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1．前 言
21世紀的世界經濟，已是一個“全球一體化經濟”的嶄新時代；我國即將加入WTO，這就意味著，我國企業必然置身于全世界這個大市場；為了企業自身的生存和發展，為了企業在國際市場上的競爭力，我們必須千方百計地加速實現企業自動化與信息化。
在現代科學技術飛速發展和進步的今天，計算機已經進入工業生產的各個環節，并取得了巨大的成果；我國以電子信息技術改造傳統產業和大力倡導工業自動化，已成為不可逆轉的趨勢；但與世界發達國家相比，還存在相當大的差距，主要表現在：
（1）我國工業行業單位生產量的能耗大約是先進工業國家的2－－3倍；（2）企業勞動生產率不高；
（3）企業管理水平上不去；因此，若想改變這種被動局面，最有效的辦法之一，就是采用現代電子信息技術及綜合自動化技術于工業生產各個部門；以達到企業在生產過程中和企業管理過程中，實現產品的高質量、高產量，和生產成本的低能耗，最終達到企業實現高效益的目標。
從企業自動化和信息化的角度來說，我們可以把企業分成“流程工業（以制造業為代表）”和“非流程工業”兩大類，如何實現這兩大類企業的自動化和信息化建設是有所不同的；下面我們以城市自來水/燃氣/熱力系統為例，來說明“非流程工業” 實現自動化和信息化建設的全過程。
2.城市供配水系統綜合自動化解決方案主體結構
面對城市建設的快速發展，供水行業已充分認識到：對城市供配水管網系統，必須采用現代化的管理手段，對其進行高效地管理，使管理由經驗型管理向科學型管理轉變，大力節約水資源，改善面向社會的服務水平；我們已經深刻地認識到，加強城市自來水系統綜合自動化建設，是達到這一目標的重要措施；這里所說的“城市自來水系統綜合自動化解決方案”，通常包括以下四個方面內容：（1）企業生產過程的SCADA系統；（2）企業現代化管理MIS/DSS；（3）城市供配水管網系統數學模型建立、系統仿真與優化設計；（4）網絡自動抄表（AMR）收費系統等等四大部分；
利用計算機及信息技術，以上述四大內容為基礎，對城市供水行業進行企業現代化改造，是保證企業實現信息化，促進城市信息化建設的重要舉措；“城市供配水系統綜合自動化解決方案”的主體結構如圖1.所示。
圖1. 城市供配水系統綜合自動化解決方案主體結構
“城市優化供配水系統”的全稱應該是：“城市供配水管網系統數學模型、仿真與優化設計”，它以城市供配水管網地理信息系統（GIS）為背景進行開發，其主要任務有：
1．對現行城市供配水管網各功能子系統進行調查研究，并進行系統需求分析，；
2．建立“城市優化供配水系統”的建設目標；進一步對新系統（即“城市優化供配水系統”）的功能進行再分析；
3．以城市供配水管網GIS所提供的基礎數據、現場測試數據等為依據，建立城市供配水管網系統數學模型，并針對該系統數學模型，進行系統仿真與優化設計；
4．建立新系統的日常運行機制，頒布新系統的管理與維護法規；
5．向市場提供“城市優化供配水系統”全套商業軟件，并開展優質服務活動。
在人類進入21世紀之際，最需要解決的問題就是水資源短缺問題；解決這一問題的方法就是“開源節流”；“城市供配水優化系統”的研究與開發，是從根本上解決城市用水的“節流”問題；城市自來水公司在向城市工業和居民供配水的過程中，一旦建立了“城市供配水優化系統”后，就從供配水的源頭控制了水的流失和浪費問題，保證了城市最大限度的“節約用水”；因此，我們說“城市供配水優化系統”研究與的開發，其市場前景是極其廣闊的，它所帶來的經濟與社會效益也巨大的。
3．“城市優化供配水系統”的功能描述
“城市優化供配水系統”的開發，是以城市供配水系統管網GIS為背景，建立起來的一個軟件系統，它具有以下功能：
（1）城市供配水系統管網GIS功能，
（2）高度現代化的生產調度指揮系統功能，
（3）完全信息化的在線優化供配水系統功能，
