给水管网计算机应用与国产化软件发展方向

给 水 管 网 计 算 机 应 用 与 国 产 化 软 件 发 展 方 向 同 济 大 学 环 境 科 学 与 工 程 学 院 刘 遂 庆 李 强 王 雪 峰 给 水 管 网 优 化 设 计 计 算 水 力 与 水 质 模 拟 管 网 优 化 调 度 信 息 化 和 智 能 化 运 行 管 理 及 信 息 网 络 构 成 了 当 前 给 水 管 网 新 理 论 与 新 技 术 研 究 和 发 展 领 域, 以 信 息 技 术 和 智 能 化 自 动 化 控 制 为 目 标, 运 用 PLC SCADA 和 GIS 技 术, 构 成 了 完 整 的 节 约 能 量 节 省 人 工 减 少 漏 损 保 护 水 质 等 现 代 科 技 管 理 系 统, 形 成 了 给 水 管 网 运 行 管 理 和 优 化 调 度 领 域 高 新 技 术 产 业 方 向 应 用 计 算 机 技 术 提 高 给 水 系 统 管 理 和 运 行 的 水 平 越 来 越 受 到 国 内 给 水 企 业 的 普 遍 重 视 开 发 适 合 我 国 供 水 企 业 实 际 需 求 拥 有 国 内 独 立 知 识 产 权 的 专 业 应 用 软 件, 是 我 国 科 技 工 作 者 的 重 要 职 责 一 我 国 给 水 企 业 发 展 历 程 我 国 给 水 企 业 的 发 展 已 经 经 历 了 下 列 几 个 阶 段 : 1) 解 放 后 初 期 的 50 年 代, 新 中 国 的 经 济 发 展 带 动 了 大 中 城 市 的 给 水 企 业 发 展 新 建 了 大 量 给 水 处 理 和 输 配 水 设 施 但 技 术 比 较 落 后, 运 行 管 理 自 动 化, 信 息 化 程 度 很 低 ; 2)60-70 年 代, 国 内 经 济 发 展 缓 慢, 甚 至 停 滞 不 前, 人 口 增 长 激 剧 给 水 企 业 处 于 维 持 和 低 速 发 展 阶 段, 供 水 量 基 本 上 与 生 活 用 水 量 增 长 同 步, 技 术 进 步 无 显 著 特 征 ; 3)80 年 代, 改 革 开 放, 经 济 发 展 迅 速, 水 源 受 到 污 染, 给 水 设 施 严 重 滞 后, 出 现 愈 来 愈 普 遍 的 供 水 量 不 足, 水 质 变 差 的 问 题 全 国 城 市 平 均 供 水 能 力 与 需 求 水 量 的 比 例 仅 为 80% 左 右, 许 多 城 市 自 来 水 异 味 明 显, 夏 季 水 压 低, 甚 至 大 片 断 水, 新 建 或 扩 建 供 水 设 施 成 为 解 决 水 量 问 题 的 当 务 之 急 ; 4)90 年 代 (1990-2000), 各 级 政 府 加 大 城 市 基 础 设 施 建 设, 供 水 量 的 问 题 得 到 了 解 决, 全 国 平 均 供 水 能 力 与 需 求 的 比 例 达 到 了 110-120%, 采 用 了 不 少 先 进 水 处 理 技 术, 开 辟 新 水 源, 水 质 逐 步 得 到 改 善, 但 给 水 企 业 亏 损 严 重 随 着 现 代 化 经 营 观 念 不 断 得 到 提 高, 质 量 管 理 经 济 效 益 和 技 术 进 步 的 综 合 水 平 成 为 给 水 企 业 的 经 营 和 发 展 方 向 应 用 计 算 机 技 术 进 行 给 水 系 统 信 息 化 管 理 和 优 化 自 动 化 控 制 成 为 企 业 技 术 进 步 的 共 同 目 标 随 着 全 球 知 识 经 济 的 飞 速 发 展, 加 快 技 术 进 步 和 提 高 经 济 效 益 才 能 促 进 企 业 发 展, 在 给 水 企 业 建 设 管 理 和 运 营 中 运 用 计 算 机 技 术, 以 高 科 技 手 段 提 高 供 水 企 业 总 体 水 平, 已 成 为 全 球 同 行 业 的 共 同 发 展 方 向 计 算 机 应 用 软 件 成 为 全 球 最 兴 旺 的 高 科 技 产 业 二 给 水 系 统 软 件 类 型 与 功 能 要 求 1. 