供水管网科学管理与技术发展

上海三高计算机中心有限公司火正红
上海三高宏扬软件有限公司王煜明
摘要：本文从供水管网的科学管理的角度出发，。深入剖析了供水管网GIs、’供水水力模型、供水调度决策，水务智能等在科学管理中的作用。
关键词：供水管罔科学管理供水管网GlS供水管网水力模型供水调度决策水务智能wI
1管网GlS是供水管网科学管理的基础
1．1供水管网GIS的建设
从上世纪90年代起，随着信息技术的日益发展成熟，计算机硬软件功能的日益强大，给供水行业在管网管理上带来了前所未有的新的景象。管网SCADA系统使得管网的压力分布一目了然，为调度人员布下了千里眼。管网GIS系统将传统的图纸搬进了计算机，管网资料的管理不再翻箱倒柜。大用户远程监测系统颠覆了抄表必到场、一月一抄的旧传统，一条条用水曲线明明白白说出了用户的用水方式与习惯。更不用说营业收费系统、客户服务系统、工程安装报装系统：阀门管理系统，多种多样的信息化技术的应用大大提高了供水管网管理的力度、深度和效率。。．
供水管网GIS是信息技术在供水行业中应用的一个里程碑。管网是供水企业最主要的资产，同时由于历史的原因也是最弄不清楚的埋在地下的财产。为适应经济急速发展，有时来不及画设计图纸就匆匆地安装下去了，因此图纸资料的缺失是不少供水企业存在的通病。通过GIS系统的建立，对地下管网实行一次普查，对管网资料进行一次清理，终于可以还清“旧债”，进入了一个管网档案较为完整的时代。
但同时令人忧虑的是，有一部分企业化费了巨大的财力、物力、人力建立起来的GIS系统却疏于后期的管理，资料渐渐地没有及时补充进去，GIS系统也就渐渐地进入“死亡”状态。固然，其中主要的原因是企业在建立系统时没有同时建立制度、规定责任所造成的。但缺乏应用的驱动也是另一个重要原因。试看，营业收费系统基本上不存在这个问题，是因为有客户需求的驱动力存在，这些系统一天不给以维护，资料不及时更新，就会造成工作无法进行，甚至造成重大的经济损失或客户冲突。而GIS系统没有这样的驱动力存在，。一天两天、半年一年不加以更新维护，似乎没有人来追究责任，也不影响工作开展。
因此，如何从技术层面通过GIS系统应用的扩展，产生众多的“客户群”，来促进、规范GIS的更新工作，是使得GIS充满生命力的一着活棋。当然，另一方面从管理层面上来制定规章制度、配备足够人力、规定工作责任，更是从源头上解决问题的重要手段。
1．1．供水管网GIS应用的扩展．
，GIS技术在供水管网中的应用已经有近十年的时间了。这十年中，许多企业对GIS应用的着眼点还是放在清理资料，建立最基本的档案上。当资料已经不再是问题，而新的需
求就会产生。，
由于供水企业许多业务是围绕着管网发生的，如计量收费、供水调度、管网维修、规划设计、客户服务等都是与管网密切相关的。一由此我们在信息系统中也可以模拟这种业务，以管网GIS为基础，将其他信息系统与之结合而产生新的应用。如：将营业收费系统与GIS系统结合，可以在GIS上按各种区域(自然的、行政的、经济的)统计水量的分布、增长趋势等在单纯的营收系统中不可能做到的统计结果；。可以通过图示方式了解抄表路线、抄表进度等各种资料，客户热线在接到用户来电时，GIS自动调出客户住处地图，同时通过SCADA及水力模型标示当地水压、、有无停水事件等信息，交被动服务为主动服务。诸如此类不胜枚举，只要有足够的想象力，就可以从现有的信息系统中组合出足够多的新信息。
因此为了加强GIS在供水管网科学管理中的作用，必须推进GIS应用的扩展的研究，可以考虑GIS“四化”建设：专业化、集成化、WEB化、移动化．
1．1．1．专业化
作为供水管网GIS，除了必要的地理信息资料，供水管网GIS其实更应该突出在管网专业化方面的应用，通过二次开发的手段，围绕着供水管网开发多种的管理子系统。如：
• 资产管理：管网全部设施安装、维护发生的各种费用的管理：
• 图档管理i设计、竣工图纸的管理
• 施工管理：资料、施工进度的管理．
● 维修管理：所有设施的抢修、、日常维修的管理
• 爆管管理：爆管作为特殊的抢修管理，为今后爆管预警系统积累资料
• 阀门管理：阀门静态资料与动态资料(开、关)的管理
1．1．2．集成化一
集成化是指不同信息系统之间通过数据共享、信息组合，功能扩展的方式，产生一个新的信息系统的应用集成。如：、
● 营业收费系统与GIS系统的集成
● SCADA系统与GIS系统的集成．
• 。检漏系统与GIS系统的集成
• 水力模型与GIS系统的集成：
• 大用户(或远传水表)系统与GIS系统的集成’
•． 客户热线系统与GIS系统的集成