（4）應急事故處理的社會服務功能等；下面我們一一予以介紹。
3．1 城市供配水系統管網GIS功能
城市供配水系統管網GIS功能，是“城市優化供配水系統”的核心功能，具有以下六大功能子系統，它們分別是基礎平臺的圖庫管理子系統、管網編輯子系統、管網管理子系統、管網運行調度子系統、事故處理子系統、管網維護管理子系統等；通常每個子系統均可由數個模塊組成，下面將分別敘述各個子系統的功能和其模塊的功能。
1．地形圖庫管理子系統
本子系統除提供了分別對點、線、區三種圖元的空間數據和圖形屬性進行輸入和編輯的功能，以從圖形表格輸出的功能之外，最主要的是實現地形圖建庫、對圖庫靈活的管理和方便的數據轉換。
2．管網輸入編輯子系統
管網輸入編輯子系統提供豐富有力的網絡輸入手段，構造網絡拓撲關系，建立與管網元素相關的屬性數據庫和提供供水管網的圖形屬性編輯工具。
3．管網管理子系統
管網管理子系統用于對管網信息進行全面的了解和詳細的分析，提供屬性與管線的雙向查詢工具查詢檢索各種需要的數據和信息。
4．管網運行調度子系統
管網運行調度子系統實際上就是“供配水優化系統”的具體實施，它是在GIS系統的基礎上建立起來的，該子系統同時需要查表收費系統和生產過程SCADA系統的數據支持；
5．事故處理子系統
事故處理子系統包括爆管事故處理和火災事故處理兩個模塊，爆管事故是指管網中突發的爆管等漏水事故；用戶只需指定漏水處，系統將能夠制定出合理的處理方案，以便及時排除故障；當需檢修某個或某些閥門時，則需利用擴大關閘搜索尋找需關哪些閥門，以便進行搶修；火災事故處理，是指在城市中突發火災時，用戶只需指定失火處，并給定搜索條件，系統將能夠根據搜索條件，找出可用的消防栓，提供給消防部門進行滅火。
6．管網維護管理子系統
該子系統主要是對管道完工檔案、閘門和管網運行狀態進行管理日常業務管理。
3．2 高度現代化的生產調度指揮系統功能
任何一個城市自來水企業，為了滿足對生產過程的調度指揮，均需設置一個“中央生產調度指揮中心”，以及指揮生產的“生產過程實時監控系統（SCADA）”；該SCADA系統通常由企業生產調度指揮中心、分廠測控站（MCS: Measure & Control System）、管網RTU、有線/無線通信系統等構成；因此，SCADA就構成了“城市供配水綜合自動化系統（SAS :Synthetic Automatic System）”的核心系統。
“城市供配水綜合自動化系統”之中的SCADA功能，可以概要的描述如下：
1．數據采集功能: 根據公司生產調度中心調度生產指揮的需求，要求系統對自來水管網及各水廠能夠數據采集以下信息：合理分布在自來水管網上的測壓信號（管網壓力），各水廠泵的運行參數、電源供電情況、耗電量、當前功率因素、水廠進/出水量、原水濁度、出廠水濁度、余氯、PH值等。
2．數據傳輸功能: 將現場采集到的數據，或直接或通過各生產調度分系統，實時地傳遞到生產調度中心主系統。
3．數據顯示及分析功能: 生產調度中心主系統將獲得的個類信息及數據，經過分析、加工直觀地、動畫地顯示出來；供生產調度指揮人員使用。
4．報警功能: 系統可對各水廠機泵運行異常，如點壓、電流的不足或過載等，管網壓力不足或超限進行及時報警。
5．歷史數據的存儲、檢索、查詢及分析功能: 根據公司生產調度中心調度生產指揮，和檢索、查詢及分析歷史數據的需求，系統應具備實現歷史數據的存儲、檢索、查詢及分析功能。
6．報表顯示及打印功能: 系統可自動生成各種生產情況的日月年報表，并可隨時打印。
7．遙控功能: 根據公司生產調度中心調度生產指揮的需求，系統操作人員可在生產調度中心實現對有關水泵實現開停遙控。
8．網絡功能: 將現場采集到的數據送到網絡服務器上，供其他系統使用。
3．3 完全信息化的在線優化供配水系統功能
以供水管網GIS為背景建立起來的城市優化供配水系統數學模型，在城市自來水公司生產調度中心投入使用的時候，通常都具備有“完全信息化的在線優化供配水系統功能”。