给 水 管 理 信 息 系 统 软 件 给 水 管 理 信 息 系 统 软 件 是 收 集 积 累 综 合 分 析 给 水 系 统 中 从 水 源 水 处 理 过 程 输 配 水 网 络 到 用 户 的 各 阶 段 的 全 方 面 信 息 数 据, 以 数 据 库 为 核 心, 以 分 类 数 据 表 格 数 据 表 达 和 灵 活 的 查 询 提 示 和 警 告 等 形 式 向 决 策 管 理 和 运 行 操 作 人 员 提 供 全 面 数 据, 集 档 案 图 纸 和 报 表 为 一 体, 实 现 信 息 现 代 化 办 公 无 纸 化 和 决 策 数 据 化 当 前, 给 水 系 统 信 息 化 技 术 包 括 地 理 信 息 系 统 (GIS), 控 制 检 测 系 统 (SCADA) GIS 通 常 为 静 态 数 据 模 式, 储 存 系 统 中 各 种 设 施 ( 包 括 水 源, 泵 站, 水 厂 设 施, 管 道, 阀 门, 水 表, 用 户 ) 的 地 理 信 息, 以 地 图 方 式 储 存 和 表 达, 亦 称 为 电 子 地 图 ; 而 SCADA 通 常 为 随 时 间 变 化 的 动 态 数 据 模 式, 以 无 线 或 有 线 通 讯 方 式 收 集 系 统 中 运 行 数 据 ( 包 括 水 量 水 质 水 压 运 行 状 态 等 ), 以 数 据 表 格 和 动 态 曲 线 等 方 式 表 达, 为 管 理 和 运 行 决 策 提 供 分 析 依 据 2. 输 配 水 系 统 模 拟 计 算 - 管 网 模 型 软 件 给 水 管 网 系 统 建 设 投 资 占 给 水 系 统 总 投 资 的 70% 以 上, 供 水 电 费 亦 多 在 总 供 水 成 本 费 用 的 50-60%, 所 以, 给 水 管 网 的 设 计 与 运 行 管 理 质 量 直 接 影 响 供 水 系 统 的 经 济 效 益 管 网 模 型 软 件 对 给 水 管 网 建 立 数 学 模 型, 并 进 行 规 划 设 计 计 算 和 运 行 状 态 的 动 态 模 拟, 求 解 管 网 中 各 管 段 及 泵 站 的 流 量 压 力 和 水 质 分 布 状

态, 并 可 计 算 长 年 供 水 成 本 费 用, 分 析 评 价 管 网 规 划 设 计 的 合 理 程 度 及 运 行 规 律, 实 现 设 计 和 运 行 管 理 的 科 学 化 国 内 通 常 称 为 管 网 建 模 管 网 建 模 软 件 应 具 有 以 下 功 能 : (1) 网 水 力 平 差 计 算 ; (2) 管 网 规 划 设 计 计 算 和 多 工 况 状 态 模 拟 ; (3) 管 网 动 态 实 时 模 拟 和 供 水 费 用 计 算 ; (4) 平 差 计 算 和 规 划 设 计 计 算 成 果 图 形 表 达 和 绘 图 ; (5) 良 好 的 计 算 数 据 输 入 输 出 模 拟 计 算 和 成 果 表 达 人 机 交 互 界 面 ; (6) 与 数 据 库 灵 活 交 互 连 接 接 口 3. 管 网 优 化 设 计 与 优 化 调 度 软 件 1) 优 化 调 度 模 型 给 水 管 网 优 化 调 度 是 在 管 网 和 水 源 现 有 设 备 的 前 提 下, 根 据 管 网 监 测 系 统 反 馈 的 供 水 系 统 运 行 信 息, 在 保 证 安 全 可 靠 满 足 供 水 需 求 的 前 提 下, 合 理 地 调 整 调 度 方 案, 使 供 水 系 统 的 总 运 行 费 用 最 小 就 是 优 化 调 度 的 目 的 考 虑 到 供 水 过 程 中, 主 要 费 用 是 供 水 电 耗 和 制 水 成 本, 因 此 优 化 目 标 函 数 数 学 表 达 式 为 : 式 中,f 系 统 供 水 费 用 ; e k 第 k 小 时 电 价, 单 位 : 元 /kw.h; Q ki 第 i 个 泵 站 第 k 小 时 的 供 水 量, 单 位 :m 3 /s; H ki 第 i 个 泵 站 第 k 小 时 净 扬 程, 单 位 :m; c ik 第 i 个 水 厂 第 k 小 时 的 单 位 制 水 成 本, 单 位 : 元 /m 3; η ki 第 