同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
劉遂慶 李 強(qiáng) 王雪峰

　　給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算、水力與水質(zhì)模擬、管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度、信息化和智能化運(yùn)行管理及信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了當(dāng)前給水管網(wǎng)新理論與新技術(shù)研究和發(fā)展領(lǐng)域，以信息技術(shù)和智能化、自動化控制為目標(biāo)，運(yùn)用PLC、SCADA和GIS技術(shù)，構(gòu)成了完整的節(jié)約能量、節(jié)省人工、減少漏損、保護(hù)水質(zhì)等現(xiàn)代科技管理系統(tǒng)，形成了給水管網(wǎng)運(yùn)行管理和優(yōu)化調(diào)度領(lǐng)域高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)方向。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)提高給水系統(tǒng)管理和運(yùn)行的水平越來越受到國內(nèi)給水企業(yè)的普遍重視。開發(fā)適合我國供水企業(yè)實(shí)際需求、擁有國內(nèi)獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)應(yīng)用軟件，是我國科技工作者的重要職責(zé)。

一、我國給水企業(yè)發(fā)展歷程

　　我國給水企業(yè)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了下列幾個階段：
　　1） 解放后初期的50年代，新中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動了大中城市的給水企業(yè)發(fā)展。新建了大量給水處理和輸配水設(shè)施。但技術(shù)比較落后，運(yùn)行管理自動化，信息化程度很低；
　　2）60－70年代，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，甚至停滯不前，人口增長激劇。給水企業(yè)處于維持和低速發(fā)展階段，供水量基本上與生活用水量增長同步，技術(shù)進(jìn)步無顯著特征；
　　3）80年代，改革開放，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，水源受到污染，給水設(shè)施嚴(yán)重滯后，出現(xiàn)愈來愈普遍的供水量不足，水質(zhì)變差的問題。全國城市平均供水能力與需求水量的比例僅為80％左右，許多城市自來水異味明顯，夏季水壓低，甚至大片斷水，新建或擴(kuò)建供水設(shè)施成為解決“水量”問題的“當(dāng)務(wù)之急”；
　　4）90年代（1990－2000），各級政府加大城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，供水量的問題得到了解決，全國平均供水能力與需求的比例達(dá)到了110－120％，采用了不少先進(jìn)水處理技術(shù)，開辟新水源，水質(zhì)逐步得到改善，但給水企業(yè)虧損嚴(yán)重。隨著現(xiàn)代化經(jīng)營觀念不斷得到提高，質(zhì)量管理、經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)進(jìn)步的綜合水平成為給水企業(yè)的經(jīng)營和發(fā)展方向。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行給水系統(tǒng)信息化管理和優(yōu)化自動化控制成為企業(yè)技術(shù)進(jìn)步的共同目標(biāo)。
　　隨著全球知識經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，加快技術(shù)進(jìn)步和提高經(jīng)濟(jì)效益才能促進(jìn)企業(yè)發(fā)展，在給水企業(yè)建設(shè)、管理和運(yùn)營中運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，以高科技手段提高供水企業(yè)總體水平，已成為全球同行業(yè)的共同發(fā)展方向。計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件成為全球最興旺的高科技產(chǎn)業(yè)。