•． 多个系统的综合集成
1．1．3．WEB化．
由于C／S结构的GIS软件是面向操作层面的、供专业技术人员使用的系统，需要在计算机上安装专门的软件，需要经过专门的培训才能操作，因此在使用的推广上存在一定的局限性。
而B／S结构的GIS软件则是面向管理层面的、供管理人原使用的系统，不需要特别安装软件，只要按权限登录即可使用，操作简单一般不需要培训，还可支持远程登录操作。因此B／S结构即WEB版的GIS是供水管网科学管理必不可少的工具。
但WEB化不仅是指WEB版的GIS，前面所说的专业化、集成化的内容也需要WEB方式的支持，才可以大量的扩展工作面，便于各个不同职能的部门使用与管理，也适合不同需求的管理人员“各取所需”。
1．1．4．移动化
现有的GIS系统是适合在办公室使用，而大量的管网管理工作是在现场发生的。因此实现GIS系统的移动化是提高管网科学管理的必然途径。GIS移动化包括GPS定位导航系统及远程工作流程管理系统两部分：
• 管网GPS可以实现管线、阀门等管网设施定位、导航，
• 对爆管或其他事件进行定位，即时上传到GIS和水力模型系统中，提高系统自动处理的能力
• 远程工作流程系统可以将阀门开关及其他各种现场操作及时上传到公司的工作流程系统中，各个部门可以据此做出相应的反应。
1．2．供水管网GIS在管网管理上的局限性
GIS系统按其本身处理对象的定位只能解决管道本身的问题，并不能解决管网运行的问题，无法诊断管网结构性的问题，无法分析管网中能量分配的问题，无法提供管网运行的决策方法，等等。类似的SCADA系统虽能观察到管网实时发生的变化，但所提供的管网数据是一些离散的数据，同样很难描述管网的整体运行状况：一，而管网水力模型则是解决这些问题最重要的管网管理工具。管网水力模型通过水力学基本原理，科学地计算管网中流速、、流量、流向、压力、水损等各项指标，从而对管网管理提供科学的依据，通过状态模拟的手段更可以提供管网管理的科学方法。
2．水力模型是供水管网科学管理的核心
在给排水专业人员的心目中，管网平差、水力模型一直是解决管网各种问题最科学的手段。但建立一个管网水力模型谈非容易，在建模过程中往往受到计算机软、硬件技术的制约、受到基础资料缺失的制约、受到企业信息化程度的制约、受到企业缺乏专门管理人才的制约、受到认识上的盲目性的制约，致使建模工作被视为畏途。‘ ，’ ，
但在科学技术不断发展进步的今天，只要善用科学的管理手段，善用工程管理的技巧，完全可以大大提高建模的成功率。
2．1．供水管网建模的目标、
～ 管网模型根据其应用目的，大致可以分为如下五类：
第一类：规划设计：供水管网的中长期规划；新供水系统的设计，新水厂、水库、增压泵站的安排： ，
第二类：管网评估：分析现存供水管网系统的工况，并给出相应供水特性的评估，根据评估结果提出管网改造的方案；， ．
第三类：工程管理：确诊管网中的异常情况；处理供水系统中的突发事故；‘分析工程或事故对管网的影响； •
一第四类：供水调度：指导日常管网供水调度，优化运行成本，制作节假日、事故时的
调度预案；‘
第五类：水质分析：管网中余氯消耗过程分布，污染物质扩散过程模拟，管网水质的
总体评估。
这五类应用对管网模型的精度要求是不同的、资金与资源的投入也是不同的。
因此在制定管网建模项目计划前对建模的目标有全面的认知，就可以避免建模的盲目性，提高项目的可执行度，保证建模的成功率。并且还可以预留模型成长空间，在企业发展的同时，逐步提高模型的精度，来扩展模型应用的范围。
2．2．供水管网建模的精度．’
管网模型是通过一定的数学方法从真实世界中抽象出来的。为了计算的可行，需要对真实的管网做一些简化与近似，不仅是结构(如管线合并、删除)，也牵涉到算法(含有经验的成分)，以及采集的数据(如节点的水量)，更需要对无法查清楚的真相做一些估计甚至猜测(如管道的粗糙度)。．
这就是模型的特质。，模型相对于真实是一种近似，所以误差是不可避免的。关键是，只要这种误差在模拟真实时是可以被接受或忽略不计的，那么这个模型就是有效的：可用的。
‘管网模型五大类的应用；，规划设计、管网评估。工程管理、供水调度、水质分析，对于模型精度的要求是逐级增高的。
作为规划设计特别是中长期的规划设计；模型可以粗糙些，精度可以低些，一般来说是可以满足要求的。但若用于水质分析，则对模型精度的要求是很高的。因为所模拟的对象如余氯，其本身的量值就很小，余氯在管网水体中不断反应消耗后，其量值更是越来越小。如果模型的精度，特别是流量精度太低，1由于余氯的消耗是对于流量敏感的，那就很难模拟出合理的结果。
