智慧城市水务系统安全运行的检测与控制基础理论和方法

A safe water affair operation system is the prerequisite and guarantee for modern city life and industrial production. Due to high complexities and potential safety hazards of the water affair pipe network, designing a real-time detection and safe operation system is extremely urgent and challenge. In view of the imperious demands of water affair systems in China, this project will focus on the research of fundamental detection and control theories, methods and technologies of smart city water affair system and its associated applications. Main research contents include: i) Develop the big data based component-type open control architecture and propose the data conceptual model for running state of urban water affair systems, and establish the parallel processing based data association theories and methods; ii) Adopting the DSP_G (Discrete Signal Processing on Graphs) method for real-time assessments of the running state on local networks using the partial node data, develop the hybrid model based on data and hydraulics principle; iii) Extracting the features of leak signals in water supply pipe networks, propose the feature modeling based leak state identification and localization methods; iv) Incorporating with the water pipe tolerance evolution equation, construct the safety pipe networks operation dynamic model, and propose the state constraints based nonlinear safety control of pipe networks, and develop the fault-tolerant control methods in emergency situations and the stochastic control methods for drainage systems. The project achieves the fundamental detection and control theory and methods for safety operation of smart city water affair systems. Verifications and popularized applications of the project will be conducted on Hangzhou City water systems.

城市水务系统安全运行是城市生产生活的前提和保障。由于水务系统管网高度复杂、安全隐患多，实现系统实时检测和安全运行是当务之急，非常具有挑战性。本课题针对目前我国水务系统迫切需求，开展智慧城市水务系统安全运行的检测与控制基础理论、方法、技术与应用研究。内容包括：构建大数据下城市水务系统组件式的开放控制架构，提出运行状态的数据概念模型，建立数据关联及并行处理的理论与方法；利用DSPG(图上离散信号处理)方法解决由部分节点数据进行局部网络运行动态实时评估的问题，建立基于数据和水力学原理的系统混合模型；提取管网内漏损信号特征，建立基于特征建模的漏损状态辨识与漏损定位方法；引入管道承受力演化方程，建立管网系统安全运行动态模型，提出具状态约束的管网系统非线性安全控制、应急状况下容错控制及排水系统随机控制方法。项目研究形成智慧城市水务系统安全运行的基础控制理论与方法，并在杭州市水务系统进行验证及推广应用。

城市水务系统安全运行是城市生产生活的前提和保障。供排水管网的漏损、爆管、溢流等现象，给现代城市水务系统的安全可靠带来极大影响。由于水务系统管网高度复杂、安全隐患多，实现漏损实时检测和安全运行是当务之急，非常具有挑战性。针对当前我国城市水务系统的迫切需求，本项目开展智慧城市水务系统安全运行的检测与控制基础理论、方法、技术与应用研究。主要研究内容为：研究面向控制的物联数据总线与数据资源集成方法以及面向控制的水务大数据并行处理方法，采用统一数据模型描述水务系统数据，在此基础上建立了面向水务大数据的开放式控制结构；研究供排水管网系统运行数据之间的关联信息，在机理模型和水务数据的基础上，提出了基于数据和水力学原理的混合建模方法，建立了以漏损检测、优化控制目标为导向的水务管网系统的混合模型；研究水务系统漏损检测与估计问题，通过漏损信号特征提取，揭示了漏损产生机理和对水务管网的影响，提出了管网漏损信号特征建模与辨识方法，建立了漏损检测与定位方法与技术；研究水务系统的非线性安全控制、应急状况下容错控制及排水系统随机控制，建立了城市水务系统安全运行控制理论和方法；最后，在理论研究的基础上，开发了城市水务系统安全运行与控制平台，以实际水务系统数据进行验证并推广应用。. 本项目共发表/录用学术论文56篇，其中IEEE/IFAC等重要杂志和会议40多篇。申请发明专利45项，其中授权15项，取得软件著作权5项。协助培养博士研究生4名，指导硕士毕业生30名，培养浙江省杰出青年基金获得者1人，浙江省151人才1人。获教育部自然科学奖一等奖1项，广东省科技进步一等奖1项，浙江省科技进步二等奖1项、中国商业联合会科技奖二等奖1项。