二、給水系統(tǒng)軟件類型與功能要求

　　1．給水管理信息系統(tǒng)軟件
　　給水管理信息系統(tǒng)軟件是收集、積累、綜合分析給水系統(tǒng)中從水源、水處理過程、輸配水網(wǎng)絡(luò)到用戶的各階段的全方面信息數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)庫為核心，以分類數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)表達(dá)和靈活的查詢、提示和警告等形式向決策、管理和運(yùn)行操作人員提供全面數(shù)據(jù)，集檔案、圖紙和報表為一體，實(shí)現(xiàn)信息現(xiàn)代化、辦公無紙化和決策數(shù)據(jù)化。當(dāng)前，給水系統(tǒng)信息化技術(shù)包括地理信息系統(tǒng)（GIS），控制檢測系統(tǒng)(SCADA)。GIS通常為靜態(tài)數(shù)據(jù)模式，儲存系統(tǒng)中各種設(shè)施（包括水源，泵站，水廠設(shè)施，管道，閥門，水表，用戶）的地理信息，以地圖方式儲存和表達(dá)，亦稱為電子地圖；而SCADA通常為隨時間變化的動態(tài)數(shù)據(jù)模式，以無線或有線通訊方式收集系統(tǒng)中運(yùn)行數(shù)據(jù)（ 包括水量、水質(zhì)、水壓、運(yùn)行狀態(tài)等），以數(shù)據(jù)表格和動態(tài)曲線等方式表達(dá)，為管理和運(yùn)行決策提供分析依據(jù)。
　　2．輸配水系統(tǒng)模擬計(jì)算－管網(wǎng)模型軟件
　　給水管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)投資占給水系統(tǒng)總投資的70％以上，供水電費(fèi)亦多在總供水成本費(fèi)用的50－60％，所以，給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理質(zhì)量直接影響供水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。管網(wǎng)模型軟件對給水管網(wǎng)建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)算和運(yùn)行狀態(tài)的動態(tài)模擬，求解管網(wǎng)中各管段及泵站的流量、壓力和水質(zhì)分布狀態(tài)，并可計(jì)算長年供水成本費(fèi)用，分析評價管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理程度及運(yùn)行規(guī)律，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的科學(xué)化。國內(nèi)通常稱為“管網(wǎng)建?！?。
　　“管網(wǎng)建模”軟件應(yīng)具有以下功能：
　?。?） 網(wǎng)水力平差計(jì)算；
　?。?） 管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)算和多工況狀態(tài)模擬；
　?。?） 管網(wǎng)動態(tài)實(shí)時模擬和供水費(fèi)用計(jì)算；
　?。?） 平差計(jì)算和規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)算成果圖形表達(dá)和繪圖；
　　（5） 良好的計(jì)算數(shù)據(jù)輸入、輸出、模擬計(jì)算和成果表達(dá)人機(jī)交互界面;
　　（6） 與數(shù)據(jù)庫靈活交互連接接口。
　　3．管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化調(diào)度軟件
　　1）優(yōu)化調(diào)度模型
　　給水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度是在管網(wǎng)和水源現(xiàn)有設(shè)備的前提下，根據(jù)管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的供水系統(tǒng)運(yùn)行信息，在保證安全、可靠滿足供水需求的前提下，合理地調(diào)整調(diào)度方案，使供水系統(tǒng)的總運(yùn)行費(fèi)用最小就是優(yōu)化調(diào)度的目的。考慮到供水過程中，主要費(fèi)用是供水電耗和制水成本，因此優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

　　
　　式中，f 系統(tǒng)供水費(fèi)用；
　　　　　e_k 第k小時電價，單位：元/kw.h；
　　　　　Q_ki 第i個泵站第k小時的供水量，單位：m³/s；
　　　　　H_ki 第i個泵站第k小時凈揚(yáng)程，單位：m；
　　　　　c_ik 第i個水廠第k小時的單位制水成本，單位：元/m^3；η_ki 第i個泵站第k小時的工作效率；
　　　　　γ 水比重，單位：9.8千牛頓/m^3；p 泵站數(shù)；
　　　　　n_i 第i個泵站的水泵數(shù)目。

　　2）約束條件：
　?。?）管網(wǎng)總供水量等于總用水量：

　　　　Q_T: 預(yù)測總用水量；
　　　　Q_I：第i號泵站供水量。
　?。?） 測壓點(diǎn)壓力約束：滿足各節(jié)點(diǎn)壓力要求。
　　4、給水管網(wǎng)水質(zhì)模擬軟件
　　給水管網(wǎng)水質(zhì)模擬是計(jì)算跟蹤管網(wǎng)水中溶解物質(zhì)的傳輸與各時間內(nèi)流經(jīng)路線和分布。水質(zhì)模型可分為穩(wěn)態(tài)模型和準(zhǔn)動態(tài)模型二種。
　　1）穩(wěn)態(tài)模型
　　假定管網(wǎng)處于水力穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的運(yùn)行負(fù)荷下，物質(zhì)沿著流動路徑和時間運(yùn)行，達(dá)到水質(zhì)穩(wěn)定。數(shù)學(xué)模型為：

　　

　　

　　管段濃度方程： C_u,ji＝C_j ， C_l,ji=C_u,ji ， C_l,ji=C_u,jie^-KT
　　式中，j,k:分別表示節(jié)點(diǎn)j的上游和下游鄰接點(diǎn)；q_ji，q_ik：管段流量；
　　 Q_s，C_s:水源供水量及進(jìn)水濃度；C_u,ji:管段＜j, i>起端濃度；
　　C_l,ji:管段＜j, i>末端濃度；K：管段＜j,i>中物質(zhì)反應(yīng)速率常數(shù)；
　　K：管段＜j,i>中的流徑時間。
　　保守物質(zhì)沿管線流動過程中，濃度不發(fā)生變化，末端濃度等于起端濃度。非保守物質(zhì)在流動過程中同時發(fā)生著反應(yīng)，以一級反應(yīng)為例，反應(yīng)動力學(xué)方程為：
　　dC/dt=-KC
　　物質(zhì)沿管段流動過程中發(fā)生衰減，以不同于管段起端的濃度進(jìn)入下游節(jié)點(diǎn)。
　　水源供水比例數(shù)學(xué)模型為：

