我国城市供水行业“自动化与信息化建设”的基本解决方案
（2005-11-29 14:39:47 阅读数：323 ）
1．前 言
21世纪的世界经济，已是一个“全球一体化经济”的崭新时代；我国即将加入WTO，这就意味着，我国企业必然置身于全世界这个大市场；为了企业自身的生存和发展，为了企业在国际市场上的竞争力，我们必须千方百计地加速实现企业自动化与信息化。
在现代科学技术飞速发展和进步的今天，计算机已经进入工业生产的各个环节，并取得了巨大的成果；我国以电子信息技术改造传统产业和大力倡导工业自动化，已成为不可逆转的趋势；但与世界发达国家相比，还存在相当大的差距，主要表现在：
（1）我国工业行业单位生产量的能耗大约是先进工业国家的2--3倍；（2）企业劳动生产率不高；
（3）企业管理水平上不去；因此，若想改变这种被动局面，最有效的办法之一，就是采用现代电子信息技术及综合自动化技术于工业生产各个部门；以达到企业在生产过程中和企业管理过程中，实现产品的高质量、高产量，和生产成本的低能耗，最终达到企业实现高效益的目标。
从企业自动化和信息化的角度来说，我们可以把企业分成“流程工业（以制造业为代表）”和“非流程工业”两大类，如何实现这两大类企业的自动化和信息化建设是有所不同的；下面我们以城市自来水/燃气/热力系统为例，来说明“非流程工业” 实现自动化和信息化建设的全过程。
2.城市供配水系统综合自动化解决方案主体结构
面对城市建设的快速发展，供水行业已充分认识到：对城市供配水管网系统，必须采用现代化的管理手段，对其进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水资源，改善面向社会的服务水平；我们已经深刻地认识到，加强城市自来水系统综合自动化建设，是达到这一目标的重要措施；这里所说的“城市自来水系统综合自动化解决方案”，通常包括以下四个方面内容：（1）企业生产过程的SCADA系统；（2）企业现代化管理MIS/DSS；（3）城市供配水管网系统数学模型建立、系统仿真与优化设计；（4）网络自动抄表（AMR）收费系统等等四大部分；
利用计算机及信息技术，以上述四大内容为基础，对城市供水行业进行企业现代化改造，是保证企业实现信息化，促进城市信息化建设的重要举措；“城市供配水系统综合自动化解决方案”的主体结构如图1.所示。
图1.城市供配水系统综合自动化解决方案主体结构
“城市优化供配水系统”的全称应该是：“城市供配水管网系统数学模型、仿真与优化设计”，它以城市供配水管网地理信息系统（GIS）为背景进行开发，
其主要任务有：
1． 对现行城市供配水管网各功能子系统进行调查研究，并进行系统需求分析，；
2．建立“城市优化供配水系统”的建设目标；进一步对新系统（即“城市优化供配水系统”）的功能进行再分析；
3．以城市供配水管网GIS所提供的基础数据、现场测试数据等为依据，建立城市供配水管网系统数学模型，并针对该系统数学模型，进行系统仿真与优化设计；
4．建立新系统的日常运行机制，颁布新系统的管理与维护法规；
5．向市场提供“城市优化供配水系统”全套商业软件，并开展优质服务活动。
在人类进入21世纪之际，最需要解决的问题就是水资源短缺问题；解决这一问题的方法就是“开源节流”；“城市供配水优化系统”的研究与开发，是从根本上解决城市用水的“节流”问题；城市自来水公司在向城市工业和居民供配水的过程中，一旦建立了“城市供配水优化系统”后，就从供配水的源头控制了水的流失和浪费问题，保证了城市最大限度的“节约用水”；因此，我们说“城市供配水优化系统”研究与的开发，其市场前景是极其广阔的，它所带来的经济与社会效益也巨大的。
3．“城市优化供配水系统”的功能描述
“城市优化供配水系统”的开发，是以城市供配水系统管网GIS为背景，建立起来的一个软件系统，它具有以下功能：
（1）城市供配水系统管网GIS功能，
（2）高度现代化的生产调度指挥系统功能，
（3）完全信息化的在线优化供配水系统功能，