3．4 應急事故處理的社會服務功能
城市自來水管網系統在實際運行過程中，有可能發生各種各樣的事故（諸如爆管、停水、水壓不足等），城市居民、單位均可通過預先設置的電話通知自來水公司，以便即使得到維修，這就是應急事故處理的社會服務功能。
4．“城市優化供配水系統”的開發方法
4．1 城市優化供配水系統數學模型的建立
1. 建立“城市優化供配水系統數學模型”意義
人類進入21世紀，由于全球性水資源的短缺（我國更為嚴重），極大地威脅著人類的生存；因此，科學合理的利用水資源、節約城市工業與生活用水已迫在眉睫，建立“城市優化供配水系統數學模型”，實施城市管網優化供配水，從而達到城市節約用水的目的。
建立了“城市優化供配水系統數學模型”以后，我們就具備了深刻理解城市供水系統地下管網運行的條件，該模型不僅提供城市供水系統中不同泵的供水范圍，而且還可明顯的反映出城市供水系統地下管網可能發生的瓶頸現象，模型同時還可提供各種供配水方案的直觀模擬演示，這就為系統操作者進行實時在線優化供配水提供了有利條件。
在城市供配水系統管理方面，由于有了“城市優化供配水系統數學模型”，對城市因其發展而需要進行管網擴展，模型提供了有力的數據支持，從而保證了城市供配水系統的優化管理，用戶也得到了高質量的服務。
2.“城市優化供配水系統數學模型”建模前的準備
（1）“城市優化供配水系統數學模型”的結構的結構如下：
“城市優化供配水系統數學模型” 的建模過程，如圖2所示；通常在建立數學模型前，必須進行前期的各種數據的準備工作，如管網數據的確定、需水量數據的確定、現場測試數據等；這里我們就不一一予以說明了；值得一提的是，用于建模的數據正確性是一定加以測定的。
2. “城市優化供配水系統數學模型”的建模過程>
圖2. “城市優化供配水系統數學模型”的建模過程
3．建模與模型計算
供水系統的管網建模，近年來在國內外引起了不少專家學者的注意和研究；歸納起來，城市供水系統管網的數學模型，大致可分為以下幾種：
（1）供水系統管網宏觀模型
供水系統管網宏觀模型的建模思想主要是：利用獲取的幾類重要的管網參數（如管網測壓點壓力、泵站出口水壓力、泵站出口水流量、水池水位及管網系統用水量等），以統計分析理論為基礎，建立系統網絡的（結構性）分析模型，其數學表達式為：
qr (t) = fr (x(t),v(t),g(t),h(t))
qp (t) = fp (x(t),v(t),g(t),h(t)) (4.1)
hp (t) = gp (x(t),v(t),g(t),h(t))
hj (t) = gj (x(t),v(t),g(t),h(t))
式（4.1）中：
qr (t)——水庫流量向量
qp (t)——泵站出口水流向量
hp (t)——泵站出口壓力向量
hj (t)—— 管網測壓點壓力向量
t —— 調度時段
x(t) ——調節水池蓄水量向量
v(t) ——系統中閥門控制向量
g(t) ——系統節點流量向量
h(t) ——系統節點水頭向量
式（4.1）中的右端函數，一般表現為多項式形式，v(t)屬于可以選擇項，我們通過回歸分析方法，可以確定該函數的具體表達形式；該方法的特點是，建模過程中所需數據量少，建模快，計算效率高，但缺點是適用范圍有一定限制，當管網系統用水量及其它各已知參數變化幅度較大時，可能產生明顯的誤差。
（2）供水系統管網微觀模型
供水系統管網微觀模型的建模思想主要是：從供水管網的拓樸關系出發，依據管道管徑、管長、管材及節點用水量等主要參數，構造出拓樸結構模型，該模型的基本數學方程包括質量平衡方程和能量平衡方程兩大部分，即：
質量平衡方程： ∑qi,j + Qi = 0 (4.2)
能量平衡方程： ∑hi,j - △Hk = 0 (4.3)
式（4.2），（4.3）中：
i, j——節點編號
qi,j——連接在節點i的各管段流量
Qi ——i節點的流量
hi,j——屬于基本環k的管段水頭損失
△Hk——基環k的閉合差或減壓裝置產生的水壓差