　　

　　P_s,ji=P_s,j

　　
　　式中，j:節(jié)點(diǎn)I的上游鄰接點(diǎn)；P_s,i,P_s,ji：水源S對節(jié)點(diǎn)i和管段＜j,i>的供水比例；
　　　　　 q_ji:管段<j,i>流量； Q_s：水源供水量。
　　2）準(zhǔn)動態(tài)模型
　　準(zhǔn)動態(tài)模型的計(jì)算結(jié)果要比穩(wěn)態(tài)模型的可信度高，因此，在實(shí)際工程中，大部分采用準(zhǔn)動態(tài)模型。
　　5、供水管理與控制網(wǎng)絡(luò)軟件
　　應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化科學(xué)管理是供水企業(yè)科技進(jìn)步的發(fā)展方向，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)管理現(xiàn)代化、高速信息通訊網(wǎng)絡(luò)化和運(yùn)行操作優(yōu)化與自動化的重要途徑。應(yīng)用上述專業(yè)軟件和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過程序邏輯控制（PLC）技術(shù)與設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過程全自動化和優(yōu)化控制。發(fā)達(dá)國家的供水企業(yè)已基本實(shí)現(xiàn)了這樣的全面技術(shù)。作為發(fā)展中國家的企業(yè)，需要根據(jù)企業(yè)自身的需求和技術(shù)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)制定規(guī)劃，至少利用5年左右的時間，積累經(jīng)驗(yàn)，避免浪費(fèi)，逐步實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

三、供水系統(tǒng)國產(chǎn)專業(yè)軟件發(fā)展和應(yīng)用

　　城市供水系統(tǒng)軟件開發(fā)已經(jīng)經(jīng)歷了近30年的歷史，從給水管網(wǎng)平差計(jì)算到給水系統(tǒng)信息化、運(yùn)行與管理自動化，形成了多種類型、多種版本、各具特色的軟件系列。國內(nèi)外軟件市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，需求日益增長。SynerGEE(Stoner)、EPANET、8M等國外品牌軟件在國內(nèi)已得到了一定的應(yīng)用市場，具有管網(wǎng)平差、運(yùn)行模擬、信息管理、運(yùn)行管理等方面的較完整功能。
　　同濟(jì)大學(xué)作為給水排水領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究的最早的著名大學(xué)之一，著名給水排水專家楊欽教授早在1970年代就編寫了“749”、“7512”、“767”、“784”等一系列管網(wǎng)平差計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，開辟了國內(nèi)給水排水領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)應(yīng)用的先河。經(jīng)過二十多年的不懈努力，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的成果。在此基礎(chǔ)上，我們采用了當(dāng)前最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，開發(fā)了供水管網(wǎng)模擬計(jì)算軟件，在易用性、計(jì)算速度等方面均有較大突破，具有給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算、工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)繪圖、信息查詢和數(shù)據(jù)庫管理等功能。同時，在國內(nèi)大學(xué)中成立了首家由國內(nèi)專家合作興辦的給水軟件開發(fā)公司—上海同濟(jì)宏揚(yáng)軟件有限公司，以高校高科技科研成果產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，以軟件國產(chǎn)化和本地化為優(yōu)勢，最大程度地適應(yīng)和服務(wù)國內(nèi)給水軟件應(yīng)用市場。
　　“同濟(jì)宏揚(yáng)軟件”的管網(wǎng)系統(tǒng)模擬與優(yōu)化調(diào)度軟件包以數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)核心，以管網(wǎng)地理信息、管網(wǎng)平差、規(guī)劃設(shè)計(jì)、實(shí)時運(yùn)行模擬和優(yōu)化調(diào)度為四個分離的功能軟件，實(shí)行分階段實(shí)施的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。四個功能軟件的構(gòu)成如上列框圖所示。

圖示：“宏揚(yáng)軟件”的四個獨(dú)立功能塊軟件包

參考文獻(xiàn)

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