（4）应急事故处理的社会服务功能等；下面我们一一予以介绍。
3．1 城市供配水系统管网GIS功能
城市供配水系统管网GIS功能，是“城市优化供配水系统”的核心功能，具有以下六大功能子系统，它们分别是基础平台的图库管理子系统、管网编辑子系统、管网管理子系统、管网运行调度子系统、事故处理子系统、管网维护管理子系统等；通常每个子系统均可由数个模块组成，下面将分别叙述各个子系统的功能和其模块的功能。
1．地形图库管理子系统
本子系统除提供了分别对点、线、区三种图元的空间数据和图形属性进行输入和编辑的功能，以从图形表格输出的功能之外，最主要的是实现地形图建库、对图库灵活的管理和方便的数据转换。
2．管网输入编辑子系统
管网输入编辑子系统提供丰富有力的网络输入手段，构造网络拓扑关系，建立与管网元素相关的属性数据库和提供供水管网的图形属性编辑工具。
3．管网管理子系统
管网管理子系统用于对管网信息进行全面的了解和详细的分析，提供属性与管线的双向查询工具查询检索各种需要的数据和信息。
4．管网运行调度子系统
管网运行调度子系统实际上就是“供配水优化系统”的具体实施，它是在GIS系统的基础上建立起来的，该子系统同时需要查表收费系统和生产过程SCADA系统的数据支持；
5．事故处理子系统
事故处理子系统包括爆管事故处理和火灾事故处理两个模块，爆管事故是指管网中突发的爆管等漏水事故；用户只需指定漏水处，系统将能够制定出合理的处理方案，以便及时排除故障；当需检修某个或某些阀门时，则需利用扩大关闸搜索寻找需关哪些阀门，以便进行抢修；火灾事故处理，是指在城市中突发火灾时，用户只需指定失火处，并给定搜索条件，系统将能够根据搜索条件，找出可用的消防栓，提供给消防部门进行灭火。
6．管网维护管理子系统
该子系统主要是对管道完工档案、闸门和管网运行状态进行管理日常业务管理。
3．2 高度现代化的生产调度指挥系统功能
任何一个城市自来水企业，为了满足对生产过程的调度指挥，均需设置一个“中央生产调度指挥中心”，以及指挥生产的“生产过程实时监控系统（SCADA）”；该SCADA系统通常由企业生产调度指挥中心、分厂测控站（MCS: Measure & Control System）、管网RTU、有线/无线通信系统等构成；因此，SCADA就构成了“城市供配水综合自动化系统（SAS :Synthetic Automatic System）”的核心系统。
“城市供配水综合自动化系统”之中的SCADA功能，可以概要的描述如下：
1．数据采集功能: 根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，要求系统对自来水管网及各水厂能够数据采集以下信息：合理分布在自来水管网上的测压信号（管网压力），各水厂泵的运行参数、电源供电情况、耗电量、当前功率因素、水厂进/出水量、原水浊度、出厂水浊度、余氯、PH值等。
2．数据传输功能: 将现场采集到的数据，或直接或通过各生产调度分系统，实时地传递到生产调度中心主系统。
3．数据显示及分析功能: 生产调度中心主系统将获得的个类信息及数据，经过分析、加工直观地、动画地显示出来；供生产调度指挥人员使用。
4．报警功能: 系统可对各水厂机泵运行异常，如点压、电流的不足或过载等，管网压力不足或超限进行及时报警。
5．历史数据的存储、检索、查询及分析功能: 根据公司生产调度中心调度生产指挥，和检索、查询及分析历史数据的需求，系统应具备实现历史数据的存储、检索、查询及分析功能。
6．报表显示及打印功能: 系统可自动生成各种生产情况的日月年报表，并可随时打印。
7．遥控功能: 根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，系统操作人员可在生产调度中心实现对有关水泵实现开停遥控
8．网络功能: 将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用。