上述供水管網拓樸結構模型又稱為“供水管網系統微觀模型”，它的具體求解方法有：節點水頭法、環流量法和管段流量法等。
與供水系統管網宏觀模型相比，微觀模型對系統的變化及節點用水量分布的變化適應性較強；例如當某水池或主干管中斷使用時，將管網拓樸關系校正后，仍可使用（4.2）和（4.3）式進行系統工況模擬；而宏觀模型就需要重新獲取原始數據，進行回歸分析，校正回歸曲線，建立新的模型形式；但供水系統管網微觀模型的缺點也是非常明顯的，這就是建模過程中需要大量的數據，模型的校驗工作量大，計算耗費打量機時。
（3）供水系統管網集結模型
為了克服供水系統管網微觀模型的缺點，近年來提出了“供水系統管網集結模型”，該模型是建立在“微觀模型”基礎之上的；所謂“管網集結”，其實就是一種簡化網絡結構的近似方法，它把整個配水系統管網劃分成P個區域，使管網中每個節點必須且僅屬于一個區域；通常劃分區域的原則是：同區域內的各節點壓力大致相等，用水規律相仿；我們將每個區域內的所有節點“集結”在一起，形成一個“虛擬”節點，區域（即用“虛擬”節點組成的）之間的關聯用一條“虛擬”管道表示；這樣原來的管網模型（微觀模型），就簡化成一個新的管網模型，我們稱之為“集結模型”； 集結模型在計算上，大大節約了機時，在建模上更科學合理。
4. 城市優化供配水系統數學模型的維護
通過對模型周期性的不斷更新，以保證模型應用的準確性；對于管網不同程度的變化情況，模型可作如下處理：
# 當局部點變化時，應及時調整模型數據
# 當管網的變化加大到一定程度時, 應對模型進行更新
# 當管網中的變化程度無法在原有基礎上更新時, 應對模型進行重建
對于模型具體維護工作包括：加入新的需水量 / 刪除舊的需水量，加入新的管線 / 刪除舊的管線，加入新的管網設備 / 刪除舊的管網設備，更新管線模型，更新需水量數據，根據局部現場測試數據對模型做相應改動。
4．2 城市優化供配水系統的模型數據庫的建立
城市優化供配水系統模型數據庫的作用，是將GIS系統數據、網絡收費系統數據及管網現場測試數據進行存儲和轉換，為模型的建立提供數據支持；具體的流程如圖3所示。
3. 城市優化供配水系統的模型數據庫、仿真和優化軟件包的開發過程>
圖3. 城市優化供配水系統的模型數據庫、仿真和優化軟件包的開發過程
4．3 城市優化供配水系統的數學模型建立標準及質量分析
1．“城市優化供配水系統數學模型”的建立標準
“城市優化供配水系統數學模型”的建立標準，主要是指模型構造標準、現場測試標準和校核標準等。
模型構造標準：主要包括，所有供水管道信息必須由GIS轉換或輸入；可以保證對模型進行充分的維護管理；該模型可作為優化供配水的決策工具。
現場測試標準：在數據現場測試過程中，保證有足夠的15分鐘測試間隔和滿7天的數據。
數學模型校核標準：正確設置誤差范圍，并使模型在校核過程中，控制在允許誤差限以內。
2．“城市優化供配水系統數學模型”的質量分析標準
“城市優化供配水系統數學模型”的質量分析標準是：所有數據測試準確、經過驗收；系統數學模型結構設計合理。
4．4 城市優化供配水系統的運行的基本結構
“城市優化供配水系統”建成以后，在正式投入運行時，是將該系統并入“城市供配水管網管理信息系統”之中，對于一個城市自來水公司來說，“城市供配水管網管理信息系統”的基本結構可如下圖4所示。
空間數據庫TU
4. 城市供配水管網管理信息系統基本結構>
圖4. 城市供配水管網管理信息系統基本結構
最后我們說，進行“城市優化供配水系統”的研究與開發，對國計民生有著極其重要的意義，尤其對我國北方缺水和嚴重缺水的干旱地區更是如此；世界上發達國家的城市自來水公司，無一例外的都裝備有該系統；這也從另一個角度說明了，“城市優化供配水系統”確實是建設節水型城市的必備工具。
參考文獻：
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