i 个 泵 站 第 k 小 时 的 工 作 效 率 ; γ 水 比 重, 单 位 :9.8 千 牛 顿 /m 3; p 泵 站 数 ; n i 第 i 个 泵 站 的 水 泵 数 目 2) 约 束 条 件 : (1) 管 网 总 供 水 量 等 于 总 用 水 量 : Q T : 预 测 总 用 水 量 ; Q I : 第 i 号 泵 站 供 水 量 (2) 测 压 点 压 力 约 束 : 满 足 各 节 点 压 力 要 求 4 给 水 管 网 水 质 模 拟 软 件 给 水 管 网 水 质 模 拟 是 计 算 跟 踪 管 网 水 中 溶 解 物 质 的 传 输 与 各 时 间 内 流 经 路 线 和 分 布 水 质 模 型 可 分 为 稳 态 模 型 和 准 动 态 模 型 二 种 1) 稳 态 模 型 假 定 管 网 处 于 水 力 稳 定 状 态, 在 一 定 的 运 行 负 荷 下, 物 质 沿 着 流 动 路 径 和 时 间 运 行, 达 到 水 质 稳 定 数 学 模 型 为 :

管 段 浓 度 方 程 : C u,ji =C j, C l,ji =C u,ji, C l,ji =C u,ji e -KT 式 中,j,k: 分 别 表 示 节 点 j 的 上 游 和 下 游 邻 接 点 ;q ji,q ik : 管 段 流 量 ; Q s,c s : 水 源 供 水 量 及 进 水 浓 度 ;C u,ji : 管 段 <j, i> 起 端 浓 度 ; C l,ji : 管 段 <j, i> 末 端 浓 度 ;K: 管 段 <j,i> 中 物 质 反 应 速 率 常 数 ; K: 管 段 <j,i> 中 的 流 径 时 间 保 守 物 质 沿 管 线 流 动 过 程 中, 浓 度 不 发 生 变 化, 末 端 浓 度 等 于 起 端 浓 度 非 保 守 物 质 在 流 动 过 程 中 同 时 发 生 着 反 应, 以 一 级 反 应 为 例, 反 应 动 力 学 方 程 为 : dc/dt=-kc 物 质 沿 管 段 流 动 过 程 中 发 生 衰 减, 以 不 同 于 管 段 起 端 的 浓 度 进 入 下 游 节 点 水 源 供 水 比 例 数 学 模 型 为 : P s,ji =P s,j 式 中,j: 节 点 I 的 上 游 邻 接 点 ;P s,i,p s,ji : 水 源 S 对 节 点 i 和 管 段 <j,i> 的 供 水 比 例 ; 2) 准 动 态 模 型 q ji : 管 段 <j,i> 流 量 ; Q s : 水 源 供 水 量 准 动 态 模 型 的 计 算 结 果 要 比 稳 态 模 型 的 可 信 度 高, 因 此, 在 实 际 工 程 中, 大 部 分 采 用 准 动 态 模 型 5 供 水 管 理 与 控 制 网 络 软 件 应 用 计 算 机 实 现 现 代 化 科 学 管 理 是 供 水 企 业 科 技 进 步 的 发 展 方 向, 是 实 现 企 业 管 理 现 代 化 高 速 信 息 通 讯 网 络 化 和 运 行 操 作 优 化 与 自 动 化 的 重 要 途 径 应 用 上 述 专 业 软 件 和 计 算 机 网 络 技 术, 通 过 程 序 逻 辑 控 制 (PLC) 技 术 与 设 备, 可 以 实 现 企 业 生 产 过 程 全 自 动 化 和 优 化 控 制 发 达 国 家 的 供 水 企 业 已 基 本 实 现 了 这 样 的 全 面 技 术 作 为 发 展 中 国 家 的 企 业, 需 要 根 据 企 业 自 身 的 需 求 和 技 术 经 济 基 础 制 定 规 划, 至 少 利 用 5 年 左 右 的 时 间, 积 累 经 验, 避 免 浪 费, 逐 步 实 现 上 述 目 标 三 供 水 系 统 国 产 专 业 软 件 发 展 和 应 用 城 市 供 水 系 统 软 件 开 发 已 经 经 历 了 近 30 年 的 历 史, 从 给 水 管 网 平 差 计 算 到 给 水 系 统 信 息 化 运 行 与 管 理 自 动 化, 形 成 了 多 种 类 型 多 种 版 本 各 具 特 色 的 软 件 系 列 国 内 外 软 件 市 场 规 模 