大型城市分布式供水管网系统的建模、分析与优化调度

The urban water distributed system (WDS) is a large-scale complex networked system, which usually consists of water sources, pump stations and pipe networks. Due to its size and complexity, the WDS scheduling becomes a major challenge to water utilities throughout the world. Currently, the scheduling of water distributed systems for most cities in China is based on individual human experiences, which is difficult to guarantee an optimal solution for safety, reliability, and profitability that have been required. Therefore, in this project, the analysis and synthesis of a class of network-based water distribution systems are investigated. Based on the topology of the WDS and node models, a regional-based distributed WDS model is established. A multi-objective multi-constraints optimization problem has been presented by analyzing the relationship between test points and manipulating variables of pump stations. Moreover, general urban distributed WDS models and optimization methods, especially for large cities, are discussed with the consideration of water supply quality, reliability, and energy-saving operation. Finally, the proposed results will be tested on the WDS of Shanghai, as a case study.

城市供水系统是由水厂、泵站及地下管线组成的复杂网络系统，其调度是一个重要且复杂的过程。目前我国很多城市供水系统仍然以借助于人工经验方式的调度居多，难以实现供水安全性、可靠性与经济性三方面的综合优化。本项目针对网络信息模式下城市分布式供水管网的建模分析与优化调度，研究管网的结构拓扑与节点模型，建立分布式联动特性的管网区域模型，通过测压点与泵站操作变量关联性分析，形成基于分布式系统多系统协同控制与多指标动态优化问题，通过调整管网压力，控制有关水厂泵机的启停，调控各水厂的供水量，使系统在保证供水质量的前提下，可靠高效地运行。本项目拟建立一类适用于特大城市供水管网的分布式网络物理模型和优化算法，研究和发展面向大规模城市供水系统的建模、控制和优化理论与技术，实现对其科学管理，满足城市用水需求，及时处理突发事故，降低运行能耗，为构建安全、高效、节能的城市供水管理系统提供理论和技术支持，并进行应用验证。

本项目针对网络信息模式下城市分布式供水管网的建模分析与优化调度开展研究。提出了基于多尺度分解的短期城市供水需求量与基于时差系数的短期城市原水需求量的预测方法，以及基于智能算法的需水量预测方法。从微观节点水压和宏观水网节点分布出发进行供水管网的分区研究，提出了基于高频信息相关度分析的子区域划分和基于水源供水能力的多水源系统分区的分区算法，并提出了对城市供水管网的结构能控性分布式分析方法。在此基础上，对城市供水管网进行了建模：建立了基于子区域划分和关键节点的压力传递模型；建立基于数据和EPANET RTX的城市供水管网实时模型；并对供水管网二次泵站建模优化，为优化设计和高效管理提供依据。在对城市供水管网优化与调度方面，提出了基于维纳模型的城市供水网络关键节点压力的分布式区间预测控制方法，原水供水系统的水厂液位系统的预测控制，以及水泵机组运行的优化算法。在城市供水管网运行状态评估方面，提出了 模糊综合评价方法和层次分析方法建立的供水管网多目标两级评估体系，并研究了 针对DMA区管网异常事件诊断算法以及基于有关联的局部观测器的管网漏点检测算法。最后以严桥支线七家水厂为对象，开发了需水量预测软件。本项目建立了一类适用于特大城市供水管网的分布式网络物理模型和优化算法，发展了面向大规模城市供水系统的建模、控制和优化理论与技术，实现对其科学管理，满足城市用水需求，及时处理突发事故，降低运行能耗，为构建安全、高效、节能的城市供水管理系统提供理论和技术支持，并尝试进行应用验证。