供水管网在线水力模型系统开发应用研究

供水管网在线水力模型系统开发应用研究

张坤林1%柏静远2%郭剑桥3

（1上海勘测设计研究院有限公司2上海积成慧集信息技术有限公司）

摘要：利用基础资产数据和运营历史数据，搭建了供水管网水力模型，结合实时监测的SCADA 数据进

行配置，开发了在线水力模型系统。通过实时滚动模拟，可帮助管理人员及时掌握供水系统的运行态势；在水量预测的基础上，可为调度人员推荐水泵智能调度方案，提高供水运营管理水平。

关键词：供水管网在线水力模型实时数据清洗重构智能调度L 市城区中图分类号：TU991.33文献标识码：A 文章编号：1008-0120（2020）03-0014-03

第3期

２０20年9月山西水土保持科技

Soil and Water Ｃonservation Science and Technology in Shanxi No.3Sep.2020

囗试验研究

收稿日期：2020-07-06

1问题的提出

城市管理智慧化进程的推进，对供水服务行业的管理水平提出了新的更高的要求。国内部分设计院和水务公司，已经开始运用离线水力模型辅助供

水管网的规划设计以及运行评估工作。但是，离线模型固有的数据滞后性弊端，导致其只能用于历史工况演算，不能及时推算供水管网当前的运行状态和未来的预测情形，难以应用于水务企业的日常运营及调度管理。随着GIS （Geographic Information System ）、AMR （Automatic Meter Reading ）和SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition ）等信息化应用系统的不断发展，以及计算机硬件性能的快速提升，开发和应用供水管网在线水力模型系统辅助生产运营管理已成为可能，为智能化调度奠定了基础。本项研究对此进行探讨。

2总体技术开发路线设计

参考相关研究，我们提出了供水管网在线水力模型系统总体技术开发研究路线架构设计（图1）。该架构主要由数据处理模块、模型计算模块和分析决策模块三大部分组成。2.1

数据处理模块

利用不同的数据接口，接入各厂家和设备采集

的SCADA 以及远传水表实时数据。其中的数据清洗重构模块，可对异构数据进行归一化处理，并对异常数据分类进行修正和重构。所有实时数据，按照预设的格式统一存储于标准数据中心。

2.2模型计算模块

在线水力模型运行的基础，是经过率定且精度满足要求的离线模型。模型计算模块以EPANET 开源引擎为计算核心，按照配置的计算时间步长，从数据中心读取所需的实时数据流，写入模型后调用计算引擎执行滚动模拟。

2.3分析决策模块

利用模型计算的结果，以专题图和数据曲线图的形式，帮助用户掌握和评估管网运行态势。在水量预测的基础上，结合各水源配水能耗水平，自动推送节能降耗的水泵调度方案。

3基础水力模型构建

3.1基础模型

项目试点L 市城区供水管网口径DN200及以上共约200km ，日供水量约为12万m 3。供水区域有三座水厂，管网上共安装流量计55台，压力计74台，大客户远传表75块。

对管网基础GIS 数据中存在的各类问题，如管线缺失、重叠、排向错误等，进行逐项修正，并在模型中根据实地勘察的信息构建水力设备（水泵、阀门等）。建模过程中，综合分析远传水表数据、营收数据以及漏损数据，进行水量分配。大用户远传水量占供水总量比例为19.3%，按照其实际地理坐标，分配到模型中的对应节点；营收水量剔除远传水量后占69.2%，按照营收表册分配到对应的区域；各DMA 分区漏损水量占11.5%，在对应的区域中平均分配到节点。3.2模型率定

评估率定结果，各水源出口流量、压力，模拟结果与实测结果较为吻合。管网一级流量计瞬时流量

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序号类型特征清洗重构方法

1时间戳

归一化

数据时间

戳不统一

按照系统配置的时间进行

差值整理

2平值/零

值清洗

连续时间段内

数值不变或均

为0

（1）回归法。利用过去正常

3d对应时刻数据，计算平

均值进行内插；

（2）线性法。利用异常数据、

前后数据进行线性插补

3缺值

清洗

连续时间段内

数值缺失

（1）回归法。利用过去正常

3d对应时刻数据，计算平

均值进行内插；

（2）拉格朗日插值法。利用

现有正常数据建立插值函

数，由对应时刻求出的估算

值近似代替缺失值；

（3）固定值法。利用最后一

个正常数值持续插补

4极值

清洗

某时刻数值与

前24h数据算

数平均值绝对

差值大于其前

24h数据的标

准差5倍

（1）拉格朗日插值法。利用

已知点建立插值函数，异常

值由对应点求出的函数值

近似代替

表1数据清洗重构规则

图1在线水力模型系统架构平均误差约为90m3/h，占日平均流量的5%。管网压

力监测点平均误差小于2m。模型流量和压力率定

结果总体误差均在可接受范围之内。

4在线水力模型系统应用

4.1实时数据清洗重构

长期以来，由于SCADA数据类型特征和厂家来

源不同，采集设备和传输质量各异，数据采集和传输

时间不规律，造成数据缺失、平值、零值、极值等问

题。因此，实时数据质量问题一直是水务企业进行数

据分析和应用的痛点。在线水力模型开发应用过程

中，异常数据会影响模型模拟的精度，降低系统的可

靠性，严重时甚至还会造成系统崩溃。为了提高在线

模型运行的时效性和准确性，系统首先对采集到的

实时数据进行标准化处理，对所有数据的时间戳按

照用户实际需求进行配置和归一化。对SCADA系

统、远传抄表系统接入的管网流量、压力、水质和大

客户远传表水量等数据指标，分别配置适当的清洗

规则；对原始数据存在的不同类型的问题，迅速识别并分别采取对应的清洗和重构策略。

表1总结了系统应用的各项数据清洗重构的基本规则。

某监测点瞬时流量数据由于设备原因，一段时间内数据采集不到，一直传回相同的数值，出现平值现象。后台算法根据过去相同时段历史数据，对这一时段进行数据插补重构，结果合理，应用效果明显。

4.2运行态势掌控

系统通过ArcGIS Server，自动发布模型实时计算的结果，以关键指标动态专题图和连续曲线的方式，展示当前以及过去一段时间供水管网运行的整

体态势，帮助管理人员从监测点位的局部数字化管理转向全面可视化管理，加深了其对管网运行状况的直观认识，有利于及时发现问题，消除隐患。如通过流量图和流速图，了解管道水量与管径的匹配关系以及水流流向；通过压力图，掌握不同时段区域内高压区与低压区的分布；通过压降图，获知水头损失较大的管道位置；通过需水量图，了解区域内用水分布。如管网压力图，供水区域西部压力较高（>0.2MPa），可以满足供水服务压力要求；东部压力偏低（<0.15MPa），用水高峰时段压力可能达不到服务标准，需针对相关区域采取对应解决措施，如建设增压泵站或提高东部水厂出厂压力等。

张坤林等供水管网在线水力模型系统开发应用研究

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