3．3 完全信息化的在线优化供配水系统功能
以供水管网GIS为背景建立起来的城市优化供配水系统数学模型，在城市自来水公司生产调度中心投入使用的时候，通常都具备有“完全信息化的在线优化供配水系统功能”。
3．4 应急事故处理的社会服务功能
城市自来水管网系统在实际运行过程中，有可能发生各种各样的事故（诸如爆管、停水、水压不足等），城市居民、单位均可通过预先设置的电话通知自来水公司，以便即使得到维修，这就是应急事故处理的社会服务功能。
4．“城市优化供配水系统”的开发方法
4．1 城市优化供配水系统数学模型的建立
1.建立“城市优化供配水系统数学模型”意义
人类进入21世纪，由于全球性水资源的短缺（我国更为严重），极大地威胁着人类的生存；因此，科学合理的利用水资源、节约城市工业与生活用水已迫在眉睫，建立“城市优化供配水系统数学模型”，实施城市管网优化供配水，从而达到城市节约用水的目的。
建立了“城市优化供配水系统数学模型”以后，我们就具备了深刻理解城市供水系统地下管网运行的条件，该模型不仅提供城市供水系统中不同泵的供水范围，而且还可明显的反映出城市供水系统地下管网可能发生的瓶颈现象，模型同时还可提供各种供配水方案的直观模拟演示，这就为系统操作者进行实时在线优化供配水提供了有利条件。
在城市供配水系统管理方面，由于有了“城市优化供配水系统数学模型”，对城市因其发展而需要进行管网扩展，模型提供了有力的数据支持，从而保证了城市供配水系统的优化管理，用户也得到了高质量的服务。
2.“城市优化供配水系统数学模型”建模前的准备
（1）“城市优化供配水系统数学模型”的结构的结构如下：
“城市优化供配水系统数学模型” 的建模过程，如图2所示；通常在建立数学模型前，必须进行前期的各种数据的准备工作，如管网数据的确定、需水量数据的确定、现场测试数据等；这里我们就不一一予以说明了；值得一提的是，用于建模的数据正确性是一定加以测定的。
2.“城市优化供配水系统数学模型”的建模过程>
图2.“城市优化供配水系统数学模型”的建模过程
3．建模与模型计算
供水系统的管网建模，近年来在国内外引起了不少专家学者的注意和研究；归纳
起来，城市供水系统管网的数学模型，大致可分为以下几种：
1.1 概述
为了满足城市快速发展的需要，城市供水企业近年来不断采用新的技术、新的工艺，用以提高城市的供水能力和服务质量。其中自来水厂监控系统在全国大多数城市得到广泛应用，还有一些城市的供水企业正在逐步采用GIS技术管理供水管网信息、用计算机实现收费营业电算化。
1.2 这些先进的信息、计算机、和自动控制等先进技术的应用，的确为供水企业的现代化运营解决了很多的实际问题。但是，我们也应该看到还有很多深层次的问题尚未得到卓有成效的解决，究其原因主要是因为：①供水企业的运营包括从产水、输配水、管理和收费多个环节，仅在某一环节采用新技术并不能解决所有问题；②企业运营的各个环节是密切关联的，分离的系统无法实现整个运营的系统性；③系统运营的很多因素是有统计规律和相关性的，目前的系统无法从这些规律和相关性得到可以辅助决策的信息。因此，要达到自来水企业的最优化运营，就需要系统分析企业的运营模型，找到每个环节的相关性，获取综合的有效信息，综合历史信息，优化企业的运营，提供辅助决策。以产水到用水的整个过程为主线，以企业的管理现代化为辅线，把信息技术在企业集成应用，实现从产水到用水的最大效益，是我们对以上问题的一个有益探索。
随着工业自动化控制技术和现代科技的高速发展，通讯技术、电子技术和计算机技术的有机结合，出现了高性能的PLC系统和SCADA系统，使工业过程控制程序化、模块化、智能化、集成化、网络化，控制过程更加可视化和远程化。给水系统优化控制是工业过程自动化控制的一个部分，下面我们从供水企业的运营模型着手，分析企业的信息模型，提出的大规模给水系统分级控制和优化调度软硬件模式，和基于GIS平台的供水企业信息化应用方案。构筑了给水系统优化控制基本框架。
