善。