根据国外的一些标准，同时根据实践经验，‘从工程管理的角度上来看，只有一个笼统的标准是不够的。解决办法是把这样一个笼统的标准分解为若干个等级。
如果把规划设计所需要的模型精度定位I级，。那么管网评估、工程管理、供水调度、水质分析的模型精度应该分别是II、IⅡ、Ⅳ、V级。级别越高就意味着需要的条件就越苛刻，投入的成本就越高、投入的人力就越多、建设的周期也就越长、维护的难度就越高。
一般说来，可以采用恰当定位、循序渐进的方法来制定建模策略。．，
如，可以根据企业的现状和条件，将模型的应用定位于管网评估和管网改造，那么这类等级的模型建设起来条件相对容易满足，也较容易取得成功，而且实际应用的价值也很高。可以使得企业的管网管理部门运用模型的模拟功能，充分有效地了解管网的当前工况，诊断管网存在的容量、能量、质量等方面的问题，合理地制定管网改造方案，提高供水的合理性、可靠性和安全性。使得模型建设的性价比最高，效益达到最大化。
2．3．供水管网建模的数据收集
为了保证模型建设达到预期目标、保证模型达到必须的精度，必须通过数据管理的手段，充分有效地收集数据、整理数据。运用数据、维护数据。。’
要做好数据的管理工作，首先要从供水管网建模工程对数据的要求，以及企业数据存在方式的层面去认识： ，。
2．3．1．1．数据需求的范围广、数量大、要求高、实时性强。建模所涉及的数据如下：
● 管网数据：管网结构
• 管道数据：材料、年代、摩阻、位置、标高
• 水量数据：节点水量，。用水模式、漏损水量
• 泵站数据：泵站布局、水泵类型、
● 水池数据：形状、容量、液位
• 压力数据：实时采集的管网压力
● 阀门数据：管网中阀门开闭状态、
2．3．1．2．数据对信息系统的依赖性强
以上数据牵涉到的信息系统有： ，、
效率曲线、开停状态
开度大小
● 管网GIS系统
● 营业收费系统
● 大客户管理系统
● 管网SCAD系统
● 阀门管理系统。
● 水厂自动化系统
可以说，建模工程的实施实质上是对企业信息化建设的一个全面检验，同时也是信息系统集成应用的一个范例。
2．3．1．3．数据存在的方式较为复杂
由于企业管理体制的与发展进程的问题，这些数据分布在各部门，由各部门进行管理。因此，数据分布就存在以下特征：
；存储的分散性，即便是集中存放在同一个数据服务器中，数据之间并没有任何关联系统的异构性，不同时期采用不同技术由不同开发商开发的信息系统，很难采用同一种系统构造管理的多头性， 由于管理部门各司其职，对数据的保管、修正、使用各有规章制度因此，加强建模工程的数据管理是项目实施过程中的头等大事。在建模工程中要做好如下几点：’ ．
• 理顺数据采集渠道
• 落实数据管理人员
• 制定数据标准格式
• 建立数据管理文档
前两个方面属非技术因素，主要取决于领导的决心和意志，后两个方面属技术因素，主要依靠技术人员的责任性与技术标准的完善性。
2．4．供水管网建模的标准化
由于中国供水事业发展的情况与发达国家相比有很大的不同，在参考国外标准成功应用的情况下，应该编撰符合中国国情的标准体系。
这些标准是：《建模工程标准流程》、《建模工程技术标准》、《建模工程测试标准》、
《建模工程标准文档》。
严格按照标准来实施建模工程项目，可以跟踪建模工程的过程，保证建模工程的质量。
3． 调度决策系统是供水管网科学运行的利器
3．1．供水调度决策的目标。
供水调度决策的目标作为公共基础设施与服务功能的界定，其总体要求应该是：安全、合理、优化。．
3．1．1． 安全一供水调度的风险决策
安全供水是一个较为复杂的问题，牵涉面很多，水源安全问题、工艺安全问题、水质安全问题、管网安全问题、二次供水安全问题等等，都会给供水过程带来风险，如果处理不当势必给城市经济、生活带来危害。因此，在供水调度决策中安全应该作为首要目标。在这一目标下，要能够解决风险发生的预警机制、风险化解的应急机制、风险处理的预案机制等决策方法，将风险将降低到最小，也就是将供水安全提升为最大。．
3．1．2． 合理一供水调度的管理决策
在供水过程中也要突出以人为本的人文思想。要考虑供水资源的合理配置，要考虑水厂生产的均衡有序，要考虑经济、生活的实际需要。最经济的调度决策方案未必是最合理的方案，合乎情理与合乎利益之间必须有一个平衡点。
3．1．3． 优化一供水调度的业务决策
在满足了安全、合理的目标需求后，调度的优化问题也不容忽视。节能降耗是永恒的话题，精细化生产是现代企业的一种追求，但优化调度只是一种企业行为，或者说是供水系统内部的问题，优化调度是不能脱离安全与合理社会层面上的诉求的。
3．2．基于知识驱动的调度决策方法
3.2 .11人工经验调度