不 断 扩 大, 需 求 日 益 增 长 SynerGEE(Stoner) EPANET 8M 等 国 外 品 牌 软 件 在 国 内 已 得 到 了 一 定 的 应 用 市 场, 具 有 管 网 平 差 运 行 模 拟 信 息 管 理 运 行 管 理 等 方 面 的 较 完 整 功 能 同 济 大 学 作 为 给 水 排 水 领 域 中 计 算 机 应 用 研 究 的 最 早 的 著 名 大 学 之 一, 著 名 给 水 排 水 专 家 杨 钦 教 授 早 在 1970 年 代 就 编 写 了 749 7512 767 784 等 一 系 列 管 网 平 差 计 算 和 优 化 设 计 程 序, 开 辟 了 国 内 给 水 排 水 领 域 中 计 算 机 应 用 的 先 河 经 过 二 十 多 年 的 不 懈 努 力, 积 累 了 丰 富 的 经 验 和 先 进 的 成 果 在 此 基 础 上, 我 们 采 用 了 当 前 最 先 进 的 计 算 机 技 术, 开 发 了 供 水 管 网 模 拟 计 算 软 件, 在 易 用 性 计 算 速 度 等 方 面 均 有 较 大 突 破, 具 有 给 水 管 网 设 计 计 算 工 程 规 划 设 计 绘 图 信 息 查 询 和 数 据 库 管 理 等 功 能 同 时, 在 国 内 大 学 中 成 立 了 首 家 由 国 内 专 家 合 作 兴 办 的 给 水 软 件 开 发 公 司 上 海 同 济 宏 扬 软 件 有 限 公 司, 以 高 校 高 科 技 科 研 成 果 产 业 化 为 目 标, 以 软 件 国 产 化 和 本 地 化 为 优 势, 最 大 程 度 地 适 应 和 服 务 国 内 给 水 软 件 应 用 市 场

同 济 宏 扬 软 件 的 管 网 系 统 模 拟 与 优 化 调 度 软 件 包 以 数 据 库 为 数 据 核 心, 以 管 网 地 理 信 息 管 网 平 差 规 划 设 计 实 时 运 行 模 拟 和 优 化 调 度 为 四 个 分 离 的 功 能 软 件, 实 行 分 阶 段 实 施 的 计 算 机 技 术 应 用 四 个 功 能 软 件 的 构 成 如 上 列 框 图 所 示 参 考 文 献 图 示 : 宏 扬 软 件 的 四 个 独 立 功 能 块 软 件 包 1. 刘 遂 庆, 多 水 源 供 水 系 统 泵 站 供 水 量 最 优 分 配, 中 国 给 水 排 水,No.5, 1988. 2. 刘 遂 庆 陶 建 科, 给 水 系 统 计 算 机 控 制 与 优 化 调 度 软 件 硬 件 模 式,98 全 国 给 水 管 网 技 术 研 讨 会 论 文 集,1998.11 3. 王 利 娟 刘 遂 庆, 给 水 管 网 水 质 监 测 点 的 优 化 布 置,98 全 国 给 水 管 网 技 术 研 讨 会 论 文 集,1998.11 4. 周 敏, 关 于 上 海 市 给 水 管 网 的 建 模 工 作,98 全 国 给 水 管 网 技 术 研 讨 会 论 文 集,1998.11 5. 孙 文 深 黄 宇 阳, 韩 德 宏, 深 圳 市 给 水 管 网 水 力 计 算 模 型 的 建 立,98 全 国 给 水 管 网 技 术 研 讨 会 论 文 集,1998.11 6. 曾 彦, 供 水 管 网 GIS 模 型 小 区 试 验,98 全 国 给 水 管 网 技 术 研 讨 会 论 文 集,1998.11 7. 查 省 中 王 建 平, 广 州 市 自 来 水 公 司 供 水 调 度 计 算 机 系 统 介 绍,98 全 国 给 水 管 网 技 术 研 讨 会 论 文 集, 1998.11 8. 刘 遂 庆 王 荣 和, 给 水 管 网 计 算 机 技 术 的 应 用 与 发 展, 中 国 给 水 五 十 年 回 顾, 中 国 建 筑 工 业 出 版 社,1999

1995. 9. Wurbs, Ralph Allen, Water management models: a guide to software, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall,